專利名稱：非球面軌跡成形加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)零件加工方法及裝置。
在光學(xué)系統(tǒng)中采用非球面零件，具有球面零件無法比擬的優(yōu)越性，但由于非球面加工及檢測的困難，長期以來一直未能得到廣泛應(yīng)用?？墒侨藗円恢辈粩嗯μ剿鞣乔蛎婕庸づc檢測技術(shù)，促使非球面加工技術(shù)有了較快的發(fā)展和應(yīng)用。
至今為止人們所研究出的各種非球面加工方法己有幾十種，按其加工原理，大體上可分為四大類；去除加工、附加加工、變形加工和變質(zhì)工方法。盡管加工方法很多，除了傳統(tǒng)的手工加工和數(shù)控加工方法之外，絕大部分都是針對某一種形狀和某一種尺寸的非球面。但至今為止，在加工效率、加工精度以及通用性等方面兼優(yōu)的方法一種也沒有。
目前國內(nèi)外加工非球面零件，普遍采用的是傳統(tǒng)的手工研磨拋光和數(shù)控車削或數(shù)控研磨拋光或數(shù)控磨削的去除加工方法進行單件少量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的手工研磨拋光方法，雖然能夠加工出高精度非球面零件，但要求操作者具有豐富的經(jīng)驗和很高的技巧，而且由于加工重復(fù)性差、加工周期長、成本高，無法適應(yīng)批量生產(chǎn)的需求。為了解決加工周期長，加工成本高的問題，在相當長時期人們一直在利用機構(gòu)或靠模成形軌跡的方法中尋找解決方法，機構(gòu)或靠模的成形方法雖然加工效率高、表面粗糙度也容易保證，但所得到的加工軌跡的形狀誤差較大，很難加工出高精度非球面零件，而且由于機構(gòu)或靠模成形軌跡的單一性，也無法適用于多種形狀各種尺寸的非球面零件的加工。所以利用機構(gòu)或靠模成形的方法，只能適用于某一種形狀和特定尺寸的中低精度非球面零件的批量生產(chǎn)。
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，人們放棄了機構(gòu)或靠模成形軌跡的方法，轉(zhuǎn)向用數(shù)控技術(shù)解決非球面零件的方法。數(shù)控加工的實質(zhì)是用數(shù)控研磨拋光的方法逐漸逼近設(shè)計要求的面形或者用數(shù)控車削或磨削方法，使車刀或磨輪按編制好的軌跡程序運動得到要求的非球面形狀。數(shù)控加工屬于柔性加工技術(shù)，適用于多種形狀多種尺寸的非球面零件的加工，但高精度的面形的獲得必須在反復(fù)檢測與反復(fù)修磨才能得到，而且加工設(shè)備昂貴，操作技術(shù)復(fù)雜，是屬于一種專家操作技術(shù)。雖然它比傳統(tǒng)的手工研磨拋光方法容易加工出高精度非球面零件，但加工周期仍然較長、加工成本高，不適用于批量生產(chǎn)。就目前狀況而言，還沒有可與球面零件的加工技術(shù)相比擬的非球面加工技術(shù)，既適用于單件又適用于批量的高效加工技術(shù)。
非球面零件加工方法主要是從傳統(tǒng)的手工加工方法，到機構(gòu)或靠模的成形軌跡方法，再發(fā)展到數(shù)控加工方法。從這一發(fā)展變革中可以看出，人們不斷探索的關(guān)鍵技術(shù)的核心是如何獲得準確的非球面成形軌跡，并能高效精確地加工出高精度的非球面零件的方法。
