曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及精密加工领域，特别涉及非球面透镜精密磨削加工领域，尤指一种曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置。通过该装置磨削加工出的非球面凹透镜可有效改善球面透镜矫正像差的效果，改善成像品质，提高系统鉴别能力。非球面透镜在航天航空、照相摄像、军事系统、光通讯和激光应用领域的应用极为广泛，本实用新型因其结构紧凑、成本低廉、操作简易、加工效率高，可为微小型非球面凹透镜的制造提供加工方法。
【背景技术】
[0002]应用非球面光学元器件可以增加光学设计的自由度，并且对改善光学系统成像质量，提高光学性能，减小外形尺寸和重量起着重要的作用。小型非球面光学器件的加工技术主要包括数控研磨成型、离子束抛光法、模压成型法、真空镀膜法、精密单点金刚石车削等。目前，加工小型非球面透镜的方法主要是研磨法和模压成型法，而离子抛光法和真空镀膜法主要用来加工较大的反射非球面。研磨法是非球面光学器件的基本加工方法。按照磨具与零部件的基础特点，研磨法可分为点接触、线接触和面接触三种。一般的点接触制造方法加工精度较低，主要用于研磨过程的粗成型加工，而线接触制造精度稍高，面接触的制造精度为最高。研磨法一般是借助凸轮仿形机以及数控机床等工艺设备实现的。对于小尺寸的非球面光学器件而言，一般预先采用数控机床研磨成型，然后再利用手工抛光方法成型，若高精度要求，则该过程中附以检验和修带工艺。模压成型方法主要是针对塑料光学零件。由这种加工方法生产的光学零件，可以用作一般的聚光镜和较为简易的光学系统透镜。目前国内生产的塑料非球面透镜大多数是采用金属模具热压成型的，如菲涅耳放大镜和史密特矫正板。随着高精度金属模具的发展，目前已经出现了能够满足光学零件的表面粗糙度要求和曲面形状要求的金属模具，因此采用模压成型制造的塑料非球面光学零件可在一定程度上替代部分玻璃态光学零件。
[0003]如前所述，非球面透镜加工技术采用的主要加工方法为数控研磨与抛光技术、模压成型技术和超精密单点金刚石车削等。
[0004](I)数控研磨与抛光技术
[0005]数控研磨与抛光技术是从计算机控制光学表面成形技术(CCOS)发展而来的。CCOS技术是由美国Itek公司在七十年代初期最先提出的技术思想。它用计算机控制超精密统磨机床对工件进行成形磨削，然后再用柔性抛光设备抛光，在提高精磨面形精度的同时改变工件表面粗糖度，使其达到光学元件质量标准。此技术的基本原理是:根据光学面形检测仪器检测出的面形数据，创建加工的控制模型，利用计算机控制小磨头在工件表面的驻留时间及相对压力来控制材料的去除量，从而实现对工件进行抛光。
[0006](2)模压成型技术
[0007]模压成型技术是一项需要特定机床的综合性比较强的加工方法，主要适用于玻璃等材料。在高温高压和无氧的条件下，把软化的光学材料放入高精度模具中，直接模压出达到光学标准的成型零件。自20世纪八十年代中期开发此技术至今已将近三十年，模压成型技术已成为非球面制造行业中较为先进的加工技术之一，并且在许多国家得到广泛应用。由于此技术可以直接将光学材料模压成精密光学系统元件，大大降低了制造成本，使得非球面玻璃材料的光学零件在光学系统中开始得到广泛应用，也给光电系统设计带来了巨大变化和发展。此技术不仅使光学设备重量降低、体积减小、材料节省、光学零件渡膜和工件装配的工作量减少、成本降低，而且还提高了光学系统成像的质量，改善了光学系统的性能。模压法的特点是:①可以批量化生产非球面透镜；②模具制造难度大、成本高，适用于超大批量生产；③无法进行中大口径的模压；④工艺参数复杂，如温度、时间、压力等。
[0008](3)超精密数控单点金刚石车削
[0009]车削非球面所用的超精密加工设备为超精密单点金刚石车床，其溜板运动精度和主轴旋转精度比一般数控机床要高很多。超精密单点金刚石车床是加工高精密光学零件的重要装备。超精密单点金刚石车床主要用于中小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料光学零件的加工，其特点是加工精度高、生产效率高、重复性好，加工成本与传统加工相比明显降低，适合批量生产。
