光學(xué)元件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

光學(xué)元件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，光學(xué)元件在不同的行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，這也為光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)和形狀提供了更高、更多的要求。其中：有些是對(duì)產(chǎn)品外形輪廓及尺寸高精度的要求，例如汽車消盲區(qū)反射鏡、ADAS模塊中的平凹棱鏡；有些是基于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，例如高精度柵格反射鏡、激光雷達(dá)透鏡組；有些是為了產(chǎn)品的升級(jí)換代而簡(jiǎn)化裝配，例如汽車上的一鍵啟動(dòng)按鈕。這些形狀復(fù)雜的光學(xué)元件可統(tǒng)稱為異形光學(xué)元件。此類異形光學(xué)元件如果采用傳統(tǒng)的加工方式，如鉆床鉆孔、仿形磨邊等，會(huì)因?yàn)槎ㄎ痪鹊图吧拜喣p造成加工精度不足，滿足不了產(chǎn)品的性能要求；或者因?yàn)榧庸て茡p率高而導(dǎo)致成本增加。而數(shù)控加工能提供一種更加高效、自動(dòng)化程度更高的路徑1光學(xué)元件加工中的應(yīng)用CNC(ComputerizedNumericalControl）是指數(shù)控加工技術(shù)，最早應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)。世界上第一臺(tái)數(shù)控加工機(jī)床是美國麻省理工學(xué)院于1952發(fā)明的，這臺(tái)簡(jiǎn)易的數(shù)控機(jī)床已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)3軸聯(lián)動(dòng)控制，此后數(shù)控加工技術(shù)迅速成為機(jī)械制造加工現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)和重要基礎(chǔ)1）基礎(chǔ)部件。主要由床身、立柱及工作臺(tái)等3個(gè)重要部分組成。2）數(shù)控系統(tǒng)。主要由可編程控制器、CNC裝置等部分組成。3）主軸部分。主要由主軸電機(jī)、軸承等部分組成。4）自動(dòng)換刀系統(tǒng)。主要由刀庫等部分組成。5）輔助裝置。主要由裝夾固定、檢測(cè)等部分組成。在CNC的設(shè)計(jì)和加工的過程中，需要同時(shí)考慮精度和效率的問題，通常要遵循先面后孔、先粗后精、先基準(zhǔn)面后其它面的原則1）非常適合于高精度、高質(zhì)量要求的工件加工，完全由程序自動(dòng)控制，避免長工藝流程及人為因素的影響，加工出光學(xué)元件的精度非常高、表面質(zhì)量非常好；2）非常適合于加工形狀非常復(fù)雜的異形零件；3）非常適合于加工具有季節(jié)性、周期性等特點(diǎn)的產(chǎn)品；4）非常適合于加工工序集中或是需要多工位加工的工件；5）非常適合于批量產(chǎn)品加工，生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低，能夠產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。1995年前后，許多由臺(tái)灣引進(jìn)的CNC加工中心就開始在模具制造行業(yè)中推廣使用。而CNC加工中心在國內(nèi)光學(xué)元件加工制造上的推廣應(yīng)用大約是在2007年前后；隨著劃時(shí)代產(chǎn)品蘋果手機(jī)的推出，手機(jī)玻璃屏橫空出世，在手機(jī)玻璃屏幕磨邊及精密鉆孔需求的推動(dòng)下，國內(nèi)的幾大CNC設(shè)備廠商開始研發(fā)推出CNC玻璃精雕機(jī)，從而成就了伯恩光學(xué)、藍(lán)思科技等手機(jī)屏加工巨頭。隨著數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用的不斷深入發(fā)展，CNC加工中心也由三坐標(biāo)加工向五坐標(biāo)加工不斷的發(fā)展，并在許多不同行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。2磨邊加工和裝夾工藝設(shè)計(jì)這里以汽車消盲區(qū)反射鏡的CNC磨邊為例，其外形指標(biāo)如圖1所示。通常光學(xué)加工中對(duì)外形的處理時(shí)采用仿形磨邊的工藝；但由于該鏡片外形和厚度的不規(guī)則性，采用仿形磨邊工藝加工存在以下幾個(gè)方面的困難：1）裝夾定位困難。固定后會(huì)由于砂輪對(duì)鏡片的擠壓導(dǎo)致鏡片移位甚至掉盤。2）砂輪磨損不均，容易造成掉盤。由于鏡片輪廓的外形及厚度都是不規(guī)則的，砂輪會(huì)隨著加工時(shí)間的進(jìn)行而發(fā)生不規(guī)則的磨損，從而導(dǎo)致鏡片在加工過程中的會(huì)因?yàn)槭芰Σ痪舯P。