专利名称：切线法数控非球面加工方法及机床的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学零件加工方法及机床
背景技术：
采用非球面光学零件，使光学系统的成像质量提高、性能扩大，光学仪器的体积和 重量大大减少。随着高科技、天文、航天、航空、兵器、电子、激光、光通讯以及核聚变等技术 的发展，在很多民用和国防产品中的光学系统中都需要采用非球面光学零件。为此，解决多 品种批量和变批量加工非球面光学零件的技术已成为当前急待解决的瓶颈技术。实际上为了使非球面光学零件得到普遍应用，人们早已不断地在探索和研究非球 面光学零件的加工技术。从查新资料的统计，至今为止的已发表的有关非球面加工技术的 专利和文章约有50来种。这些加工方法，按加工原理大体上，可分为四大类型变形加工方法有热成形、塑料注塑和玻璃模压成形方法等；附加加工方法有涂镀、电镀和复制方法等；变质加工方法沿一个方向改变材質的折射率的方法；去除加工方法有手工研磨抛光、使工具或工件产生弹性变形的情况下进行研磨 抛光、以成形工具的轨迹进行研磨抛光、以机构成形的轨迹或包络线轨迹或仿形轨迹等进 行研磨抛光、以数控车削、数控磨削、数控抛光和磁流体抛光方法等。尽管已研究出的加工方法很多，但目前国内外主要采用的加工方法有传统的手工 研磨抛光方法、多种轨迹成形的方法、复制加工方法、数控车削和磨削方法、数控抛光方法、 磁流体抛光方法、塑料注塑和压制成型加工方法和玻璃模压加工方法等。数控加工方法是 目前公认的非球面光学零件的先进加工技术，其中小工具数控抛光技术和应力盘数控抛光 技术的加工方法，即抛光去除量决方法适用于大型非球面零件的加工，但在加工过程中要 消除表面波纹和塌边等缺陷达到质量要求，需要很长的抛光时间。数控车削和磨削是以数控位置插补原理进行加工。在超精密机床上，以插补方法 达到整体面形精度的要求并不难，但表面波纹等局部误差难于消除，精磨后的抛光时间长， 适用于单件少量加工。为了适应大量加工的需求，研发出用数控加工和手工方法研修出超精密模具，在 超精密设备上注塑出塑料光学非球面零件和模压玻璃光学非球面零件，但塑料光学零件的 使用范围有限，能用于模压的玻璃种类和尺寸有限，而且注塑和模压的周边技术复杂昂贵， 只适用于大量生产，不适用于批量变批量生产。综上情况目前还没有出现能高效率、低成本地加工多品种非球面光学零件的技 术。针对这种现状和发展方向，申请者提出一种切线法数控加工非球面方法及机床的技术， 以此，解决非球面光学零件加工难的问题
发明内容
本发明提供一种加工效率高、容易保证加工质量要求的切线法数控成形原理的非球面加工方法和机床。本发明技术所采用的具体方案是先把磨轮轴上的点M与转动轴ζ轴重合，工件在 工件轴上只旋转，其他方向固定不动，磨轮旋转，磨轮轴以M点为基准点，按非球面方程轨 迹的要求绕ζ轴转动的同时沿X轴和Y轴方向上移动来实现磨轮上的磨削点实时在准确的 轨迹曲线上的任一点的切线方向移动形成非球面面形，所述的磨轮轴上点M沿X轴和Y轴 移动，并绕Z轴转动是以速度插补原理的数控方法实现高精度的三轴联动。为此，本发明称 为切线法数控非球面加工方法及机床。