光学零件加工主要难点的分析

光学零件加工的主要难点分析根据光学零件在当今科学技术中的重要作用，阐述了球面和非球面光学零件的各种加工方法和难点，探讨了解决加工难点的方向和可行方法。光学零件的重要性及加工技术现状随着现代科学技术的不断发展，光学技术在航空航天、航空航天、天文学、电子学、激光和光通信等许多领域的应用越来越广泛。在激烈竞争的科学技术、经济和国防领域，这一问题变得越来越紧迫和重要。此外，光学技术所需的光学零件正日益向高精度、小型化和超大型方向发展，这使得传统的光学零件加工技术难以适应新的发展需求。为此，各种技术先进的国家投入了大量的人力和物力来开发加工各种光学零件的新技术。由于光学技术中需要的光学零件种类和形状很多，因此涉及的加工工艺设备和加工方法也多种多样。其中，镜头加工技术是最具代表性的。目前，除了传统的加工技术外，透镜和反射镜的加工技术也有所发展，包括数控车削技术、数控磨削技术、数控抛光技术、塑料注射成型技术、玻璃成型技术、激光飞秒加工技术、复制技术和电解技术等。然而，几乎所有新开发的加工技术都是为了解决非球面透镜的加工问题而提出的。然而，每种处理方法都有其适用范围的限制。例如，数控加工、磁流变抛光和离子抛光适用于单件和小批量，而注射成型、成型和复制适用于大批量加工。一般来说，无论是单个玻璃透镜，还是用于注塑和模压的模具型腔，都必须经过研磨和抛光才能满足精度和粗糙度的质量要求。因此，精磨是保证精度和提高加工效率的重要工序。为了进一步提高加工效率，一些国外学者目前正在研究研磨而不是抛光。由于不同的研磨和抛光机制，很难预测研磨是否真的能取代抛光。然而，考虑到加工效率，研磨法主要用于提高表面形状精度并最大程度地降低表面粗糙度，而抛光法用于保证表面质量并对表面形状进行微小修正。如何提高精磨的表面精度，降低表面粗糙度，是提高光学镜片加工效率的重要措施之一。为此，作者对精炼过程进行了分析，探讨了精炼的难点、改进的方向和可行的方法。2加工光学零件的原理和方法由于光学零件的类型和形状多种多样，因此也开发了多种加工原理和方法。可以找到50多种特定的处理原理。但是，它们的加工原理大致可以分为以下四类：变形加工原理、附加加工原理、修正加工原理和去除加工原理。光学零件加工的主要难点分析2(1)变形加工原理：热变形、注射成型、压缩成型等。(2)附加处理原理：涂覆、蒸发、离子镀、电镀、电铸和树脂复制。(3)变质处理原理：有一种通过渗透改变材料沿轴向或径向折射率的方法。(4)去除加工原理：有传统的手工研磨抛光、成形刀具轨迹成形、仿形轮廓成形、机构轨迹成形和数控轨迹成形等方法。在分析了所有上述处理方法的原理之后，很容易得出结论，轨迹成形原理是最基本的处理原理。例如，热变形、注射成型和压缩成型中的变形处理方法必须使用tra3光学镜头加工困难的原因分析无论用哪种方法加工零件，其表面形状精度和表面质量都是同时产生的一种质量状况。就目前的加工技术而言，简单地要求非常高精度的表面形状或非常高质量的表面不是非常困难的技术，但是同时要求非常高的表面形状精度和非常高的表面质量是非常困难的加工技术，并且光学部件的加工技术是非常困难的加工技术。因此，光学零件的加工技术也代表了一个国家超精密加工技术的水平。通过分析几种常用的加工方法，分析了加工中的主要难点。3.1传统手工加工方法的难点光学零件的原始加工方法是从手工加工方法开始的，对于少数超小型或大型或异形光学零件是一种非常有效的加工方法。事实上，人类的手是“万能的”。光学加工的“工匠”手里拿着工具，一点一点地去除多余的部分。他对其进行处理和检测，直至合格。这是一种轨迹处理方法，通过刀具的特定轨迹逐渐去除材料。手工加工方法具有加工品种和尺寸多样、设备和工具简单、投资少、灵活等优点，但加工周期长、重复性差、操作人员技术水平高的缺点使其不适合批量和大批量生产。人工加工方法导致上述缺点的基本原因是，操作者所依赖的加工轨迹是一个非常随机的工具的轨迹，而不是在加工中可以依赖的精确轨迹。