非球面鏡的檢測及磨削

1、非球面鏡的檢測與磨削 發(fā)布：佚名 時間：2011-2-19 15:40:38 點(diǎn)擊：190對于非球面透鏡的認(rèn)識，我們相信大家都有半點(diǎn)知識的，首先，我們都知道，軸對稱球面一般都具有自由變量的優(yōu)點(diǎn)與性能，所以，我、從這個性能就可以看得出，球面系統(tǒng)不能滿足請足的時候，就會出現(xiàn)非球面這個情況。隨著科技的發(fā)展水平的提高，非球面的制造技術(shù)與測試技術(shù)都得到了很大的改判與進(jìn)步，而且很早就已經(jīng)被普遍廣泛應(yīng)用，如今消費(fèi)的非球面透鏡，因為檢測手腕不夠準(zhǔn)確性，從而鏡面就存在很微小的臺階，如果不平均的話，好容易在裝配調(diào)試中，呈現(xiàn)燈絲條黑影，亮環(huán)等，所以，對于非球面透鏡的翻新情況是較為艱難，因為很多時候，使用者為了解決這

2、個問題，都采用光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行檢測，以提高精度，主要過程就兩個，檢測與磨削。首先談一談磨削。對于非球面的磨削工作，一般分為以下幾個步驟來完成，細(xì)磨，粗度以及拋光。粗度的檢查，需要采用欣榜樣做檢查，再用肉眼觀察一下不密合的縫隙是否均勻。細(xì)磨，這個過程需要配合各種工具來進(jìn)行，要做到邊修邊檢的思路，同時，還需要在非球面上涂平均的煤油，這樣做的目的是為了使光束可以經(jīng)過細(xì)磨面而到達(dá)檢測效果，至到合格為止。拋光，做到這一步的時候，可以配合使用具有彈性的物質(zhì)添上一層出不窮毛毯，通過彈性的作用，使拋光摸緊貼非球面外表，至到全部拋亮為止。再利用光學(xué)檢測方法，就可以制造出高精度的非球面，但是效率是相對低的。其次，再說

3、一說非球透鏡的檢驗工作。跟據(jù)非球面的光學(xué)性能來看，在拋物面處的焦點(diǎn)位置上發(fā)出的光束是平行的，應(yīng)用透射光側(cè)里外表的部分誤差，用屏停止投影顯現(xiàn)出來。當(dāng)檢驗的技術(shù)精度高，那么，加工精度隨之也會進(jìn)步，一般情況下，對于非球面透鏡檢驗，最好就是采用光學(xué)法，這種方法既簡單，檢測速度又高，精確度又準(zhǔn)。一種大口徑非球面鏡檢測系統(tǒng),其特征在于:包括菲索型干涉儀(1)、小孔濾波器(2)、雙計算全息圖(3)、被測非球面鏡(4)、小型五維調(diào)整架(5)以及大型五維調(diào)整架(6);雙計算全息圖(3)由主全息和對準(zhǔn)全息兩部分圖形組成,雙計算全息圖(3)固定在小型五維調(diào)整架(5)上,并與菲索型干涉儀(1)、小孔濾波器(2)一起置

4、于大型五維調(diào)整架(6)上,被測非球面鏡(4)由側(cè)支撐固定,觀察對準(zhǔn)全息的干涉圖形可判斷主全息的調(diào)整狀態(tài),在實現(xiàn)主全息精確對準(zhǔn)的前提下,保持雙計算全息圖和菲索型干涉儀(1)的相對位置不變,通過調(diào)整大型五維調(diào)整架(6)調(diào)整主全息相對被測非球面鏡(4)的位置,小孔濾波器(2)可將雙計算全息圖(3)衍射的雜散光濾除,提高干涉條紋的對比度,從而實現(xiàn)對被測非球面鏡(4)的高精度檢測。介紹: 一種大口徑非球面鏡檢測系統(tǒng),其特征在于:包括菲索型干涉儀,小孔濾波器,雙計算全息圖,被測非球面鏡,大、小型五維調(diào)整架;雙計算全息圖由主全息和對準(zhǔn)全息兩部分圖形組成,雙計算全息圖固定在小型五維調(diào)整架上,并與菲索型干涉儀、

