光学冷加工定心磨边工艺设计讲解.docx

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光学冷加工定心磨边工艺设计讲解

河南工业职业技术学院

HenanPolytechnicInstitute

毕业设计

题目

光学零件定心磨边加工工艺

系别

光电工程系

专业

　　　　精密机械技术　　　　　

班级

姓名

学号

0104090234

指导教师

日期

2011年9月15日

设计任务书

设计题目：

光学零件定心磨边加工工艺

设计要求：

综合运用所学知识，结合实际独立完成设计课题，拓宽知识面、掌握知识的深度、以定心磨边技术的传统和现在的术语及方法为引导，写出各种定心工艺的优点以及容易产生的疵病，同时对该种工艺的疵病进行分析，培养运用理论结合实际去处理问题的能力、实验能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力。

文字材料条理清楚、通顺,论述充分,符合技术用语要求,符号统一,编号齐全,书写工整。

图纸完备、整洁、正确。

按期圆满完成任务书中规定的项目;能熟练地综合运用所学理论和专业知识;有结合实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证，并有较高技术含量。

立论正确,计算、分析、实验正确、严谨,结论合理,,科学作风严谨，毕业设计有一些独到之处。

设计任务：

1．介绍定心磨边工艺传统和现代术语写出定心磨边的各种工艺类型及其原理图；

2.结合实际工作写出定心磨边的各种工艺类型及其原理图；

3．分析当前工艺类型的疵病产生原因；

4．写出详细毕业设计说明书（10000字以上），要求字迹工整，原理叙述正确，各种磨边工艺分析全面。

设计进度要求：

第一周：

收集资料，在图书馆查看书籍，在实践中听取师傅的教导，在网上查找各类相关资料尽量使资料完整、精确、数量多，有利于论文的撰写。

第二周：

将收集到的资料仔细整理分类，及时与导师进行沟通。

将设计的雏形确立起来，论文的文字叙述全部做好。

第三周：

进行相关图形的绘制工作和夹具的设计工作，把文字、绘图、排版、校对等项工作完成。

指导教师（签名）：

摘要

伴随着“中国制造”的发展，光学制造在中国大陆的土地上方兴未艾，发展迅猛异常。

光学仪器是紧随着光学科技的发展而发展的，这是因为：

一方面它是光学基本理论的应用，成功的应用可以证明理论的正确；另一方面它又是探索理论发展的有用手段和工具，许多科学家正是利用当时先进的仪器，使理论又有了新的突破。

为了满足光学仪器成像的要求，必须保证光学系统光轴的一致性。

在仪器的装校中，通常是靠透镜的外圆定位，但外圆定位只能保证各透镜几何轴的共轴性，却不能保证光轴的一致性。

如果要达到靠外圆定位来实现光轴的共轴性，那么，透镜在装配前必须进行定心磨边，以消除或减小透镜的中心偏差。

为了提高零件的制造效益和质量，工艺研究的创新成果极大地改变了零件的生产程序和工艺路线，充分利用被加工光学材料的特性，集中系列的高新技术，从而形成新的工艺。

在实际生产中，透镜的定心磨边分两步进行：

一是定心，通过光学或机械的方法寻找并确定透镜光轴与基准轴重合的位置，即透镜光学表面定心顶点处的法线与基准轴重合的位置，这里的基准轴就是机床的回转轴；二是磨边，透镜定心后夹紧，用砂轮或金刚石磨轮磨削透镜的外圆，以获得图纸要求直径的透镜。

透镜的定心方法主要分光学定心和机械定心两类。

由于知识有限，设计中存在一定的错误，望指导老师能够谅解。

关键词：

光学定心、磨边。

Abstract

Alongwiththedevelopmentof"madeinChina",opticalmanufacturinginChinalandbejustunfolding,theswiftandviolentdevelopmentabnormalities.Opticalinstrumentfollowedbyopticalscienceandtechnologydevelopment,thisisbecause:

oneisthebasictheoryofopticsapplications,successfulapplicationcanprovethecorrectnessofthetheory;ontheotherhanditistoexplorethetheorydevelopmentoftheusefulmeansandtools,manyscientistsareusingtheadvancedequipment,sothatthetheoryandanewbreakthrough.

Inordertomeettherequirementsofopticalinstrumentimagingopticalsystem,toensureconsistency.Intheapparatuswiththeschool,usuallybylensoutercirclepositioning,buttheoutercirclelocationonlytoensurethatthelensgeometryaxescoaxiality,butcannotguaranteetheopticalaxisconsistency.Ifyouwanttoreachtheoutercirclepositioningtoachievetheopticalaxisofthelenscentration,then,intheassemblymustbeperformedbeforecenteringedging,toeliminateorreducethelenscenterdeviation.

