CN108466107A - 一种利用离轴三反成像***的加工装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用离轴三反成像***的加工装置及加工方法，包括主轴、反射镜组、刀架和金刚石刀具，所述的超精密车床上安装有所述的主轴，所述的反射镜组分布在同一圆周上且该圆周安装于主轴上，所述的反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述的刀架设置于主轴对侧，刀架上安装有所述的金刚石刀具，金刚石刀具与运动控制***连接，本发明结构简单，使用方便，采用一体加工方式实现离轴反射***的加工，避免了装调误差，很好的保证离轴三反***的成像效果，反射镜可以采用面型更加复杂任意的自由曲面，可以得到更优越的光学性能，反射镜分布在同一圆周上，可以有效提高加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，尤其涉及一种利用离轴三反成像***的加工装置及加工方法。
背景技术
离轴反射***具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能力强、调制传递函数高等特点，是空间光学***、天文学和高精度测量***不可或缺的光学器件。离轴三反***是其最典型的应用，作为空间望远镜的核心部件，可以避免中心遮拦，还能减少***体积和重量，同时提高***的成像质量。
较传统共轴反射***，离轴反射***具有较好像质和较大视场。然而，传统***中反射镜设计自由度仅限于球面非球面等回转对称形状，这类面形比较适合于共光路***设计，对于离轴反射***当需要大视场和小F数的应用时，像质会因像差难以矫正而下降。为此，需要采用光学自由曲面提供更大的设计自由度，使成像质量得以改善。光学自由曲面是一种面形任意、非回转对称的光学表面，比较适合于光轴存在偏折变化的离轴***设计。
一般球面/非球面等回转对称形曲面可以通过对称光轴的特点进行辅助装调，但光学自由曲面没有参考面或参考轴，因此，虽然光学性能优良但***很难进行装调。目前，常见的自由曲面离轴三反成像***，一般只有一个自由曲面反射镜或两个自由曲面反射镜，其他曲面仍为传统回转曲面，目的就是减少***装调难度。在自由曲面离轴***装配过程中，一般需要在镜片侧面或反面加工特定的装配定位面，需要借助干涉仪或定心仪器对镜片进行逐一调整对正。通常***装配的成本和加工成本相当，并且随着反射***中镜片的数量的增加，难度和成本均不同程度的增加。
为降低自由曲面离轴***的装调难度，提高***的整体性能，有的离轴三反***设计方案将一镜（主镜）和三镜设计在了同一块毛坯上，形成组合镜片集成加工而避免两镜的装配。但这种形式仍存在一定的装调误差，因为，为了保证二镜和组合镜片的装配精度，一般二镜需要选用简单的球面或者非球面，并且需要在两个镜片上分别加工定位面。因此，如何最大限度地降低自由曲面离轴***装配成本和难度，成为离轴反射成像及超精密加工领域的重要任务，对于进一步推进自由曲面离轴***的深入应用具有现实意义。
发明内容
本发明提供了一种利用离轴三反成像***的加工装置，结构简单，使用方便，采用一体加工方式实现离轴反射***的加工，避免了装调误差，很好的保证离轴三反***的成像效果，反射镜可以采用面型更加复杂任意的自由曲面，可以得到更优越的光学性能，反射镜分布在同一圆周上，可以有效提高加工效率。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种利用离轴三反成像***的加工装置，包括主轴、反射镜组、刀架和金刚石刀具，所述的超精密车床上安装有所述的主轴，所述的反射镜组分布在同一圆周上且该圆周安装于主轴上，所述的反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述的刀架设置于主轴对侧，刀架上安装有所述的金刚石刀具，金刚石刀具与运动控制***连接。
作为本方案的优选实施例，所述的主轴的旋转轴和三组反射镜分布的圆周的轴线同轴。
作为本方案的优选实施例，所述的金刚石刀具下部设有X方向运动轨道和Z方向运动轨道，其X方向的运动与反射镜在不同旋转角度时表面高度有关，所述的Z方向的运动与刀具加工周期有关。
