数控机床加工非球面技术的探究论文

数控加工光学非球面技术的研究 级： 名： 号： 导教师： 摘 要 自从非球面加工技术 出现以来，至今几百年来采用的加工方法已有 50多种，传统的加工方法虽然能达到较高的精度，但这种加工方法加工效率低、重复精度差。在最近几年出现的数控加工光学非球面技术大大解决了传统加工 方法存在的缺陷。它 提高 了 加工精度和加工质量、缩短 了 产品研制周期等。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控 加工 技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果 。本文将简单的介绍一些非球面和数控机床的理论知识，传统加工非球面技术。最后重点介绍数控加工光学非球面技术。 关键词 : 数控加工 非球面 抛光技术 计算机控制 of 0 in In C It so A of in of on C a of of C C in 目 录 第一章 绪 论 . 1 . 1 . 1 第二章 非球面的理论基础 . 3 球面的优缺点 . 3 球面的数学表达式 . 3 球面的加工方法 . 4 统加工非球面技术 . 5 学非球面的检验 . 7 第三 章 数控机床的介绍 . 10 控机床的发展概况 . 10 控机床的结构和特点 . 10 第四章 非球面的数控加工技术 . 14 见的计算机控制抛光技术 . 14 算机数控研磨和抛光技术 . 15 控抛光技术中工艺参数选择 . 19 控加工技术的检验 . 20 影法检验非球面 . 22 控加工非球面实例 . 23 结 论 . 25 参考文献 . 26 致 谢 . 27 第一章 绪 论 自从 1638 年法国学者笛卡儿第一个提出凸面是椭圆面，凹面是球面的无球差非球面透镜，各国公司都进行了大量的非球面透镜技术研究和开发，但加工精度不高。 非球面元件可以使复杂的多元件设计变得异常简单 ， 同时它们可以提高 高 性能光学系统的设计能力 。 在一个多元件系统中 ， 一个非球面元件可以替代两个 ，有时是三个球面元件 。 近年来非球面元件已广泛应用于航天 ， 军事 ， 商业等领域中 。 以美国的 坦克导弹发射装置为例 ,由于使用非球面透镜 ， 使设计者减少了光学元件的使用数量 ， 在提高光学透射率及综合性能的同时降低了系统的重量 ， 尺寸 ， 复杂程度及成本 。 红外材料锗的价格相对较贵 ， 所以减少不必要光学元件的数量对于降低成本有很重要的作用 。 其他从使用非球面中获益的军用光学系统还包括 望镜 ， 反坦克导弹的红外前视系统 ， 先进火炮系统中的可见及红外通道 ， 未来作战工具 尘眼镜 ， 以及先进的激光眼晴保护镜等 。 一些民用产品 ， 如医用成象设备 ， 防碰撞系统 ， 光纤耦合装置 ，计算机光学数据存储 ,高清晰度电视等也从非球面中获益 。 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。但是传统的加工方法 远远满足不了近代对非球面数量的需求，和对非球面的精度的要求。数控加工技术的出现， 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 ，也使各国 开展了对各种新型抛光工艺的深入研究 ， 从而提高了加工效率和制造精度 。 针对上述形势 ， 我们建成了我国第一台非球面数控加工中心 ( 开展了对数控成型和抛光工艺的深入探索 。 经过大量的工艺实验 ， 总结出一套科学的工艺流程 ， 为我国的非球面加工提供了一种行之有效的手段 ， 填补了这一领域国内的空白 ， 从而使我国进入了光学非球面加工的世界先进行列 。 现代数控加工技术集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用，开创了非球面制造业的新时代，使世界非球面技术发生了巨大变化。 数控技术广泛使用使非球面的生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。现在非球面加工若离开了数控技术，先进加工技术就成了无本之木。 