专利名称：大离轴量离轴非球面镜的一种超精密车削加工方法
技术领域：
本发明属光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种离轴非球面镜的加工方 法。
背景技术：
离轴非球面镜是架构光学系统常见的光学器件，可以实现光束汇聚或发散、进行 光路方向调整，组建的光学系统具有组件少、无遮拦、长焦距、大视场、宽波段、抑制杂光能 力强、调制传递函数高等特点。离轴非球面镜在空间光学系统中起着非常重要的作用，利用 它组建的三镜反射系统是空间望远镜的核心部件，可以避免中心遮拦，还能减少系统体积 和重量，同时提高系统的成像质量。离轴非球面镜还广泛用于极紫外光刻中的光刻物镜，配 合其他光学元件增大收集角，提高反射效率。另外，离轴非球面镜还可实现高分辨率的分光 功能，应用于各种干涉仪、光束准直仪、光束扩展器、光谱检测器、MTF测量仪等。离轴非球面镜作为非球面的一部分，自身不具备轴对称性，是一种典型的自由曲 面光学元件，形状的复杂给加工带来了困难。目前，回转对称的普通非球面镜一般采用金刚 石切削、研磨或抛光等技术加工，可达到超精密加工要求。单点金刚石切削可实现光学质量 表面的单工序加工，不需要研磨等复杂的后续工序，是加工离轴非球面镜的高效方法。专 利200910070523. 2提到一种组合式的加工方法，将离轴非球面组合为完整非球面，仅借助 两轴超精密车床就能按照旋转对称方式进行离轴非球面加工，但受加工机床主轴口径的限 制，仅适用于对尺寸较小和离轴量较小的离轴非球面进行有效加工。近几年，随着快刀和慢 刀伺服的出现，为主轴的转动角度添加了反馈或控制，可实现离轴非球面的高效加工，对加 工尺寸和离轴量进行了很大地提高。快刀伺服方式在高频曲率变化面形加工上具有优势， 但加工表面质量低于慢刀伺服方式，因此，慢刀伺服控制技术成为光学自由曲面最佳加工 方法。在采用慢刀伺服控制技术进行大离轴量离轴非球面加工时，由于受到离轴非球面自 身曲率变化的影响，在加工回转中心区域时，会因切削范围过大而刀具加速度不够出现逆 向切削的现象，导致刀具切削干涉，对刀具造成破坏性影响，从而严重影响了该方法的真正 应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种既可增大加工工件的尺寸和 离轴量，又能有效避免加工干涉的超精密车削加工方法。本发明提供的加工方法，借助工件 的偏心装配方式，采用慢刀伺服控制方式进行切削加工，不仅可避免刀具干涉问题，还能提 高加工效率，增大加工工件尺寸，适用于加工任意离轴量的离轴非球面。本发明的技术方案 如下1.大离轴量离轴非球面镜的一种超精密车削加工方法，采用慢刀伺服控制的单点车 削工艺，在具有直线运动轴X、z及具有角度定位的车削主轴C的超精密车床上实现，其特征 在于，包括下列步骤1)对待加工工件的离轴非球面进行粗加工，按照粗加工后的工件重量进行配重块的选择；2)采用精密加工机床对对正块进行精密铣削加工，制作对正块，所述的对正块为 加工过程中置于夹具中央，与配重块和待加工工件的侧面均相互接触的一个物件；3)根据待加工工件的被加工离轴非球面的口径和对正块尺寸，进行偏心量的计 算，并根据离轴非球面参数确定加工方程；4)对于切削区域，按照慢刀伺服控制运动方式进行切削加工计算，对于非切削区 域，按照刀具在ζ方向上位置保持不变的方式，进行非切削区域路径计算；5)将对正块置于夹具中央，保证其中心定位精度在2um以内，并将待加工工件和 配重块按照重量均衡的方式排布在对正块周围，使待加工工件、配重块和对正块一起装配 于夹具上；6)按照设计好的加工路径进行超精密车削加工。