本发明解决其技术问题所采用的技术方法是这样实现的，即提供一种非球面零件 的加工方法，包括凸凹型非球面(包括高次非球面和二次非球面)和球面的粗磨、精磨和抛 光加工，其特征在于所述的非球面加工方法的步骤是，要加工光学设计给定的任一凸型曲 线方程的曲面时，首先标定磨轮轴上M点到工件轴的准确距离，同时使M点与转动轴Z轴重 合，并使工件轴与磨轮轴在水平平面内共面，然后工件顶点与磨轮磨削面接触，此后使磨轮 轴上的点M沿X轴向正值方向移动距离、沿Y轴向正值方向移动AYi距离、同时磨轮 轴以M点为转动中心，绕Z轴按顺时针方向转动Δ θ i角度，这样可使磨轮磨削点与工件上 成形的曲线的任一接触点始终处于曲线的切点Pi上，这就相当于曲线上的每一个点的切线 在回转，磨轮上的磨削点始终沿曲线的任一点的切线方向移动。这样就可以保证工件上所 形成的曲面，将是没有波纹的连续光滑的高精度非球面。要加工光学设计给定的任一凹型 曲线方程的非球面时，磨轮轴上的点M沿X轴向负值方向移动△ Xi距离、沿Y轴向正值方 向移动AYi距离、同时磨轮轴以点M为转动中心，绕Z轴按逆时针方向转动Δ θ i角度，其 他与凸型加工方法一样。凸凹型球面加工方法的步骤与上述凸凹型非球面零件的加工方法 的步骤一样，只是由数学公式计算得到的数值不同。本发明的磨轮轴以点M为转动中心，绕Z轴的转动、沿X轴和Y轴移动的三轴联动 的切线法是用高精度数控装置，以速度插补原理的数控技术来实现。本发明的工件加工余量的去除是以预设置的成形动作的次数来完成。本发明的加工方法，可加工零件的材质为玻璃、陶瓷、晶体和金属的非球面光学或 机械零件。本发明还提供一种用于实施上述加工方法的机床，它是由减震柱、床身、磨轮轴Y 轴导轨平台、磨轮轴X轴导轨平台、磨轮轴转台、磨轮、磨轮轴、工件、工件轴、工件轴固定台 等构成。该机床上工件固定在工件轴上只旋转，其余方向上不动，磨轮旋转并以磨轮轴上的 点M为基准点，同时沿X轴和Y轴移动，并以点M为转动中心，绕Z轴转动来实现切线法加 工，磨轮轴以Z轴转动、X轴和Y轴移动的三轴运动是以速度插补原理的数控方法实现联动。本发明的凹曲面加工时，磨轮半径须小于被加工曲面的最接近圆的半径。本发明的磨轮形状可以是盘形，圆柱形和碗型，当加工凸形零件时，可在一个磨轮 轴上同时固装盘形磨轮多片，可进行粗磨、精磨和抛光等工序。本发明的机床，可用车刀架取代磨轮轴实现车削加工。本发明与现有技术相比其优点与效果本发明的主要优点和有益效果，其一是通用性好，以本发明的加工原理，能够加工 设计给定的任一高次非球面、二次非球面和球面等零件；其二是本发明的加工原理没有理 论性环带波纹误差；其三是本发明的加工原理有利于采用超微粒磨轮和高速抛光，容易保证粗糙度和表面质量要求；其四是由于本发明的加工原理有利于采用较高走刀速度，精磨 后的面形精度高，并能工件在一次装夹中完成粗磨、精磨、抛光和磨边等工序，能使加工效 率提高、加工成本降低；其五是操作技术简单易行，对操作者技术水平要求不高，容易推广 普及。本发明的加工方法，只要机床尺寸适当，可以加工任一大小尺寸的凸凹型非球面 和球面零件，并能应用本发明原理的加工方法与机床，有效地解决非球面零件的加工难题， 其加工效率和成本能够接近现行的球面光学零件的加工效率和成本。
以下结合附图详细说明本发明的较佳实施例，其中
