一种中小口径非球面元件数控抛光技术
一种中小口径非球面元件数控抛光技术
第13卷 第2期2005年4月 光学精密工程Optics and Precision Engineering Vol.13 No.2 Apr.2005 收稿日期:2005201214;修订日期:2005202224. 基金项目:国家自然科学基金资助(No.60178037)文章编号 10042924X (2005)022*******一种中小口径非球面元件数控抛光技术薛栋林1,2,张忠玉1,张学军1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学技术研究中心,吉林长春130033;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:基于自主设计研制的FSG J 23型非球面数控加工中心,针对口径φ108mm 凸非球面透镜(曲率半径R =318mm ,k =-3),研究了非球面粗抛光工艺、精抛光工艺、抛光设备、磨料以及相关工艺参数,提出了规范的中小口径非球面加工的工艺方法和新型轮式抛光技术,实现了中小口径非球面元件的数控快速精密铣磨成型,且保证了光学零件具有较高的面形精度。
抛光后元件面形精度达到0.306λ(PV )、0.028λ(RMS )(λ=0.6328μm )。
满足了在光学系统中使用非球面零件,明显改善像质,提高光学特性,减少光学零件数目,从而简化系统结构,减小系统体积,减轻系统质量的目的。
关 键 词:非球面透镜;轮式抛光技术;面形精度中图分类号:TQ171.68 文献标识码:AComputer controlled polishing technologyfor middle or small aspheric lensXU E Dong 2lin 1,2,ZHAN G Zhong 2yu 1,ZHAN G Xue 2jun 1(1.O T R C of Chan gchun I nstit ute of O ptics ,Fi ne Mechanics an d Physics ,Chi nese A ca dem y of S ciences ,Chan gchun 130033,Chi na;2.Gra d uate S chool of t he Chi nese A ca dem y of S ciences ,B ei j i n g 100039,Chi na )Abstract :Based on asp heric comp uter cont rolled manufact uring center (FSG J 23),as for φ108mm as 2p heric lens (R =318mm ,k =-3),t he polishing equip ment ,tools ,abrasives and testing met hod used in polishing are researched.Wheeled polishing technology for t he middle or small asp heric lens is in 2t roduced.It ’s showed t hat t he final surface figure of t he lens is 0.306λ(PV )、0.028λ(RMS )(λ=0.6328μm ).Discussing and analyzing t he key technology of middle or small asp heric lens in detail ,supplies a basic technology guarantee for asp heric optical component to reduce t he size ,weight and complexity of decreasing t he number of surfaces required to form unaberrated images.K ey w ords :asp heric lens ;wheeled polishing technology ;surface figure1 引 言 在光学系统中使用非球面零件,可以明显改善像质,提高光学特性,减少光学零件数目,从而简化系统结构,减小系统体积,减轻系统的质量[122]。
小型非球面数控抛光技术的研究
小口径非球面小球头接触式抛光及磁流变抛光组合加工