本发明的超精密车削加工方法，其特征在于，夹具装配好后，对正块和配重块的高 度不高于待加工工件的离轴非球面的最低点的高度。上述的步骤1)中所述的配重块为与 待加工工件材质和结构相同的经过粗加工后的其他工件，步骤4)中进行路径计算时，计算 的是同时进行两个以上工件的离轴非球面加工的路径。本发明设计的加工方法具有以下优点(1)结构简单，仅需采用普通夹具对离轴 非球面进行装卡；( 因采用偏心装卡方式，可以避免切削干涉问题；C3)采用慢刀伺服控 制的单点金刚石车削方式进行切削加工，可有效提高加工效率；(4)增大了加工工件的尺 寸；(5)适用于任意离轴量的离轴非球面加工；(6)可同时装卡加工两/三件工件，进一步 提高加工效率。
图1本发明采用的加工系统的示意图。图2本发明采用的加工系统的2D图。图3同时加工两个离轴非球面时装配方式。图4同时加工三个离轴非球面时装配方式。图5离轴非球面方程及切削范围定义示意图。图6刀具运动轨迹。附图标记说明如下1车床主轴 2金刚石刀具 3夹具4配重块 5对正块
具体实施例方式图1是本发明的加工系统示意图。系统由车床主轴1、金刚石刀具2、夹具3、配重 块4和对正块5等部分组成。对正块5负责控制离轴非球面的偏心安装量，其一侧紧靠离 轴非球面的最低侧；配重块4负责对回转夹具3平衡调整，位于离轴非球面放置的对称侧； 利用夹具3并通过超精密金刚石车床自带真空吸盘，将加工系统固定于车床主轴1上。配 重块4和对正块5的高度要低于离轴非球面最低高度h，而离轴非球面安装的偏心量δ远 小于离轴非球面的离轴量。加工坐标系及量值标示如图2所示。
为进一步提高加工效率，配重块4位置处可放置同样的离轴非球面，如图3所示。 而调整凸台底面的形状，还可进行三个离轴非球面的同时加工，结构如图4所示。加工过程采用慢刀伺服控制的单点金刚石车削来实现，即车床具有直线运动轴X、 Z及具有角度定位的车削主轴C。当C轴旋转到某一角度时，可以控制X和Z轴以较高速度、 微行程地振动，从而实现慢刀伺服控制。设离轴非球面的数学表达式为，知)=令二θ);”2! 7+±A2{{x-xJ+/} (1)其中c为非球面顶点曲率，k为锥度系数，A2i为非球面系数，其中第一项描述了一 种二次曲面，当K的取值范围不同时方程描述双曲面、抛物面、椭圆面、球面等。^是偏离旋 转轴心的距离，即离轴非球面的离轴量，当工件外形为圆，且工件口径为Φ时，则离轴非球 面在χ方向的取值范围为k。_x| ^ Φ/2。当离轴非球面偏心放置时，其方程表示为，z(x, y) = ~ c[(x-x + δ)2+f] + 玄 ^ [(χ⑵l + A/l-(“l)c[(x-x。+5)2+/j -ι则离轴非球面的形状取值范围为如_Xq+ δγ < φ/2，如图所示。则刀具在X轴上的加工范围为[&，ig，即[δ-Φ/2，δ+Φ/2]，当离轴非球面安装于主轴上进行勻速 旋转运动时，刀具在xe [R27R1]范围内勻速直线运动，同时受加工面形的影响，刀具在ζ方 向上进行震荡运动。在图5中，对于任一条加工路径χ = Rm时，实线范围内切削区域，即对 离轴非球面部分进行切削，而在虚线范围内不切削，为非切削区域。对于切削区域，需按照慢刀伺服控制运动方式进行切削路径计算，而对于非切削 区域，刀具在ζ方向上位置保持不变。对任意加工点Ptl，对应的刀具中心位置为ot，Ot = P0+Jp(3)其中rQ为刀具半径，^p = ^-(^-长。)长。(4)其中乾。=(-311^。