图1是非球面子午剖面曲线特性的示意图；图2是凸型非球面成形原理的示意图；图3是凹型非球面成形原理的示意图；图4是磨轮轴上点M为基准的凸型非球面成形原理的示意图；图5是磨轮轴上点M为基准的凹型非球面成形原理的示意图；图6是磨轮轴移动并转动的方法加工凸或凹型非球面装置结构示意图；图7是申请者已研制的切线法数控非球面加工机床的主视图。图1是设计给定的任一非球面子午剖面轨迹曲线为L、曲线的顶点为0、曲线L上 的任一点为P”顶点圆曲率中心为0’、顶点圆曲率半径为R。、aPi点的法线与对称轴线OX 的交点为Oi、点Pi上的切线为Q、点Pi到交点Oi的法线长度为P ”曲线顶点0到法线P i 与OX轴的交点Oi的距离为Ci (Ci = Ro+Xi)。图2是设计给定的任一非球面凸型子午剖面曲线L用磨轮m的平端面成形的示意 图。图3是设计给定的任一非球面凹型子午剖面曲线L用磨轮m的圆弧端面成形的示 意图。图4是设计给定的任一非球面凸型子午剖面曲线L，用磨轮轴上选定的点M为基准 点，以磨轮m的平端面成形时各参数之间的几何关系图。图5是设计给定的任一非球面凹型子午剖面曲线L，用磨轮轴上选定的点M为基准 点，以磨轮m的圆弧端面成形时各参数之间的几何关系图。图6是工件轴只旋转不移动，磨轮轴移动并转动来实现切线法数控加工凸或凹型 非球面机床的结构示意图。图中1为减震柱、2为床身、3为磨轮轴Y轴导轨平台、4为磨轮 轴X轴导轨平台、5为磨轮轴转台、6为磨轮、7为磨轮轴、8为工件、9为工件轴、10为工件轴 固定台。图7是申请者已研制的切线法数控非球面加工机床的主视图。图中1为空气减震 柱、2为花岗岩床身、3为磨轮轴Y轴直线电机导轨平台、4为磨轮轴X轴直线导轨平台、5为 磨轮轴Z轴力矩电机转动平台、6为磨轮、7为气浮轴承磨轮轴、8为工件、9为气浮轴承工件 轴、10为工件轴固定台。具体实施方法图1所示的光学设计上给定的任一非球面子午剖面轨迹曲线L的几何特性，可用
5X = f(y)的数学方程式给定。即任意给定一Ayi值代入给定的方程式中就可以求出对应 的Xi值，所以给定方程的任一点Pi(Xi、Yi)都可以求得。圆的曲线具有无数条对称轴的特 性，而非球面曲线只有一条对称轴0X。曲线L顶点0之外的任一点Pi的法线Ρ ,与对称轴 线OX的交点Oi距离为Ci (Ci = Ro+Xi)、夹角为θ i，所以曲线上的任一点，还可以用Pi (Ci、 P” Qi)来表示。根据给定的曲线方程式，利用初等和高等数学的知识，可以推导出任意一 APi点的特性参数Ci、ρ数学表达式，推导出的具体数学式如下；Ci = P jcos θ j+Xi......(1)ρ j = PiOi = Yi/sin θ j ......(2)θ, = ZP1O1B = arctg(-^-) = -arctgfl)……(3)
c.-x,图2和图3为切线法数控原理加工凸和凹型非球面的示意图。如图2和图3所示， 如果磨轮端面上的磨削点，能够实时地按法线ρ i长度值的变化，沿X轴和Y轴移动的同时 转动一个相应的转角Qi，即在一个给定的时间段Ati内，按计算得到的各数值，X轴、Y轴 和Z轴三轴联动就可以实现凸和凹非球面的加工。图4和图5是设计给定的任一非球面凸和凹型子午剖面曲线L，用磨轮轴上的点M 为基准点，使磨轮轴在X轴和Y轴移动并以Z轴转动，以磨轮m的端面成形时的各参数之间 的几何关系图。图4所示，磨轮轴上M点在给定的时间段Ati内，沿X轴正方向移动
距离，沿Y轴正方向移动AYi距离，并以Z轴顺时针方向转动Δ 91角度，就可以形成凸形 非球面，同理图5所示，磨轮轴上M点在给定的时间段Ati内，沿X轴负方向移动八&距 离，沿Y轴正方向移动AYi距离，并以Z轴逆时针方向转动Δ Qi角度，就可以形成凹形非 球面。用光学设计给定的曲线方程式、上式(1)、式( 、式C3)和初等和高等数学知识， 由图4和图5可推导出加工凸和凹型曲面的加工参数Δ&、AYi* Δ Qi的数学公式。