一种光学自由曲面磨削成型方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光学加工领域，特别提供了一种光学自由曲面磨削成型方法。
【背景技术】
[0002] 将自由曲面引入光学系统中，可极大提高光学系统的成像质量和能量的传输效 率。现代光学系统中自由曲面的应用，可W针对系统的特殊像差设计特定的自由曲面，补偿 系统像差，提高系统成像质量。由于自由曲面的多自由度特性，通常可W在保证光学系统成 像质量的条件下，进一步减少光学系统中的元件数量，减小光学系统的尺寸，因此被越发广 泛的应用于医疗，军事，航天等领域。
[0003] 先进数控超精密制造技术加工自由曲面光学元件，可有效解决自由曲面光学元件 加工的技术瓶颈，但一般的自由曲面磨削成型方法所设及使用的数控磨削加工中屯、直接影 响光学自由曲面的加工质量，提高加工精度往往意味着更高的加工成本，例如引进超精密 的液压或气浮加工中屯、，其对使用环境，加工材料均有很大的限制。
[0004] 因此，如何解决上述问题，成为人们亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005] 鉴于此，本发明的目的在于提供一种光学自由曲面磨削成型方法，W解决W往在 进行自由曲面加工时，需要使用超精密的数控中屯、，对于使用环境和加工材料均由很大限 审Ij，而且加工成本高等问题。
[0006] 本发明提供的技术方案，具体为，一种光学自由曲面磨削成型方法，采用数控磨削 加工中屯、与球形砂轮进行磨削成型，其特征在于：
[0007] SI:将设计的目标曲面采用点云矩阵进行描述，得点云设计矩阵Mdesign;
[0008] S2:依据所述点云设计矩阵Mdesign对待加工曲面进行磨削工作，并对磨削后所得曲 面进行检测，得点云检测矩阵Mmeasure;
[0009] S3:将所述点云检测矩阵Mmeasure与所述点云设计矩阵Mdesign进行比较，获得点云误 差矩阵Merr;
[0010] S4:依据所述点云误差矩阵Merr对磨削后曲面进行补偿磨削加工。
[0011] 优选，所述步骤S4包括：
[001^ S401:将所述点云误差矩阵Merr与阔值进行比较；
[OOK] S402:当所述点云误差矩阵Merr大于阔值时，依据所述点云误差矩阵Merr,计算获得 点云修正矩阵Mdesign_l ;
[0014] S403:依据所述点云修正矩阵MdesigM对磨削后曲面进行补偿磨削加工，对补偿磨 削后曲面进行点云检测，并将检测所得的点云检测矩阵与点云设计矩阵Mdesign比较，再次获 得点云误差矩阵Merr;
[0015] S404:重复步骤S401~S403,直至点云误差矩阵Merr小于等于阔值。
[0016] 进一步优选，所述步骤S402中，依据所述点云误差矩阵Merr,计算获得点云修正矩 阵Mdesign_l的公式为：
[0017] Mdes ign_l = Mdes ign+Merr 〇
[001引进一步优选，
[0019] 步骤S2中检测磨削后所得曲面的方法为接触式检测；
[0020] 步骤S403中检测补偿磨削后曲面的方法为接触式检测。
[0021] 进一步优选，步骤S2和步骤S403中的检测点位置与目标曲面的点云设计矩阵采样 点位置相同。
[0022] 进一步优选，所述点云设计矩阵Mdesign和所述点云检测矩阵Mmeasure中均包括曲面 在X、Y、Z=维坐标数据。
[0023] 本发明提供的光学自由曲面磨削成型方法，采用点云的方式对于自由曲面进行评 价与测量，计算得到点云误差矩阵，W点云误差矩阵进行补偿加工，W修正加工结果，使用 该磨削成型方法进行磨削工作，可W有效提高数控磨削中屯、的磨削精度，无需引用超精密 的数控中屯、，降低加工成本，有利于自由曲面光学元件的制造与应用。
[0024] 本发明提供的光学自由曲面磨削成型方法，具有W下优点：
[0025] 1、通过点云的方式进行曲面设计与检测描述，可适用于大部分自由曲面光学元 件，有效扩展其适用范围；
[0026] 2、通过补偿加工的柔性加工方式，降低了对加工中屯、的要求，可有效降低自由曲 面光学元件的制造成本。
【附图说明】
[0027] 图1为球形砂轮的结构示意图；
[0028] 图2为自由曲面光学元件的磨削成型加工示意图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合具体的实施方案，对本发明进行进一步解释，但是并不用于限制本发明 的保护范围。
[0030] 为了解决W往在进行自由曲面光学元件加工时，需要使用超精密的加工中屯、，对 于使用环境和加工材料均有很多的限制，而且成本高的问题，本实施方案提供一种光学自 由曲面磨削成型方法，其可W适用于普通的数控中屯、，能够提高普通数控中屯、的加工精度， 进而可W采用普通数控磨削加工中屯、和球形砂轮进行光学自由曲面的加工，降低了自由曲 面加工的成本，而且对于使用环境和加工材料均无苛刻的要求。
[0031 ]下面W-个具体的实施方案对本发明进行详细说明：
[0032] 采用数控磨削加工中屯、与球形砂轮，通过单点磨削的方式进行自由曲面z = aix2+ B2y2+a3X3+a4y3磨削成型，该光学元件的口径为D，由于该自由曲面的方程中包括了S次项， 因此为一个非回转对称的自由曲面。
[0033] 其中，球形砂轮的结构可参见图1，包括圆柱形砂轮刀柄1，与圆柱形砂轮刀柄1固 定连接的圆柱形砂轮基体2,在砂轮基体2的外周设置有砂轮磨料层3,砂轮磨料层3的磨削 工作面为圆弧性，且其曲率变径为砂轮口径，即砂轮基体2与砂轮磨料层3可看作是球体的 一个截片。运样的优势在于实际磨削过程是砂轮磨料层3的圆弧形磨削工作面进行磨削，可 提高表面的光洁度与加工效率，由于实际砂轮接触位置是球形的一部分，因此在一定程度 上可W弥补加工中屯、运动精度与动态特性对于实际加工的影响。其中球形砂轮的口径小于 被加工自由曲面最佳拟合球的曲率半径。
[0034]将自由曲面z = aix2+a2y2+a3X3+a4y3口径納曲面离散化，设采样间隔为d，可W得到 该曲面面形点云设计矩阵Mdesign
[0036] 其中，点云设计矩阵中包括X，Y，ZS维坐标数据；
[0037] 依据点云设计矩阵Mdesign与上述球形砂轮的具体参数，选择合适的加工路径，生成 加工程序导入数控磨削加工中屯、进行加工，加工示意图如图2所示，其中，A为