非球面加工.doc

1.概述12.回转二次非球面加工方法42.1去除加工法42.1.1研磨抛光修正法42.1.2切削法52.1.3离子抛光法52.1.4计算机控制光学表面加工技术52.2附加加工法82.3变形加工法83.回转二次非球面的理论基础83.1回转二次非球面的方程83.2回转二次非球面的的比较球面103.3 回转二次非球面的最大偏离量114.回转二次非球面的加工工艺134.1回转二次非球面的计算134.2回转二次非球面加工工艺过程144.3加工工艺过程中需要注意的问题15参考文献161.概述从17世纪最早提出非球面应用至今近400年来，非球面零件一直受到人们的青睐和不断探索，其原因是非球面光学零件具有球面零件无法比拟的优越性。非球面具有优良的光学性能，光线通过球面零件近轴光线和远轴光线不会会聚在一点，而非球面透镜则会聚一点无球差。非球面零件改善了成像质量非球面特别适合仪器尺寸受到限制，像质要求高的场合，如大视场、大口径、像差要求高和结构要求小的光学系统。非球面作为主要成像元件外，常作为像差校正元件。比如在光学系统光阑附近采用非球面可校正各带的高级像差，在像面前或远离光阑处采用非球面，可校正像散和畸变。在光学系统中可以用一个非球面代替多个球面来校正像差，从而简化了光学系统，其必然使仪器的体积变小，质量减轻，这对天文、航天和军用显得尤为重要，而对一些民用产品也实现了小型化和轻量化。由此可见，随着科技的发展，非球面的应用会越来越广，非球面零件的加工技术会越来越受到关注。非球面的加工一般是首先加工出非球面最接近的比较球面，然后利用不同的加工方法将球面加工成所需要的形状。光学非球面的加工方法按照不同的成型方法可以分为四类：模压成型方法、去除成型方法、附加成型方法和特种加工方法。目前，国内非球面加工主要采用去除成型方法。其中模压成型法是在非球面模具上用可塑化材料注射或模压，成型非球面零件，适合于中小零件的大批量生产，难以保证很高的加工精度；附加成型方法和特种加工方法往往存在加工效率低、成本高等问题，有应用的局限性。非球面在光学系统中的应用越来越广泛，但是，由于非球面表面的加工和检测要比球面零件困难得多，所以阻碍了非球面光学零件的大规模推广应用。非球面表面加工和检测比较困难的主要原因是：(1)非球面大多数只有一个对称轴，表面比较复杂，只能单件加工。(2)非球面各点曲率不同，在抛光时表面难以用成型摸具修正。(3)非球面对另一表面的偏差，不能用定心磨边的方法解决两光学表面的同轴性。(4)非球面检验不像球面的检验容易实现，一般不能用样板检验，特别是对某些非球面的检验是很复杂的。国外从20世纪60年代开始进行光学零件非球面自动化加工技术的研究。20世纪80年代以来出现了许多新的非球面超精密加工技术，它们主要是计算机数控磨削技术、计算机数控超精密抛光技术等，这些加工方法基本解决了光学非球面零件的加工问题。目前国外许多公司已将超精密车削、磨削、研磨及抛光等加工功能集于一体，研制开发出新型的非球面超精密复合加工系统，如英国Rank Pneumo公司生产的Nanoform 250、Nanoform 300,英国克林菲尔德大学的精密工程研究所(CUPE)研制的Nanocentre、日本丰田工机的AHN60-3D、ULP-100A(H)等都具有复合加工功能，这就使得非球面曲面零件的加工变得更加灵活。美国是最早研制开发超精密加工技术的国家，早在1962年美国UnionCarbide公司就开发出利用多孔质石墨空气轴承的超精密非球面车床，成功实现了超精密镜面车削，加工精度为0.6m，粗糙度为Ra0.025m，迈出了亚微米加工的第一步。随后该公司于80年代末研制了与单点金刚石车床具有同等精度的金刚石磨床，能够对光学玻璃等脆硬材料进行磨削加工。摩尔公司于1980年首次开发出了三坐标控制的M-18AG型超精密非球面金刚石刀具车削、金刚石砂轮磨削机床，该机床采用空气主轴，回转精度径向0.075m，采用ALLEN-BRALEY7320数控系统，X、Z轴行程分别为410mm和230mm，利用金刚石砂轮可加工最大直径356mm的工件。