专利名称：一种带有斜面的光学镜的超精密车削加工方法
技术领域：
本发明属于光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种大斜面光学镜的加工 方法。
背景技术：
大斜面光学镜是架构光学系统常见的光学器件，可实现光束汇聚或发散、进行光 路方向调整，具有缩短系统尺寸、减小系统结构的功能。大斜面光学镜自身没有回转对称 轴，是一种典型的自由曲面光学器件，形状的复杂性给加工带来了困难。目前，具有回转对称的光学器件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。单点金刚石车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，是加工光学器件的高效方法。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，可实现光学自由曲面的高效加工。在采用慢刀或快刀伺 服控制技术进行大斜面光学镜加工时，由于受到大斜面光学镜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。因此，有必要开发 一种单点金刚石车削加工方法来。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够有效地避免加工过程中的干涉问题，并提高加工效 率的大斜面光学镜的车削加工方法。一种带有斜面的光学镜的超精密车削加工方法，利用超精密车床实现，车床坐标 系的定义方式为刀具切深方向为Z轴，刀具的水平进给方向为X轴，主轴旋转方向为C轴， 定义和X轴和Z轴垂直向上的方向为Y轴方向，加工方法如下1)对于待加工的光学镜进行粗加工，其中，对该光学镜的每个斜面的粗加工方法 如下a)根据光学镜上需要加工的斜面的中心轮廓线，确定进行坐标变换的两个基准占.
^ \\\ b)根据该斜面的设计方程计算斜面在X轴方向的两个基准点坐标，将过两个基准 点且垂直XOZ平面的平面作为工件初始平面，根据该两个基准点的连线与Z轴方向夹角，确 定初始工件的外形；c)对需要加工的斜面进行粗加工；2)制作夹具并装配工件于加工机床的端面，调整工件初始平面垂直于ζ轴，并调 整工件中心与主轴中心重合；3)进行坐标变换，得到两个端点的连线与χ轴重合，以两个基准点的中心坐标为 原点的新曲面，并计算整个曲面的法向夹角，确定加工该曲面所需的金刚石刀具后角，选择 合适的刀具装配于机床上；
4)对坐标转换后的曲面进行NURBS曲面拟合，按照螺旋线驱动线顺序依次计算加 工点的法向矢量和切削面法向矢量，确定最终的加工路径，按照该路径进行光学镜斜面的 超精密加工。5)若工件为包括多个斜面的光学镜，则调换加工面，并按照步骤2)-4)分别进行加工。本发明通过坐标变换将光学镜面调平，减少加工曲面所需的刀具后角角度，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，适用于任意倾斜度和Sag值 的大斜面光学器件的加工。
图1加工系统示意图。图2曲面坐标转换示意图。图3曲面法向夹角示意图。图4加工路径示意图。图5曲面法向夹角的变化范围，(a)为坐标转换之前，(b)为坐标转换之后。图6自由曲面棱镜示意图。
具体实施例方式图1是本发明的加工示意图。图中大斜面光学镜1经粗加工后，需加工的斜面首 先被加工为初始平面，采用夹具3固定于超精密车床上。超精密车床为三轴加工系统，机床 坐标系的定义方式为刀具切深方向为Z轴，刀具的水平进给方向为X轴，主轴4旋转方向为 C轴。另外，为了后期计算方便，定义和X轴和Z轴垂直向上的方向为Y轴方向，该方向没有 运动轴。加工时需调整加工斜面的初始平面垂直于Z轴。金刚石刀具2按照设计好的加工 路径，在三轴的协调运动下对斜面的自由曲面进行加工成型。本发明主要包括以下关键技术1.初始平面确定大斜面光学镜的曲面S1方程设为ζ = f (X，y)，如图2中ρ。( ，yQ，z0)和P1 (Χι,Υι, Z1)点为大斜面在X轴方向上的两个端点，将过Pc1 (Xtl，y0, Z0)和？1(\，Y1, Z1)点且垂直Μ)Ζ 平面的平面作为初始平面。两点连线与ζ轴方向夹角为β，由此可以计算初始平面和工件 侧面的夹角，按照该角度要求采用普通数控机床对初始工件进行加工。2.曲面坐标转换采用夹具将初始工件固定于加工机床主轴上，调整初始平面与主轴端面平行，也 就是垂直于Z轴。这种固定方式，使曲面的设计坐标系与加工坐标系之间存在一个转换关 系。图2显示了大斜面光学镜的坐标转换关系。在初始平面中，p。(X。，y。，z。)点为Pc^PP1A 连线的中心点。经过坐标转换后，P。点移至坐标系的原点位置，Ptl和P1点连线与χ轴重合。 设大斜面光学镜上的任意点P(x，y，z)，因此，经过坐标转换后的曲面上的对应点P' (χ'， y' ,ζ')为，
权利要求
1. 一种带有斜面的光学镜的超精密车削加工方法，利用超精密车床实现，机床坐标系 的定义方式为刀具切深方向为Z轴，刀具的水平进给方向为X轴，主轴旋转方向为C轴，定 义和X轴和Z轴垂直向上的方向为Y轴方向，加工方法如下1)对于待加工的光学镜进行粗加工，其中，对该光学镜的每个斜面的粗加工方法如下a)根据光学镜上需要加工的斜面的中心轮廓线，确定进行坐标变换的两个基准点；b)根据该斜面的设计方程计算斜面在χ轴方向的两个基准点坐标，将过两个基准点且 垂直XOZ平面的平面作为工件初始平面，根据该两个基准点的连线与ζ轴方向夹角，确定初 始工件的外形；c)对需要加工的斜面进行粗加工；2)制作夹具并装配工件于加工机床的端面，调整工件初始平面垂直于ζ轴，并调整工 件中心与主轴中心重合；3)进行坐标变换，使两个基准点的连线与χ轴重合，以两个基准点的中心坐标为原点 的新曲面，并计算整个曲面的法向夹角，确定加工该曲面所需的金刚石刀具后角，选择合适 的刀具装配于机床上；4)对坐标转换后的曲面进行NURBS曲面拟合，按照螺旋线驱动线顺序依次计算加工点 的法向矢量和切削面法向矢量，确定最终的加工路径，按照路径进行光学镜斜面的超精密 加工。5)若工件为包括多个斜面的光学镜，则调换加工面，并按照步骤幻-4)分别进行加工。
全文摘要
本发明属于光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种带有斜面的光学镜的超精密车削加工方法在斜面上取两个基准点，并确定工件初始平面，对需要加工的斜面进行粗加工；制作夹具并装配工件于加工机床的端面，调整工件初始平面垂直于z轴，并调整工件中心与主轴中心重合；进行坐标变换，得到两个端点的连线与x轴重合，以两个基准点的中心坐标为原点的新曲面，计算整个曲面的法向夹角，确定加工该曲面所需的金刚石刀具后角，选择合适的刀具装配于机床上，对坐标转换后的曲面进行NURBS曲面拟合，按照螺旋线驱动线方法确定加工路径。本发明通过坐标变换将光学镜面调平，减少加工曲面所需的刀具后角角度，能提高加工效率，增大加工工件尺寸，适用于任意倾斜度和Sag值的大斜面光学器件的加工。
文档编号B23B1/00GK102078968SQ20111002302
公开日2011年6月1日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者张效栋, 房丰洲 申请人:天津大学