CN104290002A - 一种柱面镜的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柱面镜的加工方法，包括：取毛坯，铣磨毛坯基准面；用蜡将毛坯粘接在工装上；将带毛坯工装置于铣磨设备工件轴上，使用千分表打表毛坯基准面，夹紧；编程铣磨待加工柱面；测量加工柱面面型数据；比较面型数据，如Rt值大于1μm，则修正铣磨；如Rt值小于1μm，则进行抛光；如抛光后工件的加工柱面Rt值和Ra值符合预期要求，将工件从工装上拆下，清洗，即得。本发明的柱面镜的加工方法，提高了柱面镜的加工效率和加工精度，可加工高精度的柱面镜；有效地降低了加工难度和检测难度，避免了废品的产生，降低了加工废品率；工艺简单，操作方便，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光学制造技术领域，具体涉及一种柱面镜的加工方法。
背景技术
柱面镜是一种非轴对称的特殊非球面透镜，能在一维提供最佳光焦度，在与其正交的另一维等于一平面，这个特点使其在一些特殊领域获得重要应用。随着科学的发展，柱面镜的应用领域不断扩大，其精度要求也越来越高。但由于柱面镜没有旋转对称轴，它的加工和检测特别是高精度的加工和检测比较困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种柱面镜的加工方法，解决现有柱面镜的加工精度比较低的问题。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种柱面镜的加工方法，包括下列步骤：
1）取四棱柱型毛坯，对与待加工柱面相邻的一长边侧面进行铣磨，控制该面的平行度为0.002，将该面作为毛坯基准面；
2）加热使蜡熔化，将毛坯上与待加工柱面相对的一面涂蜡后，将待加工柱面朝上，毛坯基准面靠紧工装的限位结构，将毛坯粘接在工装上，待蜡冷却后，得带毛坯工装；
3）将带毛坯工装置于铣磨设备工件轴上，将千分表固定于铣磨设备Z轴上，打表毛坯基准面，控制平行度为0.005以内，夹紧；
4）编程铣磨待加工柱面，铣磨时工件轴在零位保持不动；
5）取编程铣磨后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值和Ra值；
6）比较面型数据，如步骤5）所得加工柱面的Rt值大于1μm，则进行步骤7）；
如步骤5）所得加工柱面的Rt值小于或等于1μm，则进行步骤8）；
7）将得到的加工柱面面型数据反馈至铣磨设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据进行修正铣磨，铣磨后返回步骤5）；
例如某点的检测面型X、Y、Z的值为（2.5、3、1.2），则反向后为（2.5、3、-1.2）；
8）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面；
例如某点的检测面型X、Y、Z的值为（2.5、3、1.2），则反向后为（2.5、3、-1.2）；
9）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值和Ra值；如加工柱面的Rt值和Ra值不符合预期要求，返回步骤8）；
如加工柱面的Rt值和Ra值符合预期要求，进行步骤10）；
10）将抛光后的工件从工装上拆下，清洗，即得一面加工完毕的柱面镜。
所述工装包括本体，本体上表面设有通槽，通槽底面中部设有贯通本体的通孔；所述通槽槽口的口沿形成用于支撑工件的支撑面，一边的所述支撑面上设有限位结构。
所述限位结构为限位沿，所述限位沿面对通槽的一面为用于与毛坯的基准面靠紧的限位靠面。
步骤3）中是使用磁力表座将千分表固定在铣磨设备Z轴上。
步骤4）中所述编程铣磨待加工柱面是采用蝶形砂轮铣磨三遍柱面。
步骤4）中所述编程铣磨待加工柱面是第一遍采用蝶形粗磨砂轮进行铣磨，第二遍采用蝶形精磨砂轮进行铣磨，第三遍采用蝶形超精磨砂轮进行铣磨。
所述粗磨砂轮的粒度为D91，金刚石含量C35；所述精磨砂轮的粒度为D20，金刚石含量C50；所述超精磨砂轮的粒度为D18，金刚石含量C75。
步骤5）中测量加工柱面面型数据的方法是：将编程铣磨后的工件置于转台上，首先沿柱面母线方向测量，得到柱面Y、Z方向的面型数据；然后旋转转台90°，沿柱面半径方向测量，得到柱面X、Z方向的面型数据；将两组面型数据按坐标值结合，得到包含X、Y、Z坐标的柱面面型数据，即柱面的Rt值和Ra值。
步骤8）中所述抛光是尺寸为的抛光模进行抛光。