小口径非球面小球头接触式抛光及磁流变抛光组合加工颜晓强;王晗;张嘉荣;姚洪辉;朱相优;邓建南;卓少木;何景帆【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2022(51)7【摘要】目的为了提高非球面光学模具的表面质量和加工效率。
方法分析当前非球面超精密抛光方式及其特点,针对小口径非球面光学模具,提出一种小球头接触式抛光及磁流变抛光的组合加工方法,对小球头进行设计,并抛光碳化钨圆片,对比小球头接触式抛光及轴向、径向、水平方向磁极的永磁体球头的磁流变抛光的加工性能。
分别对编号为1#、2#、3#等3个相同轮廓形状的碳化钨非球面模具进行单一方式抛光试验和组合加工试验。
结果通过对小球头抛光碳化钨圆片的加工性能进行分析发现,接触式抛光小球头的去除率为926.5 nm/h,表面粗糙度达到4.3961 nm;轴向、径向、水平方向磁极的永磁体小球头磁流变抛光的去除率分别为391.7、344.3、353.7 nm/h,表面粗糙度分别为1.4252、1.8776、1.8875 nm。
对采用组合加工方法抛光碳化钨非球面的有效性进行验证时发现,非球面1#在单一接触式抛光60 min后表面粗糙度从8.7866 nm降至3.6932 nm;非球面2#在单一磁流变抛光60 min后表面粗糙度从8.2121 nm降至1.6745 nm;非球面3#在组合抛光方法下先进行15 min接触式抛光,再进行15 min磁流变抛光,表面粗糙度从8.5972 nm降至1.2694 nm,面形精度由175.2 nm提高到138.4 nm。
结论组合加工方法可以弥补单一抛光方法的缺陷,并能有效地提高工件的面形精度。
与单一接触式抛光方法相比,组合加工方法获得的表面质量更好,抛光后表面粗糙度为1.2694 nm,远小于单一接触式抛光下的3.6932 nm;与单一磁流变抛光方法相比,组合加工方法更高效,将样件抛光到同等级别粗糙度所需时间从60 min减少至30 min。
cast 非球面抛光成型技术
cast 非球面抛光成型技术Cast非球面抛光成型技术是一种应用于光学元件制造中的高精度加工方法。
它通过使用特殊的模具，在铸造过程中将非球面形状直接铸造出来，并在后续的抛光过程中对光学表面进行加工，以达到光学元件的设计要求。
这种技术具有许多优点，例如高精度、高效率、低成本等，因此在光学制造领域得到了广泛应用。
非球面抛光成型技术相比传统的机械加工方法具有更高的精度。
传统的机械加工方法往往需要多次加工才能达到所需的非球面形状，而且加工过程中容易产生机械变形和热变形等问题，导致光学表面质量下降。
而采用非球面抛光成型技术可以直接在铸造过程中实现非球面形状，避免了多次加工带来的误差，从而提高了光学元件的精度。
非球面抛光成型技术具有高效率的优势。
传统的机械加工方法通常需要耗费大量的时间和人力，而且加工过程复杂，难度较大。
而采用非球面抛光成型技术可以在一次铸造过程中完成非球面形状的制造，大大缩短了制造周期，提高了生产效率。
同时，非球面抛光成型技术还可以实现批量生产，适用于大规模的光学元件制造。
非球面抛光成型技术还具有低成本的优势。
传统的机械加工方法需要使用复杂的加工设备和工具，而且加工过程中还需要经过多次的研磨和抛光等工序，增加了制造成本。
而采用非球面抛光成型技术可以直接在铸造过程中实现非球面形状，减少了加工工序，降低了制造成本。
另外，非球面抛光成型技术还可以采用一次性模具，避免了传统加工方法中需要定制复杂模具的成本。
当然，非球面抛光成型技术也存在一些挑战和局限性。
首先，由于铸造过程中受到材料流动性和热胀冷缩等因素的影响，可能会产生一些缺陷和变形。
因此，在设计和制造模具时需要考虑这些因素，以保证铸造出的非球面形状达到设计要求。
其次，非球面抛光成型技术对材料的要求较高，需要选择具有良好流动性和抛光性能的材料。
此外，非球面抛光成型技术还需要借助先进的抛光设备和工艺，以实现高精度的抛光加工。
Cast非球面抛光成型技术是一种在光学元件制造中应用广泛的高精度加工方法。
一种精密非球面抛光装置
专利名称：一种精密非球面抛光装置专利类型：实用新型专利
发明人：肖志宏
申请号：CN202122086994.1
申请日：20210901
公开号：CN215617090U
公开日：