5、小孔濾波器一起置于大型五維調(diào)整架上,觀察對準(zhǔn)全息的干涉圖形可判斷主全息的調(diào)整狀態(tài),在實現(xiàn)主全息精確對準(zhǔn)的前提下,保持雙計算全息圖和菲索型干涉儀的相對位置不變,通過調(diào)整大型五維調(diào)整架調(diào)整主全息相對被測非球面鏡的位置,小孔濾波器可將雙計算全息圖衍射的雜散光濾除,提高干涉條紋的對比度,從而實現(xiàn)對被測非球面鏡的高精度檢測,該檢測系統(tǒng)為大口徑非球面鏡的研制提供了一種有效的檢測手段,具有較大的應(yīng)用價值。拋光夾具當(dāng)然能影響光圈變化，這要從加工零件的精度來看，一般加工產(chǎn)品的厚度越薄，它的光圈變化系數(shù)越大，古典和高速兩種加工方法一般都可以看到它的變化，只不過變化大小有差異，我們在古典加工的過程中，加工零件表面既

6、要保證表面的光潔度，又要保證光圈的穩(wěn)定，這就要看它的背面是否完全吻合在背面的表面上，也就是說如果不均勻的吸附在背面表面上，它會直接影響到加工面的光圈，而且加工過程中是一個光圈，加工后再檢測中又出現(xiàn)另外一種光圈，這種現(xiàn)象主要是夾具的問題，我所說的原因和加工過程中出現(xiàn)的問題，如果我們調(diào)整好后這個問題應(yīng)該能很好的解決怎樣才能加工好高速精磨高速精磨通常是加工大批量的產(chǎn)品，不但提高工作效率，而且還減輕繁瑣的工作條件，在精磨加工過程中，有幾點(diǎn)只得注意：1 精磨模具的制作，根據(jù)加工鏡片的曲率半徑，來選擇基底模具，丸片和金剛石磨盤有很多品種供操作者來選用，對于不同的材料用不同的丸片和金剛石磨盤，包括粒度，丸片

7、直徑，濃度和形狀等等，對特殊材料可做2個或者3個精磨模具。精磨模具的制作對于加工者來說是個關(guān)鍵的工作，也是為高速拋光打前站，所以要求精度是比較高的。除非產(chǎn)品要求低。丸片排列，修正模具，精修模具是很費(fèi)功夫的，如果是工作多年的老手做這種工作就會很輕松的。第一道精磨模具與第二道精磨模具誤差不能大于0，005道。第二道精磨模具與標(biāo)準(zhǔn)半徑不能 大于0002道。這樣才能保證間接半徑的匹配。如果誤差很大，必須修改，直到修改正確為止。2 模具制作好以后安裝在精磨機(jī)上，調(diào)試精磨機(jī)的過程中，要注意機(jī)器的擺幅，工作的壓力，主軸的轉(zhuǎn)速，冷卻液的濃度，時間的控制，初次精磨零件的時候，零件的切削力往往很快被切削下去的，在

8、這里要控制好時間，還有精磨過程中，模具表面面型要控制好，這樣才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)曲率半徑要求。在精磨過程中它的穩(wěn)定性會無限延長，基本不用修改面型。3 冷卻液粘度低為好，這樣可改進(jìn)潤滑作用，并促進(jìn)玻璃漿沉淀。在化學(xué)中，它及不是酸性也不是堿性，PH值為7. 冷卻液帶走玻璃切削和改善表面光潔度的能力加強(qiáng)了，充足的冷卻液能使金剛石模具的切削作用更自由，功率消耗也更低，使冷卻液以抵壓噴涌在零件的研磨區(qū)上。總的來說精磨還是比較復(fù)雜的工作，一項沒有做好可能會影響很多問題，在光學(xué)加工領(lǐng)域里，到現(xiàn)在人們依然離不開古典拋光，就我個人而言，在加工高精度產(chǎn)品中，包括紅外加工，操作工還是優(yōu)先選擇古典拋光，它的優(yōu)點(diǎn)在于 1，表面

