数控加工非球面技术A.docx

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数控加工非球面技术A

河南工业职业技术学院

HenanPolytechnicInstitute

毕业设计

题目

数控加工光学非球面技术

系别

光电工程系　

专业

　　　　精密机械技术　　　　　　　　

班级

精密1001

姓名

xxx

学号

xxxxxxxx

指导教师

xxxx

日期

2012-10-12

毕业设计任务书

设计题目：

数控加工光学非球面技术

设计要求：

1.了解国内外的非球面加工技术的现状。

2.重点介绍数控加工光学非球面技术。

设计任务：

1．叙述非球面的优势；

2.简述国内外非球面的加工技术；

3．详细介绍数控机床加工非球面的技术；

4．写出详细毕业设计说明书，字迹工整，原理叙述正确，简述数控机床的操作。

设计进度要求：

第一阶段：

查找资料；1周

第二阶段：

设计构思；1周

第三阶段：

编写、整理计算；2周

第四阶段：

论文出初稿，修改；1周

指导教师（签名）：

摘要

非球面光学零件广泛应用于航空机载设备（雷达测距仪）、卫星（先进的光学望远系统、高分辨率的电视摄像系统、高灵敏度的红外传感系统）、激光制导、红外探测等领域，同时在民用光电产品上的应用更为广泛．自从非球面加工技术出现以来，至今几百年来采用的加工方法已有50多种，传统的加工方法虽然能达到较高的精度，但这种加工方法加工效率低、重复精度差。

在最近几年出现的数控加工光学非球面技术大大解决了传统加工方法存在的缺陷。

它提高了加工精度和加工质量、缩短了产品研制周期等。

在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。

由于生产实际的强烈需求，国内外都对数控加工技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。

本文将简单的介绍一些非球面和数控机床的理论知识，传统加工非球面技术。

最后重点介绍数控加工光学非球面技术。

关键词:

数控加工非球面抛光技术计算机控制

目录

摘要II

1非球面光学零件超精密加工技术1

1.1非球面光学零件的作用1

1.2国外非球面零件的超精密加工技术的现状1

1.3我国非球面零件超精密加工技术的现状2

2非球面的理论基础2

2.1非球面的优缺点2

2.2非球面的加工方法3

2.3传统加工非球面技术4

2.3.1非球面的传统加工方法4

2.3.2成型法加工非球面技术5

2.4光学非球面的检验6

2.5.1光学非球面的检验方法6

2.5.2二次曲面的无像点法6

2.5.3检验二次曲面的补偿法7

2.5.4光学补偿法7

3数控机床的介绍8

3.1数控机床的发展概况8

3.2数控机床的结构和特点9

3.2.1数控机床的结构9

3.2.2数控机床的特点9

4非球面的数控加工技术10

4.1常见的计算机控制抛光技术10

4.1.1应力盘抛光10

4.1.2离子束抛光11

4.1.3磁流变抛光11

4.1.4单点金刚石切削加工11

4.2计算机数控研磨和抛光技术12

4.2.1概述12

4.2.2小型非球面的计算机控制研磨加工14

4.2.3球面的计算机控制抛光15

4.3数控抛光技术中工艺参数选择15

4.4数控加工技术的检验16

4.5阴影法检验非球面18

4.6数控加工非球面实例19

结论21

参考文献22

致谢23

1非球面光学零件加工技术

1.1非球面光学零件的作用

非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，常用的有抛物面镜、双曲面镜、椭球面镜等。

非球面光学零件可以获得球面光学零件无可相比的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，进步系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低本钱并有效的减轻仪器重量。

非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用也很广泛，如在摄影镜头和取景器、电视摄像管、变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外看远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、光纤通讯的光纤接头、医疗仪器等中。

1.2国外非球面零件的超精密加工技术的现状

80年代以来，出现了很多种新的非球面超精密加工技术，主要有：

计算机数控单点金刚石车削技术、计算机数控磨削技术、计算机数控离子束成形技术、计算机数控超精密抛光技术和非球面复印技术等，这些加工方法，基本上解决了各种非球面镜加工中所存在的题目。

前四种方法运用了数控技术，均具有加工精度较高，效率高等特点，适于批量生产。

进行非球面零件加工时，要考虑所加工零件的材料、外形、精度和口径等因素，对于铜、铝等软质材料，可以用单点金刚石切削（SPDT）的方法进行超精加工，对于玻璃或塑料等，当前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生产非球面零件，对于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通过超精密磨削和超精密研磨、抛光等方法进行加工的，另外．还有非球面零件的特种加工技术如离子束抛光等。

国外很多公司己将超精密车削、磨削、研磨以及抛光加工集成为一体，并且研制出超精密复合加工系统，如RankPneumo公司生产的Nanoform300、Nanoform250、CUPE研制的Nanocentre、日本的AHN60―3D、ULP一100A（H）都具有复合加工功能，这样可以便非球面零件的加工更加灵活。

1.3我国非球面零件超精密加工技术的现状

我国从80年代初才开始超精密加工技术的研究，比国外整整落后了20年。

近年来，该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨产业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。

为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。

2非球面的理论基础

2.1非球面的优缺点

首先介绍一下非球面具有的优点：

1.具有优良的光学性能

光通过单透镜近轴光线和远轴光线不会会聚在一点，而非球面透镜则可以会聚一点没有球差。

一束光线通过球面和非球面反射镜时成像质量也不同，球面反射镜接受无限远的光束像点有球差，而抛物面反射镜接受无限远的光束像点是无球差的。

2.改善了成像质量

正是非球面具有优良的光学性能，它可以改善光学系统的成像质量。

非球面特别适合大视场、大口径、像差要求高和结构要求小的系统中，非球面作为主要的光学元件，常用作像差校正元件，例如在光学系统光阑附近采用非球面可校正各带的高级像差，在像面前或远离光阑的地方采用非球面可以校正像散和畸变。