由 图4推导出的凸型加工参数公式，如式(4)、式(5)和式(6)；Δ xi+1 = [ ( P i+R) cos θ ^ Δ Xi+1] - ( ρ i+1+R) cos θ i+1 ......(4)Δ yi+1 = ( P i+1+R) sin θ i+1_ ( ρ ^R) sin θ j......(5)Δ θ i+1 = θ i+1- θ i = arctg(l/y' i+1)-arctg(l/y'》......(6)由图5推导出的加工凹型公式，如式(7)、式(8)和式(6)Δ xi+1 ‘ = Msin θ i+1_Msin θ 广[(ρ「R) cos θ ^ Δ Xi+1] - ( ρ i+1-R) cos θ i+1 ......
(7)Δ yi+1 ‘ = Mcos θ i+1_Mcos θ ρ i+「R) sin θ i+1- ( ρ「R) sin θ j......
(8)Δ θ i + 1 = θ i + 1- θ j = arctg ( 1/y ‘ i + 1) -arctg (1/y ‘ J ……(6)根据给定的曲线方程式和上述推导出的数学公式，就可以计算出切线法加工所需 要的所有数据，利用得到的数据就可以实施速度插补原理，在每一个设定的时间段内实现 三轴速度插补原理的数控联动，加工出设计给定的连续光滑的非球面曲面。从结构简单和动态特性等方面考虑，采用如图4和图5所示的工件轴固定不动，使 磨轮轴在X轴和Y轴移动并以Z轴转动方案为最佳方案，这一方案主要对机床的动态特性有利。图6所示为工件轴只旋转不移动，磨轮轴移动并转动来实现切线法数控加工凸或 凹型非球面机床的结构示意图。图中1为减震柱、2为床身、3为磨轮轴Y轴导轨平台、4为 磨轮轴X轴导轨平台、5为磨轮轴转台、6为磨轮、7为磨轮轴、8为工件、9为工件轴、10为工 件轴固定台。在该机床中保证工件轴轴线与磨轮轴轴线在水平平面内共面，M点到工件轴 线距离的准确程度，对曲面面形误差有较大影响。根据工件加工精度的不同要求，磨轮轴Y导轨3和磨轮轴X导轨4的移动可用丝 杠结构或直线电机实现、磨轮轴转台5的转动可用涡轮蜗杆、步进电机或力矩电机来实现。图7所示为申请者已研制的切线法数控非球面机床的主视图。为了尽可能提高加 工精度和简化机床结构和考虑操作方便，在实际产品样机的机床采用了超精密气浮轴承磨 轮轴和工件轴、超精密力矩电机平台、超精密直线电机平台、花岗岩床身和空气减震柱的组 件。图中1为气浮减震柱、2为花岗岩床身、3为磨轮轴Y轴直线电机导轨平台、4为磨轮轴 X轴直线电机导轨平台、5为磨轮轴Z轴力矩电机转动平台、6为磨轮、7为气浮轴承磨轮轴、 8为工件、9为气浮轴承工件轴、10为工件轴固定台。凸凹型球面零件的加工方法与上述凸凹型非球面(高次和二次)零件的加工方法 是一样，只是由数学公式计算得到的数值不同。以上所述为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，凡依本发明 的权利要求范围所作的等效变化与修饰，均属于本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种切线法数控非球面成形原理的加工方法，包括凸凹型高次非球面、二次非球面 和球面的粗磨、精磨和抛光加工，其特征在于所说切线法数控成形原理加工方法的步骤是， 在加工光学设计给定的任一凸型曲线方程的曲面时，首先标定磨轮轴上M点到工件轴的准确距离，使M点与转动轴Z轴重合，并使工件轴与 磨轮轴在水平平面内共面，然后工件顶点与磨轮磨削面接触，此后使磨轮轴上的点M，沿X 轴向正值方向移动距离、沿Y轴向正值方向移动AYi距离、磨轮轴以M点为转动中心， 绕Z轴按顺时针方向转动Δ θ i角度，这样可使磨轮磨削点与工件上成形的曲线的任一接 触点始终处于曲线的点Pi上，这就相当于曲线上的每一个点的切线在回转，磨轮上的磨削 点始终沿曲线的任一点的切线方向移动。