Inordertoimprovethequalityandefficiencyofpartsmanufacturing,technologyinnovationhasgreatlychangedpartsoftheproductionprocedureandprocessroute,makesfulluseoftheprocessingofopticalpropertiesofmaterials,concentrationseriesofhigh-tech,leadingtotheformationofnewtechnology.

Inpracticalproduction,thelenscenteringedgingisperformedintwosteps:

oneisthroughcentering,opticalormechanicalmethodstosearchforandidentifytheopticalaxisofthelensandthereferenceaxisposition,wherebythelensopticalsurfacevertexnormalsandcenteringdatumaxisposition,thereferenceaxisistheaxisofrotationmachine;twoisedging,lenscenteringclamping,wheelanddiamondgrindingwheelgrindinglensoutercircle,diameterofthelenstogetthedrawings.Lenscenteringmethodconsistsofopticalcenteringandmechanicalcenteringtwoclass.

Duetothelimitedknowledge,designinthepresenceofacertainerror,hopetheteachercanunderstand.

Keywords:

opticalcentering,edging.

1定义与术语

1.1传统的定义与术语

对于圆形的光学零件，精磨抛光完工之后一般都还要进行磨边，使其侧圆柱面尺寸满足装配要求；对于球面透镜，磨边还有一个重要作用：

就是校正透镜在研磨抛光过程中很难完全避免的偏心，即校正两球心连线（光轴）与外圆对称轴（几何袖）的偏离。

根据透镜的使用要求，光学设计时往往预先给定这种偏离的大小，并用符号Ｃ表示。

定心磨边就是使透镜满足这种技术要求。

经过精磨抛光后的透镜，一般均为未定心透镜，存在中心误差。

对于单透镜，经常表现为交叉性中心误差，即透镜光轴与透镜几何轴空间交叉（图1.1）；有时也表现为平行性中心误差，即透镜光轴与几何轴相互平行（图1.2）。

当透镜光轴与几何轴完全重合时，则是理想的定心透镜（图1.3）。

图1.1图1.2

图1.3

1.1.1定义及术语

中心偏差是透镜外圆的几何轴与光轴在透镜曲率中心处的偏离程度，用C表示。

定心是使透镜的光轴和几何轴重合或在一定的公差范围内。

磨边是将定心后的透镜进行对称地磨外圆。

光学系统的中心偏差尽管很复杂，但透镜中心偏差定义的C仍适用于单块透镜。

它符合磨边工序的加工目的，也可以看成是对磨边工序的主要技术要求。

1.1.2中心偏差与边厚差的关系

在透镜研磨抛光过程中，通常采用控制透镜边厚差来校正镜盘中心偏差，达到减小透镜中心偏差的目的。

特别是对大口径透镜不合适定性磨边，在抛光过程中必须通过控制边缘等厚差的方法，达到中心偏差的要求。

一块存在边厚差的透镜。

可以看成是由一块无边厚差的透镜，再附加上一块楔形镜组成。

tana≈a,tanb≈b,a≈b,

则

则

其中Δt——透镜的边厚差；

R——球面曲率半径；

D——透镜外圆直径；

C——透镜中心偏差。

透镜的中心偏差是其几何轴与光轴在曲率中心处的偏离程度。

曲率中心和光轴均是抽象的点和线，直接测出光轴对几何轴的相对位置是困难的，但是透镜存在中心偏时，必须通过一些现象反映出来，定心的方法不同，反映的现象也不同。

定心的实质就是通过一定的方法，将透镜的两球心置于磨边机回转轴线上，从而把以光轴为基准的磨边过程，变成一机床轴为对称轴的修磨透镜外圆的过程。

1.2新的定义与术语

传统规定的中心偏差C的定义，不能表示光轴与几何轴空间相互位置的一般情况，所以，首先在德国和法国舍弃不用，而我国也在新的国标GB7242—87中提出新的术语和定义。

本标准适应于由球面与球面或球面与平面组成的且具有旋转对称边缘面的单透镜和胶合透镜。

对于具有其他边缘形状的透镜（例如：

矩形透镜）也基本适用。

1.2.1定义及术语

中心误差：

光学表面定心顶点处的法线对基准轴的偏离量。

中心误差是用光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角来度量，此夹角称为面倾角，用希腊字母x表示。