作为本方案的优选实施例，所述的金刚石刀具的回转圆周半径小于凹面反射镜曲率半径。
作为本方案的优选实施例，所述的金刚石刀具的回转圆周直径小于三组反射镜之间的最小间距。
作为本方案的优选实施例，所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜的位置在同一圆周上，且三组反射镜面型接近同一圆周曲率。
本发明一种利用离轴三反成像***的加工方法，包括以下步骤：
S1、依据基本光学指标要求进行离轴反射镜的初始结构的设计，反射镜的面形采用XY多项式进行建模；
S2、优化设计离轴反射***，设计中所有反射镜都使用自由曲面进行表达，设计中按照一定的优化原则进行***设计；
S3、按照离轴反射***设计方案进行***外形结构的设计，并将所有反射镜毛坯一并安装于***结构上；
S4、根据设计的离轴反射***结构，设计合理的刀架***；
S5、 将整个离轴反射***结构安装于机床，进行一体加工，即所有反射镜安装机床后不再卸载，设计加工方法将所有反射镜一体加工完成，所有反射镜的面形和位置完全由超精密机床的超高精度控制和保证。
S6、. 离轴反射***加工完毕后，即可安装相应的探测器。
8、根据权利要求7所述的一种利用离轴三反成像***的加工方法，其特征
在于，所述的XY多项式进行建模表达式为：
其中c，k分别为非球面的曲率和圆锥系数，A mn 为多项式系数。c=1/r为顶点曲率半径的倒数。一般来说XY多项式式中XY表达式部分的项数可以为35~40项；
所述的离轴反射镜的初始结构确定：根据***焦距f要求，确定刀具回转半径初始值R 0为1~2f；设置一镜和三镜的初始曲率半径为R 0，计算二镜的初始曲率半径为-2R 0；三个反射镜初始均布在半径为R 0的圆周上，初始结构中三个反射镜中的XY多项式的其余参数初值均为0；
所述的的优化原则：在优化设计中为了满足成像质量难免存在反射镜倾斜的情况，尽量控制其相对于回转圆周的倾斜量在一定数值范围内，一般取倾斜角在2°以内；
所述的合理的刀架***是指：在刀架设计时要考虑小于离轴反射***的最小回转直径，对于同步加工方式的圆周分布的反射镜来说，刀具回转直径要小于反射镜最靠近轴线的点所形成的最小回转直径；同时刀具回转半径要小于三个反射镜的顶点曲率半径数值；
所述的一体加工方式分为两种形式：（1）多个反射镜分布在同一个圆周上，并同时安装于超精密车床的主轴（C轴）上，主轴旋转轴和反射镜分布的圆周轴同轴，加工过程中主轴旋转一周，金刚石刀具在运动控制***伺服控制下，在不同旋转角度时根据表面高度变化进行X方向的运动控制，因此，对所有反射镜都按照所需面形各加工一刀，每加工一周刀具在Z轴控制下进行进给，实现所有表面的栅线加工，直至表面加工完整；（2）也可以选择金刚石刀具旋转的加工结构，金刚石刀具垂直主轴（C轴）轴线安装，并随着主轴（C轴）转动而旋转，离轴反射***放置于直线运动轴Z轴上，当刀具旋转一周时，刀具根据反射镜在不同角度上的面形分布在X轴和Y轴伺服控制，能实现周向分布上所有反射镜的全部加工，并沿着Z轴方向进给实现栅线加工，直至加工完所有反射镜。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
结构简单，使用方便，采用一体加工方式实现离轴反射***的加工，避免了装调误差，很好的保证离轴三反***的成像效果，反射镜可以采用面型更加复杂任意的自由曲面，可以得到更优越的光学性能，反射镜分布在同一圆周上，可以有效提高加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例的结构示意图；
图1中，1、主轴，2、刀架，3、金刚石刀具，4、第一反射镜，5、第二反射镜，6、第三反射镜，7、X方向运动轨道，8、Z方向运动轨道。
具体实施方式
本发明提供了一种利用离轴三反成像***的加工装置，结构简单，使用方便，采用一体加工方式实现离轴反射***的加工，避免了装调误差，很好的保证离轴三反***的成像效果，反射镜可以采用面型更加复杂任意的自由曲面，可以得到更优越的光学性能，反射镜分布在同一圆周上，可以有效提高加工效率。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
