专利名称：数控非球面反光镜成型机及其使用方法
技术领域：
本发明属光学器件加工领域，尤其涉及一种数控非球面反光镜成 型机及其使用方法。
技术背景由于非球面反光镜的曲率是连续变化的，不像一般的球面光学元 件的曲率半径是不变的，因此，实现自动化加工比较困难。目前，国内对非球面反光镜的粗磨加工基本上采用手工或仿形车 床加工，加工精度和效率都很低。国外发达国家采用的是点金刚石数 控加工的方法，近几年发展较快。尽管加工精度很高，但是加工效率 很低，另外对加工工件也有一定的局限性。比如，对于深度口径比大于等于1/2的非球面反光镜而言，应用该类设备加工就很困难。 发明内容本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种加工精度理想， 加工效率高，曲线的连续性好，具有较高的表面光洁度的数控非球面 反光镜成型机及其使用方法。为达到上述目的，本发明是这样实现的数控非球面反光镜成型机，包括工作端配有待磨工件的主轴箱、 数控系统、计算机、控制Z方向伺服电机、控制X方向伺服电机、磨头驱动电机、工作端配有金刚石砂轮的磨头；所述磨头驱动电机及磨 头配装于机体滑动工作台上;所述控制Z方向伺服电机及控制X方向 伺服电机的动力输出部分经螺纹迸给机构依次分别沿Z方向及X方向 与机体滑动工作台配接；所述磨头驱动电机输出的动力传输给磨头的动力输入端；所述数控系统的控制端口分别与主轴箱、控制Z方向伺 服电机、控制X方向伺服电机及磨头驱动电机的端口连接，以实现相 应的指令控制；所述计算机的输出端口接数控系统的输入端口。作为一种优选方案，本发明所述数控系统与控制Z方向伺服电 机、控制X方向伺服电机间依次配有Z方向伺服电机驱动器及X方向 伺服电机驱动器。作为另一种优选方案，本发明还可配有手摇脉冲发生器；所述手 摇脉冲发生器的端口经发生器接口电路接数控系统的端口 。作为第三种优选方案，本发明还可配有主轴编码器；所述主轴编 码器的端口经编码器接口电路接数控系统的端口 。上述数控非球面反光镜成型机的使用方法，可按如下步骤进行:A) 将待磨工件配于主轴箱的工作端；B) 计算机依据工件的曲线方程，计算出曲线的坐标数据，转换 成文本格式后，输入到数控系统，依据工件的口径或深度，确定金刚 石砂轮的起始点坐标；C) 控制Z方向伺服电机及控制X方向伺服电机在数控系统的作 用下，依据输入的曲线坐标带动磨头按照预定的轨迹进行动作;同时, 安装在主轴箱上的工件低速旋转，磨头在磨头驱动电机的驱动下带动金刚石砂轮旋转，从而实现对主轴箱上工件的切削。作为一种优选方案，本发明可采用刀具补偿方式对切削点的偏离进行补偿；X轴产生的偏移量为Xi = r-rcosci，则补偿后的曲线坐 标应为(X+ Xi， Z);其中a为刀具的旋转角，r为金刚石砂轮圆角 的半径。作为另一种优选方案，本发明所述a的取值对应相应的坐标点， 其值等于0 a max。本发明主要针对面形精度要求在0. 02mm左右的大深度非球面反 光镜的粗磨加工。与现有技术相比，本发明具有如下特点1) 可以加工深度口径比为1的非球面反光镜；2) 加工精度可以达到0.01 0.02mm，而仿形粗磨的精度只能达 至!l 0. 05mm;3) 加工效率高，比如，该设备加工深度为IIO咖，口径为120咖 的深椭球反光镜，每片仅需要30分钟。而且，加工的前期准备工作 时间明显縮短，加工过程中也不许需要像仿形粗磨那样经常进行模板 的修正；4) 曲线的连续性好，由于采用数据控制，输入的坐标点间隔可 以非常小(O.OOl咖)，因此保证了曲线的连续性；5) 表面光洁度高，由于磨头转速高(超过10000转/分)，并且 采用w28或240#金刚石砂轮，加工表面的光洁度可以达到Ra^l.6;6) —致性好，过去采用的仿形加工法对于加工口径或深度的控 制非常困难，采用数据控制后，可以将口径或深度误差控制在0.2mm以内。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。本发明的 保护范围将不仅局限于下列内容的表述。 图1为本发明系统整体结构示意图； 图2为本发明控制部分主板部分结构示意图； 图3为本发明控制部分原理框图；图4为本发明Z方向、X方向驱动部分电路原理图；图5为本发明主轴位置编码器接口电路图；图6为本发明手摇脉冲发生器接口电路图；图7为本发明模拟主轴接口电路图；图8为本发明侧输入信号接口电路；图9为本发明侧附加输入信号接口电路；图IO为本发明使用方法流程框图；图11为本发明系统运行时切点变化图。