20 世纪 60 年代美国国防科研机构 率先开发 出了 计算机数控单点金刚石车削技术， 80 年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。它是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合 光学质量要求的非球面光学零件。 80年代中后期，随着计算机及精密计量技术的迅速发展，数控加工技术进一步得到了完善。 司欲把数控技术发展成 体化、非专家可操作的先进光学制造系统，到目前为止，由于非球面加工工艺的复杂性，很难建立数学模型来加工非球面。这期间法国和俄罗斯等国家也各自研究 出了自己的数控设备，使非球面加工口径达到 2m，精度为 /15。瓦为罗夫国家研究所的 18。 80 年代末，日本研制出了的超精密数控范成法研磨机，使用该研磨机加工出的光学零件，其面形精度达到了 面粗糙度的均方根值为 90年代以后，数控加工技术在不断完善的同时，进入了实用化阶段。 决了大口径超薄非球面的加工问题。另外，也使加工精度提高了很多，加工周期缩短为 5 个月。 1994年， 用数控加工技术完成了对哈勃望远镜主镜的修复工作，这项工作代表了当时数控技术的最高水平。 我国非球面加工能力与发达国家相比也有较大的差距，长期以来一直以手工加工为主，精度和效率均不能满足日益增长的非球面需求量的要求。近年来，我国在 术方面也开展了一些研究工作。 20 世纪 70 年代我国已经开始了研究非球面数控加工技术，长春光机所于 1992 年研制出了我国首台数控机床它是集铣磨成型、磨边、精磨抛光和检测于一体，最大加工直径 800形精度 1 双曲线 如果取相同的0r，不同 2e 值对应的曲线形状如图 2示。 另外，如将二次曲线以 2y 表示 x，则可变成一个以 2y 升幂排列的无穷级数： 282 2 2 2 33 5 70 0 0 04 6 5( 1 ) ( 1 ) ( 1 )2 8 1 6 1 2 8y y y yx e e er r r r （ 2 这种表达式是根据 y 计算 x 时比较方便，但得到是 x 的近似值，应该取多少项，决定于所要求的精度及相对口径和面形参数。 在加工过程中，我 们可以找到一个球面，是它和二次非球面的偏离量最小，我们称这个球面为最接近的比较球面。非球面与最接近比较球面在不同口径处的偏离量称为非球面度。 最接近比较球面的曲率半径可以用下式求得： 22300114r r（ 2 式中 r 为最接近比较球面的曲率半径；0h 为非球面光学零件最大口径的一半。 非球面度 的计算式为 22 2230 ()8h （ 2 最大的非球面度 2 4 2 3m a x 303 2 4 0 9 6e h e A （ 2 其中 A=D/F， D 为零件的最大口径， F 为焦距。 计算得到某一个非球面的最大偏离量，从而可以知道这个非球面加工的难易，球面就越难加工，从公式（ 2以看出 的平方成正比，与 e 平方及口径的一次方成正比，同样口径，同一种非球面， A 值越大就越难加工。 型法加工非球面技术 轨迹成型法加工非球面技术是我校（长春理工大学）在 20 世纪 90 年代提出了采用轨迹成型法加工二次非球面的新原理。 轨迹成型法新原理是针对二次非球面的加工提出的。其原理实际上是数学上早己证明的圆锥曲线原理，即从一个圆锥体上可以截取任何二次曲线。如图 2 图 2圆锥上截取二次曲线的原理 1 圆； 234在半顶角为 的圆锥体母线上的某一点，如果以截平面与圆锥轴线成 夹角相切时，平面与圆锥体切出的曲线轨迹为二次曲线。如果平面 2、3、4角度与圆锥体相切，截平面到圆锥体顶点的距离为 L 由图可知： 当1=90时可截得一个圆； 当 90 2 时截得一个椭圆； 当3= 时截得一个抛物线； 当4 截得一个双曲线。 由于这项技术是最近才提出的，并没有在全国推广，在这里就不作详细的介绍。 学非球面的检验 由两个反射镜组成的光学系统具有很重要的实用价值。因此反射镜材料比透镜材料容易得到，尤其是大口径镜面更是如此；另一方面反射镜不存在色差；而且镀铝和介质膜的反射层在很宽的波段范围内有很高的反射率。因此，在大口径天文望远镜系统，红外和紫外光学系统中都有重要的应用。在反射式天文望远镜、激光发射光学系统中，由两个二次曲面反射镜组成 的系统占有重要的地位。 