光學(xué)系統(tǒng)中采用的非球面的種類很多，其中軸對稱非球面用的最多，而且軸對稱非球面的加工難度大。在軸對稱非球面中大多數(shù)是由橢圓、拋物線和雙曲線等二次曲線形成的曲面，此外，還有少量的高次非球面零件。本發(fā)明的目的是針對上述加工非球面零件的方法及裝置存在的問題，創(chuàng)造了一種非球面軌跡成形加工的方法及裝置，它既適用于多種形狀、各種尺寸的單件加工，又適用于高效低成本地批量生產(chǎn)需求。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，即提供一種非球面零件的加工方法，包括凸凹二次非球面和高次非球面的粗磨、精磨和超精磨(或拋光)加工，其特征在于所說的二次非球面零件的加工方法的步驟是，根據(jù)設(shè)計所給出的二次曲線方程式通過數(shù)學(xué)計算在圓錐體求得正確截取軌跡的參數(shù)α、φ和L，或是通過試加工方法確定合適的曲線軌跡；用一個軌跡截取體在一個圓錐體上截取軌跡，即將圓錐體安裝到設(shè)置有軌跡截取體的非球面零件軌跡成形裝置上，并按上述求得的參數(shù)確定圓錐體與截取體的相對位置；零件在轉(zhuǎn)動的同時與圓錐體一起繞擺動軸擺動，使圓錐體上所截取到的準確軌跡曲線十分精確地轉(zhuǎn)移到零件上形成非球面，即可在加工過程中精確地把所截得的軌跡轉(zhuǎn)移到零件上，獲得二次非球面零件；所說的凸或凹的高次非球面零件的加工軌跡的獲得是，可由其他方法加工出準確的平面樣板取代設(shè)在裝置上的圓錐體，即可把平面樣板上的高次曲線精確地轉(zhuǎn)移到零件上，獲得高次非球面零件。
本發(fā)明還提供一種用于實施上述加工方法的裝置，它是由擺動臺、推力支塊、推力器、零件軸驅(qū)動電機、圓錐體移動絲杠、導(dǎo)座、零件安裝軸、支座、磨輪、支架、軌跡截取體、圓錐體、床身、擺動軸、擺動軸電機、零件軸箱體等組成，磨輪安裝于支架上，軌跡截取體可前后上下移動地安裝于支架上，支架固定于床身上，圓錐體可調(diào)角度地安裝在支座上，支座固定于導(dǎo)座上，導(dǎo)座可沿著零件軸箱體的底部導(dǎo)軌滑動，擺動軸電機驅(qū)動擺動臺繞擺動軸擺動，零件裝夾于零件安裝軸的前端，隨軸自轉(zhuǎn)的同時與圓錐體一起隨擺動臺以零件的半張角繞擺動軸擺動，所述推力支塊固定于擺動臺上，在推力支塊與零件軸箱體之間裝有推力器，使圓錐體與軌跡截取體始終處于接觸狀態(tài)。
其中，所述的零件安裝軸的軸線、圓錐體的軸線與擺動軸的軸線在垂直平面內(nèi)要求共面，所述零件安裝軸的軸線與磨輪的軸線在水平面內(nèi)要求共面。
所述的加工方法，它可加工零件的材質(zhì)為玻璃、陶瓷、晶體和金屬的非球面光學(xué)或機械零件。
本發(fā)明是由準確地截得設(shè)計所給定的二次曲線方程軌跡的創(chuàng)新原理和在加工過程中把所截得的軌跡精確地轉(zhuǎn)移到零件上成形非球面的創(chuàng)新技術(shù)，來實現(xiàn)非球面軌跡成形的加工方法及裝置。
以下結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的較佳實施例。其中

圖1為在圓錐體上截取軌跡示意圖；圖2為加工凸非球面零件的裝置示意圖；圖3為加工凹非球面零件的裝置示意圖；圖4為加工凹非球面零件時采用圓柱型磨輪的示意圖。
