曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及精密加工領(lǐng)域，特別涉及非球面透鏡精密磨削加工領(lǐng)域，尤指一種曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置。通過該裝置磨削加工出的非球面凹透鏡可有效改善球面透鏡矯正像差的效果，改善成像品質(zhì)，提高系統(tǒng)鑒別能力。非球面透鏡在航天航空、照相攝像、軍事系統(tǒng)、光通訊和激光應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，本實(shí)用新型因其結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、操作簡(jiǎn)易、加工效率高，可為微小型非球面凹透鏡的制造提供加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)用非球面光學(xué)元器件可以增加光學(xué)設(shè)計(jì)的自由度，并且對(duì)改善光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，提高光學(xué)性能，減小外形尺寸和重量起著重要的作用。小型非球面光學(xué)器件的加工技術(shù)主要包括數(shù)控研磨成型、離子束拋光法、模壓成型法、真空鍍膜法、精密單點(diǎn)金剛石車削等。目前，加工小型非球面透鏡的方法主要是研磨法和模壓成型法，而離子拋光法和真空鍍膜法主要用來(lái)加工較大的反射非球面。研磨法是非球面光學(xué)器件的基本加工方法。按照磨具與零部件的基礎(chǔ)特點(diǎn)，研磨法可分為點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸三種。一般的點(diǎn)接觸制造方法加工精度較低，主要用于研磨過程的粗成型加工，而線接觸制造精度稍高，面接觸的制造精度為最高。研磨法一般是借助凸輪仿形機(jī)以及數(shù)控機(jī)床等工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于小尺寸的非球面光學(xué)器件而言，一般預(yù)先采用數(shù)控機(jī)床研磨成型，然后再利用手工拋光方法成型，若高精度要求，則該過程中附以檢驗(yàn)和修帶工藝。模壓成型方法主要是針對(duì)塑料光學(xué)零件。由這種加工方法生產(chǎn)的光學(xué)零件，可以用作一般的聚光鏡和較為簡(jiǎn)易的光學(xué)系統(tǒng)透鏡。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的塑料非球面透鏡大多數(shù)是采用金屬模具熱壓成型的，如菲涅耳放大鏡和史密特矯正板。隨著高精度金屬模具的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了能夠滿足光學(xué)零件的表面粗糙度要求和曲面形狀要求的金屬模具，因此采用模壓成型制造的塑料非球面光學(xué)零件可在一定程度上替代部分玻璃態(tài)光學(xué)零件。
[0003]如前所述，非球面透鏡加工技術(shù)采用的主要加工方法為數(shù)控研磨與拋光技術(shù)、模壓成型技術(shù)和超精密單點(diǎn)金剛石車削等。
[0004](I)數(shù)控研磨與拋光技術(shù)
[0005]數(shù)控研磨與拋光技術(shù)是從計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)(CCOS)發(fā)展而來(lái)的。CCOS技術(shù)是由美國(guó)Itek公司在七十年代初期最先提出的技術(shù)思想。它用計(jì)算機(jī)控制超精密統(tǒng)磨機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行成形磨削，然后再用柔性拋光設(shè)備拋光，在提高精磨面形精度的同時(shí)改變工件表面粗糖度，使其達(dá)到光學(xué)元件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。此技術(shù)的基本原理是:根據(jù)光學(xué)面形檢測(cè)儀器檢測(cè)出的面形數(shù)據(jù)，創(chuàng)建加工的控制模型，利用計(jì)算機(jī)控制小磨頭在工件表面的駐留時(shí)間及相對(duì)壓力來(lái)控制材料的去除量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件進(jìn)行拋光。
[0006](2)模壓成型技術(shù)
