非球面光学零件超精密加工技术
非球曲面的超精密加工系统的研究
摘要非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，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，降低成本并有效的减轻仪器重量。
可广泛应用于各种现代光电子产品，几乎在所有的工程应用领域中，无论是现代国防科技技术领域，还是普通的工业领域都有着广泛的应用前景，开展光学玻璃非球面零件的高精密光学技术研究具有重要的理论意义和现实指导意义。
本次设计研究内容为非球曲面的超精密加工系统的研究，非球曲面的超精密加工工艺的研究。
重点内容是非球曲面加工超精密磨削装置的设计，主要为砂轮主轴装置的选取，中心高位调机构的设计，各个运动的传动设计以及砂轮运动轨迹的分析。
在研究过程中详细的分析了影响零件加工精度的各种主要因素并提出相应的控制措施，尤其是对非球曲面的磨削加工设备进行详细设计，并简要分析了非球曲面加工机床的数控及伺服控制系统等。
关键词：非球曲面；超精密加工；微调机构；金刚石砂轮AbstractThe aspheric optical parts can get good image quality, good optical system correction of various aberrations, to improve the image quality, and improve the system ability to identify it to one or several non-spherical spherical optical parts unparalleledparts instead of a number of spherical parts, thus simplifying the instrument structure, reduce costs and reduce instrument weight. It’s widely used in many realms, such as national defense, machine chemical and aviation. It’s very useful to develop the grinding theory and important practical significance to study the high precision grinding methods about the optical glass aspheric surface parts. This article discussed in the ultra-precision grinder, the CNC operation program,and the aspheric surface optics parts’grinding craft. The center height micro-adjusting mechanism and the drive system. In the process of the research, we analysis it detailed that the main factor influence the process precision of the parts, and make something to solve it, especially for the precision grinding equipments, and analysis it simplify for the precision machine tool for aspheric surface optics parts and the servo-control system and the other technology.Key words: the aspheric surface; ultra-precision machining; the micro-adjusting mechanism; diamond wheel目录摘要 (I)目录 (III)第1章绪论 (1)1.1非球面加工的优点和意义 (1)1.2非球曲面研究概述 (1)1.2.1 非球面的定义 (1)1.2.2 非球面应用领域 (2)1.2.3 非球曲面加工技术近年来发展概况 (2)1.2.4 非球曲面加工的发展趋势和研究方向 (4)1.3 非球面光学零件材料及其加工方法 (4)1.3.1 计算机数控单点金刚石技术（SPDT） (5)1.3.2 超精密磨削技术 (5)1.3.3 计算机控制光学表面成型（CCOS）技术 (5)1.3.4 光学玻璃模压成型技术 (6)1.3.5 光学塑料成型技术 (6)1.3.6 其他非球面加工技术 (6)1.4非球面精密磨削加工理论 (6)1.4.1 微量加工理论 (7)1.4.2 脆性材料的延性域磨削 (8)第2章超精密非球面加工方案选择及误差分析 (10)2.1 超精密非球曲面磨床的总体布局 (10)2.1.1 空气主轴系统 (10)2.1.2 伺服进给系统 (11)2.1.3 微位移测量系统 (11)2.1.4 中心高微调系统 (11)2.1.5 数控系统 (11)2.2 非球曲面磨削方案的确定 (12)2.2.1加工零件的技术参数 (13)2.2.2 非球曲面磨削方案确定 (13)2.3 加工误差分析 (14)2.3.1 中心高微调机构对零件加工精度的影响 (15)2.3.2 在X轴上砂轮安装误差对零件加工精度的影响 (17)2.3.3 砂轮半径误差对零件加工精度的影响 (18)2.3.4 X∆综合作用时对零件面形精度的影响 (19)∆及R第3章非球面磨削装置设计 (21)3.1 超精密加工的关键技术 (21)3.1.1 超精密主轴 (21)3.1.2 超精密导轨 (21)3.1.3 传动系统 (22)3.1.4 超精密刀具 (22)3.1.5 超精密加工其他技术 (23)3.2 传动系统设计 (23)3.2.1 磨削参数的计算 (23)3.2.2 导轨的整体设计 (24)3.2.3 传动参数的计算 (25)3.3 磨削系统设计 (25)3.3.1 系统结构设计 (26)3.3.1 中心高微调机构设计 (27)3.3.2 砂轮主轴的选择 (28)结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)CONTENTSAbstract (I)CONTENTS (III)Capter 1 Introduction (1)1.1 The meaning of the processing of aspheric surface (1)1.2 The introuduction of the aspheric surface’s research (1)1.2.1 Definition of aspheric surface (1)1.2.2 Application of aspheric surface (2)1.2.3 The development of aspheric surface in recent years (2)1.2.4 Aspheric pricesssing trends and research directions (4)1.3 The parts’ material and the processing method (4)1.3.1 Computer-controlled single-point diamond technology（SPDT） (5)1.3.2 Ultra-precision grinding technology (5)1.3.3 Computer Controlled Optical Surfacing（CCOS） (5)1.3.4 Optical glass compression molding technology (6)1.3.5Optical plastic molding technology (6)1.3.6 Other processing technology (6)1.4Aspheric surface precision grinding theory (6)1.4.1 Trace processing theory (8)1.4.2 Ductile-regime grinding of brittle materials (8)Capter 2 Ultra-precision aspheric processing alternatives and error analysis.. 102.1 Ultra precision aspherical surface grinding machine layout (10)2.1.1 Air spindle system (10)2.1.2 S ervo feed system (11)2.1.3 Micro-displacement measurement system (11)2.1.4 Center high tuning system (11)2.1.5 Numerical control system (11)2.2 Aspherical surface grinding scheme (12)2.2.1 Processing part of the technical parameters (13)2.2.2 Aspherical surface grinding scheme (13)2.3 Processing error analysis (14)2.3.1 Center high fine-tuning mechanism on the impact of cuttingaccuracy (15)2.3.2 In the X axis on the wheel on the impact of cutting accuracy (17)2.3.3 Wheel radius error on the part of machining precision (18)2.3.4 Both X∆on the part (19)∆and RCapter3 Aspheric tooling design (21)3.1 Ultra-precision machining technology (21)3.1.1 Ultra-precision spindle (21)3.1.2 Ultra-precision guide (21)3.1.3 Drive system (22)3.1.4 Ultra-precision cutter (22)3.1.5 Other technology (23)3.2 Transmission System Designing (23)3.2.1 Grinding parameters (23)3.2.2 The overall design of the Rails (24)3.2.3 Calculation of transmission parameters (25)3.3 Grinding systems design (25)3.3.1 System architecture design (26)3.3.1 Center high micro-adjusting mechanism design (27)3.3.2 Wheel spindle design (28)Conclusion (31)Thanks (32)References (33)第1章绪论1.1非球曲面加工的意义和优点非球面技术应用于光学零件，相对于球面而言，具有许多优点，它可以消除球面镜片在光传递过程中产生的球差、慧差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特征。
非球面镜片的精密加工光学镜片的加工及检测
2.6 定心磨边
定中心是完工的玻璃或晶体零件在磨边 时所需要的一道工序，其目的是使每一个球面 的曲率中心同轴 。
2.6 定心磨边
定心方法
一种大物镜定中心的特殊装置，并可同时检查中心偏差
松香蜂蜡胶上盘法