3）輪廓精度不能滿足指標(biāo)要求。由于鏡片的外形不規(guī)則性，靠限位比較難以準(zhǔn)確復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)件的外形。4）人工操作時(shí)間長，工作環(huán)境差。仿形磨邊需要人工裝夾定位的操作，1次裝夾只能加工1片鏡片，操作效率低、強(qiáng)度大；鏡片加工面大導(dǎo)致加工過程設(shè)備噪音大、油氣污染重，勞作環(huán)境較差：最終導(dǎo)致鏡片成本高。而采用CNC磨邊工藝來進(jìn)行汽車消盲區(qū)后視鏡的輪廓加工，則能較好的解決以上仿形磨邊工藝的困難，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、3D磨邊、一人操作多臺(tái)設(shè)備等，極大的提高產(chǎn)品加工精度，減少人工，降低成本。CNC磨邊工藝路線為：CAD圖形導(dǎo)入—CNC加工程序設(shè)計(jì)—產(chǎn)品裝夾定位—砂輪選擇—CNC磨邊—檢測(cè)—下盤。通常CNC磨邊是先在鋁合金的基底座用CNC銑刀加工好定位基準(zhǔn)，將待加工鏡片固定到定位槽內(nèi)，然后啟動(dòng)預(yù)設(shè)好的程序，由設(shè)備按程序完成加工。加工停止后使用GO-NOGO檢具檢查外形輪廓及尺寸是否合格；若尺寸超標(biāo)（尺寸超標(biāo)通常是因?yàn)樯拜喣p，導(dǎo)致加工后的產(chǎn)品尺寸偏大），則只要根據(jù)偏差量稍微調(diào)整程序，再重復(fù)執(zhí)行工藝路線一次，即可滿足指標(biāo)要求。影響CNC加工效率的因素，除了主軸功率及轉(zhuǎn)速、砂輪磨耗度外，工件的裝夾定位也是重要的影響因素。對(duì)于小批量的產(chǎn)品，通常只需要用臨時(shí)方案及對(duì)刀的方式即可滿足；在批量化生產(chǎn)過程中，需要采用快速裝夾定位來縮短機(jī)臺(tái)等待時(shí)間。常用的快速裝夾定位方案有磁性吸盤、真空吸盤和氣動(dòng)裝夾等。磁性吸盤是平面銑磨設(shè)備常用的定位方式。如圖2所示，銑磨設(shè)備的底座為電磁載物臺(tái)，待加工產(chǎn)品需要先裝在鑄鐵的工裝上，再放到電磁載物臺(tái)上，通過磁性吸附定位。加工時(shí)待加工面與砂輪互磨形成剪切力及內(nèi)推力。由于待加工面較厚導(dǎo)致摩擦力比較大，而電磁吸附的力相對(duì)來說比較小，因此這個(gè)方式通常適用于薄片的加工。對(duì)于本文中的異形件，由于局部厚度超過6mm，加工中的內(nèi)推力大于磁性吸附的力，造成加工中載物臺(tái)易發(fā)生移位而失效，因此此裝夾方案不適用于消盲區(qū)反射鏡加工。真空吸附定位是加工手機(jī)蓋板常用的固定方式。如圖3所示，把待加工件光滑的平面放在蜂巢孔的夾具上面，啟動(dòng)真空，待加工件就會(huì)通過真空吸附固定在夾具上面了。真空的吸附力與待加工件A面的面積大小及表面平整度有關(guān)。手機(jī)蓋板面積大、厚度薄，是光滑的表面，通過真空吸附可以很好的固定在夾具上。而消盲區(qū)反射鏡的定位面是銑磨后的球面，難以與夾具表面形成密閉接觸。因此這方案也不適用于消盲區(qū)反射鏡加工。氣動(dòng)裝夾的固定裝夾方案，如圖4所示，是先把待加工件固定在一個(gè)靠體上，通過靠體與氣動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)快速裝夾，其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于靠體的設(shè)計(jì)以及整套裝夾平臺(tái)的設(shè)計(jì)組裝。待加工鏡片只需要先固定到與產(chǎn)品匹配的專用靠體上，再放進(jìn)定位槽，待全部待加工鏡片都放進(jìn)定位槽后啟動(dòng)氣動(dòng)裝夾裝置，就完成了裝夾。通過該方案裝夾加工的鏡片，其指標(biāo)加工精度提高了10%，而單片加工效率提高了100%。同時(shí)采用多軸聯(lián)動(dòng)可進(jìn)一步提高加工效率?？梢娕c仿形磨邊工藝相比，CNC磨邊工藝的優(yōu)勢(shì)明顯，具有自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高、零件加工精度高、一致性好、便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造一體化等優(yōu)點(diǎn)。3機(jī)床加工異形光學(xué)元件的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用CNC加工技術(shù)，通過參數(shù)及程序的設(shè)定控制生產(chǎn)加工流程，可有效避免在異形件加工過程中可能發(fā)生的偏差和誤差，保證異形件成型后達(dá)到高精度的要求。與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，CNC加工異形光學(xué)元件的優(yōu)勢(shì)明顯：1）可加工常規(guī)方法難于加工的復(fù)雜型面，甚至