9、光潔度能達(dá)到極高級別，2，便于調(diào)整和修改高精度光圈誤差，3，與高速拋光相比，它的光圈很容易接近標(biāo)準(zhǔn)半徑，而且穩(wěn)定性比較強(qiáng)，4，尤其是多片加工，成品率基本能達(dá)到百分之百，但是古典也有不好的一面，工作效率很低，加工過程反鎖，室內(nèi)溫差要保持穩(wěn)定，周邊環(huán)境衛(wèi)生差，不適應(yīng)批量加工，所以，在加工產(chǎn)品零件時還要根據(jù)它的批量，精度要求和供貨期限來選定設(shè)備1概述 gGBRfq> ? /3 8I (0 ? 11非球面光學(xué)零件的作用 qTwldcncC ? _LfbEv <,T ? 非球面光學(xué)零件是一種非常重要的光學(xué)零件，常用的有拋物面鏡、雙曲面鏡、橢球面鏡等。非球面光學(xué)零件可以獲得球面光學(xué)零件無可比擬

10、的良好的成像質(zhì)量，在光學(xué)系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能 力，它能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件，從而簡化儀器結(jié)構(gòu)，降低成本并有效的減輕儀器重量。 !v 9oL26 ? 0c!=( ? 非球面光學(xué)零件在軍用和民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用也很廣泛，如在攝影鏡頭和取景器、電視攝像管、變焦鏡頭、電影放影鏡頭、衛(wèi)星紅外望遠(yuǎn)鏡、錄像機(jī)鏡頭、錄像和錄音光盤讀出頭、條形碼讀出頭、光纖通信的光纖接頭、醫(yī)療儀器等中。 KU0Ad);e ? .'38 ? 12國外非球面零件的超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 T ? P0OMu/ ? 80年代以來，出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術(shù)，主要有

11、：計算機(jī)數(shù)控單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)、計算機(jī)數(shù)控磨削技術(shù)、計算機(jī)數(shù)控離子束成形技術(shù)、計算機(jī)數(shù)控超精密拋光技術(shù)和非球面復(fù)印技術(shù)等，這些加工方法，基本上解決了各種非球面鏡加工中所存在的問題。前四種方法運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，均具有加工精度較高，效率高等特點(diǎn)，適于批量生產(chǎn)。 eXaa0 ? < +Mdy ? 進(jìn)行非球面零件加工時，要考慮所加工零件的材料、形狀、精度和口徑等因素，對于銅、鋁等軟質(zhì)材料，可以用單點(diǎn)金剛石切削(SPDT)的方法進(jìn)行超精加工，對于玻璃或塑料等，當(dāng)前主要采用先超精密加工其模具，而后再用成形法生產(chǎn)非球面零件，對于其它一些高硬度的脆性材料，目前主要是通過超精密磨削和超精密研磨、拋光等方法進(jìn)

12、行加工的，另外還有非球面零件的特種加工技術(shù)如離子束拋光等。 kXsDvP3 ? h4hp5M ? 國外許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復(fù)合加工系統(tǒng)，如Rank Pneumo公司生產(chǎn)的Nanoform300、Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN603D、ULP一100A(H)都具有復(fù)合加工功能，這樣可以便非球面零件的加工更加靈活。 Q!=|X|: ? ZM$Q=: ? 13我國非球面零件超精密加工技術(shù)的現(xiàn)狀 #=ijJYh1+ H ? 為更好的開展對此項超精密加工技術(shù)的研究，國防科工委于1995年在中國航空精密機(jī)

13、械研究所首先建立了國內(nèi)第一個從事超精密加工技術(shù)研究的重點(diǎn)實驗室。 qIQ 61>< ? 9(z) G ? 2 非球面零件超精密切削加工技術(shù) DS7L ? fB,eeT1v?h ? 美國Union Carbide公司于1972年研制成功了 R方式的非球面創(chuàng)成加工機(jī)床。這是一臺具有位置反饋的雙坐標(biāo)數(shù)控車床，可實時改變刀座導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角和半徑 R，實現(xiàn)非球面的鏡面加工。加工直徑達(dá)380mm，加工工件的形狀精度為±O63m，表面粗糙度為 Ra0.025m。 W$;qhB ? 1n7'esC* ? 摩爾公司于1980年首先開發(fā)出了用3個坐標(biāo)控制的M18AG非球面加工機(jī)床，這種機(jī)

