光学零件实验指导书.docx

1、光学零件实验指导书光学制造技术实 验 指 导 书薛常喜 李艳红编写长春理工大学光电工程学院目 录实验1 块料毛坯的锯切与整平 2实验2 块料毛坯的划割、滚圆与开球面 5实验3 球面透镜的铣磨工艺 8实验4 透镜的上盘与下盘工艺 13实验5 光圈识别 15实验6 高速抛光工艺及光圈修改实验 20实验7 透镜的定心磨边工艺 23实验8 透镜的胶合 27实验9 高精度平面的制造与检测 30实验10 光学晶体的研磨与抛光 32实验11 直角棱镜的制造与检测 34实验12 非球面加工实验 37实验1 块料毛坯的锯切与整平一、 实验目的1、熟悉块料毛坯加工工艺过程及加工余量的确定；2、掌握玻璃锯料机的使用

2、方法及锯切工艺；3、掌握单轴机使用方法及整平工艺；4、掌握用散粒磨料整平的技巧。二、 实验设备与用具锯料机、单轴机、平模、玻璃块、磨料80#、120#、卡尺、厚度尺等。三、实验步骤与内容块料毛坯是用玻璃块加工而成的毛坯。主要加工工序包括：锯切、整平、划割、滚圆、开球面1、锯切将玻璃块按着毛坯的尺寸或角度要求，在锯料机上进行锯切。玻璃的锯切主要采用金刚石锯料机，见图1。金刚石锯料机多为非标准设备，其结构型号各异。按其进给机构的特点，可分为重锤进给、丝杠进给和液压进给三种形式的锯料机。金刚石锯料机使用的锯片是金刚石锯片，锯片的直径一般为300400mm，厚度为23mm；边缘线速度一般为2040m/

3、s；金刚石颗粒的粒度一般为60#80#；浓度一般取100%150%。图2是在用金刚石锯片锯切玻璃。图1金刚石锯料机图2金刚石锯片2、整平整平是把锯切后的坏料不平整的表面磨平，并修磨厚度和两面的平行度，或修磨角度等。 整平的方法：散粒磨料研磨整平法和金刚石磨轮铣磨整平法两种。前者是在普通的研磨机（见图3）上，用铸铁平模盘，采用不同粒度的磨料整平；后者是在平面铣磨机（见图4）上进行整平。图3单轴机图4平面铣磨机为提高生产效率，通常先单块整平第一面，然后再用粘结材料（由松香和蜂蜡按一定比例融合而成）将其粘在平模上，成盘整平第二面。整平加工余量，单面约取0.51mm，公差为0.1mm。散粒磨料研磨整平

4、法工艺过程：开动机床，平模平稳转动起来后，往平模上撒适量的磨料；双手拿着要整平的玻璃片，放在平模上研磨；玻璃片在平模上要以一定摆幅，逆着平模转动方向运动；不时地观察研磨面的研磨情况，当玻璃表面全部磨到后，停止第一面的整平；整平第二个表面（如果是成盘整平，需要胶盘后再整平）。工艺过程与整平第一面相同，但要注意控制毛坯厚度；各项技术指标达到要求后，清洗，进入下一道工序。四、实验报告实验报告要求：记录实验中所用的机床型号、锯片参数、磨料粒度及种类等；画出完工毛坯图；总结加工工艺过程；回答如下问题：金刚石锯料机按其进给机构的特点，有哪几种？金刚石锯片，锯片的直径、厚度、边缘线速度、金刚石颗粒的粒度、浓

5、度一般取多少？锯切时玻璃是如何装夹的？整平时一般采用哪几个粒度的磨料？如何做才能保持平模的表面的平面性？实验2 块料毛坯的划割、滚圆与开球面一、 实验目的1、熟悉块料毛坯加工工艺过程及加工余量的确定；2、掌握玻璃滚圆机的使用方法及滚圆工艺；3、掌握单轴机使用方法及滚圆工艺；4、掌握用散粒磨料开球面的工艺及技巧；5、了解玻璃滚圆机的结构和运动原理；6了解单轴机的结构和运动原理。二、实验设备与用具滚圆机、单轴机、平模、玻璃块、磨料80#、120#、卡尺、厚度尺等。三、实验步骤与内容块料毛坯是用玻璃块加工而成的毛坯。主要加工工序包括：锯切、整平、划割、滚圆、开球面锯切、整平工序在前一个实验中已做过，

