圆锥镜的磨削方法与流程

本发明涉及光学加工，特别是一种圆锥镜的磨削方法。

背景技术：

圆锥镜是一种不同于一般的聚焦透镜(平凸透镜、双凸透镜、非球面透镜)的旋转对称锥体棱镜，与平行光经过聚焦透镜会聚于一点不同的是，平行光经过圆锥镜的光线变换为沿光轴成线性分布的光束。由于它的线焦特性，被广泛用于大景深成像系统、光学测试、激光谐振腔、实现无衍射光束等领域，尤其是在深紫外光刻照明系统光束整形中利用圆锥镜的锥顶角分割入射光束，通过环形照明提高分辨率的方式。这样就对圆锥镜磨削工艺提出了更高的要求。

由于圆锥镜是母线以一定角度绕z轴回转生成的，因此母线的直线度、顶角的精度决定了其在使用阶段的效果；其次，由于圆锥镜的母线在顶点弯折，所以不能按照传统球面或者平面磨削方法加工；最后，采用传统设备磨削的圆锥镜的精度低，母线方向容易产生台阶现象，且表面损伤严重。因此，为满足市场需求，需要提高现有的加工方法来实现圆锥镜的加工。

技术实现要素：

本发明的目的是在于提供一种圆锥镜的加工方法，该方法采用数控机床能实现对圆锥镜的高精度磨削，提高了磨削阶段的加工效率，有效的降低表面及亚表面损伤，为后续抛光阶段减轻压力，节省成本。

本发明的技术解决方案如下：

一种圆锥镜的磨削方法，其特点在于，包括以下步骤：

①根据待加工的圆锥镜的顶角和口径以及厚度尺寸，使用“solidworks”软件确定任意母线所在截面，通过母线的顶点和两个端点确定圆，得到该圆的半径r；

②将待加工的柱形坯料安装在数控机床上，启动数控机床将该柱形坯料的上端铣磨出一个具有所述的半径r和口径的球面，并称为圆锥镜加工面；

③使用“matlab”软件拟合所述的圆锥镜加工面的面型数据wr；

④使用“matlab”软件根据所述的待加工的圆锥镜图纸中的锥形顶角和口径拟合所述的圆锥镜的面型数据wa；

⑤使用“metropro”分析软件将所述的圆锥镜加工面的面型数据wr和圆锥镜的面型数据wa相减当作所述的圆锥镜加工面的面型误差数据w：w＝wr-wa，单位为μm；

⑥结合所述的半径r和口径，确定所述的数控机床的工艺参数，将所述的圆锥镜加工面的面型误差数据w输入所述的数控机床；

⑦所述的数控机床按照球面加工的方式对所述的圆锥镜加工面进行磨削，一个磨削周期结束后，形成并称为加工圆锥镜；

⑧使用三坐标测量机对所述的加工圆锥镜的母线的直线度和锥角进行检测，测试结果满足要求：即母线直线度优于3μm，锥角误差优于10″，则进入步骤⑨；如果不满足要求，再按下列公式计算面型误差数据w′，

w′＝wr′-wa，

式中，wr′为使用“matlab”软件将检测后的母线直线度误差、锥角角度误差拟合的面型误差数据，将该面型误差数据w′反馈给所述的数控机床并返回步骤⑦；

⑨结束加工。

本发明的优点是：

1)本发明采用数控补偿加工方式实现圆锥镜的磨削加工，可提高锥形镜磨削阶段母线直线度和锥角的加工精度，可有效控制表面及亚表面损伤。

2)本发明采用软件拟合得到球面和圆锥镜的面型数据，根据拟合所得的面型做差等效成球面加工的面型误差数据，并输出为数控机床加工所需的补偿数据，操作简单，实用性强。

附图说明

图1为确定待加工的圆锥镜球半径的示意图

图2是拟合得到的球面的面型数据图

图3是拟合测到的圆锥镜的面型数据图

图4是通过拟合的面型数据相减得到的面型误差数据图

图5是加工模拟示意图

图6是加工实验后得到的锥角数据图

图7是加工实验得到的母线数据图

具体实施方式

下面参考附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

一种圆锥镜的磨削方法，包括以下步骤：

①参见图1，根据待加工的圆锥镜的顶角和口径以及厚度尺寸，使用“solidworks”软件确定任意母线所在截面，通过母线的顶点和两个端点确定圆，得到该圆的半径r；

②将待加工的柱形坯料安装在数控机床上，启动数控机床将该柱形坯料的上端铣磨出一个具有所述的半径r和口径的球面，并称为圆锥镜加工面；

③参见图2，使用“matlab”软件拟合所述的圆锥镜加工面的面型数据wr；

④参见图3，使用“matlab”软件根据所述的待加工的圆锥镜图纸中的锥形顶角和口径拟合所述的圆锥镜的面型数据wa；

⑤参见图4，使用“metropro”分析软件将所述的圆锥镜加工面的面型数据wr和圆锥镜的面型数据wa相减当作所述的圆锥镜加工面的面型误差数据w：w＝wr-wa，单位为μm；

⑥结合所述的半径r和口径，确定所述的数控机床的工艺参数，将所述的圆锥镜加工面的面型误差数据w输入所述的数控机床；

⑦参见图5，所述的数控机床按照球面加工的方式对所述的圆锥镜加工面进行磨削，一个磨削周期结束后，形成并称为加工圆锥镜；

⑧使用三坐标测量机对所述的加工圆锥镜的母线的直线度和锥角进行检测，图6是加工实验后得到的锥角数据图，图7是加工实验得到的母线数据图。测试结果满足要求：即母线直线度优于3μm，锥角误差优于10″，则进入步骤⑨；如果不满足要求，再按下列公式计算面型误差数据w′，

w′＝wr′-wa，

式中，wr′为使用“matlab”软件将检测后的母线直线度误差、锥角角度误差拟合的面型误差数据，将该面型误差数据w′反馈给所述的数控机床并返回步骤⑦；

⑨结束加工，取出圆锥镜。

实验表明，本发明采用数控机床能实现对圆锥镜的高精度磨削，提高了磨削阶段的加工效率，有效的降低表面及亚表面损伤，为后续抛光阶段减轻压力，节省成本。

技术特征：

技术总结
一种圆锥镜的磨削加工方法，包括以下步骤：确定过母线的圆的半径；根据圆的半径和口径大小拟合成面型数据；根据圆锥镜的锥角和口径大小拟合成面型数据；两次拟合的面型数据相减等效成补偿的面型误差；将面型误差反馈到数控机床中进行磨削加工，并检测母线和锥角的精度。本发明解决了圆锥镜磨削过程中，锥角精度、母线直线度难以控制的问题。本发明采用数控机床能实现对圆锥镜的高精度磨削，提高了磨削阶段的加工效率，有效的降低表面及亚表面损伤，为后续抛光阶段减轻压力，节省成本。

技术研发人员：张彦超;顿爱欢;何维宝;吴福林;邵建达;徐学科
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2017.08.23
技术公布日：2017.12.15