[0007]模壓成型技術(shù)是一項(xiàng)需要特定機(jī)床的綜合性比較強(qiáng)的加工方法，主要適用于玻璃等材料。在高溫高壓和無(wú)氧的條件下，把軟化的光學(xué)材料放入高精度模具中，直接模壓出達(dá)到光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的成型零件。自20世紀(jì)八十年代中期開發(fā)此技術(shù)至今已將近三十年，模壓成型技術(shù)已成為非球面制造行業(yè)中較為先進(jìn)的加工技術(shù)之一，并且在許多國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。由于此技術(shù)可以直接將光學(xué)材料模壓成精密光學(xué)系統(tǒng)元件，大大降低了制造成本，使得非球面玻璃材料的光學(xué)零件在光學(xué)系統(tǒng)中開始得到廣泛應(yīng)用，也給光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大變化和發(fā)展。此技術(shù)不僅使光學(xué)設(shè)備重量降低、體積減小、材料節(jié)省、光學(xué)零件渡膜和工件裝配的工作量減少、成本降低，而且還提高了光學(xué)系統(tǒng)成像的質(zhì)量，改善了光學(xué)系統(tǒng)的性能。模壓法的特點(diǎn)是:①可以批量化生產(chǎn)非球面透鏡；②模具制造難度大、成本高，適用于超大批量生產(chǎn)；③無(wú)法進(jìn)行中大口徑的模壓；④工藝參數(shù)復(fù)雜，如溫度、時(shí)間、壓力等。
[0008](3)超精密數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削
[0009]車削非球面所用的超精密加工設(shè)備為超精密單點(diǎn)金剛石車床，其溜板運(yùn)動(dòng)精度和主軸旋轉(zhuǎn)精度比一般數(shù)控機(jī)床要高很多。超精密單點(diǎn)金剛石車床是加工高精密光學(xué)零件的重要裝備。超精密單點(diǎn)金剛石車床主要用于中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料光學(xué)零件的加工，其特點(diǎn)是加工精度高、生產(chǎn)效率高、重復(fù)性好，加工成本與傳統(tǒng)加工相比明顯降低，適合批量生產(chǎn)。
[0010]雖然目前非球面加工技術(shù)己經(jīng)非常成熟，但是對(duì)于硅、玻璃等脆性材料而言，單點(diǎn)金剛石車削難以獲得較理想的非球面面形，且金剛石車刀的磨損非常嚴(yán)重，加工成本高、效率低；模壓成型法對(duì)金屬模具的精度要求較高，適合加工精度較低的塑料非球面工件；而離子束拋光法需要的設(shè)備和加工成本較高，且效率低，這些加工方法均不適合用來(lái)加工非球面凹透鏡。數(shù)控設(shè)備加工非球面凹透鏡時(shí)，由于材料硬且脆、韌性差、強(qiáng)度和材料的屈服極限比較接近，故加工此特性的材料時(shí)，容易出現(xiàn)脆斷失效等現(xiàn)象。因此，目前針對(duì)脆性材料普遍使用的非球面加工技術(shù)為研磨、拋光技術(shù)。數(shù)控研磨非球面加工方法屬于固著磨料加工，具有加工確定性、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)利用盤形或杯形砂輪可加工大批量、中等口徑和非球面度較小口徑的非球面透鏡。但對(duì)于較小尺寸的透鏡加工還存在許多困難。利用研磨方法可加工的材料類型多樣，除了單晶鍺、單晶桂、玻璃等脆性材料外，還可以加工有色金屬和其他塑料等材料。而拋光加工是非球面生產(chǎn)周期中占用時(shí)間最長(zhǎng)的一道工序，光學(xué)器件的拋光技術(shù)是無(wú)損傷表面的微量材料去除加工方法，而非球面拋光精度直接影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。
[0011]綜上，針對(duì)上述數(shù)控研磨與拋光技術(shù)、模壓成型技術(shù)和單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)等在非球面凹透鏡加工領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，非球面凹透鏡加工裝置的研制面臨著結(jié)構(gòu)小型化、力口工效率提升、成本降低、精度提高等多方面的要求。因此，設(shè)計(jì)一種用于結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，裝備開發(fā)和制造成本較低，加工精度和效率較高的曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本實(shí)用新型的目的在于提供一種曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本實(shí)用新型采用立式布局，主體尺寸為82mmX82mmX263mm,通過宏微進(jìn)給單元輸出精密可控進(jìn)給位移，通過公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元可分別對(duì)球形磨削頭的加工回轉(zhuǎn)半徑以及凹透鏡試件的曲率半徑進(jìn)行調(diào)整，裝置的透鏡安裝及調(diào)整單元具備三軸精密位移調(diào)整功能。本實(shí)用新型適用于微小型非球面凹透鏡光學(xué)器件的精密加工，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、操作簡(jiǎn)易、加工效率高和便攜的特點(diǎn)，可為小型非球面凹透鏡的制造提供加工方法。