如圖1所示，為在圓錐體截取軌跡示意圖。在半頂角為α的圓錐體上，從頂點A到沿圓錐體母線距離為L的某一點D上，如果用一個平面a-a截圓錐體，平面與圓錐體的軸線夾角為φ1＝90°時，可切得一個圓的曲線方程的軌跡；如果平面b-b與圓錐體軸線夾角為90°＞φ2＞α范圍內(nèi)時，可切得一個橢圓的曲線方程的軌跡；如果平面c-c與圓錐體軸線夾角為φ3＝α?xí)r，可切得一個拋物線的曲線方程的軌跡；如果平面d-d與圓錐體軸線夾角為α＞φ4＞-α范圍內(nèi)時，可切得一個雙曲線的曲線方程的軌跡?？傊O(shè)計所給定的任何一個二次曲線方程軌跡，只要求得與所給定的二次曲線方程式相關(guān)的參數(shù)α、φ和L，就可以在圓錐體上均可截得。如何求得α、φ和L值的問題，可通過數(shù)學(xué)計算就可求得α、φ和L的精確值，或采用試加工方法確定合適的曲線軌跡。其實圓錐體13加工出后，圓錐體的半頂角α已確定，所以實際上只計算φ和L值就可截得給定的曲線。具體截取準確的軌跡，并精確地轉(zhuǎn)移到零件上的原理和技術(shù)如圖2、圖3和圖4所示。根據(jù)求得的α、φ、和L的精確值，確定圓錐體13和軌跡截取體12的準確位置。并使非球面零件9最接近圓的圓心與擺動軸軸線15對齊，使軌跡截取體12及圓錐體13的接觸點D與磨輪的磨削面保持在同一垂直線上，而且在較小的推力作用下，使圓錐體13與軌跡截取體12始終處于接觸狀態(tài)。此時，擺動軸電機16啟動擺動臺1擺動，即可在圓錐體上劃出設(shè)計所給出的準確的二次曲線方程的軌跡，在此基礎(chǔ)上啟動磨輪10和零件9轉(zhuǎn)動，并使零件向磨輪作微小進給移動，那么，磨輪按截取到的軌跡，精確地磨除零件上的余量，經(jīng)多次磨削，余量全部磨除后，可使截得的軌跡精確地轉(zhuǎn)移到零件9上，獲得與設(shè)計所給定的曲線方程軌跡完全一致的高精度二次非球面。
圖2為加工凸非球面零件的裝置示意圖，由擺動臺1、推力支塊2、推力器3、零件軸驅(qū)動電機4、圓錐體移動絲杠5、導(dǎo)座6、零件安裝軸7、支座8、磨輪10、支架11、軌跡截取體12、圓錐體13、床身14、擺動軸驅(qū)動電機16和零件軸箱體17等構(gòu)成。零件9繞零件軸7轉(zhuǎn)動的同時與圓錐體13一起隨擺動臺1繞擺動軸15在零件的半張角范圍內(nèi)擺動。圓錐體13在彈簧推力器3的推力作用下，靠緊軌跡截取體12。該裝置上設(shè)有一零件軸箱體17，箱體17可在擺動臺1上沿縱向滑動，在固定于擺動臺1的推力支塊2與箱體17之間設(shè)有推力器3，圖2所示推力器3是用彈簧的推力，也可用重錘的拉力取代。軌跡截取體12可設(shè)置在支架11上，也可以設(shè)置在床身14上，并能在前后、上下移動，軌跡截取體12的端部應(yīng)與磨輪10相匹配，以便保證軌跡準確地被截取和精確地轉(zhuǎn)移到零件9上，磨輪10也安裝在支架11上，即軌跡截取體12與磨輪固聯(lián)一起，圓錐體13安裝在支座8上，可通過調(diào)整方法使圓錐體軸線與軸15構(gòu)成一個計算得到的φ夾角。支座8固定于導(dǎo)座6上，導(dǎo)座6固定在箱體17的底部導(dǎo)軌上，旋轉(zhuǎn)絲杠5可使導(dǎo)座6沿導(dǎo)輪滑動，使圓錐體13前后移動，當圓錐體13向后移動時箱體17向前移動，使零件9與磨輪10相接觸，從而去除零件上的加工余量，同時圓錐體13上被軌跡截取體截得的曲線軌跡精確地被轉(zhuǎn)移到零件9上，形成凸非球面。
圖3、圖4是加工凹非球面的示意圖。加工凹非球面時磨輪半徑要小于零件半徑，對較大曲率半徑的凹非球面，可采用如圖3所示形狀的圓盤磨輪，對曲率半徑較小的凹非球面零件，應(yīng)采用如圖4所示的圓柱形磨輪。
如果要加工凸或凹的高次非球面，用一個凸或凹的高次非球面平面樣板，取代圓錐體即可。
圖2是加工凸非球面的狀況，圓錐體13與軌跡截取體12的接觸點D均在擺動軸軸線15的右側(cè)，圖3和圖4是加工凹非球面的狀況，圓錐體13與軌跡截取體12的接觸點D均在擺動軸軸線15的左側(cè)，而且磨輪的半徑小于零件的曲率半徑才能夠?qū)崿F(xiàn)加工。