考虑到加工和检验的可行性，在大多数使用非球面的成像和扩束光学系统，主要采用的结构还是二次凹凸曲面组成的两镜系统。光学非球面的检验其主要任务是解决凹凸二次曲面的检验问题 二次曲面的检验方法，主要是用辅助镜得到同心光束而进行零位检验。用辅 助镜又可分为无像差点法和补偿法。 学非球面的检验方法 由两个反射镜组成的光学系统具有很重要的实用价值。因此反射镜材料比透镜材料容易得到，尤其是大口径镜面更是如此；另一方面反射镜不存在色差；而且镀铝和介质膜的反射层在很宽的波段范围内有很 高的反射率。因此，在大口径天文望远镜系统，红外和紫外光学系统中都有重要的应用。在反射式天文望远镜、激光发射光学系统中，由两个二次曲面反射镜组成的系统占有重要的地位。 考虑到加工和检验的可行性，在大多数使用非球面的成像和扩束光学系统，主要采用的结构还是二次凹凸曲面组成的两镜系统。光学非球面的检验其主要任务是解决凹凸二次曲面的检验问题 二次曲面的检验方法，主要是用辅助镜得到同心光束而进行零位检验。用辅助镜又可分为无像差点法和补偿法。 次曲面的无像点法 由二次曲线围绕连结两个几何焦点的轴线旋 转，形成的反射式二次曲面具有特别好的光学性质，其表面的集合焦点是一对共轭的无像差点。这种检验的实质是：若表面只有理想形状，而点光源精确置于其中一个几何焦点上，由表面反射的光线形成球面波前，其球心与另一几何焦点重合，要实现反射光线与另一几何焦点重合，除凹椭球面不用辅助镜可实现独立检验和扁球面没有无像差之外，其余二次曲面无像差点检验均要用一辅助镜。如检验凹抛物面可用于平面镜，检验凹双曲面可用球面镜等形成无像差点。 验二次曲面的补偿法 曲面上任意一点的法线垂直于该点的切平面，因此，一条光线沿法线 射向曲面，则沿原光线反射回来。补偿检验一般是遵照这个原则设计辅助镜或系统 。由公式可以算出二次曲面上各带的法线与光轴的交点位置及交角，即法线像差，这相当于轴上一束有像差的光束。所谓补偿就是使这束有球差的光经过一个透镜或反射镜变成完好的会聚同心光束，即消除其轴上球差。这样我们最后的会聚点放置刀口仪，就能进行自准零位检验。 补偿镜的原则是容易加工并达到较高精度，本身检验不再需要专门的辅助镜，故最好是球面，也可以考虑用凹的椭球面。补偿法检验还有一个重要的问题必须考虑，就是剩余像差和无像差点法不同，补偿检验 在设计时只能做到使二此曲面边缘点的法线像差消除，即边缘法线和近轴法线经补偿镜或系统后与光轴交在同一点，其他个带法线往往是不交在同一点的。加工时总是修到看不出像差为止，即所谓“零位”。这样以来，最后镜面上各带法线不和理论位置一致而造成镜面误差，因此，在设计时除了消好边缘法线像差外，还要计算 法线剩余像差并折算到波面误差的大小。如果剩余的波面误差超过了允许值，则要考虑 重新设计或者使用其他方法，补偿镜可用于透镜，也可用于反射镜。 学补偿法 光学补偿法常用于凸球面的检验。凸球面在天文望远 镜或反射式球面系统中用得非常普遍，用其作为副镜可实现折反光路的要求，然而，这种非球面的检验不方便，常用大口径的标准凹球面或用整个系统进行自准直检验。如卡塞格林望远镜副镜检验，或用标准凹椭球面实现无像点检验。这些方法都有共同的缺点：就是标准镜的口径比被检的凸球面镜口要大的多，同时标准镜的加工也比较困难；另一方面，用整个系统进行检验，必须将主镜事先加工好才能加工副镜，往往费时。 一种简单的方法就是将凸非球面看成是单透镜的一个面，而另一个面做成球面，这个球面就是工艺球面。工艺球面满足单透镜削球差要求。这个削 球差透镜可做成透射式。让光线通过单透镜，再用平面反射镜自准后用刀口仪或干涉仪进行检验。也可作成反射式，即利用单透镜两个买内之一反射后进行自准检验。这种检验方法所能检验凸非球面的大小取决于能否得到大块优质光学玻璃，一般来说口径 250 以下的镜面比较容易实现。对于光学均匀性不好或不透明的材料如微晶玻璃、硅或金属材料，该方法则不能应用。 这个工艺球面可以用光线追迹的方法求得，也可用三级像差理论导出该工艺球面参数的分析解，以便光学工艺人员在拥有简单计数器的条件下就 能计算出准确的、检验用的工艺球面半径。 第三章 数控机床的介绍 数控机床是现代加工车间最重要的装备。本 节 概述 数控机床的特点以及机床的某些结构 。随着信息技术 (1T)和制造技术 (发展，出现了更多功能、更高性能的 数控机床 ，诸如多坐标、多系统 (通道 )的控制 机床、 数控复合机床 。