6、本实验进行毛坯的划割、滚圆和开球面工序的实验。1、划割 划割是当整平后的玻璃板需要加工成小块时，采用的一道工序，通常用金刚石玻璃刀（或滚刀）按尺寸要求进行划割加工。2、滚圆透镜的毛坯，整平后需要磨成圆片，称作滚圆。一般是先胶成长条，然后再进行磨外圆。 图1滚圆机磨外圆的常用方法有：在平模上用散粒磨料滚圆，在滚圆机上用金刚石砂轮磨外圆。后者效率高，精度好，外圆公差可达0.02mm以内。滚圆余量，根据毛坯直径大小确定，一般取24mm。（1）散粒磨料滚圆工艺过程如下：胶条 将整平好的玻璃片放在电炉上稍稍加热，涂上白蜡，粘成长条。手持玻璃长条，在单轴机的转动平盘上加100#磨料浆进行滚圆。先磨去四个棱

7、角，变成八角，再磨成十六角，直到磨成圆形。滚圆过程中要不断测量直径，达到要求为止。（2）滚圆机磨外圆工艺过程如下：胶条 将整平好的玻璃片放在电炉上稍稍加热，涂上白蜡，粘成长条；浆玻璃长条装夹在滚圆机主轴上；根据玻璃圆棒的直径大小，调整磨轮到固定位置；启动磨轮、冷却液电机、主轴、托板，进行磨外圆，待磨轮从玻璃棒一端走刀到另一端时停车。 测量玻璃棒直径，与标准数值比较，确定加工余量后在次调整机床磨外圆，达到尺度公差范围内时止。3、开球面透镜毛坯的开球面，是将滚圆后的玻璃圆片的两个平面磨成球面，使其达到零件粗磨完工后的曲率半径和中心厚度的要求，所以开球面亦称粗磨。开球面有两种方法:散粒磨料研磨法,是

8、古典的手工操作方法金刚石磨轮铣磨，是先进的机械加工方法。球面曲率半径的检验: 一般用金属弧形样板检验或用贴置模检查擦贴度；厚 度: 用千分尺测量；表面粗糙度: 用肉眼观察，无砂眼和擦痕即可。铣磨法开球面的工艺过程，见实验3。研磨法开球面的基本工艺过程如下：在单轴机的主轴上安装球模（凹或凸球模），启动机床主轴，在球模上加100#磨料浆。手持玻璃片在球模上研磨，达到要求时止。清洗后送下一道工序。四、实验报告实验报告要求：记录实验中所用的机床型号、参数、磨料粒度种类等；画出完工毛坯图；总结加工工艺过程；回答如下问题：散粒磨料滚圆工艺过程？滚圆机磨外圆工艺过程？金刚石磨轮的粒度、结合剂、浓度、转数？滚

9、圆机磨外圆时使用什么冷却液？它有什么作用？块料毛坯的加工工序分哪几步？实验3 球面透镜的铣磨工艺一、 实验目的1、 验证斜截圆形成球面的原理；2、 了解透镜铣磨成型的工艺过程；3、 熟悉透镜铣磨机的结构、工作原理和调整方法；4、 铣磨出既定的曲率半径球面透镜。二、 实验设备与用具透镜铣磨机 ZGX70球面铣磨机1台金刚石磨轮 D = r = 粒度 100# 浓度100%千分尺、扳手透镜毛坯、擦贴盘三、 实验原理球面铣削成型原理，如图2所示。球面的曲率半径为R，磨轮的中径为Dm，磨轮的刃口曲率半径为r，金刚石磨轮刃口通过工件顶点，磨轮轴线和工件轴线相交于O点，两轴夹角为；磨轮绕自身轴高速旋转，工