14、床可加工直徑356mm的各種非球面的金屬反射鏡。 m5()Qa ? 2*#i/SE_ ? 英國 Rank Pneumo公司于1980年向市場推出了利用激光反饋控制的兩軸聯(lián)動加工機(jī)床(MSG325)，該機(jī)床可加工直徑為350mm的非球面金屬反射鏡，加工工件形狀精度達(dá) 025-05m，表面粗糙度 Ra在001-O025m之間。隨后又推出了 ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等機(jī)床，該公司又在上述機(jī)床的基礎(chǔ)上，于1990年開發(fā)出 Nanoform600，該機(jī)床能加工直徑為600mm的非球面反射鏡，加工工件的形狀精度優(yōu)于01m，表面粗糙度優(yōu)于001m。 Dr=$Y ? BYhiP

15、/ ? 代表當(dāng)今員高水平的超精密金剛石車床是美國勞倫斯利弗莫爾(LLNL)實驗室于1984年研制成功的 LODTM，它可加工直徑達(dá)2100mm，重達(dá)4500kg的工件其加工精度可達(dá)025m，表面粗糙度RaO0076m，該機(jī)床可加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚變工程所需的零件、紅外線裝置用的零件和大型天體反射鏡等。 Y7h7 ? $oz4_I ? 英國 Cranfield大學(xué)精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金剛右鏡面切削機(jī)床，可以加工大型 X射線天體望遠(yuǎn)鏡用的非球面反射鏡(最大直徑可達(dá)1400mm，最大長度為600mm的圓錐鏡)。該研究所還研制成功了可以加工用于 X射線望遠(yuǎn)

16、鏡內(nèi)側(cè)回轉(zhuǎn)拋物面和外側(cè)回轉(zhuǎn)雙曲面反射鏡的金剛石切削機(jī)床。 t)?K 9 ? *_#2|96) ? 日本開發(fā)的超精密加工機(jī)床主要是用于加工民用產(chǎn)品所需的透鏡和反射鏡，目前日本制造的加工機(jī)床有：東芝機(jī)械研制的 ULGl00A(H)不二越公司的 ASPL15、豐田工機(jī)的 AHN10、 AHN30×25、 AHN603D非球面加工機(jī)床等。 +S-60EN*A ? r7R.dD /. ? 3非球面零件超精密磨削加工技術(shù) WvfM.D! ? PUZcb+%h ? 31非球面零件超精磨削裝置 8Lx 1XbwK ? CxJ3u ? 英國 Rank Pneumo公司1988年開發(fā)了改進(jìn)型的 ASG2

17、500、 ASG2500T、Nanoform300機(jī)床，這些機(jī)床不僅能夠進(jìn)切削加工，而且也可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡，加工工件的形狀精度為03-O16m，表面粗糙度達(dá)Ra001m。最近又推出 Nanoform250超精密加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個兩軸超精密 CNC機(jī)床，在該機(jī)床上既能進(jìn)行超精密車削又能進(jìn)行超揚(yáng)密磨削還能進(jìn)行超精密拋光。最突出的特點(diǎn)是可以直接磨削出能達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)要求的具有光學(xué)表面質(zhì)量和面型精度的硬脆材料光學(xué)零件。該機(jī)床采用了許多先進(jìn)的 Nanoform600、Optoform50設(shè)計思想，機(jī)床最大加工工件直徑達(dá)250mm，它通過一個升高裝置使機(jī)