它们具有高精、高速、 5 轴加工功能和复杂加工、进网通信、高可靠性和安全性等功能。数字制造要求数控系统建立在一个全新的信息技术基础结构之上，容易利用网络传递加工制造信息，进行 体化的加工制造。这 就出现了 型的数控系统。 数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术 (1T)与制造技术 (合发展的结果。最近 20 年来，信息技术的急剧发展大大激发和增加了制造系统的上层智能功能。下一个 20 年，智能将延伸到工厂的车间底层，数控机床将具有更高性能和更多功能。 控机床的发展概况 早在 20 世纪 70 年代，美国 司就提出了利用计算机控制一个小型模具进行光学表面的技术构想。并在控制软件、机床设备、和检验方法等方面进行了大量的研究。随后 ，法国、德国、俄罗斯等国家的 公司也开展了深入的研究。 到了八十年代中后期，美国 司对控制设备的数控单元进行了改造，改造后的加工精度大幅度提高。 进入 20 世纪 90 年代，随着计算机控制光学表面的不断完善的同时，已经进入了实用化阶段。 司开发出了真空自励模头，解决了大尺寸超薄光学元件的加工问题。 1994 年， 司与 公司合作，利用计算机控制设备技术完成了哈勃望远镜主镜的修复工作，加工出的非球面校正了主镜制造过程中的误差，提高了成像质量。 我国非球面加工能力与发达国家相比有很大的差距，长期以后一直以手工加工 为主，精度和效率远远不能满足国内非球面需求量的要求。 20 世纪 70 年代我国已经开始了研究非球面数控加工技术，长春光机所于 1992 年研制了国内首台实用数控非球面光学加工中心 是洗磨、磨边、精磨抛光和检测于一体，加工最大直径为 800形误差 30面粗糙度 2后，又研制了新一代的计算机数控非球面加工机床，最大直径已达到 形精度优于30面粗糙度小于 2 控机床的结构和特点 数控机床的结构 数控机床通 常有以下几部分组成： 图 图 3控机床的基本结构 数控装置是数控机床的核心 (相当于人的大脑 ),它所想要完成的工作通过伺服系统 (相当于人的神经系统 )带动机床运动，测量及反馈系统（相当于人的 眼睛等感觉器官），把机床的工作状态及时告诉数控装置。数据传输系统的作用是：由于数控装置的容量有限，各种 控制信息要靠数控装置以外的其它计算机等携带和传输，就像人的记忆有限，工作时常常要做些记录，翻翻笔记本似的，作为数控机床的核心深扬公司选用的是世界三大系统制造商之一的日本原装三菱数控系统。 典型的数控机床的机械结构主要由基础件、主轴传动系统、进给传动系统、回转工作台、自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。 基础件主要是指床身、立柱、工作台、主轴箱体等大件。除特殊情况有采用板焊材料、人造花岗岩材料外绝大部分都是用铸铁材料。由于台湾机床的涌入，现在常听到一种叫“米汉纳”的铸铁。让广大用户摸不着头实际就是个 英文的译音，是个外来语。不外乎是一种机械强度比较好的铸铁，也就是相当于我们常说的 铁而已。我公司的铸铁均为 脂沙造型，各导轨采用中音频淬火硬度度深度达5铸件质量完全可以同那个叫“米汉纳”的叫板。 其它机械功能部件，主要指润滑、冷却、排屑和监控机构。 数控机床的特点 1）加工精度高 数控机床是精密机械和自动化技术的综合体。机床的数控装置可以对机床运动中产生的位移、热变形等导致的误差，通过测量系统进行补偿而获得很高且稳定的加工精度。由于数控机床实现自动加 工，所以减少了操作人员素质带来的人为误差，提高了同批零件的一致性。 2)生产效率较高： 就生产效率而言，相对普通机床，数控机床的效率一般能提高 2 3 倍、甚至十几倍。主要体现在以下几个方面 : a. 一次装夹完成多工序加工，省去了普通机床加工的多次变换工种、工序间的转件以及划线等工序。 b. 简化了夹具及专用工装等，由于是一次装夹完成加工。所以普通机床多工 序的夹具省去了，即使偶尔必须用到专用夹具。由于数控机床的超强功能夹具的结构也可简化。 3)减轻劳动强度，数控机床的操作由体力型转为智力型。 4)改善劳动条件，如深扬公司的产品采用全封闭护罩 ,机床不会有水、油、铁屑溅出，可有效保持工作环境的清洁。 