10、件绕自身轴低速转动，这种运动轨迹包络面就形成球面。球面曲率半径的大小与两轴的夹角有关。当磨具选定后，中径Dm和刃口半径r为定值。调节不同的角，即可加工出不同曲率半径R的球面。R与的关系如下： sinDm/2(R+r) 铣削加工用的金刚石磨轮（图3）的中径Dm一般为被加工透镜直径的四分之三。 图2 球面铣削成型原理 图3 金刚石磨轮四、实验步骤与内容1、熟悉透镜铣磨机的结构及传动原理；图4 透镜铣磨机传动原理磨轮传动系统由图4知，电机通过平皮带带动磨头轴高速旋转。主轴传动系统 主轴电机经三角皮带传入刚性锥环式无级变速箱，此变速机构的变速比从1/33（即输出速度倍率为9），通过两个联动的活动锥体来

11、调速。经变速后输入主轴箱，在主轴箱内先经二级蜗轮蜗杆减速，再经齿轮机构变速，驱动工件轴转动。工件进给系统 工件轴5由6、7、8、9、10、11机构控制其前进和后退，完成工件的进给加工和装卸。ZGX70球面铣磨机主要参数磨头轴转角: 0-45磨头转数： n1=8500rpm n2=11000rpm工件轴转数： n1=15rpm n2=22rpm倒边磨头转速: n=7000rpm倒角磨头转角: 0-90主轴箱行程: 纵向: 50mm 横向: 50mm加工透镜范围: 5-700mm2透镜铣磨机控制系统和按钮主轴启动和停止控制系统和按钮；磨轮启动和停止控制系统和按钮；冷却液泵启动和停止控制系统和按钮；

12、主轴进给和后退控制系统；铣磨机启动和停止按钮。3铣磨工艺参数选择 主轴（即工件轴）转数：n1=15rpm 磨头转数：n1=8500rpm机床调整 调整磨轮轴与工件轴间的角度；调整加工余量铣磨操作 启动磨轮和冷却液供给系统，再启动主轴，以手动方式进給加工。操作注意事项 参数选择、机床调整工作完成后要试运行，即在指导教师指导下运行；手动进給时不要太快；磨轮完全停止后再取下零件；五、实验报告实验报告要求：记录实验中所用的机床型号、磨轮参数、夹具尺寸、冷却液种类、喷射方式、喷射量、磨头偏角、工件边缘线速度、工序周期等。画出完工零件图。总结消除中心凸包与调整磨轮轴偏角之间的关系回答如下问题：铣磨后，零件

13、与擦贴盘成中心接触或边缘接触，其曲率半径大小如何？在铣磨过程中，如果零件装夹不紧，磨出来的表面会出现什么情况？ 如何消除内外凸包？ 光刀的作用？ 本铣磨机能否用于磨外圆？磨外圆时如何调整？实验4 透镜的上盘与下盘工艺二、 实验目的在透镜精磨和抛光时，多数是组成镜盘进行的。透镜的镜盘由透镜、火漆、粘结模构成，镜盘上粘结多个零件，并按一定规律排列，见图1。精磨前，按一定规律将透镜粘结在粘结模上，叫上盘；透镜抛光完工后，将透镜从粘结模上取下来，叫下盘。 本实验的目的：1、了解透镜的上盘与下盘方法；2、掌握透镜弹性上盘的工艺过程；3、掌握透镜锤击下盘的操作方法。三、 设备与用具电热炉、工件、火漆、贴置

14、模、粘结模、水盆、木锤、汽油、酒精等三 实验步骤与内容 （a） （b） 图1 镜盘1、上盘将工件摆放在电热板上加热，控制温度在5060之间；在工件上做火漆团；工件贴置，将做上火漆团的透镜按着一定规律贴在贴置模上，见图1（a）；在电炉上加热粘结模；将加热的粘结模与贴置模上粘结的工件接触，烫化工件上的火漆，待火漆层厚度达到要求时，立即放在凉水中冷却，形成镜盘；用刀片刮去多余的火漆即做成镜盘。2、下盘用木锤敲击透镜，火漆碎裂，透镜即可取下；用汽油浸泡透镜、擦洗之；用酒精乙醚混合液浸泡透镜、再次擦洗干净。四 实验报告实验报告要求： 记录实验中所用的设备、加热温度、操作过程。画出镜盘结构图。记录镜盘上的

