[发明专利]一种非旋转对称表面光学加工轨迹设计方法

说明书

本发明属于微纳加工与超精密加工技术领域，公开了一种适用于非旋转对称表面铣磨、抛光和车削轨迹设计方法，目的是提供一种高质量非旋转对称表面加工方法。本发明需要采用具有直线位移及带有主轴转角反馈功能的多轴联动超精密机床进行加工，步骤包括：基于阿基米德螺旋线，确认螺距；边缘区域轨迹设计；确认边缘区域轨迹和中心区域轨迹衔接位置；中心区域轨迹设计；基于边缘区域轨迹、衔接位置和中心区域轨迹获得光学加工轨迹。本发明主要优点是：采用基于阿基米德螺旋线的方式，设计一种边缘区域与中心区域数据采集点疏密均匀，既能保证加工表面质量，亦能保证机床稳定运行。

技术领域

本发明属于微纳加工与超精密加工技术领域，涉及一种非旋转对称表面光学加工轨迹设计方法。

背景技术

随着非旋转对称光学表面在光学系统成像、精密测量、激光光束等领域的发展应用，此类光学表面的超精密加工技术已经成为先进制造技术的一项关键技术。

采用超精密铣磨、抛光和车削实现零件的光学表面加工，具有形状精度高、表面质量好及表面形状可控性强等优点，得到了广泛的重视和应用。常见的球面、非球面等回转对称光学表面可采用两轴精密机床进行加工，而非回转对称表面的车削加工(如：微透镜阵列、位相板等)，不仅需要考虑精密机床的直线位移，还需要引入机床主轴的角度控制，即主轴导轨X方向、刀架导轨Z方向以及主轴C的协同运动，其中主轴在带有运动控制功能的模式下工作：根据主轴C转角、X导轨及Z导轨产生不同的位移量实现不同的加工深度，从而得到非回转对称表面。

为实现非回转对称表面的超精密加工，需要根据其表面形貌表达、超精密机床的运动方式以及离散取点规则，设计加工轨迹。故，加工轨迹设计是实现非回转对称表面加工的基础。本发明根据超精密加工表面成形原理，基于阿基米德螺旋线设计了一种进化插补的加工轨迹方法，并在实际应用中验证了其可行性。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种高精度的非旋转对称表面光学加工轨迹设计方法，基于阿基米德螺旋线(亦称等速螺旋线)，光学表面的超精密加工沿轨迹方向的离散点的获取采用一种进化插补方法，这种进化插补方法在加工边缘区域时相邻离散点之间的弧长相等，在加工中心区域时相邻离散点之间的角度相等，从而实现加工表面质量和机床的稳定运行。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种非旋转对称表面光学加工轨迹设计方法，其包括以下步骤：

第一步：基于阿基米德螺旋线，确认螺距；

第二步：边缘区域轨迹设计；

第三步：确认边缘区域轨迹和中心区域轨迹衔接位置；

第四步：中心区域轨迹设计；

第五步：基于边缘区域轨迹、衔接位置和中心区域轨迹获得光学加工轨迹。

所述第一步中，阿基米德螺旋线，是一个点匀速离开一个固定点的同时又以固定的角速度绕该固定点转动而产生的轨迹，与超精密加工过程中刀具相对运动方式相同，其极坐标方程为：

r＝a+bθ (1)

其中，a和b均为实数；当θ＝0时，a为起点到极坐标原点的距离，b控制相邻两条曲线之间的距离，即螺距f＝2πb。

所述第一步中，螺距粗加工时设置在0.1mm～2mm之间，精加工时设置在0.01mm～0.05mm之间。

所述第二步中，边缘区域轨迹设计的过程为：根据上述阿基米德螺旋线轨迹方式及笛卡尔坐标(x-y)和极坐标(r-θ)转换关系及数学分析知:

x＝r·cos(θ) (2)

y＝r·sin(θ) (3)