,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,COMPANY,LOGO,Company Logo,Company Logo,目录,非球面光学零件的简介,1,非球面光学零件的加工方法,2,计算机控制光学表面成型技术,3,直径,76.2 mm,非球面数控加工工艺,4,数控非球面加工的影响因素,5,Company Logo目录非球面光学零件的简介1非球面光学,1,Part1.,非球面光学零件的简介,非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的光学元件。,Company Logo,Part1.非球面光学零件的简介 非球面光学元件，是指,2,1.1,非球面的分类：,二次曲面,单轴对称非球面,（抛物面、双曲面、椭圆面）,按对称轴的数量,回转高次曲面,二轴对称非球面：柱面、复曲面,大型非球面：,直径超过,0.5m,以上,按外形尺寸 中型非球面：,一般光学仪器中的非球面光学零件,微型非球面：,镜头口径,2-9mm,甚至,0.1-0.8mm,高精度非球面：,天文仪器中的主镜、用于摄谱仪中的物镜,按制造精度 中等精度非球面：,各种光学仪器中的物镜、目镜、反射镜,低精度非球面：,Company Logo,1.1非球面的分类：,3,1.2,非球面的优点,1.,具有优良的光学性能：无球差,2.,改善了成像质量,3.,简化了光学系统：,在光学系统中用一个非球面代替多个球面来校正像差。,4.,减轻了仪器的质量,Company Logo,1.2非球面的优点Company Logo,4,1.3,非球面光学零件的应用,非球面光学零件已广泛应用于航空机载设备、卫星、激光制导、红外探测等领域，同时在民用光电产品上的应用也越来越普及。光学系统中采用非球面元件，可以提高系统的性能，减少光学元件的数量，从而减轻仪器的质量，减小体积，紧凑结构。因此，非球面常常应用于大视场、大孔径，像差要求高，结构要求小，或有特殊要求的光学系统中，非球面光学零件因其优良的光学性能而日益成为一类非常重要的光学零件。,Company Logo,1.3非球面光学零件的应用Company Logo,5,正是由于光学非球面元件的广泛使用，使得光学非球面的加工技术得到了快速发展。近年来随着超精密微细加工技术的发展、高精密数控机床的出现，使非球面光学零件的加工技术有了长足的进展。,它提高了加工精度和加工质量，缩短了产品研制周期，实现了加工及检测的自动化、数字化，突破了传统的手工或半手工操作，从而提高了加工效率和制造精度。,Company Logo,正是由于光学非球面元件的广泛使用，使得光学非球面的加工技术得,6,1.4,非球面光学零件制造过程,非球面制造通常分为,非球面成形,和,光学面实现,两个工艺方面。,1,）非球面成形：就是通过研磨等方法使零件表面面形达到非球面要求，但是表面粗糙度还很大，还不是光学面，不能够透射或反射光。,2,）光学非球面实现：主要有抛光、模压和切削等方法，是在保持非球面面形的前提下，减小表面粗糙度，使之成为光学面。,还有一些非球面制造的非球面成型和光学面实现是同时完成，如单点金刚石车削、光学塑料模压、玻璃模压等。,Company Logo,1.4非球面光学零件制造过程Company Logo,7,Company Logo,Part2.,非球面光学零件的加工方法,:,1,）表面材料去除法,：去除工件上多余的材料，最终得到所需非球面的形状、尺寸和表面粗糙度要求。,2,）,改变材料形状法,:,是通过加热的方法将光学材料的形状改变从而实现非球面制造。光学塑料模压技术,3),材料表面沉积法,：是通过在一种光学材料表面沉积其他光学材料制造非球面的方法。表面镀膜法、表面复制法,4),改变材料性质法,加工应根据零件的材料、形状、精度和口径等因素的不同，采用不同的加工方法。,非球面光学零件的加工方法,Company LogoPart2.