当代最高水平的超精密金刚石车床是美国劳伦斯(LLNL)实验室于1984年研制成功的大型光学零件金刚石立式车床(LODTM)，该机床的工作空间直径1630mm，高度610mm，承载1.4吨，测量分辨率0.6nm，定位精度RMS28nm，可以加工直径达2100mm，重达4500kg的工件，加工精度可达0.25m,表面粗糙度Ra0.0076m，可以加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚变工程所需要的元件、红外线装置所用的元件以及大型天体反射镜等。英国是较早从事超精密加工技术研究的国家之一，从1979年起，开发用于制造X射线望远镜的金属反射镜的立式超精密金刚石刀车床。英国RankPneumo公司于1996年推出的Nanoform250超精密加工系统，是二轴联动超精密数控机床，可以进行超精密车削、磨削、抛光，并通过控制垂直方向的液体静压导轨实现延性磨削，其特点是可以直接磨削出能达到光学系统要求的具有光学表面质量和面形精度的硬脆材料光学零件，机床最大加工工件直径达到450mm，还可以进行非轴对称零件的磨削，机床数控系统的分辨率达0.001m，加工精度达0.2m，表面粗糙度优于0.01m。Microform SM专用磨削加工机床是英国Rank Taylor Hobson公司生产的一种新产品，采用计算机数字控制专门磨削加工光学玻璃透镜，其加工的表面粗糙度为25nm，最大可加工直径为150mm的工件，工件轴的转速为50500r/min，磨削速度为600020000r/min。英国克林菲尔德精密工程研究所(CUPE)1990年研制的OAGM2500被认为是当今世界上最大的超精密大型CNC光学零件磨床，其外形尺寸8000mm6000mm5000mm，可加工和测量的零件尺寸2500mm2500mm610mm，几乎用到了CUPE开发的所有基础技术。用该机床加工出的2000mm2000mm的非轴对称光学镜面，面形误差仅1m。日本的超精密加工技术的研究开发落后美国20年，但由于得到有关方面的重视和努力，发展较快。尤其在开发超精密加工非球面技术上投入了较多的资金和人员，取得了一定成果，主要是用于加工民用产品所需的透镜和反射镜。90年代中期日本成功开发了圆弧包络磨削法，采用厚砂轮在二轴数控机床上加工轴对称非球面，在三轴联动数控机床上进行非轴对称非球面透镜与磨具的加工。丰田工机的AHN60-3D是三轴CNC加工机床，加工精度0.35m,表面粗糙度0.016m，最大加工口径达600mm。我国从80年代初才开始光学零件非球面自动化加工技术的研究。比国外落后了20年。近年来，我国已经有一些大学和科研单位开展非球面零件的超精密加工技术的研究工作，其中哈尔滨工业大学、国防科技大学、航空部303所、航天部230厂、北京机床研究所、上海机床厂及长春光机精密研究所等单位都在从事超精密机床的研制，并都取得了阶段性的成果 。在非球面生产设备方面：北京高华精密机械有限公司生产的DHM一500U全液体静压超精密数控非球面磨床，通过x-z-B三轴联动，实现对非球面透镜的高效率、高精度磨削；上海第三机床厂生产的MK-9025型数控曲线磨床，采用西班牙FAGOR公司的CNC四轴控制系统，其中二轴为插补控制轴，分别控制机床工作台的纵、横向进给，另二轴控制磨头滑座的纵、横向进给，可以加工任意曲面；我国九五期间超精密加工国防科技重点实验室成功地研制出了Nanosys300非球面曲面超精密复合加工系统。长春光机所于1992年成功地研制出国内首台实用型非球面数控光学加工中心FSGJ-I。2002年，国防科技大学研制了一台集铣磨成形、研磨、抛光于一体的光学非球面复合加工机床。在非球面光学零件的生产现状方面：由我国数控光学非球面加工第一人苏州大学研究员余景池参与创办的苏州大学明世光学有限公司，生产国际一流水平的非球面眼镜模具，并广泛用于数码相机、可视电话、计算机光驱、非球面透镜、夜视仪等领域。