如图1所示，本实施例所述的一种利用离轴三反成像***的加工装置，包括主轴1、反射镜组、刀架2和金刚石刀具3，所述的超精密车床上安装有所述的主轴1，所述的反射镜组分布在同一圆周上且该圆周安装于主轴1上，所述的反射镜组包括第一反射镜4、第二反射镜5和第三反射镜6，所述的刀架2设置于主轴1对侧，刀架2上安装有所述的金刚石刀具3，金刚石刀具3与运动控制***连接。
其中，在实际应用中，所述的主轴1的旋转轴和三组反射镜分布的圆周的轴线同轴，从而保证加工精度。
其中，在实际应用中，所述的金刚石刀具3下部设有X方向运动轨道7和Z方向运动轨道8，其X方向的运动与反射镜在不同旋转角度时表面高度有关，所述的Z方向的运动与刀具加工周期有关，在不同旋转角度时根据表面高度变化进行X方向的运动控制，因此，对所有反射镜都按照所需面形各加工一刀，每加工一周刀具在Z轴控制下进行进给，实现所有表面的栅线加工，直至表面加工完整。
其中，在实际应用中，所述的金刚石刀具3的回转圆周半径小于凹面反射镜曲率半径，从而避免加工时与反射镜其他部分的干涉。
其中，在实际应用中，所述的金刚石刀具3的回转圆周直径小于三组反射镜之间的最小间距，从而避免加工时与其他反射镜的干涉。
其中，在实际应用中，所述的第一反射镜4、第二反射镜5和第三反射镜6的位置在同一圆周上，且三组反射镜面型接近同一圆周曲率，以避免刀具在X方向上过大的运动量而降低加工效率。
本实施例所述所述的一种利用离轴三反成像***的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、依据基本光学指标要求进行离轴反射镜的初始结构的设计，反射镜的面形采用XY多项式进行建模；
S2、优化设计离轴反射***，设计中所有反射镜都使用自由曲面进行表达，设计中按照一定的优化原则进行***设计；
S3、按照离轴反射***设计方案进行***外形结构的设计，并将所有反射镜毛坯一并安装于***结构上；
S4、根据设计的离轴反射***结构，设计合理的刀架***；
S5、 将整个离轴反射***结构安装于机床，进行一体加工，即所有反射镜安装机床后不再卸载，设计加工方法将所有反射镜一体加工完成，所有反射镜的面形和位置完全由超精密机床的超高精度控制和保证。
S6、. 离轴反射***加工完毕后，即可安装相应的探测器。
其中，在本实施例中，所述的XY多项式进行建模表达式为：
其中c，k分别为非球面的曲率和圆锥系数，A mn 为多项式系数。c=1/r为顶点曲率半径的倒数。一般来说XY多项式式中XY表达式部分的项数可以为35~40项；
所述的离轴反射镜的初始结构确定：根据***焦距f要求，确定刀具回转半径初始值R 0为1~2f；设置一镜和三镜的初始曲率半径为R 0，计算二镜的初始曲率半径为-2R 0；三个反射镜初始均布在半径为R 0的圆周上，初始结构中三个反射镜中的XY多项式的其余参数初值均为0；
所述的的优化原则：在优化设计中为了满足成像质量难免存在反射镜倾斜的情况，尽量控制其相对于回转圆周的倾斜量在一定数值范围内，一般取倾斜角在2°以内；
所述的合理的刀架***是指：在刀架设计时要考虑小于离轴反射***的最小回转直径，对于同步加工方式的圆周分布的反射镜来说，刀具回转直径要小于反射镜最靠近轴线的点所形成的最小回转直径；同时刀具回转半径要小于三个反射镜的顶点曲率半径数值；
所述的一体加工方式分为两种形式：（1）多个反射镜分布在同一个圆周上，并同时安装于超精密车床的主轴（C轴）上，主轴旋转轴和反射镜分布的圆周轴同轴，加工过程中主轴旋转一周，金刚石刀具在运动控制***伺服控制下，在不同旋转角度时根据表面高度变化进行X方向的运动控制，因此，对所有反射镜都按照所需面形各加工一刀，每加工一周刀具在Z轴控制下进行进给，实现所有表面的栅线加工，直至表面加工完整；（2）也可以选择金刚石刀具旋转的加工结构，金刚石刀具垂直主轴（C轴）轴线安装，并随着主轴（C轴）转动而旋转，离轴反射***放置于直线运动轴Z轴上，当刀具旋转一周时，刀具根据反射镜在不同角度上的面形分布在X轴和Y轴伺服控制，能实现周向分布上所有反射镜的全部加工，并沿着Z轴方向进给实现栅线加工，直至加工完所有反射镜。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种利用离轴三反成像***的加工装置，包括主轴（1）、反射镜组、刀架（2）和金刚石刀具（3），其特征在于，所述的超精密车床上安装有所述的主轴（1），所述的反射镜组分布在同一圆周上且该圆周安装于主轴（1）上，所述的反射镜组包括第一反射镜（4）、第二反射镜（5）和第三反射镜（6），所述的刀架（2）设置于主轴（1）对侧，刀架（2）上安装有所述的金刚石刀具（3），金刚石刀具（3）与运动控制***连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用离轴三反成像***的加工装置，其特征在于，所述的主轴（1）的旋转轴和三组反射镜分布的圆周的轴线同轴。