光学零件加工的主要难点分析33.2传统轨迹形成和加工方法的困难人们从手工加工技术中早已知道，基于加工轨迹成形加工的机械化加工技术是解决手工加工技术难点的关键。因此，经过长时间的艰苦工作，已经开发了几十种可靠的轨迹处理技术。最有效的加工方法之一是目前广泛使用的球面加工技术。如图1所示，目前使用的球面加工技术包括三个基本过程：粗磨、细磨和抛光。图1所示的粗磨生成方法的原理也称为包络铣削和磨削原理。这个原理最早是由英国学者W泰勒在1920年提出的，但是直到20世纪50年代，应用这个原理的铣床和磨床才出现。图1所示的铣磨原理解决了传统手工粗磨存在的加工效率低、加工环境差、操作人员劳动强度大的问题，对光学零件的加工技术起到了革命性的推动作用。这种包络铣削原理是刀具的砂轮与工件的旋转轨迹相互干涉形成包络轨迹的加工原理。图2和图3示出了通过压力传递逆研磨轨迹成形方法的精细研磨和抛光的原理。摆动旋转对磨法最终可以获得一定半径的球面，也是工件与磨具轨迹相互干涉成形的轨迹加工方法。用这一原理加工的球面不一定是设计所要求的球面。为了获得设计所需的球面，必须不断调整和修整模具以满足要求。因此，完成设计要求的球面磨削和抛光需要很长时间，因此球面光学零件的加工时间要比同等尺寸的机械零件长得多。为了提高球面光学零件的加工效率，人们试图将常规铣削的原理应用于精磨和抛光过程。图1所示的铣削原理的球面半径r可以由等式(1)表示其中是工件轴和砂轮轴之间的夹角；Dm是砂轮的中间直径；r是砂轮端面的圆弧半径。光学零件加工的主要难点分析4等式(1)是数学不考虑铣床本身的制造误差和其他因素，只考虑公式(2)中的d(Dm)、dr和d，其中很难通过烧结法获得砂轮直径Dm的非常小的误差。在加工过程中，砂轮的圆弧半径不断磨损和变化，角度的精确调整非常困难。因此，基于展成法原理的精磨和抛光加工更容易保证表面质量，但很难保证表面形状精度。目前，各种球形零件的加工都是基于低精度机床，主要依靠操作者的经验和技能来保证加工质量的要求。与机械零件的加工相比，保证加工质量要困难得多。这个问题的根本原因是今天加工球形零件的加工轨迹不是由精确的圆弧轨迹引起的。3.3加工非球面光学零件的主要困难由于光学系统中使用的非球面光学零件具有球面光学零件无法比拟的优势，长期以来人们一直在不懈地研究非球面光学零件的加工技术。光学非球面的手工加工始于牛顿。牛顿于1671年将6英寸抛物面望远镜引入英国皇家学会，随后发表了一份关于沥青抛光的报告。从1899年到1926年，德国蔡司公司对非球面透镜加工技术进行了大量的研发，其原理主要是各种轨迹成形方法。根据现有的机构原理知识，可以得到所有二次曲线(椭圆、抛物线、双曲线)的非球面加工轨迹和一些高阶曲线的非球面加工轨迹。利用上述各种轨迹曲线加工非球面光学零件，加工效率高，表面质量容易保证。然而，到目前为止，所有传统的轨迹成形方法都不能加工高精度、复杂表面形状的非球面零件，通用性差。可加工零件的形状和尺寸单一，根本原因是成形工具的非球面轨迹曲线、成形母盘的非球面轨迹曲线或加工所基于的成形机构的非球面轨迹曲线难以获得高精度曲线轨迹，即加工所基于的非球面加工轨迹不是高精度轨迹曲线。这是用传统的成形轨迹加工非球面光学零件的难点。3.4光学零件数控加工的难点随着计算机技术的发展和航空制造业的迫切需要，数控技术已经广泛应用于航空和机械加工中。20世纪80年代，数控技术被推广应用到光学非球面零件的加工技术中，推动了非球面加工技术的快速发展。然后应用数控技术开发注塑模具和玻璃模压模具，以满足大批量生产非球面光学零件的需求。因此，可以说在技术上很难将少量的光学非球面加工成单件和大量的光学非球面。然而，数控加工技术和注射成型技术不适合加工多品种、多批次的非球面光学零件。这是由数控加工技术的工作原理决定的。因此，大量生产非球面光学零件的问题尚未解决。