它是国内第一家生产非球面模具加工、检测设备的公司，从产品的设计、加工到生产都由自己完成，用完全自主知识产权的产品替代了国外产品，填补了国内空白，带动行业产值将达到几十个亿。目前，他们正在开发渐进多焦点镜片，它所带来的行业产值也将是巨大的 。最近，中国科学院南京天文光学技术研究所率先研制成功口径520毫米国产碳化硅非球面镜光学系统，并通过专家组的验收，这标志着我国高精度大口径碳化硅镜面的研制技术迈上新台阶。目前，我国第一座非球面光学元件产业化基地日前正式宣告在昆明建成，并已进入产业化生产，填补了我国非球面镜片产业化生产技术的空白 。2.回转二次非球面加工方法2.1去除加工法这种方法是去除工件上多余的材料，最终得到所需要的非球面的形状、尺寸和表面粗糙度。去除加工法包括研磨抛光修正法、切削法、离子抛光法等。 2.1.1研磨抛光修正法研磨抛光修正法是非球面加工的最基本方法。这是传统的方法，先把零件磨成接近球面形状，然后用机器或手工方法进行研磨抛光修边测量，最后达到非球面的要求。研磨法中按磨具与零件的接触特点，又可分为点接触，线接触和面接触三种。在一般情况下，点接触制造精度较低，线接触制造精度稍高，面接触制造精度最高。柱面镜加工就是靠面接触获得最后面形精度的。小磨头抛光也是面接触。研磨法是由凸轮仿形机、各种修带工具及现代数控机床等来实现的。目前国内非球面光学零件的加工主要采用研磨法，其中以修带法为多，即使是加工高精度的非球面，使用修带工具，在普通的抛光机床上就可进行。2.1.2切削法切削法采用金属零件加工的方法,被切削的对象是光学材料。切削刀具按一定的进给方式使其被加工表面符合图纸要求的面形,从而得到了要求的非球面光学零件。2.1.3离子抛光法离子抛光法是1965年以来国外发展起来的新的光学加工方法。这是一种高能正离子轰击光学表面的加工方法,采用这种方法可获得高精度光学表面。一般是将氩(Ar) 、氪(Ke) 、氙(Xe)等惰性气体原子放在真空中用高频或放电的方法使之离子化,同时给离子以高压加速,然后对玻璃表面以原子为单位进行去处。2.1.4计算机控制光学表面加工技术 随着现代先进制造技术与计算机软、硬件技术的快速发展,光学制造技术与光学设计软件得到了长足的进展。这些底层支撑技术的快速发展为光学设计人员提供了充分的想像空间,使其能够设计出更为精巧、像质更高、能够满足某些特殊要求的光学系统。特别是空间光学的快速发展,要求空间传感器的分辨率越来越高, 视场角也要求越来越大。但是对于红外侦察、预警相机中的非球面来说,直径大于500mm 的偏离量大约为200m 以上(PV 值) 。针对这类大偏离量、高陡度离轴非球面的快速加工,笔者展开了研究,在原有的FSGJ2 (非球面数控光学加工中心) 模型基础上,研制成功了具有两种运动方式、双磨头姿态的六轴联动型非球面数控光学加工中心FSGJ2 ,并且利用CCOS(Computer Cont rolled Optical Surfacing) 技术指导了加工。严格来讲,在CCOS 加工过程中,工具与被加工工件之间的面形吻合程度是影响加工精度的关键因素之一。特别是在研磨阶段,由于研磨盘变形较小(如铝质消音板) ,其与工件之间能否达到满意的吻合,在很大程度上受工具的运动轨迹的影响。此外,对非球面面形变化比较快或者非回转对称(例如:矩形、扇形、八角形等) 加工表面而言,为了获取指导非球面研磨阶段加工的全口径离散型数据,同时为了降低加工过程中边缘效应的影响,接触式轮廓检测头的探测模式以及小磨头的运行轨迹也有待优化。因此,合理的选择加工、检测路径并设置相应的轨迹参数,对于非球面元件的快速加工是十分必要的1.CCOS技术的原理及理论基础基本原理CCOS加工技术的基本原理如下图：1非球面元件 2小磨头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。