5)有利于生产管理： a. 程序化控制加工、更换品种方便； b. 一机多工序加工，减化生产过程的管理，减少管理人员； c. 可实现无人化生产。 数控的分类 按工艺内容分类（特别是在模具制造中）数控机床分为以下几类： 1)数控铣床随着模具制造工艺要求的提高，立式数控铣床已成为主流，既工作 台不能上下移动， Z 轴是通过主轴箱的上运动实现的，根据我国目前的国情看该类机床将是传统机床的主要更新换代产品。 2)加工中心：加工中心与数控铣床的区别在于，加工中心配有可自动换刀的装置和刀库系统，在华南一带也有将全封闭立式数控铣床和加工中心都统称为加工中心，只是把前者叫做不带刀库的加工中心。 3)线切割机床 ：这类机床在模具加工中是最为广泛，也是最为独特的一种数控机床，它是很难被其它加工工艺所取代的。 4)电火花成型机床：它是模具型腔加工必不可少的设备，由于是高速铣削技术的发展，成型机的市场面 临新的挑战，电火花成型机产品的发展是把性能价格比放在首位。 本论文中用到了数控机床是 司生产的 00 实物及技术参数如下图： 图 3控机床实物图和原理图 图 300 数控机床技术参数 第四章 非球面的数控加工技术 有了前面两章的基础知识，我们初步了解了非球面加工工艺和是数控机床机构。在这一章里，将结合前面两章的知识，重点介绍数控加工光学非球面的理论。最后结合实例来更深的了解数控 加工光学非球面的过程。 见的计算机控制抛光技术 应力盘抛光 应力盘抛光是采用大尺寸刚性盘作为基盘，在周边可变应力的作用下，盘的面形可以随时变成所需要的面形。应力盘抛光技术是利用主动变形技术使抛光盘在对非球面光学表面进行抛光过程中，通过计算机控制实时改变抛光盘的形状，使其符合理论非球面面形，进而将被加工面向标准非球面修正。应力盘的直径与加工镜面口径比达到 1/3 1/5，有效地解决了面形低频误差的修改和对表面中，高频差的控制。并已经成功高效研制出了一系列的大型，超大型高陡度面镜。 其抛光原理是：采用大口径刚性工具的应力盘加工非球面的唯一途径就是计算机控制应力变形盘。加工过程中主轴带动被加工大镜转动，应力盘在磨头轴驱动下相对工件转动，同时由被加工件的顶点起始向工件边缘平移，从而抛光到整个加工表面。显然，抛光盘一旦平移离开镜面中心，即非球面顶点，工具即对应工件表面的一个子孔径离轴非球面，离轴量越大，非球面度变化量越大。从工艺“适配”原则出发，大尺寸应力盘必须不断地在加工过程中任意瞬间，任意位置上能动地改变自身的表面形状，与所在位置的离轴非球面适配，从而实现计算机控制抛光。 离子束抛光 离子束抛光技术是大型反光镜加工的一种有效的确定性加工方法。离子束抛光技术是在真空室里利用被加速的离子与工件表面原子核直接产生弹性碰撞，通过惯量转移的方法，将离子能量转移到工件材料的原子，使其逸出表面，在原子量级上将材料去除。它是一种典型的利用物理碰撞方法进行抛光的技术。在理论上，离子束抛光技术对加工组件没有物理加载，离子束工具不受工件位置影响，如工件局部地区是否适配、边缘效应等，可有效地对一般模具抛光工件的边缘效应和轻质镜结构基底的复印效应的校正。 由于离子束抛光是在原子量级上实现材料的去除 ，因而材料的去除效率较低，往往在采用该方法前，工件表面要经过传统方法的预抛光，在基本达到精度要求或接近进度要求再采用离子束研磨对面形实现很高精度的修正。由于离子束研磨所需要的设备投资较大，运行成本较高，一般很少采用，但由于某些特殊高精度的镜面则不得不采用此技术。 磁流变抛光 磁流变抛光是一种非接触抛光法，抛光原理是：磁流变抛光液运动到工件与运动盘形成的小间隙附近时，在梯度磁场的作用下发生流变，形成具有一定硬度的缎带凸起。当变硬的磁流变抛光液进入小间隙时，对工件表面与之接触的区域产生很大剪切力， 从而使工件表面材料被去除。因此，磁流变抛光效率较高，由于在抛光过程中，磁流变抛光液循环流动，不断地更新，所以不存在抛光盘磨损的问题，从而使材料去除率函数始终固定不变。所谓数控磁流变抛光技术是通过计算机控制抛光轨迹、抛光驻留时间以及磁流变液在磁场中形成的缎带凸起（抛光头）来完成对面形误差的修正。 单点金刚石切削加工 用天然单晶金刚石做刀具，在计算机控制下车削加工光学表面是 80 年代初期发展起来的新技术。