20220125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种精密非球面抛光装置，涉及镜片抛光装置领域，本实用新型包括底座，底座的内部下方通过缓冲组件连接有安装板，安装板的顶部设置有安装架，安装架的顶部设置有集尘组件，安装架的内部上方通过液压杆连接有活动板本实用新型通过设置有气囊、第一楔形块、第二楔形块、弹簧以及滑槽，在装置产生震动时，气囊能够对震动力进行缓冲，第二楔形块对第一楔形块进行挤压，第一楔形块在滑槽内滑动并对弹簧进行施压，在弹簧的作用下能够对震动力进行削弱，进而能够实现减震的功能，与现有的减震机构相比，该减震机构减震效果好，实用性高。
申请人：日禺光学科技(苏州)有限公司
地址：215000 江苏省苏州市常熟市经济开发区高新技术产业园苏州路40号
国籍：CN
代理机构：上海领匠知识产权代理有限公司
代理人：李华
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非球面光学零件抛光技术
非球面光学零件抛光技术王丽荣【摘要】介绍了各种非球面抛光技术的基本原理及特点,供选择合适的抛光方法和技术时参考,并对此作了前景展望,指出了今后的重点研究方向.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2012(000)005【总页数】3页(P106-107,143)【关键词】光学零件;非球面;抛光【作者】王丽荣【作者单位】中山火炬职业技术学院,广东中山528436【正文语种】中文【中图分类】TH161.1随着科学技术的发展，非球面光学零件因其优良的光学性能，而日益成为一类非常重要的光学零件。
在很多情况下，光电仪器采用非球面，能够得到球面光学零件难以达到的光学性能，如提高系统的相对孔径，增大视场角，改进像质，改善光照度均匀性，缩短工作距离，大大地减少镜片数量等，从而简化仪器结构，缩小外形尺寸，减小总质量。
从17世纪最早提出非球面应用至今400余年，人们一直在探索非球面光学零件的加工技术。
非球面制造通常分为非球面成形和光学面实现两个工艺方面。
相对而言，难点主要在光学面的实现。
本文主要讲述非球面光学零件抛光技术。
传统的非球面加工方法，是通过研磨抛光方法，随着光机电算的逐渐一体化，现已发展出多种新的非球面抛光方法。
1 非球面传统加工技术研磨抛光法，是传统的非球面光学零件材料去除式加工方法。
这种方法，是先把零件研磨成最接近球面形状，然后用机器或手工继续局部研磨或抛光，边加工边测量，直至修磨出符合要求的非球面面形。
由于主要依靠手工，所以这种方法只适用于大口径且非球面度较小的非球面。
按此方法加工出的非球面，可达到很高的精度，但效率低，且精度重复性差，只适用于单件或小批量生产[1]。
传统研抛技术，一直伴随着非球面加工技术的历史。
由于依靠操作者的技术，可达到较高的加工精度，因此可作为现代新型非球面抛光技术的一种补充，两者相结合，达到所需的表面粗糙度和面形精度。
2 非球面抛光新技术2.1 计算机控制光学表面（CCOS）加工技术20世纪70年代初，美国Itek公司率先提出了一种新的光学表面加工的技术构想，即CCOS，它是通过计算机控制一个小型工具，将控制软件、机床设备和检测方法有机结合起来，进行光学表面加工。
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第13卷 第2期2005年4月 光学精密工程Optics and Precision Engineering Vol.13 No.2 Apr.2005 收稿日期:2005201214;修订日期:2005202224. 基金项目:国家自然科学基金资助(No.60178037)文章编号 10042924X (2005)022*******一种中小口径非球面元件数控抛光技术薛栋林1,2,张忠玉1,张学军1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学技术研究中心,吉林长春130033;2.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:基于自主设计研制的FSG J 23型非球面数控加工中心,针对口径φ108mm 凸非球面透镜(曲率半径R =318mm ,k =-3),研究了非球面粗抛光工艺、精抛光工艺、抛光设备、磨料以及相关工艺参数,提出了规范的中小口径非球面加工的工艺方法和新型轮式抛光技术,实现了中小口径非球面元件的数控快速精密铣磨成型,且保证了光学零件具有较高的面形精度。
抛光后元件面形精度达到0.306λ(PV )、0.028λ(RMS )(λ=0.6328μm )。
满足了在光学系统中使用非球面零件,明显改善像质,提高光学特性,减少光学零件数目,从而简化系统结构,减小系统体积,减轻系统质量的目的。