将步骤10）所得一面加工完毕的柱面镜重复步骤2）～10）的操作，即得两面加工完毕的柱面镜。
本发明的柱面镜的加工方法，基于计算机控制光学表面成型技术，使用数控机床实现对柱面的加工；由高精度光学面形测量仪器测量柱面的面形误差，取得当前表面的面形数据，将面形数据与预期的面形比较，为下一个加工周期提供面形数据，如此周而复始，直到得到符合要求的光学表面；通过设计高精度的工装，保证工件二次粘接位置的一致性。毛坯铣磨基准面，打表毛坯基准面装夹，保证零件与设备工具轴的平行关系，从而控制柱面的偏心。
本发明的柱面镜的加工方法，采用计算机控制光学表面成型技术，精确控制柱面的面型；灵活运用测量设备测量柱面，直观地反映出实际表面与预期表面的差值，并根据差值生成反向图形，用反向图形再次加工表面，从而修正表面；经过多次的测量、反馈、修正表面，提高表面精度至符合要求；本发明的方法，提高了柱面镜的加工效率和加工精度，可加工高精度的柱面镜；有效地降低了加工难度和检测难度，避免了废品的产生，降低了加工废品率；工艺简单，操作方便，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1所要加工的柱面镜的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为实施例1所用工装的结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为加工第一面时带毛坯工装的结构示意图；
图6为加工第一面时带毛坯工装安装结构示意图；
图7为加工第一面时编程铣磨柱面的示意图；
图8为图7的俯视图，图中虚线箭头为砂轮运行轨迹；
图9为加工第二面时带毛坯工装的结构示意图；
图10为加工第二面时抛光柱面的示意图；
图11为图10的俯视图，图中虚线箭头为抛光模运行轨迹。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例所要加工的柱面镜的外形如图1、2所示，工艺要求为：
外形尺寸，长237.7、宽
柱面曲率半径，凹面R-107.5、凸面R+107.5；
面形精度Rt≤0.4μm、Ra≤0.04μm；
中心偏差χ≤1.2′；
中心厚度尺寸8±0.1；
表面疵病等级B=Ⅴ。
本实施例的柱面镜的加工方法，包括下列步骤：
加工第一面R+107.5：
1）取四棱柱型毛坯，该毛坯长237.7，宽厚度22，对与待加工柱面相邻的一长边侧面进行铣磨，控制该面的平行度为0.002，将该面作为毛坯基准面；
取本实施例所用工装，所述工装如图3、4所示，包括本体1，本体1上表面设有通槽2，通槽2底面中部设有贯通本体1的通孔3；所述通槽2槽口的口沿形成用于支撑工件的支撑面4，一边的所述支撑面4上设有限位结构；所述限位结构为限位沿5，所述限位沿5面对通槽2的一面为用于与毛坯的基准面靠紧的限位靠面6；
2）加热使蜡熔化，将毛坯上与待加工柱面相对的一面涂蜡后，如图5所示，将待加工柱面朝上，毛坯基准面9靠紧工装7的限位靠面，将毛坯8粘接在工装7上，待蜡冷却后，工装的支撑面与毛坯之间形成蜡层10，得带毛坯工装；
3）将带毛坯工装置于铣磨设备工件轴上，如图6所示，工件轴13上带液压膨胀夹头，将带毛坯8的工装7放入夹头孔内，用磁力表座15将千分表14固定于铣磨设备Z轴上，手动操控Z轴移动，打表毛坯基准面，控制平行度为0.004，扭旋液压膨胀夹头的旋钮，夹紧；
4）编程铣磨待加工柱面R+107.5，采用碟形粗磨砂轮铣磨一遍待加工柱面后中心厚度20.90，更换碟形精磨砂轮铣磨一遍柱面后厚度20.77，再用碟形超精磨砂轮铣磨一遍柱面后中心厚度20.72；铣磨时如图7、8所示，砂轮12顺时针转动，其在毛坯8的待加工柱面的运行轨迹如虚线箭头所示，工件轴在零位保持不动；
所述粗磨砂轮的粒度为D91，金刚石含量C35；所述精磨砂轮的粒度为D20，金刚石含量C50；所述超精磨砂轮的粒度为D18，金刚石含量C75。
5）取编程铣磨后的工件，将该工件置于转台上，首先沿柱面母线方向测量，得到柱面Y、Z方向的面型数据；然后旋转转台90°，沿柱面半径方向测量，得到柱面X、Z方向的面型数据；将两组面型数据按坐标值结合，得到包含X、Y、Z坐标的柱面面型数据，得加工柱面的Rt值1.53μm和Ra值0.19μm；
6）比较面型数据，所得加工柱面的Rt值为1.53μm，大于1μm，进入修正铣磨步骤；
7）将得到的加工柱面面型数据反馈至铣磨设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据进行修正铣磨；