具体实施方式
如图l所示，数控非球面反光镜成型机，包括工作端配有待磨 工件2的主轴箱1、数控系统5、计算机6、控制Z方向伺服电机7、 控制X方向伺服电机3、磨头驱动电机4、工作端配有金刚石砂轮9 的磨头8;所述磨头驱动电机4及磨头8配装于机体滑动工作台10 上;所述控制Z方向伺服电机7及控制X方向伺服电机3的动力输出 部分经螺纹进给机构依次分别沿Z方向及X方向与机体滑动工作台IO配接；所述磨头驱动电机4输出的动力传输给磨头8的动力输入 端；所述数控系统5的控制端口分别与主轴箱1、控制Z方向伺服电 机7、控制X方向伺服电机3及磨头驱动电机4的端口连接，以实现 相应的指令控制;所述计算机6的输出端口接数控系统5的输入端口。 所述数控系统5与控制Z方向伺服电机7、控制X方向伺服电机3间 依次配有Z方向伺服电机驱动器及X方向伺服电机驱动器。本发明还 配有手摇脉冲发生器;所述手摇脉冲发生器的端口经发生器接口电路 接数控系统5的端口。在上述结构单元的基础上，本发明还配有主轴 编码器;所述主轴编码器的端口经编码器接口电路接数控系统5的端 □。如图10所示，数控非球面反光镜成型机的使用方法，可按如下 步骤进行A) 将待磨工件2配于主轴箱1的工作端；B) 计算机6依据工件2的曲线方程，计算出曲线的坐标数据， 转换成文本格式后，输入到数控系统5，依据工件2的口径或深度， 确定金刚石砂轮9的起始点坐标；C) 控制Z方向伺服电机7及控制X方向伺服电机3在数控系统 5的作用下，依据输入的曲线坐标带动磨头8按照预定的轨迹进行动 作；同时，安装在主轴箱1上的工件2低速旋转，磨头8在磨头驱动 电机4的驱动下带动金刚石砂轮9旋转，从而实现对主轴箱1上工件 2的切削。本发明釆用刀具补偿方式对切削点的偏离进行补偿；X轴产生的偏移量为Xi = r-rcosot，则补偿后的曲线坐标应为(X+ Xi， Z); 其中a为刀具的旋转角，r为金刚石砂轮圆角的半径。所述ci的取值 对应相应的坐标点，其值等于0 cimax。做循环计算时可以采用ct max/坐标点总数为步长。本发明系统主板采用00081-0000-W01Z-0112,适用于K1TBII/ m-E型系统。图2为本发明控制部分主板部分结构示意图，图3为本发明控制 部分原理框图；X轴驱动器到伺服电机的连接与Z轴相同。W320X为 X轴动力线，W321X为X轴反馈线。W:320Z为Z轴动力线，W321Z为Z 轴反馈线。图4为本发明Z方向、X方向驱动部分电路原理图。图5为本发明主轴位置编码器接口电路图，此接口电路为标准连接时使 用。主轴位置编码器型号为LF-102. 4BM-C05D,每转脉冲数为1024， 工作电压为+5V。图6为本发明手摇脉冲发生器接口电路图，手摇脉 冲发生器型号为LGF-001-100，每转脉冲数为100，工作电压为+5V。 图7为本发明模拟主轴接口电路图，主芯片采用TLC7524CN。图8为 本发明侧输入信号接口电路，图9为本发明侧附加输入信号接口电 路。本发明的基本原理是控制Z、 X方向的两部伺服电机7和3在 数控系统5的作用下，使金刚石砂轮9按照预定的轨迹对工件2进行 切削。计算机6根据工件2的曲线方程，计算出曲线的坐标数据，转换 成文本格式后，输入到数控系统5，根据工件2要求的口径或深度，确定金刚石砂轮9的起始点坐标。启动数控系统，控制Z、 X方向的 两部伺服电机7和3依据输入的曲线坐标同时动作，使金刚石砂轮按 要求的轨迹运行。同时，安装在主轴箱1上的工件2低速旋转，磨头 8在电机4的驱动下高速旋转，安装在磨头8上金刚石砂轮9在冷却 液的配合下，对被加工表面进行切削。主轴转速、进给量可以根据工件的大小及材料确定，另外，合理 的选用冷却液也很重要。加工非球面反光镜所用的刀具(金刚石砂轮)有一定的厚度，它 与工件在加工过程中的接触点不断的发生变化，也就是说切削点偏离 了理论坐标点。因此在没有补偿的情况下，加工精度无法保证。根据 实际情况选择合理的补偿方法至关重要， 一般的补偿方法有以下几 种1) z轴补偿法加大或缩小Z轴坐标值，可以修正加工深度的误差。2) X轴补偿法加大或缩小X轴，可以修正加工口径的误差。3) 分段补偿法就是将有误差的区间进行硬性的数据补偿。