非球面光学零件的加工方,8,表面材料去除法,传统的研磨方法：主要有研磨抛光法、仿形研磨与抛光、应力变形研磨与抛光、柔性抛光等。其中柔性抛光有软材料或气囊来实现柔性抛光方法，还有磁流变抛光技术。,计算机控制光学加工技术具有先进水平，它包括单点金刚石切削技术、计算机数控铣削抛光技术、计算机数控铣磨抛光技术、计算机数控应力变形研磨与抛光技术,。,高能束流方法：通过高能束流去除表面材料实现非球面制造，如离子束抛光、离子束刻蚀，高压液体射流。,化学腐蚀也可以实现表面材料的去除，但是，该类方法的研究不是很多。,Company Logo,表面材料去除法 传统的研磨方法：主要有研磨抛光法、仿形研,9,数控研磨抛光法：,这种方法主要靠精密数控研磨和抛光加工各种非球面零件。这种机床上可进行各种玻璃零件加工。,优缺点：精度高，但设备昂贵，最终抛光还需要手修。,在非球面中最常见的是一个对称轴的回转非球面，回转非球面通常采用数控机床进行加工。,Company Logo,数控研磨抛光法：这种方法主要靠精密数控研磨和抛光加工各种非球,10,超精密精密,图,-1,超精密加工非球面车床,1-,工件主轴；,2-,旋转台；,3-,旋转滑板；,4-X,轴驱动机构,5-,防震机构；,6-,激光头；,7-z,轴滑板 ；,8-z,轴驱动机构,Company Logo,超精密精密图-1 超精密加工非球面车床Company,11,Part3.,计算机控制光学表面成型技术,非球面数控加工主要运用的是,计算机控制光学表 面成 型,（,computer controlled optical surface,，,CCOS,）,技术,。,3.1 CCOS,技术基本原理,：,它根据定量的面形检测数据，建立加工过程的控制模型，用计算机控制一个小磨头对非球面零件进行研磨抛光，通过控制磨头在工件表面的驻留时间及相对压力来控制材料的去除量。,Company Logo,Part3.计算机控制光学表面成型技术非球面数控加工主要运用,12,CC,图,2,CCOS,加工非球面基本原理示意图,1,非球面元件,2,小磨头,Company Logo,CC 图2 CCOS加工非球面基本原理示意图Comp,13,3.2 CCOS,技术的优点,计算机控制小工具抛光技术的实质和目的是把高级光学加工者的加工技巧,数字化、定量化,，由计算机驱动机床运动系统，从而控制抛光模对工件表面进行加工。,与传统加工方法比较，计算机控制小工具抛光技术对工件面形的判断更加准确，抛光过程控制更加可靠，使大口径非球面光学元件的加工效率和加工精度得到大幅度提高。,Company Logo,3.2 CCOS技术的优点Company Logo,14,3.3 CCOS,技术的基础理论方程：,目前，描述光学表面抛光过程比较成功的数学模型是,Preston,（普雷斯顿）方程如下：,Company Logo,3.3 CCOS技术的基础理论方程：Company Logo,15,Company Logo,Company Logo,16,经过普雷斯顿假设，光学抛光过程顺利的简化了。计算机控制小工具抛光技术也是以此为基础，上式正是计算机控制抛光技术的基础方程。,只要我们对抛光过程的描述正确，并已知被抛光位置的压力、相对抛光速度以及抛光时间，就可以计算出在这个位置的材料去除量。,Company Logo,经过普雷斯顿假设，光学抛光过程顺利的简化了。计算机控制小工具,17,Company Logo,Company Logo,18,Company Logo,3.4 CCOS,技术的加工流程,1.,由高精度光学面形测量仪器测量光学元件的面形误差，取得当前光学表面的面形数据。,2.,将面形数据与预期的面形比较，得到本加工周期所需要达到的材料去除分布函数。,3.,选择抛光参数，根据预期的材料去除量计算驻留时间函数和最优化加工路径，并通过计算机模拟最终抛光结果，如果模拟结果不符合要求，则需要重新选择抛光参数，再一次送到机床数控系统。