[发明专利]一种拼接法铣磨大口径非球面的方法与装置及抛光方法

说明书

本发明属于光学加工领域，为解决米级大口径非球面加工耗时长、刀具磨损严重问题，公开了一种拼接法铣磨大口径非球面的方法与装置及抛光方法，将非球面离散为一系列不同半径的环带，使用外径小于非球面1/4口径的环形砂轮刀具依次范成每个环带；环带等间距且总数为N，任意环带的宽度由第N环带、第N‑1环带、定位精度、非球面的母线方程共同确定；由众多的环带包络出非球面；刀具与工件表面的接触区域为环带，因此加工大口径非球面时环形刀具使用寿命远大于传统加工方式的刀具寿命；环带间距远大于传统加工螺距，加工效率得到显著提升；小口径的环形刀具解决了动平衡性能差问题。本方案可推广到离轴非球面加工，具有很强的实用性。

技术领域

本发明属于光学加工领域，涉及一种大口径非球面光学元件的数控加工方法。

背景技术

非球面光学在光学系统中能够很好地矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力。非球面镜是光学系统中非常重要的光学元件，能以一个或几个非球面元件代替多个球面元件，从而简化仪器结构，简化系统结构、缩短筒长、并有效地减轻仪器的重量，同时非球面光学系统的设计能使计算方法大为简化。

近年来，非球面光学元件的加工技术有了显著的发展，其加工方法主要有：数控研磨抛光技术、单点金刚石车削技术、离子束加工、模压成型等，不同的加工方法都有各自的优缺点。使用数控研磨抛光技术加工非球面镜时，通常会先加工出非球面光学元件的最接近球面，然后再按照该面磨削出球面，最后通过研磨和抛光加工出符合要求的非球面；但这种方法耗时太长，生产效率较低。单点金刚石车削技术主要用于有色金属材料如硬铝、黄铜、无氧铜等的典型零件的切削，在切削过程中易发生刀具偏置，往往需要配上在线检测设备才能获得理想的非球面精度。离子束加工虽然可以获得精度较好的非球面，但加工设备和成本较高，且加工设备不具有通用性，因而限制了它的推广使用。模压技术主要用来批量制备微小型的非球面透镜，不适用大口径高精度的非球面镜。因此，大口径非球面镜的高效、低成本加工技术仍然在不断的探索和研究之中。

目前，为了缩短非球面透镜的加工周期，在加工非球面时先范成法开粗加工出最接近球面，然后再用数控机床直接在球面基础上铣磨精加工出符合非球面方程的非球面。该方法因使用范成法开粗快速去除了大量的材料，通常只需一次数控精加工就可将最接近球面改为非球面，加工效率高、经济性好已经逐渐被广泛使用。但在精加工改非球面时，过大的刀具轨迹螺距会导致明显的切除不足，且表面粗糙度较差。为了提高表面质量，刀具轨迹螺距通常小于0.2mm，对于大口径非球面而言，刀具轨迹总长将非常大，加工耗时更长；尤其是加工米级非球面时，受刀具磨损影响，一把刀具难以走完全部刀具轨迹就不得不换刀，换刀后通常会在非球面表面留下接刀痕迹，且由于不同刀具的参数不同，必然会使得加工的非球面面形误差来源因素复杂，给后期补偿加工带来巨大难度，严重影响加工精度。因此现有技术加工大口径非球面镜，尤其是米级非球面镜，还存在刀具轨迹过长导致刀具磨损严重、加工效率低、难以补偿加工导致的非球面精度低的问题。传统范成法加工要求环形刀具直径大于被加工工件的半口径，但随着刀具口径的增加，在加工时刀具的动平衡性能急剧下降，严重影响加工玻璃表面质量。

发明内容

为解决现有技术加工大口径非球面时存在的刀具轨迹过长以及范成法加工刀具动平衡性能影响加工质量问题，本发明提出一种拼接法铣磨大口径非球面的方法，所述的非球面为凹面且母线方程记为f1，非球面口径为D，用于铣磨的数控机床定位精度为β，将非球面离散为N个在X轴方向等间距的环带，N为整数，任意环带的宽度dx＝D/(2N)，第n个环带对应的非球面半口径记为x_n；使用外径小于非球面1/4口径的环形砂轮刀具依次范成加工每个环带；其中n为第一个环带至第N个环带中任意环带的序数，所述dx求解的约束条件为：第N-1环带的母线方程记为f2，第N环带母线方程记为f3；f3上x1处的点记为(x1,z1)，f2上矢高为z1处的点记为(x2,z1)，f1上x2处的点记为(x2,z2)；其中x_n＝n*dx，x1＝D/2，z1-z2＝β，x2＝x1-dx。