这样就可以保证工件上所形成的曲面，将是没有 波纹的连续光滑的高精度非球面。要加工光学设计给定的任一凹型曲线方程的非球面时， 磨轮轴上的点M沿X轴向负值方向移动AXi距离、沿Y轴向正值方向移动AYi距离、磨轮 轴以点M为转动中心，绕Z轴按逆时针方向转动Δ θ i角度，其他与凸型加工方法一样。凸 凹型球面加工方法的步骤与上述凸凹型非球面零件的加工方法的步骤一样，只是由数学公 式计算得到的数值不同。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于磨轮轴(7)上的点M绕Z轴的转动、沿 X轴和Y轴移动的三轴联动成形的切线法是靠高精度数控装置准确适时地实现速度插补原 理的控制来完成。
3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于本发明的工件(8)的加工余量的去除 是由预设置的成形动作的次数来完成。
4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于可加工零件的材质为玻璃、陶瓷、晶体 和金属的非球面光学或机械零件。
5.一种用于实施权利要求1所述的加工方法的机床，其特征在于它是由减震柱(1)、床 身O)、磨轮轴Y轴导轨平台(3)、磨轮轴X轴导轨平台G)、磨轮轴转台(5)、磨轮(6)、磨轮 轴(7)、工件(8)、工件轴(9)和工件轴固定台(10)等构成。该机床上工件(8)固定在工件 轴(9)上只旋转其余方向上不动，磨轮(6)旋转并以磨轮轴(7)上点M为基准点，同时沿X 轴和Y轴移动，并绕Z轴转动来实现切线法加工。
6.根据权利要求5所述的机床，其特征在于工件轴(9)的轴线与磨轮轴(7)的轴线在 水平平面内要求共面、M点到工件轴(9)的轴线距离准确。
7.根据权利要求5所述的机床，其特征在于加工凹曲面时，磨轮半径须小于被加工曲 面的最接近圆的半径。
8.根据权利要求5所述的机床，其特征在于磨轮形状可以是盘形，圆柱形和碗型，当加 工凸形零件时，可在一个磨轮轴上同时固装盘形磨轮多片。
9.根据权利要求5所述的机床，其特征在于用车刀架取代磨轮轴，可实现车削加工。
全文摘要
一种切线法数控加工非球面方法及机床，对设计给定的任一轴对称高次非球面、二次非球面和球面实施切线法加工，得到理论上没有波纹的连续光滑的高精度表面。其加工原理是先把磨轮轴上的点M与转动轴z轴重合，工件轴带动工件只旋转，磨轮在磨轮轴上旋转，磨轮轴以M点为基准点，绕z轴转动的同时在X轴和Y轴方向上移动。磨轮轴的三轴运动是以速度插补原理的数控方法实现高精度的三轴联动。本加工技术具有通用性好、面形精度和表面粗糙度及表面质量要求容易保证、加工效率高和加工成本低等优点。
文档编号B24B19/00GK102059620SQ20101022942
公开日2011年5月18日 申请日期2010年7月19日 优先权日2010年7月19日
发明者于化东, 于正林, 朴承镐, 耿振野, 轩洋, 顾莉栋 申请人:于化东, 朴承镐, 长春理工大学