金刚石车削光学零件技术的迅速发展和金刚石车削机床的商品化使我们有可能地重复加工高精度的复杂面形零 件。这种加工技术在非球面零件的是生产中具有重要的经济效益。同时它还可以用来加工扫描反射镜、激光反射镜、计算机软盘、锥形零件以及其它一些要求机械精度（如平面度、垂直度、平行度和同心度等）很高的非光学零件。另外，在加工光学表面的同时还可以加工出精确的定位面。因此，不仅加快了单块光学零件的加工速度，而且还节省了装配、校正和定心等辅助时间。 算机数控研磨和抛光技术 概述 计算 机数控研磨和抛光技术是一种由计算机控制的精密机床将工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性抛光模抛光，使工件在不改变精 磨面形精度的条件下达到镜面光洁度的光学零件制造技术。该技术主要用来加工中、大尺寸的非球面光学零件。加工零件时，磨削工具受计算机控制，在工件表面进行磨削去除加工。磨削工具根据工件的不同加工余量，在工件表面停留不同的时间来实现非球面加工。工件加工精度主要取决于测量精度和所采用的误差校正方法。 非球面光学零件的精密研磨抛光比较普遍采用的一种技术是：小型磨床修正研磨抛光法。 小型磨床研磨抛光法分为纵向扫描和光栅扫描两种方式。纵向扫描方式是：被加工的工件以一定的速度旋转，抛光器则沿着贯穿工件轴心的断面进行摇 动。纵向扫描方式对工件轴心附近的形状控制和非旋转对称部分的形状误差的修正研磨抛光比较困难，但是研磨时间可望缩短，设备比较简单。光栅扫描方式则是：被加工的工件不旋转，抛光器在工件的表面移动研磨抛光。这种方式不仅容易进行非旋转对称部分的修正研磨抛光，而且还可以进行离轴光学零件的研磨抛光加工。但是，此种方式的设备组成较为复杂，成本比较高。 为了提高加工精度，小型磨床加工系统必需具备很高的精度和反复再现性、研磨去除量不随时间变化而变化、高精度的模拟计算、和与实际研磨的一致性等条件。小型磨床研磨抛光加工的工 艺流程大致如下：首先由三维测试机、激光干涉仪测出加工面的形状精度，求出面形误差。工作站根据面形误差计算出需要研磨抛光的轨迹，并将该研磨抛光轨迹转换成数控编码传送给磨床进行加工。加工完了后进行面形精度测试。面形精度若是没有达到要求，再反复地进行计算、加工。通过这样反复地进行面形测试、计算、修正研磨抛光，即可达到提高面形精度的目的。 小型磨床最早是由美国研究开发的，其磨头直径不超过工件的 1/3，由计算机计算去除量，加工精度比较高。可以高精度地加工直径 1500 1800大口径非球面。目前，美国亚里桑那 大学的光学中心，已基本上用计算机数控研磨抛光加工技术取代了传统的手工研磨抛光加工非球面光学零件。另外美国罗彻斯特大学光学制造中心也已获得了 300 多万美元的国防基金和几家大公司的资助，实现了非球面透镜生产的自动化。 80 年代末，日本研制出了的超精密数控范成法研磨机，使用该研磨机加工出的光学零件，其面形精度达到了 面粗糙度的均方根值为 用沥青抛光模进行加工，表面粗糙度的均方根值能达到 近，日本采用门型机械加工中心，使用 4000# 8000#铸铁丝结合金刚石砂轮，利 用 线电解修正法）磨削法，磨削 学玻璃，所获得的非球面的面形精度为 1m，表面粗糙度为 43 德国的计算机数控研磨抛光技术很快。 司生产的 120研磨抛光机，不仅可以粗、精磨球面光学零件，而且还可以粗、精磨非球面光学零件。施耐德（ 学机械公司 90 年代末制造的 计算机数控非球面磨床和 计算机数控非球面抛光机，可以高效率地进行非球面光学零件的生产。 在对话框中直接输入非 球面加工参数，自动计算非球面磨削加工量；采用先进的导向装置与旋转加工技术，各轴与旋转轴的传动使用了高性能数字 服传动装置；采用干涉测量系统加强加工过程中的工件的测量，能对工件的非球面加工进行优化调整；非球面加工中心能够直接进行非球面或棱形的组合加工，具有综合预加工的 2、 3 维混合加工技术功能；旋转轴采用高频空气轴承，可利用环形工具进行高速的球面预加工，能够获得最佳透镜半径等特性。 