本發(fā)明其裝置中如果磨輪10安裝在擺動臺1上自轉(zhuǎn)的同時擺動，零件9安裝在支架11上只轉(zhuǎn)動，圓錐體13與軌跡截取體12的位置對調(diào)，也能達到本發(fā)明的加工目的。
本發(fā)明的有益效果如下，其一是通用性好，由于二次曲線為圓錐曲線，因此設(shè)計所給定的圓、橢圓、拋物線、雙曲線等的各種不同尺寸的二次曲線均可以從圓錐體13上截得，而且截得的軌跡十分準確；其二是精確度高，設(shè)計所給定的二次曲線方程y2＝f(x)，用推導(dǎo)出的計算公式，可求得α、φ和L參數(shù)的精確數(shù)值，因此，設(shè)計所給定的曲線方程的準確軌跡容易確定，而且精確度高；其三是裝置的軌跡轉(zhuǎn)移機構(gòu)簡單可靠，而且通過微調(diào)方法，調(diào)整φ及L的值來消除面形誤差，所以能夠使截得的曲線軌跡精確的轉(zhuǎn)移到零件9上，從而，可獲得高精度的非球面面形；其四是加工效率高、成本低，由于容易截得準確的加工軌跡，并能在加工過程中精確地轉(zhuǎn)移軌跡，而且在一次裝夾中能夠進行粗磨、精磨和超精磨(或拋光)等工序，所以加工效率高、成本低；其五是操作技術(shù)簡單易行，不必由專家來操作，對操作者技術(shù)水平要求不高，極易推廣普及，所以應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)加工非球面光學(xué)零件，能夠有效地解決非球面零件的加工難題，其加工效率和成本將接近現(xiàn)行的加工球面光學(xué)零件的加工效率和成本。
以上所述為本發(fā)明的較佳實施例，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍，凡依本發(fā)明的權(quán)利要求范圍所作的等效變化與修飾，均屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非球面軌跡成形加工方法，包括凸凹二次非球面和高次非球面的粗磨、精磨和超精磨(或拋光)加工，其特征在于所說的二次非球面零件的加工方法的步驟是，根據(jù)設(shè)計所給出的二次曲線方程式通過數(shù)學(xué)計算在圓錐體求得正確截取軌跡的參數(shù)α、φ和L，或是通過試加工方法確定合適的曲線軌跡；用一個軌跡截取體在一個圓錐體上截取軌跡，即將圓錐體安裝到設(shè)置有軌跡截取體的非球面零件軌跡成形裝置上，并按上述求得的參數(shù)確定圓錐體與截取體的相對位置；零件在轉(zhuǎn)動的同時與圓錐體一起繞擺動軸擺動，使圓錐體上所截取到的準確軌跡曲線十分精確地轉(zhuǎn)移到零件上形成非球面，即可在加工過程中精確地把所截得的軌跡轉(zhuǎn)移到零件上，獲得二次非球面零件；所說的凸或凹的高次非球面零件的加工軌跡的獲得是，可由其他方法加工出準確的平面樣板取代設(shè)在裝置上的圓錐體，即可把平面樣板上的高次曲線精確地轉(zhuǎn)移到零件上，獲得高次非球面零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于當圓錐體與軌跡截取體的接觸點均在擺動軸軸線的右側(cè)時，可加工凸非球面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于當圓錐體與軌跡截取體的接觸點均在擺動軸軸線的左側(cè)時，可加工凹非球面，此時磨輪半徑須小于被加工非球面最接近圓的半徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于當圓錐體與軌跡截取體的位置確定后，使零件向磨輪做進給移動，以去除加工余量，所述軌跡截取體及圓錐體的接觸點與磨輪的磨削面應(yīng)保持在同一垂直線上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工方法，其特征在于它可加工零件的材質(zhì)為玻璃、陶瓷、晶體和金屬的非球面光學(xué)或機械零件。