15、工件数量、排列方式和圈数。回答如下问题： 如何保证火柒层的厚度？ 中间一圈的零件数一般粘几块？ 火漆团的制作方法能否机械化？写出你的构想。 透镜镜盘的设计方法有哪几种？实验5 光圈识别一、 实验目的 1、掌握光圈的识别方法； 2、掌握光圈与表面形状的关系；3、掌握高低光圈与曲率半径大小的关系二、 实验设备与用具工件、样板、毛刷、酒精、乙醚、脱脂纱布三、 实验原理1、光圈的产生在光学加工中，光学零件表面的面形(球面或平面)偏差是通过与样板表面比较来鉴别的。若两者的面形不一致、存在微小误差时，则形成一定厚度的空气隙，类似一个薄膜，从而产生薄膜干涉现象。若用单色光源、空气隙呈环形对称时，则产生明暗相

16、间的同心圆干涉环；若用白光照射则产生彩色圆环。这些圆环称作牛顿环，又叫光圈。面形偏差的大小，根据光圈的数量、形状、颜色来确定。 光圈数N与空气隙厚度h的关系：h = N/2 (71) 即相邻两道光圈之间的空气隙厚度差h近似等于二分之一波长，或者说,变化一道光圈相当空气隙厚度变化/2。光圈的形状是由等厚空气隙的轨迹决定的，即同一级干涉条纹对应的空气隙厚度是相等的。因此，根据干涉条纹的数量和不规则程度，可以判定抛光表面的面形偏差。2、光圈的识别与度量高、低光圈在样板检验中，R的大小表现为光圈数量的多少，R的正负表现为光圈的高低。正确识别光圈的高低，对于修改零件的面形偏差是非常重要的。若样板与工件边

17、缘接触，产生的光圈称低光圈。若样板与工件中间接触，产生的光圈称高光圈。上述关系如图7-1所示。对平面来说，低光圈，说明表面凹下；高光圈，说明表面凸起。对凸球面来说，低光圈，说明曲率半径R偏大；高光圈，说明曲率半径偏小；对凹球面来说，低光圈，说明曲率半径R偏小；高光圈，说明曲率半径R偏大。在抛光过程中，被加工表面还可能出现局部偏差，即局部凸起或凹下，叫局部高或局部低。最常见的局部偏差有中心高或中心低、边缘高或边缘低。边缘高又叫翘边，边缘低又叫塌边。各种局部偏差可以根据光圈形状来识别和度量。 图1 高、低光圈2 高、低光圈的识别方法通常是根据干涉条纹的形状、特征，移动情况、弯曲方向、疏密程度、颜色

18、等来识别光圈的高低。 识别光圈高低的常用方法有以下三种： 周边加压法 周边加压法是识别光圈高低最常用的方法，此方法最适用于光圈N1的情况。 周边加压法识别光圈高低的原理是：将样板置于零件之上，两者间存在一定厚度的空气隙，在样板周边加压时，则空气隙由厚变薄，即空气隙h由大变小。这样，与h对应的干涉条纹数由多变少,象似跑动。低光圈：光圈由边缘向中心跑动。高光圈：光圈由中心向边缘跑动。边缘点力法 边缘点力法，是在样板边缘的某一点轻轻加压，使其另一端浮起，形成楔形空气隙，从而产生弯曲的干涉条纹。根据干涉条纹的弯曲方向和弯曲程度来识别光圈的高低。下面以平面为例来说明之。如果工件表面为理想平面，用平面样板

19、(平晶)检验时，则呈现平直条纹，因浮起程度不同，条纹数目也随之增减，见图2和图3。 图2 高光圈干涉图 图3 低光圈干涉图如果工件表面为高光圈，如图7-2所示, 各带条纹势必弯向受力点，这是由与其对应的空气隙等厚层的轨迹决定的，以弯曲程度与条纹间隔之比表示光圈数。低光圈干涉条纹弯曲方向与上相反，它是背向受力点。如图3所示。这种方法最适用于局部光圈的识别。光圈数N的度量在光圈数N1的情况下在光圈数N1的情况下，在有效检验范围内，用半径方向上最多的条纹数来度量，如图1所示，N=2。如果在白光下观察干涉条纹，应以红光的条纹数度量。 在光圈数N1的情况下在光圈数N1的情况下，光圈数N以通过直径方向上干