3.根据权利要求1所述的一种利用离轴三反成像***的加工装置，其特征在于，所述的金刚石刀具（3）下部设有X方向运动轨道（7）和Z方向运动轨道（8），其X方向的运动与反射镜在不同旋转角度时表面高度有关，所述的Z方向的运动与刀具加工周期有关。
4.根据权利要求1所述的一种利用离轴三反成像***的加工装置，其特征在于，所述的金刚石刀具（3）的回转圆周半径小于凹面反射镜曲率半径。
5.根据权利要求1所述的一种利用离轴三反成像***的加工装置，其特征在于，所述的金刚石刀具（3）的回转圆周直径小于三组反射镜之间的最小间距。
6.根据权利要求1所述的一种利用离轴三反成像***的加工装置，其特征在于，所述的第一反射镜（4）、第二反射镜（5）和第三反射镜（6）的位置在同一圆周上，且三组反射镜面型接近同一圆周曲率。
7.一种利用离轴三反成像***的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、依据基本光学指标要求进行离轴反射镜的初始结构的设计，反射镜的面形采用XY多项式进行建模；
S2、优化设计离轴反射***，设计中所有反射镜都使用自由曲面进行表达，设计中按照一定的优化原则进行***设计；
S3、按照离轴反射***设计方案进行***外形结构的设计，并将所有反射镜毛坯一并安装于***结构上；
S4、根据设计的离轴反射***结构，设计合理的刀架***；
S5、 将整个离轴反射***结构安装于机床，进行一体加工，即所有反射镜安装机床后不再卸载，设计加工方法将所有反射镜一体加工完成，所有反射镜的面形和位置完全由超精密机床的超高精度控制和保证；S6、. 离轴反射***加工完毕后，即可安装相应的探测器。
8.根据权利要求7所述的一种利用离轴三反成像***的加工方法，其特征在于，所述的XY多项式进行建模表达式为：
其中c，k分别为非球面的曲率和圆锥系数，A mn 为多项式系数，10. c=1/r为顶点曲率半径的倒数；
一般来说XY多项式式中XY表达式部分的项数可以为35~40项；
所述的离轴反射镜的初始结构确定：根据***焦距f要求，确定刀具回转半径初始值R 0为1~2f；设置一镜和三镜的初始曲率半径为R 0，计算二镜的初始曲率半径为-2R 0；三个反射镜初始均布在半径为R 0的圆周上，初始结构中三个反射镜中的XY多项式的其余参数初值均为0；
所述的的优化原则：在优化设计中为了满足成像质量难免存在反射镜倾斜的情况，尽量控制其相对于回转圆周的倾斜量在一定数值范围内，一般取倾斜角在2°以内；
所述的合理的刀架***是指：在刀架设计时要考虑小于离轴反射***的最小回转直径，对于同步加工方式的圆周分布的反射镜来说，刀具回转直径要小于反射镜最靠近轴线的点所形成的最小回转直径；同时刀具回转半径要小于三个反射镜的顶点曲率半径数值；
所述的一体加工方式分为两种形式：（1）多个反射镜分布在同一个圆周上，并同时安装于超精密车床的主轴（C轴）上，主轴旋转轴和反射镜分布的圆周轴同轴，加工过程中主轴旋转一周，金刚石刀具在运动控制***伺服控制下，在不同旋转角度时根据表面高度变化进行X方向的运动控制，因此，对所有反射镜都按照所需面形各加工一刀，每加工一周刀具在Z轴控制下进行进给，实现所有表面的栅线加工，直至表面加工完整；（2）也可以选择金刚石刀具旋转的加工结构，金刚石刀具垂直主轴（C轴）轴线安装，并随着主轴（C轴）转动而旋转，离轴反射***放置于直线运动轴Z轴上，当刀具旋转一周时，刀具根据反射镜在不同角度上的面形分布在X轴和Y轴伺服控制，能实现周向分布上所有反射镜的全部加工，并沿着Z轴方向进给实现栅线加工，直至加工完所有反射镜。
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