,腳式,0)为特定转角Φ。时切削面法向矢量，左=-4,1)为所需加工表面当前点法向矢量，其各分量可由公式O)的偏微分求解。按顺序计算出足够量 的刀具中心位置点，排列组成切削区域的路径。图6显示了对于某一特定离轴非球面，刀具 在χ和ζ方向上的运动轨迹。本发明的具体实施步骤为1)制作夹具；采用精密加工机床对对正块进行精密铣削加工，对正块为长宽高 5mm的立方体，位于整个夹具中央，保证其中心定位精度在2um以内；2)根据被加工离轴非球面的口径Φ和对正块尺寸，进行偏心量δ的计算，并根据 离轴非球面参数确定加工方程；3)依据偏心量和离轴非球面的口径，确定刀具在χ轴上的加工范围为[R2,队]，并 依照公式(3)和(4)进行切削区域路径计算，并计算非切削区域路径；4)将离轴非球面在精密多轴联动机床上进行粗加工，按照粗加工后的工件重量进 行配重块的选择，并一起装配于夹具上。
5)将装配好的加工系统装配于超精密车床的主轴上，按照设计好的加工路径进行 超精密车削加工。
权利要求
1.大离轴量离轴非球面镜的一种超精密车削加工方法，采用慢刀伺服控制的单点车削 工艺，在具有直线运动轴X、z及具有角度定位的车削主轴C的超精密车床上实现，其特征在 于，包括下列步骤1)对待加工工件的离轴非球面进行粗加工，按照粗加工后的工件重量进行配重块的选择；2)采用精密加工机床对对正块进行精密铣削加工，制作对正块，所述的对正块为加工 过程中置于夹具中央，与配重块和待加工工件的侧面均相互接触的一个物件；3)根据待加工工件的被加工离轴非球面的口径和对正块尺寸，进行偏心量的计算，并 根据离轴非球面参数确定加工方程；4)对于切削区域，按照慢刀伺服控制运动方式进行切削加工计算，对于非切削区域，按 照刀具在ζ方向上位置保持不变的方式，进行非切削区域路径计算；5)将对正块置于夹具中央，保证其中心定位精度在2um以内，并将待加工工件和配重 块按照重量均衡的方式排布在对正块周围，使待加工工件、配重块和对正块一起装配于夹t- 6)按照设计好的加工路径进行超精密车削加工。
2.根据权利要求1所述的超精密车削加工方法，其特征在于，夹具装配好后，对正块和 配重块的高度不高于待加工工件的离轴非球面的最低点的高度。
3.根据权利要求1所述的超精密车削加工方法，其特征在于，步骤1)中所述的配重块 为与待加工工件材质和结构相同的经过粗加工后的其他工件，步骤4)中进行路径计算时， 计算的是同时进行两个以上工件的离轴非球面加工。
全文摘要
本发明属光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种大离轴量离轴非球面镜的精密车削加工方法，包括对待加工工件的离轴非球面进行粗加工，选择配重块；采用精密加工机床对对正块进行精密铣削加工，制作对正块；进行偏心量的计算，并根据离轴非球面参数确定加工方程；按照慢刀伺服控制运动方式进行切削加工计算，按照刀具在z方向上位置保持不变的方式，进行非切削区域路径计算；将对正块置于夹具中央，并将待加工工件和配重块按照重量均衡的方式排布在对正块周围，使待加工工件、配重块和对正块一起装配于夹具上；超精密车削加工。本发明提供的加工方法可提高加工效率，增大加工工件尺寸，适用于加工任意离轴量的离轴非球面。
文档编号B23B1/00GK102049530SQ20101053055
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月3日 优先权日2010年11月3日
发明者张效栋, 房丰洲 申请人:天津大学