18、床的最大加工工件直徑達(dá)到450mm，另外通過控制垂直方向的液體靜壓導(dǎo)軌(Y軸)還能磨削非軸對稱零件，機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分辨率達(dá) O001m，位置反饋元件采用了分辨率為86nm的光柵或分辨率為125nm的激光干涉儀，加工工件的面型精度達(dá)0.25m，表面粗糙度優(yōu)于 Ra001m。 .Q ZjJ9pvK ? Nanocentre250、 Nanocentre600是一種三軸超精密 CNC非球面范成裝置，它可以滿足單點(diǎn)和延性磨削兩個方面的使用要求，通過合理化機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計、利用高剛度伺服驅(qū)動系統(tǒng)和液體靜壓軸承使機(jī)床具有較高的閉環(huán)剛度， x和 Z軸的分辨率為125nm，這個機(jī)床被認(rèn)為是符合現(xiàn)代工藝規(guī)范的。 C

19、UPE生產(chǎn)的 Nanocentre非球面光學(xué)零件加工機(jī)床，加工直徑達(dá)600mm面型精度優(yōu)于01m，表面粗糙度優(yōu)于 Ra0.01m。 CUPE還為美國柯達(dá)公司研究、設(shè)計和生產(chǎn)了當(dāng)今世界上最大的超精密大型 CNC光學(xué)零件磨床“0AGM2500”，該機(jī)床主要用于光學(xué)玻璃等硬脆材料的加工，可加工和測量25m×25m×O61m的工件，它能加工出2m見方的非對稱光學(xué)鏡面，鏡面的形狀誤差僅為1m。 j%w8U>G ? 日本豐田工機(jī)研制的 AHN603D是一臺 CNC三維截形磨削和車削機(jī)床，它能在 X、Y和Z三軸控制下磨削和車削軸向?qū)ΨQ形狀的光學(xué)零件，可以在 X、Y和Z軸二個半軸控制

20、下磨削和車削非軸對稱光學(xué)零件，加工工件的截形精度為035unl，表面粗糙度達(dá) Ra0016m。另外東芝機(jī)械研制的 ULG100A(H)超精密復(fù)合加工裝置，它用分別控制兩個軸的方法，實現(xiàn)了對非球面透鏡模具的切削和磨削，其 X軸和 Z軸的行程分別為150mm和100mm，位置反饋元件是分辨率為001m的光柵。 xL i3|q ? 5G(dvM-n ? 32非球面光學(xué)零件的 ELID鏡面磨削技術(shù) -Q JPJ. ? y Fb-2 ? 日本學(xué)者大森整等人從1987年對超硬磨料砂輪進(jìn)行了研究，開發(fā)了使用電解 In Process Dressing(ELID)的磨削法，實現(xiàn)了對硬脆材料高品位鏡面磨削和延性

21、方式的磨削，現(xiàn)在該方法己成功的應(yīng)用于球面、非球面透鏡、模具的超精密加工。 WG _eRj ? ELID鏡面磨削原理 G/(,TeG ? ELID磨削系統(tǒng)包括：金屬結(jié)合劑超微細(xì)粒度超硬磨料砂輪、電解修整電源、電解修整電極、電解液(兼作磨削液)、接電電刷和機(jī)床設(shè)備。磨削過程中，砂輪通過接電電刷與電源的正極相接，安裝在機(jī)床上的修整電極與電源的負(fù)極相接，砂輪和電極之間澆注電解液，這樣，電源、砂輪、電極、砂輪和電極之間的電解液形成一個完整的電化學(xué)系統(tǒng)。 <RK&JLJ ? div 00lm時，這種方法是不可缺少的，對形狀精度要求很< AV機(jī)器等的飛速發(fā)展，對零件的表面粗糙度提出了更高的要求，到目前為止還沒有比超精密拋光更好的實用的方法，尤其當(dāng)零件的表面粗糙度要求優(yōu)于 超精密拋光是加工速度極慢的一種加工方法。不適合形狀范成法加工，近年來，由于短波長光學(xué)元件、OA儀器和 !9KDdU 7 3F!) 4非球面零件的超精密拋光(研磨)技術(shù) J,-iJKop $?:5uU1 Ra30nm。 O2-O3m，表面粗糙度達(dá) LASFN30和Ge等材料的非球面加工，同樣能達(dá)到面型精度優(yōu)于 o2m，表面粗糙度達(dá)Ra20nm，而對于稍軟如 BK7非球面透鏡。