[发明专利]非轴对称非球面光学元件的平行磨削方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种非轴对称非球面光学元件，尤其是涉及一种非轴对称非球面光学元件的平行磨削方法。

背景技术

用于激光打印机(Laser Printing)与激光打标机(Laser Marking)上的扫描物镜，必须满足等速扫描平面完善成像的要求，但是由于传统光学的成像，象高H与扫描角θ成非线性关系(H＝F*tgθ)，无法满足线性成像关系，因此必须根据线性成像的要求(H＝F*θ)故意将该物镜面形设计成带有“负畸变”的自由曲面。这种特殊的变形的物镜称为Fθ透镜形式的自由曲面透镜。

非轴对称非球面光学元件(F-theta镜)是自由曲面光学元件的重要类型，是激光扫描系统中不可缺少的重要部件，广泛用于导弹跟踪瞄准仪、标刻机、雕刻机、激光打印机、传真机、印刷机以及用于制作半导体集成电路的激光图形发生器和激光扫描精密设备中。

为了获得更加清晰和精确的光学图像，满足在医疗设备及其军事上的应用，对非轴对称非球面的形状精度和表面粗糙度提出了极高的要求。因此，为了满足加工精度以及可行性的要求，一些能加工出光滑表面的数字化加工方法例如金刚石切削、球形砂轮磨削、混合电加工和ELID等相继被提出。然而，这些加工方法存在效率低、面形难保证、程序复杂等问题，另外在加工工艺流程方面也存在一些问题。(参见文献：1、Kuriyagawa，Tsunemoto；Tachibana，Toru；Syoji，Katsuo；Mori，Yukio.Nonaxisymmetric aspheric ceramic mirror machining using arcenvelope grinding method.Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers，Part C，v 63，n 611，Jul，1997，2532-2537；2、Gotoh T，Takaya Y，Miyoshi T.Studies on generating free-formsurface from high-density measured point data(1st Report).JSPE，Japanese Edition，1998，64(1)：84～88)

发明内容

本发明的目的在于针对非轴对称非球面的成形3轴加工法柔性不足及球形砂轮加工法对工具和机械的要求太高的缺点，提供一种采用普通金刚石圆弧砂轮的3轴两联动的非轴对称非球面光学元件的平行磨削方法。

本发明包括以下步骤：

1)选择加工方式，设定加工参数，利用非轴对称非球面表面方程计算工件表面点轨迹G(x_g，z_g，y_g)的步骤；

2)结合圆弧砂轮参数计算出磨床x轴、y轴和z轴3轴联动砂轮中心点轨迹O(x₀，z₀，y₀)的步骤；

3)对磨床x轴、y轴和z轴3轴联动砂轮中心点轨迹O(x₀，z₀，y₀)的各列z坐标值取平均值，得z坐标值平均值z₀′，将3轴联动砂轮中心点轨迹O(x₀，z₀，y₀)变为O′(x₀，z₀′，y₀)的步骤；

4)建立非线性方程组，以x_g，z_g为初值，采用Guass-Newton迭代算法，利用x₀，z₀′反求得到工件表面点x_g′坐标和z_g′坐标的步骤；

5)代入非轴对称非球面表面方程算出工件表面点轨迹G′(x_g′，z_g′，y_g′)的步骤；

6)结合圆弧砂轮参数计算出3轴两联动砂轮中心点轨迹O₁(x₁，z₁，y₁)的步骤，从而实现非轴对称非球面工件的3轴两联动高精度加工。

所述的加工方式即为加工程序插补点的分割方式，可分为等步长方式和等弧长方式。等步长方式即在工件的x轴和z轴方向将工件的加工长度按相等距离平均分割；等弧长方式即在工件的x轴和z轴方向将工件的加工表面弧长按相等弧长平均分割。

所述的非轴对称非球面表面方程可表示为：