优点是操作简便，缺点是平行度精度不高，也不适用于面形精度 要求较高的薄片。
荷重 工件 粘结模
工件 粘结模
方法一
方法二
2.3 上 盘
点胶上盘法
优点是可获得较好的面形和平行度。缺点是承受不了高速高压 的加工条件，易“走动” 。
工件 软胶点 粘结模
工件 火漆点 粘结模软点胶粘结 Nhomakorabea硬点胶（火漆）粘结
2.1 开料成形——磨外圆
磨外圆
2.2 粗 磨
粗磨平面 粗磨棱镜和斜面 粗磨球磨
2.2粗磨——平面
散粒磨料多片加工
散粒磨料单片加工
2.2粗磨——平面
双面加工
2.2粗磨——平面
LOH公司SPM平面铣磨机
2.2粗磨——棱镜和斜面
铣磨棱镜和斜面的准直夹具
制造精密的反射角及 小平面棱镜需要这种夹具
1、细磨时间不够 2、砂号选择不当 3、上道砂磨后的面形不合适
1、磨料添加不均匀 2、磨料堆集在镜盘边缘
1、对磨料应复检或试用 2、磨料悬浮液应浓淡适当 3、新加工的模具应用细磨料对研 4、做好工作环境的清洁工作
1、磨去量要足够 2、两道磨料磨号间隔不要太多 3、每道磨料都应从镜盘边缘磨起
1、添磨料时应用毛刷均匀散开 2、模具表面开槽
大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究
大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究近年来，随着科技的不断进步和人们对光学器件精度要求的不断提高，大型光学非球面超精密磨削技术逐渐成为光学领域的研究热点。
本文将从材料选择、加工工艺、设备要求等方面，探讨大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究。
一、材料选择大型光学非球面超精密磨削的材料选择是关键。
材料的硬度、抗磨性、热膨胀系数等性能直接影响到磨削的效果和加工的精度。
常见的材料有玻璃、石英、陶瓷等。
在选择材料时，需要充分考虑材料的性能特点，以及光学器件的具体用途和要求。
二、加工工艺大型光学非球面超精密磨削的加工工艺也是研究的重点之一。
传统的磨削方法往往存在加工效率低、加工精度难以保证等问题。
因此，研究人员提出了一系列新的加工工艺，如离子束磨削、激光磨削等。
这些新的加工工艺在提高加工效率的同时，也能够保证加工精度的要求。
三、设备要求大型光学非球面超精密磨削对设备的要求非常高。
首先，需要具备高精度的磨削设备，以保证加工的精度和表面质量。
其次，还需要具备稳定的控制系统，以实现对加工过程的精确控制。
此外，为了提高加工效率，还需要具备快速换刀系统和自动化控制系统等。
四、精密度的控制大型光学非球面超精密磨削的关键技术之一是精密度的控制。
在整个加工过程中，需要通过精确的控制系统对加工参数进行调整，以实现对加工精度的控制。
同时，还需要进行精确的测量和检测，以及对加工过程中的误差进行补偿，以确保加工的精度和表面质量。
五、表面质量的评估大型光学非球面超精密磨削的表面质量评估也是研究的重点之一。
表面质量的评估可以通过光学测量仪器进行，如干涉仪、扫描电子显微镜等。
通过对加工后的光学器件进行表面质量评估，可以及时发现加工过程中存在的问题，并进行调整和改进。
大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究涉及材料选择、加工工艺、设备要求、精密度的控制以及表面质量的评估等方面。
通过对这些关键技术的研究，可以提高大型光学非球面超精密磨削的加工精度和效率，满足人们对光学器件精度要求的不断提高。
数控加工光学非球面技术研究
数控加工光学非球面技术的研究The Aspheric optics processing technologystudies CNC摘要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ABSTRACTSince the emergence of non-spherical processing technology ,about 50 methods in the optical processing have been used. Although traditional processing methods can achieve high accuracy, this processing method has processing inefficiency and poor repeatability precision . In recent years the NC aspheric optics technology greatly solve the traditional processing methods flawed. It improves processing accuracy and processing quality, and shorten the product development cycle and so on. A large number of applications has been found in some areas such like the aviation industry, and the auto industry. Because of the strong demand, Home and Abroad are on the NC machining techniques for a wide range of research, and achieved fruitful results.This paper will briefly introduces some technology of the Non-spherical and NC machine tools and the traditional processing.And highlights NC aspheric optical processing technology in the last part.Keywords : CN Aspheric