[发明专利]一种超精密车削自由曲面棱镜加工方法

说明书

本发明涉及一种超精密车削加工自由曲面棱镜的方法，包括超精密车削加工自由曲面棱镜的多个内反射面和利用光学探针在线定位并检测补偿加工曲面形偏差的方法。基于X轴和Z轴的两轴单点金刚石车床，设计了一种单次装夹的可调工装结构来辅助加工自由曲面棱镜，自由曲面棱镜的几个待加工曲面可自由在线切换并定位，加工曲面的角度调节采用标准角度的楔块辅助。在线检测自由曲面棱镜时采用光学探针的方式，检测与补偿加工曲面的面形偏差以及加工余量。与现有技术相比，本发明具有适用多种尺寸、降低制作成本和提高加工效率等优点。

技术领域

本发明涉及光学器件制造及超精密加工技术领域，尤其是涉及一种超精密车削自由曲面棱镜加工方法。

背景技术

常规光学系统中的镜头一般采用多片式光学元件同轴组合而成，但安装和调试一直都比较困难。自由曲面广泛应用于光学系统中，其中自由曲面棱镜则是一种近年来新提出的设计理念，自由曲面棱镜是将多个自由曲面集成至单个镜片上的一种设计，可提供多个优化自由度并有效改善成像的像质。在中、长波红外取景器的设计中，自由曲面棱镜的设计构型会大幅度折叠光路，使系统结构紧凑。此外，高通量和高分辨率是中、长波红外取景器的关键参数，这些将提升系统在弱光或者夜间复杂环境的目标识别能力。S.R.Kiontke在《Monolithic freeform element》(Proc. SPIE 9575,95750G,2015)中研制出一款视场角24°，长度仅22mm(最长的维度) 的自由曲面棱镜镜头，材料为锗，其工作波段为长波红外波段。

然而，自由曲面棱镜的加工和检测是一大难题，因为，自由曲面的加工需要有磨削、抛光等多道工序以及多次检测过程，目前加工方法都是按照基准面多次定位后逐个面加工完成，这样的加工需要多次通过上下盘定位棱镜，多次将零件拆下并重新装卡上盘也就不可避免，因此会降低元件加工的效率。由于棱镜自身的高精度要求，各个面之间的位置和角度都有严格尺寸要求，多次上下盘重复装卡的定位准确与否对加工精度、检测结果的影响极大，若重新装卡后再上盘时定位不准，将会严重影响加工精度，提高自由曲面棱镜的不合格率。

中国专利CN201610969003.5公开了一种自由曲面棱镜加工方法，包括以下步骤：依据给定的自由曲面棱镜模型设计相应的磨削和抛光软件；设计一套用以自由曲面棱镜装夹的专用夹具，该夹具可以实现自由曲面棱镜三个面之间的位置转换，并根据自由曲面棱镜模型计算出每个自由曲面的待磨削加工余量；将装夹好的自由曲面棱镜夹具固定在磨削设备的主轴上，调整夹具位置，进行自由曲面的磨削加工；将自由曲面棱镜及夹具从机床上拆下来，将自由曲面棱镜在夹具上旋转一定角度达到另一个面位置；将旋转后的自由曲面棱镜固定在磨削设备主轴上，重复装夹夹具并磨削和拆卸夹具的步骤。该专利通过高精度自由曲面棱镜专用夹具实现自由曲面棱镜的位置定位和依次加工，但是每次加工完一个面之后，均需要将自由曲面棱镜和夹具从机床上拆下来，严重降低元件加工效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种超精密车削自由曲面棱镜加工方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种超精密车削自由曲面棱镜加工方法，该方法利用预先加工完成的工装组件，对自由曲面棱镜进行装夹后完成超精密车削加工，包括以下步骤：

1)车削加工自由曲面棱镜的两侧壁面，使两个侧壁面相互平行；

2)将工装组件和自由曲面棱镜组装，并设置于机床上，利用标准角度的楔块辅助定位自由曲面棱镜待加工的角度，并锁死自由曲面棱镜姿态；

3)定位自由曲面棱镜加工曲面的旋转中心位置；

4)车削加工自由曲面棱镜待加工曲面的表面面形，直至完成该表面面形加工；

5)旋转改变自由曲面棱镜姿态，切换待加工曲面的位置并完成定位；