关 键 词:非球面透镜;轮式抛光技术;面形精度中图分类号:TQ171.68 文献标识码:AComputer controlled polishing technologyfor middle or small aspheric lensXU E Dong 2lin 1,2,ZHAN G Zhong 2yu 1,ZHAN G Xue 2jun 1(1.O T R C of Chan gchun I nstit ute of O ptics ,Fi ne Mechanics an d Physics ,Chi nese A ca dem y of S ciences ,Chan gchun 130033,Chi na;2.Gra d uate S chool of t he Chi nese A ca dem y of S ciences ,B ei j i n g 100039,Chi na )Abstract :Based on asp heric comp uter cont rolled manufact uring center (FSG J 23),as for φ108mm as 2p heric lens (R =318mm ,k =-3),t he polishing equip ment ,tools ,abrasives and testing met hod used in polishing are researched.Wheeled polishing technology for t he middle or small asp heric lens is in 2t roduced.It ’s showed t hat t he final surface figure of t he lens is 0.306λ(PV )、0.028λ(RMS )(λ=0.6328μm ).Discussing and analyzing t he key technology of middle or small asp heric lens in detail ,supplies a basic technology guarantee for asp heric optical component to reduce t he size ,weight and complexity of decreasing t he number of surfaces required to form unaberrated images.K ey w ords :asp heric lens ;wheeled polishing technology ;surface figure1 引 言 在光学系统中使用非球面零件,可以明显改善像质,提高光学特性,减少光学零件数目,从而简化系统结构,减小系统体积,减轻系统的质量[122]。
近年来,中小口径非球面光学零件在军用和民用产品上的应用也越来越普及。
如红外广角地平仪中的锗透镜、变焦照相机镜头、显示投影系统中的镜头、刻录机光头等。
中小型非球面光学元件的加工技术近几年来有了一定的发展,如中小型非球面的数控研磨成型、离子束抛光法、模压成型法、真空镀膜法等[324]。
中小口径的非球面的生产工艺,主要可分为3个阶段,精密铣磨成型、精密抛光和中间过程的定量数据检测。
目前,国际上像美国的Rochester 大学和德国LO H公司等,利用计算机自动控制技术,实现非球面元件的快速精密铣磨成型,并且能够保证光学零件具有较高的面形精度。
然而如何对铣磨成型后的元件进行快速确定性抛光,是制约中小口径非球面元件低耗快速生产的瓶颈[526]。
由于实践应用中的多样性,对元件抛光工艺和设备提出了许多难以解决的技术问题。
国际上许多国家都开展了这方面的研究工作[3,629],美国的Rochester大学研究利用计算机控制固着磨料抛光头对非球面元件进行抛光,得到了很高的材料去除率和加工效率。
德国的L O H光学机械公司和英国Taylor2Hobson公司等也相继开展了非球面抛光方法的研究,取得了很大进展。
长春光机所从1992年开始就开展了基于小磨头数控加工技术的研究,并研制第1代、第2代和第3代非球面数控光学加工中心。
本文结合实际工程任务,依托德国LO H公司生产的SPM120SL非球面精密铣磨设备和自主开发研制的新型非球面抛光机,探讨如何对精密铣磨成型后的中小口径非球面元件进行快速确定性抛光,使其满足设计要求。