定心顶点：

光学表面与基准轴的焦点。

基准轴：

用来标注、检验和校正中心误差的一条确定的直线，该直线应体现系统的光轴。

光轴:

单透镜两光学表面球心的连线：

胶合透镜在理想情况下光轴是光学表面球心的连线。

定心：

校正中心误差的过程。

若被定心的光学表面定心顶点处的法线与所选定的基准线重合，则该光学表面已经定好中心。

若透镜诸光学表面定好中心，透镜的光轴即与基准轴重合，则该透镜已经定好中心。

1.2.2传统的中心偏差与新定义面倾角的关系

1.用透射式定心仪检验

透射式定心仪检验出的是偏心差c,在数值上它用焦点像跳动圆半径来度量。

透镜式定心仪检验出的偏心差e，要保证图纸规定的面倾角x的要求。

单透镜两光学表面中有一个选作基准面时，则偏心差c与另一个光学表面的倾角的允许值，按下式计算：

C=0.291（n-1）l,F.x.10-3

式中：

c——偏心差，mm；

X——面倾角，（’）；

　　ｎ——透镜材料的折射率；

　　l,F——透镜的像方程焦距，ｍｍ。

２．用反射式定心仪检验

当被检验光学表面球半径Ｒ为有限值时，可根据x值换算出球心到基准轴的距离a，也可按检验出的a值换算出面倾角x值，即

a=x.R/3438=0.291x.R×10-3

式中：

x——面倾角，（’）；

a——被检光学表面球心到基准轴的距离，mm；

R——被检光学表面球半径，mm；

1.3透镜中心误差各种表述之间的关系

中心误差面倾角x、偏心差c、球心偏a，这三个反映中心误差的量是客观存在的物理量，但观察起来并不直观，需要通过仪器来测量。

透镜边缘的厚度差，会直观反映中心误差，但很难测量准确。

1.3.1偏心差c与边厚差Δt之间的关系

具有偏心差c的透镜相当于一个定心完好的透镜附加一个楔角为θ的楔镜，如图所示，若量仪测头与透镜表面接触轨迹圆的直径为D，则边厚差Δt=D·θ。

设图中H/为透镜的像方主点，平行于基准轴入射的平行光束会聚于F/点——相当于透镜像方焦点，像方焦点F/对基准轴的偏离量即像方主点H/对基准轴的偏离量c。

若透镜折射率为n，像方顶焦距为l/F，则主光线在楔角为θ的楔镜上产生的偏向角为δ=（n-1）θ。

所以透镜的偏心差

c=δ·l/F=（n-1）·l/F·θ

因此得

Δt=D·c/（n-1）·l/F

对于像方焦距为f/的薄透镜有

Δt=D·c/（n-1）·f/

1.3.2面倾角x与球心偏a的关系

当被定心的光学表面曲率半径为R，则该面的面倾角x与球心偏a的关系可知

a=0.291·x·R·10-3

1.3.3面倾角x与偏心差的关系

当折射率为n、像方顶焦距为l/F的透镜其中一光学表面作为基准面时（基准面的中心误差为零），则透镜的偏心差c与非基准面的面倾角x之间关系为

C=0.291（n-1）·l/F·x·10-3

1.3.4偏心差c与球心偏a的关系

若透镜的两个光学表面的曲率半径分别为R1、R2，可知，a1=R1·q1，a2=R2·q2，δ1=c/R1,δ2=c/R2,q1=δ1+θ,q2=δ2+θ,因此有

C=（a1R2-a2R1）/（R2-R1）

式中R1、R2要考虑符号关系，正透镜为正，负透镜为负。

为了根据球心偏能保证球心差不超出公差，对于a1、a2的符号考虑应以算得的偏心差值最大为准，所以，当R1、R2异号时，a1、a2取同号；当R1、R2同号时，a1、a2取异号。

2光学定心的原理与方法

光学定心主要包括透镜表面直接反射像定心法、球心自准反射像定心法、透射像定心法、电视定心法和激光干涉技术定心法。

2.1透镜表面直接反射像定心法

这种定心方法的原理

如图所示。

图2.1表面反射像定心

定心接头轴线与机床的回转轴重合，并且接头端面精确地垂直于轴线。

将透镜胶接于接头端面时，如果胶层非常均匀，则透镜表面“1”球心必然落在接头的轴线上。

如果再使透镜表面的“2”的球心也置于接头轴上，则透镜实现了定心。

利用透镜表面直接反射灯像的方法进行定心，故称透镜表面直接反射像法。

在保证定心接头轴线与机床的回转轴重合，且接头端面严格垂直于轴线的情况下，将透镜粘结在接头上，定心时，将一光源放在透镜前上方yA处，转动接头，根据非粘结面的光源反射像的跳动来移动透镜，使其光轴与夹头轴线重合。