同时利用计算机计算速度快、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于加工的大口径、离轴非球面光学元件来说是最佳选择。我们也可以这样简单认为：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，从而控制抛光摸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。CCOS技术的基本理论方程普雷斯顿在1972年提出了著名的普雷斯顿假设。他指出，在很大的数值范围内，抛光可以描述成一个线性方程，即 式中：K 比例常数，它由除速度和压力以外的其他所有因素决定；V 表面某一点（x,y）和瞬时(t)，的抛光速度，V=V(x,y,t)P 抛光压力，是关于位置坐标（x,y）和瞬时(t)的函数值。在这个假设中，普雷斯顿将除速度和压力外的其他一切因素的作用全部归于一个比例常数K，这样，就建立起了一个关于材料去除量、压力和瞬时速度之间的线形关系。这样，我们就可以根据被加工位置与加工工具之间的相对速度和压力，以及加工时间t，计算出在这段时间内表面材料的去除量z为 z（x,y）=K z（x,y）=（x,y）- （x,y） 式中：（x,y）时间t =0的表面高度； （x,y）时间t 时的表面高度。2.CCOS技术的加工流程计算机控制小工具的抛光技术正基于普雷斯顿假设，他是一个反复迭代的闭环控制过程。下图显示了加工过程的总体框图，大致分为下述几个阶段：(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Z。(3)选择抛光参数，根据预期的材料去除量Z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。(4)重复第三步，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。 计算机控制抛光技术加工流程2.2附加加工法附加加工法主要是镀膜法,用这种方法可以加工偏离球面或平面比较小的任何形状的非球面。但是膜层不能太厚，过厚会引起结晶，反射面或折射面就产生散射，甚至破裂和剥落。常用膜层物质是铝、氟化镁及硫化锌，以硫化锌最为合适，其最大膜层厚度可达16m。这种方法的发展必须寻求新的镀膜材料及新的膜制工艺，以增加镀膜膜层的厚度，才有可能实现加工偏离量较大的非球面。真空镀膜法加工非球面技术中，关键的是通过计算求得非球面镀制工艺中所使用的样板，它的形状和精度决定了镀制的非球面的精度。用这种方法镀出的非球面精度可达/10/20；并且重复性好，一个人可同时操作几台镀膜机。在某些情况下，所加工的非球面比研磨法成本低、效率高。2.3变形加工法变形加工法主要包括:弹性变形法、热压成形法、压铸法和热吸法等。 目前比较常用的是热压成行法，这种方法生产的光学零件，可用作一般的聚光镜、简易光学零件，有时用这种方法加工的光学零件，也可作为研磨法加工非球面光学零件的毛坯或初形。热压成形法特别适用于塑料非球面透镜的加工。目前国内生产的塑料非球面透镜，大多是用金属模具热压成形的。随着金属模具的高精度化、自动化的发展，已经研制出能满足光学零件粗糙度要求和任意曲面形状要求的金属模具，这就使热压成行制造的塑料非球面光学零件更多地代替了一部分光学零件。用热压成行法甚至可以加工出光学玻璃所无法实现的光学零件。3.回转二次非球面的理论基础3.1回转二次非球面的方程在无限多种轴对称旋转非球面中,最长用的是回转二次非球面，也称作圆锥曲线旋转面。回转二次非球面包括抛物面、椭球面、双曲面等，于它们各自具有独特的光学性能，人们把它们单个或组合起来应用在光学仪器中获得了十分满意的效果，随着光学仪器的发展，这类非球面的应用日趋广泛。轴对称非球面用它的子午截线方程表示曲面方程即可。在实际应用中，经常用三角形式的方程来表达。设光轴为X轴，即非球面的对称轴，坐标原点取在顶点。第一种非球面子午截线方程式为=+， (3.1)式中a1，a2，a3，a4，为方程系数。