2 非球面数控抛光技术的理论基础[10] 使用散粒磨料对光学材料进行研磨、抛光的物理过程比较复杂,很难找到和表面去除量有关参数之间的确定性数学关系,到目前为止对这个过程描述比较成功的数学模型还是Preston假设:ΔZ(x,y)=k P(x,y)V(x,y),(1)ΔZ(x,y)为磨头与工件接触区域中某点(x,y)单位时间内的材料去除量;P(x,y)为磨头与工件间的相对压力;V(x,y)为磨头与工件间的相对运动速度;k为与加工过程有关的比例常数(温度、磨头材料等)。
在这个假设条件下,可以认为磨头与工件间相互作用的小区域内,磨头对工件表面材料的去除量与压力、相对速度以及驻留时间成正比。
利用计算机的数字控制技术,精密控制多维机构职能部件的运动,从而实现小工具磨头,精密重复、多次修琢较大口径非球面元件表面,使被加工表面的面形精度逐步收敛,最终实现非球面元件的数控加工。
3 口径φ108mm凸非球面元件数控抛光工艺研究 计算50机数控光学表面成形技术(简称CCOS技术),它根据定量的面形检测数据,在上述加工模型的基础上,用计算机控制小磨头在工件表面的驻留时间以及在一定的压力下磨头与工件间的相对速度,对991第2期 薛栋林,等:一种中小口径非球面元件数控抛光技术光学表面进行研磨和抛光。
我们曾经研制了FSG J 21和FSG J 22型非球面数控加工中心,成功地解决了口径在φ200～φ1000mm 非球面的数控加工技术。
对于口径φ200mm 以下非球面,要求磨头尺寸大小为几十mm 或更小,此时小工具磨头与被加工元件口径比例关系失调,利用上述工作方式将无法得到稳定的工作速度、加工力和吻合性,因此小磨头对其不再具有良好的加工修琢能力。
因此,必须对上述工作模式进行改进,才能更有效地实现对中小口径非球面的加工。
本文研究采用了一种新型的轮式抛光技术用于实现中小口径非球面元件加工,其工作原理如图3所示,此结构特点在于它成功地得到了一个近似于点或线大小的工作磨头,利用计算机实时控制,非常有效地实现了对非球面元件表面的修琢加工效应。
而此模型下非球面加工工艺过程如下:第1步:首先进行非球面数控铣磨成型,得到具有一定精度的非球面毛坯;第2步:以轮廓仪测量结果为指导,对非球面元件进行数控快速均匀粗抛光,实现对铣磨后的表面破坏层的去除和表面光洁度的提高,得到稳定的面形精度以便进行激光干涉测量;第3步:在数字波面干涉仪的测量结果指导下,实现非球面的数控精抛光。
3.1 非球面数控铣磨成型图1 数控铣磨原理示意图Fig.1 Configuration of grinding equip ment德国L O H 公司生产的SPM120SL 非球面精密铣磨设备的工作原理如图1所示,利用计算机自动控制技术,实现非球面元件的快速精密铣磨成型,能够保证光学零件具有一定的面形精度。
采用该设备对φ108凸非球面透镜元件进行精密铣磨成型后,非球面元件的母线轮廓检验结果如图2所示。
图2 母线轮廓检验结果Fig.2 T ested result of X 2profile of the surface3.2 非球面数控粗、精抛光工艺经过精密铣磨成型后,非球面凸透镜具有一定的面形精度,进入下一步粗抛光和精抛光工序,数控抛光是制造过程的关键部分,抛光后元件表面的面形精度和表面质量被修正到设计要求。
3.2.1 FSG J 23型非球面数控加工中心自主开发设计的FSG J 23型非球面数控抛光设备工作原理如图3所示:它是由计算机控制的四轴数控系统,即二维X 、Y 轴移动、工件转动、抛光轴转动4个自由度的实时四轴数控联动系统,软件采用自主开发的应用程序,将定量测试的非球面轮廓或面形误差分布准确地生成数据控制文件,用于完成口径φ200mm 以下非球面元件的快速抛光。
其设备床身采用天然花岗岩石材料制造;运动部件为精密级直线滚动导轨,驱动方式为滚珠丝杠副;采用复合材料制作柔性抛光头,具有良好的弹性和耐磨特性;位置反馈装置采用德国H EI 202 光学 精密工程 第13卷D EN HA IN 公司的测量光栅,其最小分辨率为±1μm ,数控系统采用D EL TA TAU公司的可编程多轴运动控制器(PMAC ),通过系统总线与PMAC 通讯,用高精度的编码器和光栅实现系统反馈控制。
图3 数控抛光设备原理示意图Fig.3 C on figuration of polishing equipment3.2.2 非球面数控粗抛光工艺φ108mm 凸非球面元件经数控铣磨成型后,虽然具有一定的面形精度,但表面仍然存在一定的铣磨痕迹和微观表面破坏层,首先必须对元件进行数控粗抛光加工。
在此工序操作过程中,依据轮廓仪检验结果,对元件表面进行快速均匀抛光。