,Company Logo3.4 CCOS技术的加工流程,19,4.,重复第（,3,）步，直到模拟的抛光结果符合要求时，将抛光模运动参数转化成机床控制文件，并传送到机床数控系统。,5.,机床数控系统读入并执行控制文件，驱动机床各运动机构按照一定参数运行，实现本周期内抛光模对工件表面的加工。,6.,这一个加工周期完成后，再次用面形检测仪器实时检测工件面形，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。,Company Logo,4.重复第（3）步，直到模拟的抛光结果符合要求时，将抛光模运,20,Company Logo,计算机控制抛光技术加工流程图,Company Logo计算机控制抛光技术加工流程图,21,Part4.,直径,76.2 mm,非球面数控加工工艺,将利用,OPTECH,非球面数控机床加工直径为,76.2,mm,，,R,为,125.2 mm,，,K=0.475,，,d=8 0.1,，,A=5.35741e-8,，,B=-2.846 56e-11,，,C=4.16788e-14,，,D=-2.547 51e-17,，材料为,K9,的非球面透镜。,Company Logo,Part4.直径76.2 mm非球面数控加工工艺Comp,22,非球面加工工艺流程如图所示,Company Logo,图,3,工艺流程图,非球面加工工艺流程如图所示Company Logo 图3,23,4.1,预抛光工艺,零件经铣磨成型后，表面留有金刚石砂轮铣磨痕迹，要通过抛光过程将痕迹去除。采用面积较小的抛光盘，能够跟踪工件面形的变化趋势，更好地修正局部误差，在短时间内就能使工件的面形精度达到要求，但是由于它产生比较明显的表面波纹度，从而导致表面中高频误差，元件产生高级像差。为了避免这种中高频误差，首先对零件进行弹性抛光盘预抛光。,预抛光过程中，工件轴、工具轴转速分别为,150 rpm,和,450rpm,，摆角,21.7,时，抛光,15 min,，工件表面的铣磨痕迹全部被去除掉。抛光液温度调整到,27,时，材料去除量最大，整个表面能够被快速抛亮。,Company Logo,4.1预抛光工艺零件经铣磨成型后，表面留有金刚石砂轮铣磨,24,非球面加工工艺流程如图所示,Company Logo,图,3,工艺流程图,非球面加工工艺流程如图所示Company Logo 图3,25,4.2,非球面数控反馈铣磨抛光工艺,为解决弹性抛光盘严重破坏面形精度的问题，,现将检测曲线反馈到铣磨机中，第二次铣磨非球,面，在此过程中引入补偿量，补偿掉由抛光引起的,面形误差。即在铣磨过程中刻意使其具有与之前,测得的误差相反的面形误差，在抛光去除量大的地,方磨削量减小，而抛光去除量小的地方则增大。,Company Logo,4.2非球面数控反馈铣磨抛光工艺 为解决弹性抛,26,非球面加工工艺流程如图所示,Company Logo,图,3,工艺流程图,非球面加工工艺流程如图所示Company Logo 图3,27,4.3,非球面数控小磨头修抛工艺,小抛头修抛过程中，表面去除量参数之间的关系可以由,Preston,模型给出，在磨头与工件间相互作用的小区域内，磨头对工件表面材料的去除量与压力、相对速度以及驻留时间成正比。根据轮廓仪测得的预抛光检测曲线，调整工件轴转速和工具轴转速分别为,500 rpm,和,2 500 rpm,，其他条件不变，进行几次修正抛光,多次重复修磨元件，表面面形精度逐步收敛。,Company Logo,4.3非球面数控小磨头修抛工艺小抛头修抛过程中，表面去除,28,Part5,数控非球面加工的影响因素,5.1,粗磨的影响因素,金刚石磨具的粒度、浓度，磨轮的硬度，铣磨深度,5.2,精磨的影响因素,金刚石颗粒、结合剂 、玻璃,5.3,抛光的影响因素,（,1,）抛光介质水对玻璃的侵蚀作用,（,2,）光学玻璃化学稳定性与抛光速度的关系,（,3,）抛光液,PH,值的影响,（,4,）添加剂对抛光过程的影响,（,5,）抛光模的作