专利名称：一种自由曲面棱镜加工方法
技术领域：
本发明属于光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种自由曲面棱镜的加工 方法。
背景技术：
自由曲面棱镜是轻型头盔显示器的核心关键器件，不仅可大大缩减系统镜片数 量，达到小型轻量化目的，更能借助自由曲面卓越的光学性能进一步增大视场，减轻对装配 精度的要求。自由曲面棱镜制造成为头盔显示器小型化及实用化的关键，因此，自由曲面棱 镜的制造技术研究对于加强我国国防和提高军事作战能力具有重大意义。目前，自由曲面光学器件的最早使用的加工方法为计算机控制的确定量磨削及小 工具研抛(CC0Q、能动盘抛光、磁流变抛光和离子束抛光等技术实现光学自由曲面的加工， 但具有效率低、面形复杂程度不高的缺点。因此，单点金刚石纳米精度切削加工方法，多轴 铣削首先应用于光学自由曲面加工，之后，飞刀铣削也被广泛地应用于军事系统反射镜和 透镜等光学零件加工，但自由曲面铣削需依赖多自由度联动机床设备，因此，成本较高。近 年来，金刚石车削加工出现了快刀伺服和慢刀伺服两种驱动方式，为两轴联动车床的主轴 的转动角度添加了反馈或控制，是目前公认的光学自由曲面成形效率最高、成本最低的途 径。快刀伺服方式在高频曲率变化面形加工上具有优势，但加工表面质量低于慢刀伺服方 式，因此，慢刀伺服控制技术成为光学自由曲面最佳加工方法。然而，自由曲面棱镜结构复 杂，需对楔形棱镜五个面中的三个面均进行光学自由曲面纳米切削加工，对器件定位、装卡 提出了极高的要求，同时，对三个自由曲面的位置关系和面形精度均提出较高要求，因此， 有关该器件应用的光学设计研究已广泛开展，但至今仍无有关成功制造的报道，有必要针 对自由曲面棱镜的国防重大需求和其加工难点，提出一种新型实用的自由曲面棱镜加工方 法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种能够无需采用高精度装卡方式既 可实现高加工质量和高效率的自由曲面棱镜的加工方法。本发明巧妙地结合慢刀伺服控制 车削和飞刀铣削技术实现自由曲面加工，并通过高精度旋转台实现自由曲面棱镜的位置定 位和依次加工，形成自由曲面棱镜的有效加工方法。为此，本发明采用如下的技术方案一种自由曲面棱镜加工方法，包括下列步骤1)依据需要加工的自由曲面棱镜的结构，计算初始结构，并采用精密加工机床或 加工中心进行初始结构加工，将需要加工为自由曲面的侧面加工为平面；2)制作用于固定金刚石刀具的刀架，该刀架能使刀具垂直于主轴端面并可绕主轴 进行旋转；安装金刚石刀具和刀架于超精密车床主轴上，在车床的Z轴上装配高精度旋转 台，组建自由曲面棱镜超精密加工系统；3)将自由曲面棱镜固定于所述加工系统的旋转台上，调整其中一个经过初始结构加工的平面，使其与加工主轴端面平行；4)依据加工面形的曲面方程进行加工路径的设计，并按照切削方法对该平面进行 自由曲面的加工；5)对于每一个经过初始加工并需要加工成自由曲面的平面，均采用步骤3)和4) 的方法进行自由曲面加工。作为优选实施方式，本发明的自由曲面棱镜加工方法，如果需加工的侧面的自由 曲面为凹面，初始结构的参考平面为该自由曲面四个角点连接而成；如果需加工的侧面自 由曲面为凸面，初始结构的参考平面平行于该自由曲面四个角点连接成的平面，并与最凸 出点相切。所设计的加工路径由圆形轨迹沿着某一方向运动形成。本发明仅需要三轴(X，Z，C)联动加工，可通过简单系统改造在超精密车床上架 构，因此，具有加工质量高、结构简单、成本低、效率高的特点，避免采用现有技术加工需进 行高精度装卡的难点，是区别于已有光学自由曲面加工方法的一种新型加工方式。
图1本发明采用的加工方法示意图。图2需要加工的自由曲面棱镜示意图。图3金刚石刀具运动轨迹示意图。图4切削区域加工路径示意图。
如下1自由曲面棱镜 2刀具 3刀架 4旋转台5车削主轴