optics Polishing Technology CCOS目录第一章绪论 (1)1.1研究的目的和意义 (1)1.2国内外发展现状 (1)第二章非球面的理论基础 (3)2.1非球面的优缺点 (3)2.2非球面的数学表达式 (3)2.3非球面的加工方法 (4)2.4传统加工非球面技术 (5)2.5光学非球面的检验 (7)第三章数控机床的介绍 (10)3.1数控机床的发展概况 (10)3.2数控机床的结构和特点 (10)第四章非球面的数控加工技术 (14)4.1常见的计算机控制抛光技术 (14)4.2计算机数控研磨和抛光技术 (15)4.3数控抛光技术中工艺参数选择 (19)4.4数控加工技术的检验 (20)4.5阴影法检验非球面 (22)4.6数控加工非球面实例 (23)结论 (25)参考文献 (26)致谢 (27)第一章绪论1.1研究的目的和意义自从1638年法国学者笛卡儿第一个提出凸面是椭圆面，凹面是球面的无球差非球面透镜，各国公司都进行了大量的非球面透镜技术研究和开发，但加工精度不高。
非球面透镜加工方法
非球面透镜加工方法
非球面透镜加工是一种高精度光学零件加工方法，其制造过程需要经过多次精细加工步骤。
首先，需要根据设计要求选择合适的非球面曲面形状，并将该形状转换为数学模型。
然后，将该数学模型导入到数控加工设备中，并根据具体的加工要求进行参数设置，包括加工速度、刀具尺寸、切削深度等。
在加工过程中，需要使用高精度的测量仪器对加工表面进行检测，以确保其符合设计要求。
最后，进行表面处理和光学涂层，以提高非球面透镜的光学性能。
需要注意的是，非球面透镜加工过程中需要严格控制加工条件，以免对加工表面造成损伤和变形，影响其光学性能。
- 1 -。
超精密加工技术在光学元件制造中的应用
超精密加工技术在光学元件制造中的应用引言光学元件作为现代光学系统的重要组成部分，对于光学设备的性能和品质至关重要。
而超精密加工技术的出现，为光学元件的制造带来了重大的变革。
本文将探讨超精密加工技术在光学元件制造中的应用，并重点介绍其在表面质量的提升和光学功能的实现方面所起到的作用。
表面质量的提升传统的加工方法往往难以满足光学元件对表面精度和光滑度的要求。
而超精密加工技术通过精密的加工工艺和先进的设备，能够在原材料的表面上实现亚纳米级甚至纳米级的加工精度。
例如，在透镜的制造过程中，超精密加工技术能够将原材料的表面平整度提升到亚纳米级，有效减少了表面的粗糙度和微缺陷，提高了透镜光学性能的稳定性和透过率。
这种精细加工不仅能够显著改善光学元件的质量，还能够提高其耐磨性和耐腐蚀性，延长了使用寿命。
在实际应用中，超精密加工技术已经成功应用于光学元件的球面加工、非球面加工和金属镀膜等多个环节。
通过超精密球面加工技术，可以实现光学表面的球面度误差控制在几个亚微米以内，使得光线能够在光学器件内得到精确的折射和反射，提高了光学设备的成像质量。
而超精密非球面加工技术则能够根据具体设计要求，在非球面镜片上实现复杂的曲面形状，使得光线的聚焦效果更为精准，应用于望远镜、显微镜等光学系统中，能够大大提高成像清晰度和分辨率。
光学功能的实现除了表面质量的提升，超精密加工技术还能够在光学元件的制造中实现更多的光学功能。
例如，在光学薄膜的设计与制备过程中，超精密加工技术能够利用离子束雾化沉积、分子束外延和物理气相沉积等技术，在光学元件表面制备出具有特殊光学性能的薄膜，如增透膜、反射膜和偏振膜等。
这些特殊的光学薄膜能够对光线的透过率、反射率和偏振效果进行精确控制，满足不同光学设备的特定需求。
此外，超精密加工技术还被广泛应用于光学微结构的制造。
光学微结构是一种具有微米尺寸特征的光学元件，如光栅和微透镜阵列等。
通过超精密加工技术，可以在光学元件表面制造出高度均匀、周期性排列的微结构，使得光线在光学元件中发生衍射、散射等特殊效应。
非球面光学零件超精密加工技术
非球面光学零件超精密加工技术1．概述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Rank Pneumo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。
第8章 光学非球面零件的超精密加工
③ ELID镜面磨削实验方法和实验结果
作非球面加工时，通过安装在工件轴上的碗形砂 轮(325#铸铁结合剂金刚石砂轮为φ30×W2mm)进 行平砂轮的R成形修整，约10min的电解初期修锐 之后，经过400#的粗磨和1000#的半精加工，最后 再用4000#进行 ELID镜面磨削，在超精密非球面 加工机床上，借助 ELID磨削技术，成功地加工出 了光学玻璃 BK―7非球面透镜。面型精度达到优 于 o．2μm，表面粗糙度达Ra20nm，而对于稍软 如 LASFN30和Ge等材料的非球面加工，同样能达 到面形精度优于 O．2～O．3μm，表面粗糙度达 Ra30nm的良好镜面。
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、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音 光盘读出头、条形码读出头、光纤通信的光纤接头、医疗 仪器等中。
8.1.2 光学非球面零件的制作工艺
按特点分：
模具成形法：是在非球面模具上用可塑化材料注 射或模压，形成有非球面的光学部件；适应大批量 生产，但很难保证非球面形状的高精度。 切除加工：是利用切削、磨削和抛光将工件直接 加工成非球面。
8.3 光学非球面零件的检测技术
8.3.1 光学非球面零件的形状精度
8.3.2 非球面的非接触测试仪 ① 非接触光干涉三维形状测试仪
采用白色光源在半反射镜上分叉到测 试表面和参照镜，再反射回来结合于 半反射镜，当光路差相等时发生干涉。 白色光的干涉性较小，能够在很小的 范围内产生干涉条纹，因此，通过采 集的光的干涉强度驱动干涉计的垂直 光轴方向，使之能够调节到干涉条纹 的零位臵。利用此原理，垂直移动参 照镜观察测试面上的CCD各点的干涉条 纹，确定其等光路位臵，然后在水平 方向的测试面上进行一定速度的扫描， 最终检测出非球面的高度数据。