[0010]虽然目前非球面加工技术己经非常成熟，但是对于硅、玻璃等脆性材料而言，单点金刚石车削难以获得较理想的非球面面形，且金刚石车刀的磨损非常严重，加工成本高、效率低；模压成型法对金属模具的精度要求较高，适合加工精度较低的塑料非球面工件；而离子束抛光法需要的设备和加工成本较高，且效率低，这些加工方法均不适合用来加工非球面凹透镜。数控设备加工非球面凹透镜时，由于材料硬且脆、韧性差、强度和材料的屈服极限比较接近，故加工此特性的材料时，容易出现脆断失效等现象。因此，目前针对脆性材料普遍使用的非球面加工技术为研磨、抛光技术。数控研磨非球面加工方法属于固着磨料加工，具有加工确定性、重复性好等优点。该技术利用盘形或杯形砂轮可加工大批量、中等口径和非球面度较小口径的非球面透镜。但对于较小尺寸的透镜加工还存在许多困难。利用研磨方法可加工的材料类型多样，除了单晶锗、单晶桂、玻璃等脆性材料外，还可以加工有色金属和其他塑料等材料。而抛光加工是非球面生产周期中占用时间最长的一道工序，光学器件的抛光技术是无损伤表面的微量材料去除加工方法，而非球面抛光精度直接影响光学系统的成像质量。
[0011]综上，针对上述数控研磨与抛光技术、模压成型技术和单点金刚石车削技术等在非球面凹透镜加工领域的研究现状，非球面凹透镜加工装置的研制面临着结构小型化、力口工效率提升、成本降低、精度提高等多方面的要求。因此，设计一种用于结构紧凑、体积小巧，装备开发和制造成本较低，加工精度和效率较高的曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置十分必要。
【发明内容】
[0012]本实用新型的目的在于提供一种曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型采用立式布局，主体尺寸为82mmX82mmX263mm,通过宏微进给单元输出精密可控进给位移，通过公转运动单元和自转运动单元可分别对球形磨削头的加工回转半径以及凹透镜试件的曲率半径进行调整，装置的透镜安装及调整单元具备三轴精密位移调整功能。本实用新型适用于微小型非球面凹透镜光学器件的精密加工，具有结构紧凑、成本低廉、操作简易、加工效率高和便携的特点，可为小型非球面凹透镜的制造提供加工方法。
[0013]本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现:
[0014]曲率半径可调式非球面凹透镜加工装置，包括宏微进给单元、公转运动单元、自转运动单元、透镜安装及调整单元、冷却单元以及支撑基座单元，其中宏微进给单元中的进给电机法兰40和进给支撑架36分别与支撑基座单元中的上安装板4以及右侧立板37螺纹刚性连接，公转运动单元中的定向公转旋转关节13和定向摆动关节14分别通过公转电机法兰30和自转电机法兰15与宏微进给单元中的柔性铰链32和自转运动单元中的自转运动电机42刚性连接；自转运动单元中的摆动支撑架27通过外摆动轴承16分别与支撑基座的单元左侧立板5和右侧立板37的中心定位孔过盈连接；透镜安装及调整单元中的移动平台基板46通过螺纹连接方式安装在支撑基座单元中基座20的凹形定位槽中，冷却单元中的冷却液容器9通过与支撑基座单元中的左侧立板5螺纹刚性连接；
[0015]所述宏微进给单元包括编码器1、直流伺服电机2、减速器3、进给电机法兰40、联轴器6、滚珠丝杠固定支撑座7、滚珠丝杠8、压电叠堆31、柔性铰链32、导轨滑块33、丝杠法兰34、线性导轨35、进给支撑架36和制动器39，其中直流伺服电机组件结合滚珠丝杠传动组件作为宏动进给子单元实现定向公转旋转关节13在竖直方向的进给运动，由压电叠堆31和柔性铰链32组成的压电驱动器实现定向公转旋转关节13在竖直方向的精密微动进给；制动器39用于防止在系统突然断电情况下滚珠丝杠传动组件由于无法实现自锁而导致的丝杠法兰34的自由下滑；柔性铰链32采用圆弧过渡型铰链形式并输出等幅均布位移；
[0016]所述公转运动单元包括公转盘式电机12、定向公转旋转关节13、定向摆动关节14和公转电机法兰30，所述定向摆动关节14、公转电机法兰30分别与自转电机法兰15、柔性铰链32刚性连接，定向公转旋转关节13、定向摆动关节14均由精密滚动轴承和旋转定位销组成；
[0017]所述自转运动单元包括自转电机法兰15、外摆动轴承16、摆动支撑架27、外摆动轴28、内摆动轴承29、自转运动电机42以及内动摆轴43，所述摆动支撑架27与外摆动轴28刚性连接，自转运动电机42的定子部分与内摆动轴43刚性连接，外摆动轴28、内摆动轴43分别通过外摆动轴承16、内摆动轴承29套接于左、右侧立板5、37及摆动支撑架27的定位孔中；
[0018]所述透镜安装及调整单元包括凹透镜试件17、工作台25、球形磨削头26以及三自由度进给子单元，所述三自由度进给子单元包括X向调整旋钮18、X向进给平台19、y向调整旋钮21、y向进给平台22、z向进给平台23、定位销轴45、z向进给电机46、支撑托板24以及移动平台基板46，所述球形磨削头26