具体实施例方式图1是本发明的加工方法示意图，采用具有慢刀伺服控制的超精密车床系统，即 车床具有直线运动轴X、Z及具有角度定位的车削主轴C。当C轴旋转到某一角度时，可以 控制X和Z轴以较高速度、微行程地振动，从而实现慢刀伺服控制。传统的慢刀伺服加工方 法是将工件固定于旋转轴上进行C轴旋转运动，刀具2在X方向进给和Z轴方向微量振动。 而在本发明中，金刚石刀具2通过刀架3固定于车削主轴4上，且垂直于主轴4端面，随着 车削主轴C进行旋转，受到慢刀伺服系统控制对平行主轴4端面的工件进行自由曲面连续 切削，如图1所示，被加工工件固定于高精度旋转台2上，并通过高精度的定位实现被加工 工件每个侧面位置定位和依次切削。这种刀具2旋转而工件固定的加工方式类似于传统的 飞刀(或称为飞切)加工方法，因此，本发明是将两个方法进行了结合，借助各自的加工特 点实现自由曲面棱镜1的超精密加工。在进行以上超精密切削加工的前提是，按照自由曲面棱镜1结构的设计要求计算 棱镜1加工的初始结构，需要加工为自由曲面的每个棱镜1侧面都首先被初始化为平面， 这样就能保证每个侧面按照基准平面进行位置调整，并一起作为初始面进行自由曲面的加 工，如图2所示。每个平面之间的夹角需要按照自由曲面棱镜1结构进行精确计算，并且需 要采用精密多轴机床或加工中心一次装卡铣削成型，依靠加工机床的旋转轴旋转精度保证 各侧面之间的精确角度。
实现本发明的重要技术是需要进行刀具2路径的设计。在加工过程中，刀具2的 运动轨迹如图3所示，路径由圆形轨迹沿着某一方向运动形成，两个路径的间距为t。在工 件区域内，刀具2进行自由曲面部分的加工，该部分为刀具2行程的加工区域，在工件范围 外，刀具2走空行程并不加工，因此为非加工部分。在加工区域中，刀具2按照慢刀伺服控 制进行切削加工，将以上得到的各点xy坐标带入加工自由曲面的方程ζ = Z(x，y)，可以得 到曲面上的坐标点(X，y，ζ)，加工区域的路径设计示意图如图4所示。本发明的具体实施步骤为1)依据自由曲面棱镜设计的结构，计算初始结构，并采用精密加工机床或加工中 心进行初始结构加工，需要加工为自由曲面的侧面被加工为平面，需要精确地控制三个面 之间的夹角；2)制作金刚石刀具2刀架，用于固定金刚石刀具2，使刀具2垂直主轴端面并可绕 主轴进行旋转；并安装金刚石刀架及刀具2于超精密车床主轴上，在车床的Z轴上装配高精 度旋转台，组建自由曲面棱镜超精密加工系统；)将自由曲面棱镜固定于加工系统的旋转台上，调整其中一个加工侧平面与加工 主轴端面平行；4)依据加工面形的曲面方程进行加工路径的设计，并按照本发明的切削方法进行 自由曲面的加工；5)旋转转台角度并调整第二个侧面与加工主轴端面平行，按照4)进行该侧面的 加工，同理进行第三个侧面的加工。实施过程中提到的初始结构的确定方法为如果需加工的侧面自由曲面为凹面， 初始结构的参考平面为该自由曲面四个角点连接而成；如果需加工的侧面自由曲面为凸 面，初始结构的参考平面平行于该自由曲面四个角点连接成的平面，并与最凸出点相切，如 图2所示。
权利要求
1.一种自由曲面棱镜加工方法，包括下列步骤1)依据需要加工的自由曲面棱镜的结构，计算初始结构，并采用精密加工机床或加工 中心进行初始结构加工，将需要加工为自由曲面的侧面加工为平面；2)制作用于固定金刚石刀具的刀架，该刀架能使刀具垂直于主轴端面并可绕主轴进行 旋转；安装金刚石刀具和刀架于超精密车床主轴上，在车床的Z轴上装配高精度旋转台，组 建自由曲面棱镜超精密加工系统；3)将自由曲面棱镜固定于所述加工系统的旋转台上，调整其中一个经过初始结构加工 的平面，使其与加工主轴端面平行；4)依据加工面形的曲面方程进行加工路径的设计，并按照切削方法对该平面进行自由 曲面的加工；5)对于每一个经过初始加工并需要加工成自由曲面的平面，均采用步骤3和4的方法 进行自由曲面加工。
2.一种如权利要求1所述自由曲面棱镜加工方法，其特征在于，如果需加工的侧面的 自由曲面为凹面，初始结构的参考平面为该自由曲面四个角点连接而成；如果需加工的侧 面自由曲面为凸面，初始结构的参考平面平行于该自由曲面四个角点连接成的平面，并与 最凸出点相切。
3.—种如权利要求1所述自由曲面棱镜加工方法，其特征在于，所设计的加工路径由 圆形轨迹沿着某一方向运动形成。
全文摘要
本发明属于光学器件制造及超精密加工技术领域，涉及一种自由曲面棱镜加工方法，包括下列步骤依据需要加工的自由曲面棱镜的结构，计算初始结构，并采用精密加工机床或加工中心进行初始结构加工，将需要加工为自由曲面的侧面加工为平面；制作用于固定金刚石刀具的刀架，该刀架能使刀具垂直于主轴端面并可绕主轴进行旋转；安装金刚石刀具和刀架于超精密车床主轴上，在车床的Z轴上装配高精度旋转台，组建自由曲面棱镜超精密加工系统；将自由曲面棱镜固定于旋转台上，调整其中一个经过初始结构加工的平面，使其与加工主轴端面平行；进行加工路径的设计。本发明有加工质量高、结构简单、成本低、效率高的特点。
文档编号B23B1/00GK102139376SQ20111002310
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者张效栋, 房丰洲 申请人:天津大学