8）测量加工柱面的面型数据，得加工柱面的的Rt值0.94μm和Ra值0.15μm；
9）比较面型数据，所得加工柱面的Rt值为0.94μm，小于1μm，进入抛光步骤；
10）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；
11）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.91μm和Ra值0.14μm；
12）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；
13）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.76μm和Ra值0.12μm；
14）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；
15）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.59μm和Ra值0.08μm；
16）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；
17）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.47μm和Ra值0.06μm；
18）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；
19）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.39μm和Ra值0.04μm；面型数据符合预期要求；
20）将抛光后的工件从工装上拆下，清洗，即得一面加工完毕的柱面镜。
加工第二面R-107.5：
1）加热使蜡熔化，将毛坯上与待加工柱面相对的一面涂蜡后，如图9所示，将待加工柱面朝上，毛坯基准面9靠紧工装7的限位靠面，将毛坯8粘接在工装上，待蜡冷却后，工装的支撑面与毛坯之间形成蜡层10，得带毛坯工装；
2）将带毛坯工装置于铣磨设备工件轴上，用磁力表座将千分表固定于铣磨设备Z轴上，手动操控Z轴移动，打表毛坯基准面，控制平行度为0.004，夹紧；
3）编程铣磨待加工柱面R-107.5，采用碟形粗磨砂轮铣磨一遍待加工柱面后中心厚度8.25，更换碟形精磨砂轮铣磨一遍柱面后厚度8.14，再用碟形超精磨砂轮铣磨一遍柱面后中心厚度8.09；铣磨时工件轴在零位保持不动；
4）取编程铣磨后的工件，将该工件置于转台上，首先沿柱面母线方向测量，得到柱面Y、Z方向的面型数据；然后旋转转台90°，沿柱面半径方向测量，得到柱面X、Z方向的面型数据；将两组面型数据按坐标值结合，得到包含X、Y、Z坐标的柱面面型数据，得加工柱面的Rt值1.49μm和Ra值0.18μm；
5）比较面型数据，所得加工柱面的Rt值为1.49μm，大于1μm，进入修正铣磨步骤；
6）将得到的加工柱面面型数据反馈至铣磨设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据进行修正铣磨；
7）测量加工柱面的面型数据，得加工柱面的的Rt值0.89μm和Ra值0.14μm；
8）比较面型数据，所得加工柱面的Rt值为0.89μm，小于1μm，进入抛光步骤；
9）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；抛光时，如图10、11所示，抛光模12逆时针转动，其在毛坯8的待加工柱面的运行轨迹如虚线箭头所示；
10）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.83μm和Ra值0.14μm；
11）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；
12）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.78μm和Ra值0.13μm；
13）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；
14）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.62μm和Ra值0.09μm；
15）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；
16）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.54μm和Ra值0.06μm；