球面磨床的主要技术规格如下：加工工件尺寸：最大直径为150径为 10平面；轴数 3 轴（ X， Z， B） X、 Z；轴的推进（进刀）速度为 5000mm/X、 Z 轴的位置往返精度为 B 轴的推进 （进刀）速度为 4300/B 轴位置往返精度为 4；连接机构旋转轴（ HD） 2542轴转速度为 5000 15000 转 /件轴转速为 25 1500转 /床外形尺寸 115019001220量为 1000 计算机数控非球面抛光机，可以在对话框中直接输入非球面加工参数；自动计算非球面抛光加工量；使用特殊加工的非球面磨具抛 光；抛光参数可进行计算机数控、调节与观察；可以优化计算机数控的抛光轨迹，制作出高表面质量的复杂的非球面几何形状；采用了先进的导向与转轴技术，可高速地进行连续的轨迹抛光；各轴和旋转轴都采用了高性能的数字式 服传动装置；可基于图形模式进行优化抛光的调整等特性。 该抛光机的主要技术规格如下：可加工工件的尺寸：最大直径为 150径为 10平面；轴数 3 轴（ X， Z， B）； X、 Z 轴的推进（进刀）5000mm/X、 Z 轴位置往返精度为 B 轴的推进（进刀）速度） 430/B 轴的位置往返精度为 4；连接机构旋转轴 2542轴转速度为 50 2500 转 /件轴转速为 25 1500 转 /光机外形尺寸115019001220床质量 1000 小型非球面的计算机控制研磨加工 非球面的研磨成型过程大体上可以分为以下几个步骤： （ 1）采用标准尺寸的毛坯（压型毛坯或是经过适当预加工的毛坯）将其加工余量输入计算机。 （ 2）计算机将此数据变成控制信号输入机床的传动系统，控制机床主轴和工具之间的相对位置和运动速 度，从而加工出第一个非球面。 （ 3）将研磨成型的非球面表面用抛光模抛光并检验。 （ 4）将抛光好的零件从新装卡在机床的主轴上，同时卸下刀具换上传感测量头。用原来的控制信号控制零件和测量头作相对运动，测出零件面形。 （ 5）将测量得到的是数据和原来的数据进行比较得出新的控制程序。 （ 6）用修改后的控制程序加工第二个非球面，并进行抛光。 （ 7）根据零件的精度要求，重复以上步骤反复进行，直到获得合格的零件。 目前加工非球面最常用的机床是德国 公司生产的，我校实验工厂采用的是 司生产的 00 床。机床加工原理如图 4示。 图 4球面机床的原理 这些机床通常采用极坐标系统，其重要原因在于以下几点： （ 1） 制造高精度的枢轴要比高精度的直线导轨容易 （ 2） 在旋转时，运动部件的重心在转轴上，旋转时就没有质量的偏移，避免了机床的变形。 （ 3） 工具的行程达到最小，使计算机的存储量减小，从而降低了费用。 （ 4） 极坐标的控制速度最小，有利于控制机床运动的电子系统的设计。 （ 5） 有利于测头对工件表面 的测量。 用数控研磨机床研磨后的非球面零件要进行抛光加工，抛光一定要用柔性抛光模，这是因为这种抛光模在沿着被加工表面移动时能改变自己的表面面形使其和加工表面保持吻合状态。这种抛光模只是用来改善光学零件的表面粗糙度。 球面的计算机控制抛光 计算机控制抛光（ 称 术，在第二章中已经提到过。下面介绍一下计算机控制抛光的原理及理论知识。 工技术的基本原理是： 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或抛光，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。同时利用计算机执行速度快、记忆准确等优势使加工的重复精度及效率大幅度提高。特别对一些传统方法难以加工的大口径、离轴非球面光学元件来说是最佳选择。 换一种说法，就是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学化、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。这种方法判断工件的面形更加准确，控制过程更加可靠，使大口径非球面光学元件的加工效率和加工精度得到大 幅度的提高。 下面介绍一下计算机控制技术的理论方程： 长期以来，人们不断的试图通过数学物理模型来准确的描述整个光学加工过程，但由于光学加工过程复杂，在加工过程中又存在着一系列的物理化学反应，这种模型一直没有找到。 1972 年，普列斯顿提出著名假设：在很大数值范围内，抛光可以描述成一个线形方程 （ 4 式中： K 为比例常数，它由除速度和压力之外的其他因素 决定； V 为表面某一点（ x,y）和瞬时（ t）的抛光速度， V=V(x,y,t)； P 为抛光压力 P=(x,y,t)。 