20、涉条纹的弯曲量(h)相对于条纹的间距(H)的比值(N=h/H)来度量，详见教材。四、 实验步骤与内容1、整体高、低光圈的识别用蘸有酒精乙醚混合液的脱脂纱布擦拭工件和样板；将擦拭干净的样板轻轻地放在擦拭干净的工件上；周边加压，看光圈的高低及光圈数量；在边缘某一点加压，看光圈的高低并计算光圈数量。2、局部光圈高低的识别用蘸有酒精乙醚混合液的脱脂纱布擦拭工件和样板；将擦拭干净的样板轻轻地放在擦拭干净的工件上；周边加压，看中心和边缘的光圈高低并计算光圈数量；在边缘某一点加压，看中心和边缘的光圈高低并计算光圈数量。五、 实验报告实验报告要求： 记录实验中所用的工具、材料、操作过程。画出高低光圈图。记录光

21、圈的数量。回答如下问题：判断光圈高低的方法有哪几个？凸球面，高光圈，曲率半径是偏大还是偏小？周边加压法判别光圈高低的原理？看光圈时应注意什么？实验7 透镜的定心磨边工艺一、 实验目的透镜的定心磨边是光学零件制造的基本工艺之一。透镜定心磨边的主要方法有二种：光学定心磨边法与机械定心磨边法。本实验的主要目的如下：1、熟悉光学定心法的原理与方法；2、了解透镜光学定心磨边机的结构及性能；3、掌握透镜光学定心磨边的工艺流程；二、 实验设备与用具1、 光学定心磨边机2、 定心胶、酒精灯、工件、打火机、卡尺等三、 实验原理(一)球心自准像定心法原理透镜的光学定心法是利用球心自准反射像进行中心偏差校正的一种方

22、法。球心自准像定心法原理如图1所示。图1球心自准像定心法原理O点为透镜待定心球面的球心，O点右侧为自准像定心仪光学系统，O点左侧为接头，二者的轴线重合。接头的端面与其轴线严格垂直，当将透镜胶接在该端面上时(胶层厚度一致)，胶接面的球心会自动定位在接头轴线上。另一个球面的球心定位用球心自准像定心法来完成。从光源1发出的光线，经过聚光镜2会聚在刻有透明十字丝的反光镜3上，再经固定物镜4和可调物镜5，十字丝成像于物镜5的像方焦点上。如果定心透镜6无偏心(其球心与物镜5的像焦点重合)，光线沿原路返回，则转动接头时，通过目镜9观察，十字丝像在分划板8上无跳动。否则，转动接头时十字丝像在分划板上划圈。如果

23、像的跳动超出允许范围，须加热接头，使粘结胶软化后移动透镜，直到十字像不跳动或在允许范围内，即实现定心。定心仪备有6组不同焦距的可调物镜，供各种曲率半径的透镜定心时选用。球心自准像定心法，定心精度较高，可达0.005mm。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较高。(二) 透镜中心偏差C的计算图2是图1的简化原理图。图2 定心仪简化原理图设透镜待定心表面的球心与回转轴的偏离量为C，由于球心反射像的垂轴放大率为-1，所以透镜的球心反射像偏离回转轴2C，当转动接头时，透镜球心像的回转直径为4C，再经定心仪光学系统放大倍，在分划板上看到的像为4C，其值相当在分划板上的

24、跳动量nb，则：n b = 4 C 或 C = n b / 4 (1)式中，n分划板的格数；b分划板的格值；将一格所表示的中心偏差定义为定心精度C,则：C= b / 4 (2)表1表示TD型定心仪6组可调物镜相应的定心精度。表1 TD型定心仪的定心精度序号可调物镜焦距lp(mm)物镜焦距f(mm)系统放大率定心精度 C(mm/格)示值误差(mm)14324402.50.040.0042212.522050.020.0023103110100.010.00145255200.0050.00055-116-110-100.010.0016-227-220-50.020.002(三)成像校正点与定心

25、仪位置的确定1 校正点位置的确定所谓校正点就是透镜待定心表面的球心位置。当球面未定心时，球心反射像要随接头的转动而转动，定心就是通过观测校正像的跳动来实现的。如图9-3所示，首先须找出球心的位置(校正点)A1或A2，然后将定心仪物镜前焦点O置于校正点上A1或A2，才能正确观测像的跳动。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，通常情况下不必用定心仪观测像的跳动。2 定心仪位置的确定校正点确定后，则可根据此点到前表面的距离，选择焦距合适的物镜。选择的原则是：当物镜前焦点置于校正点时，必须保证定心仪物镜与定心透镜的间隔不小于10mm。图3 定心仪位置与校正点的确定四、实验内容与步骤了