如果非球面是二次曲面，则方程(3.1)变为=2+（-1）， (3.2)这是二次曲面的通用方程式.式中R0为曲面近轴曲率半径，e2为曲面的偏心率平方。第二种非球面子午截线方程式为x=A1y2+A2y4+A3y6+A4y8+， (3.3)式中第一项系数和非球面近轴曲率半径有关，即A1=1/2R0. .第三种方程式为 (3.4)式中，c为近轴曲率，且c=1/R0；K为二次曲面偏心率的函数，且K=-e2；B1，B2，B3，为系数。这种表达式如果只取右边第一项则为严格的二次曲面.通过转换可得到二次曲面求x的一个有用的表达式， (3.5)（抛物面） (3.6)当曲面是二次曲面时，其不同的K或e2代表不同的曲面双曲面 K1； 抛物面 K=-1，e2=1；椭球面 -1K0，0e21；球 面 K=0，e2=0。图3-1非球面的几何性质3.2回转二次非球面的的比较球面加工回转二次非球面时，先需要加工最接近比较球面，然后在这个基础上加工所需要的非球面，再根据比较球面和非球面的最大偏差量可以在加工工艺确定在哪一道工序开始修改非球面，从而达到要求。这样做的好处在于成型容易，而且避免了象散。如图32 通过非球面子午面内最边缘两点和中心点所形成的球面称为最接近的比较球面。若给定偏心率e，非球面口径之半H，非球面顶点的曲率半径，就可以得到最接近比较球面的曲率半径R。两条曲线在边缘点Y=H （如图3-2）处相交的必要条件为： = (3.7)= (3.8)式中,-非球面顶点曲率半径; R最接近比较球面曲率半径。 = (3.9) 式中,H相当非球面口径之半。 图3-2 二次非球面的比较球面的确定3.3 回转二次非球面的最大偏离量由最接近比较球面而改变非球面要修去的最厚玻璃层称为最大偏离量，记为。通过最大偏离量的数值可以在加工工艺上确定在哪一道工序开始进行非球面的修改。如图33图33 二次非球面最大偏离量的确定它们之间的偏离量可由下式确定 (3.10)式中, -偏离量; 根据(3.7),(3.8),(3.9)式可以得出其偏离量 = （3.11）其最大偏离量和它的位置 (3.12)由2.13式子可知,最大偏离量的位置 y = (3.13)如果相对口径A=D/f表示，则 = e (3.14)知道了比较球面和非球面偏离情况,这对加工回转二次非球面是非常要的。由式3.14可以很快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。数值越大，非球面就越难加工。从公式3.15可以看出与A的立方成正比,与e平方及口径一次方成正比,同样口径,同一种非球面,A值越大越难加工。例如，最大偏离量在几个m时，可在比较球面抛光完毕之后，再将其修改成非球面；如果最大偏离量在零点几，则需要在细磨时修改非球面；最大偏离量在几时，在粗磨时就要进行非球面的修改。下面来举例说明二次非球面最大偏离量的确定。4.回转二次非球面的加工工艺目前，回转二次非球面的加工方法主要采用研磨去除法，本章就以研磨去除法为例来介绍二次非球面零件的加工工艺。4.1回转二次非球面的计算 抛物面反射镜的抛物面方程，透镜口径D=300。如图4-1 图4-1抛物面反射镜由 并将与比较 得 = 550 因为 Y=D/2=150将 与 联立解得 R= R=560.2 0.095 4.2回转二次非球面加工工艺过程首先磨成R=560.2 mm 的球面，然后找一个与其R相近的球面进行矢高的比较测量，用此球面校正比较球径仪的零点。如图4-2所示。此球径仪带有三个活动支点，活动支点可调。 图4-2带活动支点的比较球径仪用棱形玻璃工具研磨镜子中央，如图4-3。直至用比较法测量出磨去深度接近0.095为止。然后用图4-3中所示的小扇形或香蕉状小磨具磨边缘带。图4-3修改非球面细磨工具修磨成型后，用类似形状的抛光模抛光，如图4-4边检边修，针对不同的带区的宽窄深浅，采用相应的模具，直到达到要求。图4-3非球面抛光盘4.3加工工艺过程中需要注意的问题当非球面的最大偏离量为0.020.03mm以下时