光学零件加工的主要难点分析5加工刀具在数控车削和数控磨削中的运动原理是插补原理，它是数字化的，不是连续的仿真。这是刀具台在X轴和Y轴上制作微小折线的运动原理。如果这些微小的折叠段之间的距离足够小，可以保证曲线所需的整体表面形状精度，但是很难保证光学零件表面的连续和光滑的局部表面形状要求，因此不仅不能保证表面质量要求，而且加工效率低。在光学零件的数控加工中，除了插补原理引起的理论局部波纹误差外，还有一系列误差因素。不消除这些误差因素，就很难数控轨迹成形的核心是插补理论。目前的插值理论有很多研究成果，但主要分为两类：基值脉冲插值(也称脉冲增量插值)和数据采样插值(也称数字增量插值)。基本值脉冲插值包括逐点比较插值、数字脉冲乘法器插值、数字积分插值、矢量控制插值、比较积分插值和最小偏差插值。数据采样插值包括时分插值、扩展DDA插值、双DDA插值等。根据数学模型，可分为线性插值、圆形插值和二次曲线插值。由脉冲增量插值形成的轨迹是如图4(a)和4 (b)所示的微小虚线的近似轨迹。图4(c)是由于砂轮中心根据微小折叠线移动而在工件上形成的“波纹”轨迹的示意图。由数字增量插值形成的轨迹是图5所示的时分插值方法中的直线、弦线和圆弧插值轨迹。非球面光学零件的轨迹曲线是非圆曲线，所以无论目前使用何种插补方法，因为插补原理”.只有要处理的曲线可以用折线轨迹来近似，在工件上获得的折线总是折线状曲线，而不是连续的光滑曲线。因此，通过数控方法获得的锯齿形表面(即表面波纹)不是光学表面，这是难以通过数控加工原理获得光学表面的主要原因之一。光学零件加工的主要难点分析64.2影响数控加工质量的许多其他因素1)数控系统误差增量控制数控系统是一个由多种硬件和软件组成的复杂控制系统。由于温度和干扰，系统各部件的性能在任何情况下都很难保持一致，这或多或少会导致控制系统的误差控制。然而，这个误差值很难精确估计，通常超过亚微米水平。该误差导致整体表面形状误差。2)数控机床的零点漂移误差有机床原点、机床参考点、编程原点、工件原点、对刀点等。在数控机床中，这些点之间有严格的尺寸要求。然而，各种因素会影响这些点之间的位置误差，即零漂移误差0。该误差导致整体表面形状误差。3)各种补偿误差增量补偿数控加工中设置了多种补偿功能，如刀具半径补偿、刀具长度补偿、齿轮间隙补偿、螺纹间隙补偿、弹性变形补偿、刀具磨损补偿、热变形补偿等。这些补偿功能的好处是无可非议的，但是对于如此多的补偿值，每个值都不是固定的，并且很难说这些补偿值的检测精度和补偿精度能够达到什么程度。例如，数控编程的轨迹是工件的形状，但在加工过程中，工件的形状必须通过刀具中心的移动来加工。因此，如果要对砂轮进行补偿，砂轮很难检测其半径的微米级精度。因此，不准确补偿导致的各种补偿误差补偿将不可避免地发生。这些补偿误差直接导致整体表面形状误差。4)工件定位误差、刀具设定误差、进给误差数控加工前，机床的坐标参考点必须对齐，工件图上的坐标原点和机床的参考点必须保持精确的尺寸关系。在此基础上，必须对零件进行定位、对齐和进给。然而，除了零点漂移之外，坐标点之间的偏移也是由其他原因引起的。因此，零位的对准应经常进行，这样也会产生工件定位误差设定、刀具设定误差对和进给误差进给，这将导致整体表面误差。5)程序编程误差范围编程误差包括逼近误差、曲线插值该误差与数控系统的插值函数填充算法及其某些参数有关。三角圆表示在编程过程中数据处理过程中舍入小数位引起的误差。如果这个错误处理不好，就会产生一个大的累积错误，导致编程错误的增加。以曲线插补误差为例，非圆曲线的插补方法很多，如图6所示，有等间距、等弦长、等误差的直线逼近插补和圆弧段逼近插补等。但它们都是基于微小的虚线近似，这不可避免地会在工件表面产生微小的波纹形状。因此，程序编程误差导致工件的局部表面误差。4.2影响数控加工质量的许多其他因素1)数控系统误差增量控制数控系统是一个由多种硬件和软件组成的复杂控制系统。由于温度和干扰