26、解光学定心磨边机结构、熟悉其工作原理，见图3。根据透镜的类型及结构参数算出球心像校正点的位置，然后按偏心差要求和校正点位置选择TD型定心仪的可换物镜。根据透镜的磨边后直径确定夹头的直径，并精车夹头或对已有夹头验收、测量； 图4 光学定心磨边机加热夹头，粘结透镜；调整定心仪的位置，使定心仪的可换物镜前焦点与待定心球面的校正点重合，找到该面的球心反射像。转动透镜，十字像在目镜前的分划板上跳动，用手推动透镜，使跳动量在要求的格数内；定心后，进行磨边；磨边后，倒角；加热夹头，取下透镜，并清洗干净。四、 实验报告实验报告的要求：写出光学定心磨边工艺过程；计算透镜的球心像位置；计算跳动格数与偏心量的关系。

27、回答如下问题：透镜为什么要定心磨边？球心反射像定心法原理？定心时，对接头有何要求？实验8 透镜的胶合一、 实验目的1、熟悉用加拿大胶进行透镜胶合的工艺过程；2、熟悉透射式焦点像定心仪的工作原理及使用方法。二、 实验设备与用具加拿大树脂胶、胶合透镜、电热器、玻璃钟罩、长水泡、竹镊子、脱脂纱布、酒精乙醚混合液、定心仪、绒布黑屏、电热烘箱等。三、 实验原理在光学设计上，为改善像质，经常采用胶合透镜。光学零件的胶合是把两块或多块单个零件，用胶粘剂或光胶等办法，按一定技术要求连接在一起的工艺过程。常用的胶合方法有树脂胶胶合法、光胶法。 在透镜胶合过程中，无论采用树脂胶胶合法，还是光胶法，都必须进行定中心

28、，以保证正负透镜光轴重合，否则会影响系统的像质。透镜胶合定中心的方法有焦点像定心法，球心反射像定心法和自重定心法等。焦点像定心法原理如图1所示。图1定中心检查仪光学系统图 1分划板；2棱镜；3平行光管物镜；4承座；5工件；6物镜；7转向棱镜；8目镜分划板；9目镜；10分光棱镜分划板1,棱镜2,物镜3构成了一个平行光管系统； 承座4的轴与平行光管光轴重合，透镜组5装在承座4的定位槽内，负透镜与承座4的定位槽配合，其光轴与承座轴重合；物镜6、转向棱镜7、分划板8、目镜9构成一个显微镜系统。当由平行光管出射的平行光通过待定心的透镜组5时，如果正、负透镜光轴重合，则焦点像(十字像)成在光轴上，以承座轴

29、线为基准转动透镜组，焦点像不动；如果正、负透镜光轴不重合，则焦点像的位置将偏离光轴一定距离，以承座轴线为基准转动透镜组时，在显微镜系统的分划板8上可看到一个十字像在划圈，如果像的跳动量超过允许范围，应推动正透镜，边推边转，直到十字像不跳动或在允许范围内，即实现定心。设焦点像偏离光轴的距离为2C。则转动透镜组时，十字像的最大跳动量为2C。如果分划板的格值为b，显微镜的放大倍率为，十字像跳动格数为n，则可得到如下关系式： 2CnbC nb/2 (5)那么十字像跳动一格所代表的中心偏差a可用下式表示：ab/2 (6)由于胶合定中心的透镜焦距长短不同，因此，中心检查仪的物镜作成可换式的，以变换倍率，实现对不同焦距透镜的定心。定心仪如图2所示。图2 定心仪四 实验内容与步骤1准备工作胶合前的检查 按厚度和外径尺寸选配分组,使凸透镜外径稍小于凹透镜外径,中心厚度之和在胶合透镜的公差范围之内。用脱脂纱布蘸着酒精乙醚混合液仔细擦拭镜片，注意擦拭镜片的手势（示范）。先擦拭凹透镜，再将凸透镜放在凹透镜上，当凸透镜能在