3.简化了光学系统

非球面在光学系统中可以代替多个球面来校正像差，同时减小了系统的空间体积。

4.减轻了光学仪器的质量

采用非球面由于简化了光学系统，必然会减小仪器的体积，质量减轻，这对天文、航天和军用仪器来说，显得尤其重要，同时，对民用产品也实现了小型化和轻量化。

虽然非球面具有很多的优点，但其在加工方面存在着困难

（1）非球面大多数只有一个对称轴，表面比较复杂，只能单件加工。

（2）非球面各点曲率半径不同，在抛光时表面难以用成型模具修正。

（3）非球面对另一表面的偏差，不能用定心磨边的方法解决两光学表面的同轴性。

（4）非球面的检验不容易实现，一般不能用样板进行检验，对某些非球面的检验是非常困难的。

2.2非球面的加工方法

一、去除加工法

去除加工法是去除工件上多余的材料，最终得到所需非球面的形状、尺寸和表面粗糙度。

去除加工法包括：

1、研磨抛光修正法：

这种方法是先把零件磨成接近球面形状，然后用机器或手工方法进行研磨抛光边修边测量，最后达到非球面要求。

2、成型磨具法：

这种方法的原理与机械加工中成型刀具加工类同，需要预先把磨具技工成所需非球面形状，再进行精磨和抛光。

3、接触轨迹法：

这种方法是靠特定的机构产生的运动轨迹来加工，每一种机构通常只能产生一种特定的非球面轨迹。

4、数控研磨抛光法：

这种方法主要靠精密数控研磨和抛光加工各种非球面零件，这种机床上可进行各种玻璃光学零件加工。

5、离子束加工法：

这种方法主要用高能离子束，以原子、分子数量级进行去除加工获得非球面形状及尺寸。

二、热成型法

这是一种无屑加工方法，它是把材料加热变形槽沉、注射和模压获得非球面的

三、附加加工法

它是在已经加工好的近似球面镜上进行蒸镀法、电镀法和复制法获得非球面的。

四、变质加工法

利用有些单体光学塑料被紫外线照射后会硬化这一性质，在圆板玻璃或球面透镜与非球面模具之间注入单体塑料，从光学玻璃第一侧照射紫外线，使单体塑料固化与玻璃体、连成一体，这样可以获得高精度的非球面。

2.3传统加工非球面技术

传统的加工方法主要采用的是去除加工法，这种方法可以保证非球面的最终面形精度和表面粗糙度。

传统的抛光技术在现代的加工技术中还是比较普遍。

在这里还有必要介绍一下非球面的传统加工方法，下面主要介绍目前还经常使用的传统加工非球面技术，再简略介绍一下最新的轨迹成型法加工非球面，数控加工非球面将在第三章详细的介绍。

2.3.1非球面的传统加工方法

传统的非球面加工技术，虽然加工效率低，重复精度差，但由于它主要依靠操作者的技艺，能达到较高的精度，因此它一直伴随着非球面加工技术的发展历史。

目前，尽管出现了多种非球面加工较高的先进制造技术，但是，传统的加工技术至今仍在沿用。

即使采用计算机数控抛光技术，但最终的面形精度和表面粗糙度往往还是采用传统抛光予以保证。

传统的加工方法通常采用的非球面的数学表达式是公式

（2-3）或（2-4）

在加工过程中，我们可以找到一个球面，是它和二次非球面的偏离量最小，我们称这个球面为最接近的比较球面。

非球面与最接近比较球面在不同口径处的偏离量称为非球面度。

最接近比较球面的曲率半径可以用下式求得：

（2-6）

式中r为最接近比较球面的曲率半径；为非球面顶点的曲率半径；h为非球面光学零件最大口径的一半。

非球面度的计算式为

（2-7）

最大的非球面度

（2-8）

其中A=D/F，D为零件的最大口径，F为焦距。

计算得到某一个非球面的最大偏离量，从而可以知道这个非球面加工的难易，数值越大，非球面就越难加工，从公式（2-8）可以看出与A的平方成正比，与e平方及口径的一次方成正比，同样口径，同一种非球面，A值越大就越难加工。

2.3.2成型法加工非球面技术

轨迹成型法加工非球面技术是长春理工大学在20世纪90年代提出了采用轨迹成型法加工二次非球面的新原理。

轨迹成型法新原理是针对二次非球面的加工提出的。

其原理实际上是数学上早己证明的圆锥曲线原理，即从一个圆锥体上可以截取任何二次曲线。

如图2-2所示：

图2-2从圆锥上截取二次曲线的原理

1—圆；2-椭圆；3-抛物线；4-双曲线

在半顶角为的圆锥体母线上的某一点，如果以截平面与圆锥轴线成夹角相切时，平面与圆锥体切出的曲线轨迹为二次曲线。

如果平面a-a、b-b、c-c和d-d分别以、、、角度与圆锥体相切，截平面到圆锥体顶点的距离为L由图可知：

当=90°时可截得一个圆；

当90°>>时截得一个椭圆；

当=时截得一个抛物线；

当<截得一个双曲线。

2.4光学非球面的检验

由两个反射镜组成的光学系统具有很重要的实用价值。

因此反射镜材料比透镜材料容易得到，尤其是大口径镜面更是如此；另一方面反射镜不存在色差；而且镀铝和介质膜的反射层在很宽的波段范围内有很高的反射率。

因此，在大口径天文望远镜系统，红外和紫外光学系统中都有重要的应用。

在反射式天文望远镜、激光发射光学系统中，由两个二次曲面反射镜组成的系统占有重要的地位。

考虑到加工和检验的可行性，在大多数使