6.一種用于實施權(quán)利要求1所述的加工方法的裝置，其特征在于它是由擺動臺(1)、推力支塊(2)、推力器(3)、導(dǎo)座(6)、零件安裝軸(7)、支座(8)、磨輪(10)、支架(11)、軌跡截取體(12)、圓錐體(13)、床身(14)、擺動軸(15)、擺動軸電機(16)、零件軸箱體(17)等組成，磨輪(10)安裝于支架(11)上，軌跡截取體(12)可前后、上下移動地安裝于支架(11)上，支架(11)固定于床身(14)上，圓錐體(13)可調(diào)角度地安裝在支座(8)上，支座(8)固定于導(dǎo)座(6)上，導(dǎo)座(6)可沿著零件軸箱體(17)的底部導(dǎo)軌滑動，箱體(17)可在擺動臺(1)上沿縱向滑動，擺動軸電機(16)驅(qū)動擺動臺(1)繞擺動軸(15)擺動，零件(9)裝夾于軸(7)的前端，隨軸自轉(zhuǎn)的同時與圓錐體(13)一起隨擺動臺(1)以零件的半張角繞擺動軸(15)擺動，所述推力支塊(2)固定于擺動臺(1)上，在推力支塊(2)與零件軸箱體(17)之間裝有推力器(3)，使圓錐體(13)與軌跡截取體(12)始終處于接觸狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于磨輪(10)可以是盤形，也可以是圓柱形，當加工凸形非球面時盤形磨輪可由1片或2～3片疊加而成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述的零件安裝軸(7)的軸線、圓錐體(13)的軸線與擺動軸(15)的軸線在垂直平面內(nèi)要求共面，所述零件安裝軸(7)的軸線與磨輪(10)的軸線在水平面內(nèi)要求共面。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于磨輪(10)安裝在擺動臺(1)上自轉(zhuǎn)的同時擺動，零件(9)安裝在支架(11)上只轉(zhuǎn)動，圓錐體(13)與軌跡截取體(12)的位置對調(diào)，即軌跡截取體(12)與磨輪(10)一起擺動，也能達到本發(fā)明的加工目的。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于用一個凸或凹的高次非球面平板樣板替換圓錐體(13)即可加工凸或凹的高次非球面零件。
全文摘要
一種光學(xué)非球面零件的加工方法及裝置。在圓錐體上通過數(shù)學(xué)計算確定與所需曲線具有相同軌跡的截面,即確定該截面位置的參數(shù),把圓錐體裝到設(shè)有軌跡截取體的裝置上,軌跡截取體端與磨輪相匹配,圓錐體與零件聯(lián)動,零件轉(zhuǎn)動并與圓錐體一起繞擺動軸擺動,軌跡截取體與磨輪固聯(lián),從而加工過程中使圓錐體上所截取的曲線軌跡精確地轉(zhuǎn)移到零件上?？杉庸ね拱级畏乔蛎婧透叽畏乔蛎媪慵?。具有通用性好,精度高,效率高,成本低等優(yōu)點。
文檔編號B24B17/02GK1354070SQ00132770
公開日2002年6月19日 申請日期2000年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月17日
發(fā)明者樸承鎬, 蔡立 申請人:長春光學(xué)精密機械學(xué)院