17）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；
18）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.45μm和Ra值0.05μm；
19）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面，选用的小尺寸抛光模进行抛光；
20）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值0.38μm和Ra值0.04μm；面型数据符合预期要求；
21）将抛光后的工件从工装上拆下，清洗，即得两面加工完毕的柱面镜。
本实施例所用主要设备名称及型号如下：
铣磨设备：光学加工中心，型号MCG250；
测量设备：轮廓仪，型号PGI1240；
抛光设备：机械手抛光设备，型号MCP250。
Claims (10)
1.一种柱面镜的加工方法，其特征在于：包括下列步骤：
1）取四棱柱型毛坯，对与待加工柱面相邻的一长边侧面进行铣磨，控制该面的平行度为0.002，将该面作为毛坯基准面；
2）加热使蜡熔化，将毛坯上与待加工柱面相对的一面涂蜡后，将待加工柱面朝上，毛坯基准面靠紧工装的限位结构，将毛坯粘接在工装上，待蜡冷却后，得带毛坯工装；
3）将带毛坯工装置于铣磨设备工件轴上，将千分表固定于铣磨设备Z轴上，打表毛坯基准面，控制平行度为0.005以内，夹紧；
4）编程铣磨待加工柱面，铣磨时工件轴在零位保持不动；
5）取编程铣磨后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值和Ra值；
6）比较面型数据，如步骤5）所得加工柱面的Rt值大于1μm，则进行步骤7）；
如步骤5）所得加工柱面的Rt值小于或等于1μm，则进行步骤8）；
7）将得到的加工柱面面型数据反馈至铣磨设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据进行修正铣磨，铣磨后返回步骤5）；
8）将得到的加工柱面面型数据反馈至抛光设备，生成以X、Y平面为对称面的Z值的反向数据（X，Y，-Z），用此数据抛光柱面；
9）取抛光后的工件，测量加工柱面面型数据，得加工柱面的Rt值和Ra值；如加工柱面的Rt值和Ra值不符合预期要求，返回步骤8）；
如加工柱面的Rt值和Ra值符合预期要求，进行步骤10）；
10）将抛光后的工件从工装上拆下，清洗，即得一面加工完毕的柱面镜。
2.根据权利要求1的所述的柱面镜的加工方法，其特征在于：所述工装包括本体，本体上表面设有通槽，通槽底面中部设有贯通本体的通孔；所述通槽槽口的口沿形成用于支撑工件的支撑面，一边的所述支撑面上设有限位结构。
3.根据权利要求1或2的所述的柱面镜的加工方法，其特征在于：所述限位结构为限位沿，所述限位沿面对通槽的一面为用于与毛坯的基准面靠紧的限位靠面。
4.根据权利要求1的所述的柱面镜的加工方法，其特征在于：步骤3）中是使用磁力表座将千分表固定在铣磨设备Z轴上。
5.根据权利要求1的所述的柱面镜的加工方法，其特征在于：步骤4）中所述编程铣磨待加工柱面是采用蝶形砂轮铣磨三遍柱面。
6.根据权利要求5的所述的柱面镜的加工方法，其特征在于：步骤4）中所述编程铣磨待加工柱面是第一遍采用蝶形粗磨砂轮进行铣磨，第二遍采用蝶形精磨砂轮进行铣磨，第三遍采用蝶形超精磨砂轮进行铣磨。
7.根据权利要求6的所述的柱面镜的加工方法，其特征在于：所述粗磨砂轮的粒度为D91，金刚石含量C35；所述精磨砂轮的粒度为D20，金刚石含量C50；所述超精磨砂轮的粒度为D18，金刚石含量C75。
8.根据权利要求1的所述的柱面镜的加工方法，其特征在于：步骤5）中测量加工柱面面型数据的方法是：将编程铣磨后的工件置于转台上，首先沿柱面母线方向测量，得到柱面Y、Z方向的面型数据；然后旋转转台90°，沿柱面半径方向测量，得到柱面X、Z方向的面型数据；将两组面型数据按坐标值结合，得到包含X、Y、Z坐标的柱面面型数据，即柱面的Rt值和Ra值。
9.根据权利要求1的所述的柱面镜的加工方法，其特征在于：步骤8）中所述抛光是采用尺寸为的抛光模进行抛光。
10.根据权利要求1的所述的柱面镜的加工方法，其特征在于：将步骤10）所得一面加工完毕的柱面镜重复步骤2）～10）的操作，即得两面加工完毕的柱面镜。
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