这样，我们知道了某一点的速度和压力，以及作用的时间就可以计算出表面材料的去除量 z 0( , ) ( , ) ( , , )tz x y K V x y P x y t d t （ 4 0( , ) ( , ) ( , )z x y z x y z x y （ 4 式中0( , )z x y 时间 t=0 的表面高度 (, ) 时间 t 时的表面高度 经过这个假设，光学抛光过程顺利的简化了，对于控制过程来说，这是非常有利的。以后的光学加工理论大都建立在普列斯顿假设上。式（ 4式计算机控制抛光技术的基础方程。 控抛光技术中工艺参数选择 在 实际加工过程中，如何更好的得到要求的抛光效率是一个非常重要的问题，下面简单描述几种 抛光模参数对抛光效果的影响。 （一）光模直径与抛光效率的关系 从图 4示可以看出，在一定的范围内，随着抛光模直径的增大抛光效率也随之增加，不过，当抛光模直径达到一定的范围时，抛光效率就几乎不在受其影响。 图 4光模直径与抛光效率的关系 图 4光模胶层厚与抛光效率的关系 （二）抛光模胶层厚度与抛光效率的关系 抛光效率随着抛光模胶层厚度的增大而逐渐减小，因此我们制作抛光盘不能用较厚的胶层。太薄又不利于持久工作，一般选择 36佳。如图 4示： （ 三）抛光模层材料与抛光效率的关系 抛光效率随着抛光模胶层材料弹性模量的增大而增大，所以 我们在选抛光材料时，要选有一定的硬度，又有足够的弹性的材料。如图 4 （ a）抛光膜直径 抛光效率 （ b） 抛光膜胶层弹性模量 /抛光效率 图 4光模材料与抛光效率的关系 （四）抛光模几何形状与抛光效率的关系 抛光效率也因抛光模几何形状的不同而不同，根据经验可知，正方形抛光模比圆形抛光模的抛光效率略高，如图 4示。 图 4光模几何形状与抛光效率的 关系 （ a）正方形抛光模 （ b）圆形抛光模 另外，抛光效率还与其它因素有关系，比如抛光液的浓度， 抛光压力等。 控加工技术的检验 先进的光学加工离不开先进的检测技术，在前面已经介绍过非球面的检测方法，在这里主要介绍一下数控加工中利用到的检验方法：轮廓仪检验。 轮廓仪测量方法主要分为接触式测量和非接触式测量两种。 接触式测量仪器中，将半径很小 (2 m)的金刚石微探针与被测量表面轻轻接触，施加到探针约为 针 在被测表面一定的范围内移动时，被测表面的微观起伏将使探针产生相应的纵向位移。对于较粗糙的表面，纵向位移直接转换成点信号，进行细分放大后给出粗糙度的评价。对于光滑的表面检测，为提高纵向位移的测量精度，通常采用激光干涉仪来转换纵向位移。测头部件中采用激光干涉仪，从氦氖激光器中发出的激光通过固定分束镜分成两束不同的光线，其中一束光线射向固定的发射镜，另一束光线则射向可移动的发射镜，形成干涉的两束激光中，一路光束来自固定的参考发射镜，另一路光束来自可移动的发射镜。可移动的发射镜与微探针的纵向移动同步。这样，探针的纵 向位移转换成干涉光路的光程差，进一步转换成电信号就可以得到被测表面的二维粗糙度信息。接触式测量仪器最具有代表性的是 司制造的 一切的测量距离约为 120量范围为 4 8分辨能力为 m。这种接触式测量表面轮廓仪的测量精度不高，而且金刚石探针划过零件表面时容易造成损伤，因此不宜用作精度特别高的表面测量。 非接触表面轮廓仪采用光学干涉的方法提取光学表面的数据信息，主要具有以下优点： （ 1）测量过 程不接触被检表面，这就有利于保护精细的光学表面。 （ 2）空间分辨率高。接触式轮廓仪的空间分辨率受限于微探针的外形尺度，而非接触式轮廓仪的空间频率由显微镜的光学分辨率决定，可以测量高频的表面缺陷。 （ 3）测量精度高。采用相移干涉技术，测量精度可达 /100。 非接触轮廓仪测量的方法主要体现在相移干涉技术、调制探测法、外差干涉法等。其中精度最高，最常用的方法是相移干涉法和垂直扫描法的结合技术。基于这种技术的轮廓仪测量精度高，测量范围得到了拓宽，具有很强的 实用性。这种表面轮廓仪的工作原理如图 4示： 图 4接触式表面轮廓仪原理示意图 相移干涉检测技术具有相关检测灵敏度高的特点，而且非接触式测量还有利于保护精密的光学表面，这种技术已经广泛 的用于测量超精密表面。 本