[0013]本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0014]曲率半徑可調(diào)式非球面凹透鏡加工裝置，包括宏微進(jìn)給單元、公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元、透鏡安裝及調(diào)整單元、冷卻單元以及支撐基座單元，其中宏微進(jìn)給單元中的進(jìn)給電機(jī)法蘭40和進(jìn)給支撐架36分別與支撐基座單元中的上安裝板4以及右側(cè)立板37螺紋剛性連接，公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13和定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14分別通過公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭30和自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭15與宏微進(jìn)給單元中的柔性鉸鏈32和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42剛性連接；自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元中的擺動(dòng)支撐架27通過外擺動(dòng)軸承16分別與支撐基座的單元左側(cè)立板5和右側(cè)立板37的中心定位孔過盈連接；透鏡安裝及調(diào)整單元中的移動(dòng)平臺(tái)基板46通過螺紋連接方式安裝在支撐基座單元中基座20的凹形定位槽中，冷卻單元中的冷卻液容器9通過與支撐基座單元中的左側(cè)立板5螺紋剛性連接；
[0015]所述宏微進(jìn)給單元包括編碼器1、直流伺服電機(jī)2、減速器3、進(jìn)給電機(jī)法蘭40、聯(lián)軸器6、滾珠絲杠固定支撐座7、滾珠絲杠8、壓電疊堆31、柔性鉸鏈32、導(dǎo)軌滑塊33、絲杠法蘭34、線性導(dǎo)軌35、進(jìn)給支撐架36和制動(dòng)器39，其中直流伺服電機(jī)組件結(jié)合滾珠絲杠傳動(dòng)組件作為宏動(dòng)進(jìn)給子單元實(shí)現(xiàn)定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13在豎直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由壓電疊堆31和柔性鉸鏈32組成的壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13在豎直方向的精密微動(dòng)進(jìn)給；制動(dòng)器39用于防止在系統(tǒng)突然斷電情況下滾珠絲杠傳動(dòng)組件由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)自鎖而導(dǎo)致的絲杠法蘭34的自由下滑；柔性鉸鏈32采用圓弧過渡型鉸鏈形式并輸出等幅均布位移；
[0016]所述公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元包括公轉(zhuǎn)盤式電機(jī)12、定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14和公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭30，所述定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14、公轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭30分別與自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭15、柔性鉸鏈32剛性連接，定向公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13、定向擺動(dòng)關(guān)節(jié)14均由精密滾動(dòng)軸承和旋轉(zhuǎn)定位銷組成；
[0017]所述自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元包括自轉(zhuǎn)電機(jī)法蘭15、外擺動(dòng)軸承16、擺動(dòng)支撐架27、外擺動(dòng)軸28、內(nèi)擺動(dòng)軸承29、自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42以及內(nèi)動(dòng)擺軸43，所述擺動(dòng)支撐架27與外擺動(dòng)軸28剛性連接，自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)42的定子部分與內(nèi)擺動(dòng)軸43剛性連接，外擺動(dòng)軸28、內(nèi)擺動(dòng)軸43分別通過外擺動(dòng)軸承16、內(nèi)擺動(dòng)軸承29套接于左、右側(cè)立板5、37及擺動(dòng)支撐架27的定位孔中；
[0018]所述透鏡安裝及調(diào)整單元包括凹透鏡試件17、工作臺(tái)25、球形磨削頭26以及三自由度進(jìn)給子單元，所述三自由度進(jìn)給子單元包括X向調(diào)整旋鈕18、X向進(jìn)給平臺(tái)19、y向調(diào)整旋鈕21、y向進(jìn)給平臺(tái)22、z向進(jìn)給平臺(tái)23、定位銷軸45、z向進(jìn)給電機(jī)46、支撐托板24以及移動(dòng)平臺(tái)基板46，所述球形磨削頭26