这种补偿方法可以有 效的提高加工精度，但对整体曲线而言，会形成拐点，造成曲线的连 续性比较差。4) 机械轴偏转法根据产生误差的具体情况，将工件的机械轴在数据输入前偏转一个角度，计算出偏转后的曲线坐标值，然后再进行加工。这种方法提 高精度的效果明显，曲线连续性好，但计算相对复杂。5)刀具补偿法实践证明，这是一种最为实用的补偿办法。本发明就是采用此种 方法对切削点的偏离量进行补偿(如图11)。从图11中可以看到， 由于切削点位置的变化，X轴产生的偏移量为Xi ， Xi = r-rcosa (r为金刚石砂轮圆角的半径)，则补偿后的曲线坐标应为(X+Xi， Z)， a的取值应对应相应的坐标点，其值应等于0—amax，做循环计算时可以采用a max/坐标点总数为步长。
权利要求
1、数控非球面反光镜成型机，其特征在于，包括工作端配有待磨工件(2)的主轴箱(1)、数控系统(5)、计算机(6)、控制Z方向伺服电机(7)、控制X方向伺服电机(3)、磨头驱动电机(4)、工作端配有金刚石砂轮(9)的磨头(8)；所述磨头驱动电机(4)及磨头(8)配装于机体滑动工作台(10)上；所述控制Z方向伺服电机(7)及控制X方向伺服电机(3)的动力输出部分经螺纹进给机构依次分别沿Z方向及X方向与机体滑动工作台(10)配接；所述磨头驱动电机(4)输出的动力传输给磨头(8)的动力输入端；所述数控系统(5)的控制端口分别与主轴箱(1)、控制Z方向伺服电机(7)、控制X方向伺服电机(3)及磨头驱动电机(4)的端口连接，以实现相应的指令控制；所述计算机(6)的输出端口接数控系统(5)的输入端口。
2、 根据权利要求1所述的数控非球面反光镜成型机，其特征在 于所述数控系统(5)与控制Z方向伺服电机(7)、控制X方向伺 服电机(3)间依次配有Z方向伺服电机驱动器及X方向伺服电机驱 动器。
3、 根据权利要求2所述的数控非球面反光镜成型机，其特征在 于还配有手摇脉冲发生器；所述手摇脉冲发生器的端口经发生器接 口电路接数控系统(5)的端口。
4、 根据权利要求3所述的数控非球面反光镜成型机，其特征在于还配有主轴编码器；所述主轴编码器的端口经编码器接口电路接 数控系统(5)的端口。
5、 根据权利要求1所述数控非球面反光镜成型机的使用方法， 其特征在于，按如下步骤进行A) 将待磨工件(2)配于主轴箱(1)的工作端；B) 计算机(6)依据工件(2)的曲线方程，计算出曲线的坐标 数据，转换成文本格式后，输入到数控系统(5)，依据工件(2)的 口径或深度，确定金刚石砂轮(9)的起始点坐标；C) 控制Z方向伺服电机(7)及控制X方向伺服电机(3)在数 控系统(5)的作用下，依据输入的曲线坐标带动磨头(8)按照预定 的轨迹进行动作；同时，安装在主轴箱(1)上的工件(2)低速旋转， 磨头(8)在磨头驱动电机(4)的驱动下带动金刚石砂轮(9)旋转， 从而实现对主轴箱(1)上工件(2)的切削。
6、 根据权利要求5所述数控非球面反光镜成型机的使用方法， 其特征在于采用刀具补偿方式对切削点的偏离进行补偿；X轴产生 的偏移量为Xi = r-rcosa ，则补偿后的曲线坐标应为(X+ Xi， Z); 其中a为刀具的旋转角，r为金刚石砂轮圆角的半径。
7、 根据权利要求5所述数控非球面反光镜成型机的使用方法， 其特征在于所述a的取值对应相应的坐标点，其值等于0 amax。
全文摘要
本发明属光学器件加工领域，尤其涉及一种数控非球面反光镜成型机及其使用方法，成型机包括工作端配有工件(2)的主轴箱(1)、数控系统(5)、计算机(6)、控制Z方向伺服电机(7)、控制X方向伺服电机(3)、磨头驱动电机(4)、工作端配有金刚石砂轮(9)的磨头(8)；上述成型机的使用方法包括A)将工件(2)配于主轴箱(1)的工作端；B)计算机(6)依据工件(2)的曲线方程，计算出曲线的坐标数据，输入到数控系统(5)，确定金刚石砂轮(9)的起始点坐标；C)控制Z方向伺服电机(7)及控制X方向伺服电机(3)在数控系统(5)的作用下，磨头(8)在磨头驱动电机(4)的驱动下，实现对工件(2)的切削。
文档编号B24B13/06GK101332579SQ200710011918
公开日2008年12月31日 申请日期2007年6月29日 优先权日2007年6月29日
发明者刘新华, 孙朝阳, 野 李, 赵成强, 翔 高 申请人:沈阳仪表科学研究院