[发明专利]一种自由曲面棱镜的定位设计及加工方法

说明书

本发明提供了一种自由曲面棱镜定位设计和加工方法，以解决高精度要求的自由曲面加工、检测、装调基准一致性控制的难题。本发明是基于自由曲面棱镜加工、检测离线检测过程重复定位等需求，通过在自由曲面棱镜上设置特殊设计的辅助基准工艺台，辅助基准工艺台上设置定位基准面，从而实现加工基准和装调基准一致。采用本方法可以实现加工、检测甚至后续装调基准的统一，实现自由曲面加工、检测、装调基准的一致性控制，保证最终的光学系统性能。

技术领域

本发明属于光学元器件精密加工及高精度检测技术领域。涉及一种曲面棱镜的定位加工方法，具体涉及一种自由曲面棱镜的定位设计及加工方法。

背景技术

自由曲面棱镜是由两个或者多个自由曲面形成一个特殊光学元件，因自由曲面结构设计多样性，在民用市场上存在大量的应用，如F-theta棱镜，头盔显示器、AR、VR等。自由曲面棱镜因材质可分为光学树脂、光学玻璃两种，针对光学树脂可采用金刚石车削加工或者采用高精度注塑成型技术实现。然而光学树脂材料透光性和环境耐受性差，所以在恶劣环境需求下以及高精度成像光学系统均采用光学玻璃材料的自由曲面棱镜。目前针对光学玻璃材料自由曲面棱镜的加工基本流程为：铣磨——抛光。

由于光学玻璃铣磨成型和抛光是不同工序，针对自由曲面棱镜加工而言，必然存在铣磨——检测——抛光——检测等一个反复过程。而普通的自由曲面棱镜由于棱镜本身没有加工、装调基准，因此需要借助专用工装辅助进行加工和检测，如专利申请号201610969003.5提出的“一种自由曲面棱镜加工方法”，该专利采用高精度编码器实现自由曲面棱镜角度加工需求，采用该加工方式后，一旦零件卸下工装后就失去了原有的基准，对后续装调造成不小的影响，也就是失去了重复定位基准，导致后续装调存在一定的难度。而且该专利中采用的结构较复杂，需要采用高精度编码器，难以普遍应用。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，实现自由曲面棱镜高精度加工及检测，本发明提出一种方便、易实施、精度易于保证的自由曲面棱镜的定位设计及加工方法，通过在自由曲面棱镜上设置特殊设计的辅助基准工艺台，辅助基准工艺台上设置定位基准面，从而实现加工基准和装调基准一致。采用本方法可以实现加工、检测甚至后续装调基准的统一，实现自由曲面加工、检测、装调基准的一致性控制，保证最终的光学系统性能。

本发明的技术方案为：

所述一种自由曲面棱镜的定位设计及加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据光学设计要求的自由曲面棱镜外形加工棱镜毛坯；在棱镜毛坯的两侧面对称设计加工有辅助基准工艺台；所述辅助基准工艺台上具有若干定位基准面；所述定位基准面的个数与棱镜毛坯中需要分别加工的自由曲面个数一致，定位基准面与需要分别加工的自由曲面一一对应；

步骤2：设计并加工铣磨、抛光和检测一体化工装：每个一体化工装对应一个待加工的自由曲面；

所述一体化工装主体为圆柱结构，其外圆为回转中心定位基准；一体化工装主体一端设计加工有与机床连接的接口，另一端设计加工有用于找正基准方向的定位基准以及用于放置棱镜毛坯的沉台；沉台内部两侧设置有与定位基准面对应的定位基准台；所述定位基准面为当前一体化工装对应的待加工自由曲面在辅助基准工艺台中对应的定位基准面；

步骤3：将棱镜毛坯放入一体化工装的沉台中，定位基准面放置在定位基准台上并胶粘固定，待加工自由曲面露出一体化工装表面；

步骤4：在后续的整个磨削、抛光、检测过程中棱镜毛坯与一体化工装不分离，直至检验合格为止，取出自由曲面棱镜；

步骤5：针对不同的待加工自由曲面，重复步骤2～步骤4完成各个自由曲面的加工，其中每个待加工自由曲面对应各自的一体化工装。