当像撞到上面，则将透镜沿着夹头端面向下移动；像转到下面，则反之，直至像不移动或在允许范围内，即完成定心。

一般情况下，透镜粘接面的定心主要靠接头端面的修整精度来保证。

这种定心时用肉眼直接观察像的跳动，与表示中心误差的各参与量之间没有直接的关系，但它的大小反映出透镜中心误差的大小。

这种定心法定心精度不高，一般为0.05mm左右。

但所需要的设备简单，操作方便，适用于单件或小批量生产。

2.2球心自准反射像定心法

2.2.1定心原理

球心自准反射像法定心原理如图所示:

图2.2球心自准反射像法定心原理

1—被定心透镜；2，3—自准显微镜的物镜组成部分；4—分化板。

从十字分划A发出的光线，由垂直放大率为β的光学系统对透镜的表面曲率中心成像，经被检面球心反射回来的十字像位于分划板上A/处。

如果透镜的球心偏位c，转动透镜，十字像A/亦随之跳动，像的跳动量为4cβ。

若分划板的分划值为b，则允许像A/的跳动格数为

m=4cβ/b

如果像的跳动格数超过这个范围，必须移动透镜，直至十字像不跳动或在允许的范围跳动。

如下图，给出了球心反射像定心仪的光学系统图。

图2.3球心反射像定心仪的光学系统图

1—光源；2—聚光镜；3—分划反光镜；4—物镜；5—可换物镜；6—工件；

7—物镜；8—分划板；9—目镜组；10—接头。

将具有中心误差的透镜粘结在接头上，在确定了球心自准反射定心仪在磨边机上的位置后，观察透镜光学表面曲率中心。

转动接头时，观察球心像的跳动量，如果跳动量大，则移动透镜，至球心像不动或跳动在允差范围内，即完成定心。

球心自准像定心法，定心精度较高，可达0.005mm，主要用于直径小、曲率半径小的透镜的定心。

但由于视场较小，找像困难。

另外，供定心仪移动的导轨与机床主轴的平行度要求太高。

因此，在中等精度透镜高效生产中，主要采用机械定心法。

2.2.2成像校正点与定心仪位置的确定

1.校正点位置的确定

所谓校正点就是透镜表面的球心像。

当透镜定心时，此像要随接头而移动，定心过程就是通过观测校正像的跳动来实现定心的。

因此，首先必须找出球心像的位置（校正点），然后将定心仪物镜前焦点置于校正点上，才能正确观测像的跳动。

透镜表面的校正点与它的曲率中心置于同一纵向位置上，因为反射面的放大倍数是-1。

透镜后表面的定心，一般是靠接头端面的垂直度实现的，所以，通常情况不必用定心仪观测像的跳动。

定心时，首先必须找出透镜的校正点。

对于透镜非粘结面，其校正点就是它的去曲率中心，而粘结面的校正点位置可用近轴球面折射公式计算。

然后根据校正点到透镜非粘结面的距离，选择合适的物镜。

选择的原则是：

当物镜的物方焦点置于校正点上时，物镜与透镜非粘结面的距离x不小于10mm，以便于操作。

由图所示的定心仪与透镜间的位置关系可以看出，当校正点到透镜非粘结面间的距离l2和选定的可调物镜物方顶焦距lF2确定后，便可确定物镜前表面到透镜非粘结面间的距离x2，从而确定了定心仪的轴向位置。

图2.4定心仪与透镜间的位置关系

2.自准显微镜轴向位置计算

用自准显微镜定心是观察与球面共心的光束所成的像（球心像）来校正透镜的偏心，也就是说将球心像作为自准显微镜的物。

透镜的球心像又是由自准显微镜所成的像作为透镜的物所造成的。

当球心像的像平面和自准显微镜的物平面（自准显微镜本身的像平面）相重合时，就能在自准显微镜中看到球心像了。

透镜球心像的位置可用折射球面的近轴折射基本公式求出，即

n//s/-n/s=（n/-n）/r

则

s/=n/rs/[nr+（n/-n）s]

式中：

s/为像到折射面顶点的距离;

S为物体（发光点）到折射面顶点的距离；

n为第一种介质的折射率；

n/为第二种介质的折射率；

r为球形临界面的半径。

根据上述原理，下表给出了不同形状的透镜在不同的粘结情况下，自准显微镜轴向位置的计算方法。

透镜

类型

定心图示

校正粘结面

平凸

透镜

平凹

透镜

X1=L1+r2n//（n/-n）

X1—可换物镜面与透镜非粘结面间的距离；

L1—可换物镜第一面到物平面间的距离；

r2—球面曲率半径；

n/—空气的折射率；

n—玻璃的折射率。

符号规则：

凸为“+”，凹为“—”。

双凹

透镜

双凸

透镜

正弯月

透镜

负弯月透镜

X1=L1+n/r2s/[nr2+（n/—n）s]

此时s=r1—d

r1—粘结凹面的半径（取负值）；

d—透镜中心厚度；

r2符号规则：

凹为正，凸为负。

2.3光学电视定心

为了提高定心精度，减轻人眼疲劳，在球心自准定心法基础上，发展了光学电视定心法。

这种方法采用自准显微镜观测定心透镜球心像的跳动，然后通过电视屏显示定心误差，因此，精度高、检测直观、效率也高。

2.3.1光学电视定心定心原理

光学电视定心法的原理如图所示。

图2.5光学电视定心光学系统

1—光源；2—聚光镜；3—分划板；4—分光镜；5—显微物镜；

6—定心透镜；7—摄像机；8—显示器。

在如图所示的光学电视定心装置中，在定心磨边机的导轨上装有自准显微测量系统。

它由光源1、聚光镜2、分划板3、反光镜4、物镜5和电视摄像管7组成。

待定心透镜6，用粘结胶粘在定心接头上。

在定心过程中，首先移动自准显微镜，使由物镜5射出的光线，聚集在定心透镜外表面的球心O1上。

如果透镜无偏心，则射向定心透镜的光线沿法线方向射入，且反射光线按原路返回，并将分划板的十字丝成像于摄像管7的中心点O1/上。

对物镜来说，O1/点与定心透镜第一面（非粘结面）的球心O1是共轭的。

转动与机床回转轴有高度同轴性的定心接头时，球心O1的自准像，O1/不动，则表面定心透镜的光轴与机床的回转轴（即定位轴）重合；否则，如果透镜有偏心，转动定心接头时，自准像O1/将发生跳动，这时加热定心接头使粘结胶软化，将透镜的粘结面沿夹头端面作上下、左右移动，直到主轴回转时，在电视显示屏上的像无跳动或在允许的公差范围内跳动，即透镜实现定心。

在定心过程中，对于被定心透镜的两个球心像，主要是将非粘结面的球心像置于定位轴上（回转轴）。

而粘结面的定心是靠定心接头端面垂直度和定位轴的同轴性保证。

但是，接头端面在长时间使用过程中要产生磨损，这将造成端面与轴线的垂直度超差。

因此，定心接头使用一定时间后，还要对定心透镜的粘结面球心像进行检查，看是否在定心公差范围内。

2.3.2光学电视定心精度分析

采用光学电视定心法，其定心误差应包括透镜两表面定心误差的总和。

但粘结面的定心精度已由夹头端面垂直度保证，因此透镜的定心精度是由非粘结面的定心精度决定的。

设电视摄像管的分辨率为N，显微镜的放大率为β，则通过电视系统所观察到的非粘结面球心，随主轴回转时的跳动量为（1/N）·（1/β）。

由此可得定心透镜非粘结面球心离回转轴的垂直距离为C，则表示光学电视定心法的定心精度为

C=1/4Nβ

如上述分析可看出：

光学电视定心法布球心自准像定心法的精度高，而且定心快，适用于高精度透镜大批量生产的定心，但定心效率仍未有机械定心法高。

2.3.3电视定心磨边机

如图所示为双光电路定心磨边机，可用于不透可见光材料透镜及一般透镜的外圆、端面整平、倒角等工序。

在透镜两端各置一光学定中心仪，并连接显像装置观察，找正光轴后进行磨边。

设备参数如下：

加工透镜的最大直径：

Φ180mm；工件主轴中心高：

136mm；

砂轮主轴与工件主轴中心线距离：

70mm～180mm；工件主轴转速：

63r/min、127r/min、254r/min；工件主轴往复速度：

151p/min；工件主轴往复行程：

0～40mm；砂轮主轴转速：

3560r/min；砂轮规格：

Φ150mm×Φ32mm×20mm；电机总功率：

0.58kw；圆度：

≤0.005mm；外圆与光学轴心同轴度