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。
非球面元件精密铣磨加工技术研究
Study of precision milling and grinding process technology for aspheric components
XU Jin kai 1, 2, 3 , ZHANG Xue jun1 , YU Hua dong3
( 1. Optical T echnology Research, Chang chun Institute of Optics, F ine M echanics and Physics, Chinese A cademy of Sciences, Changchun 130033, China) 100039, China) 130022, China) ( 2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing ( 3. Changchun U niversity o f Science and T echnology , Chang chun
2
参数的修正与补偿
铣磨成型加工非球面光学零件时 , 有三个参数 对非球面面形精度的影响较大。即 CNC 程序终点 762
第5期
许金凯 , 等 :
非球面元件精密铣磨加工技术研究
CNC 文件中工具的终点应是轴上的工件旋转轴心。 该终点相对于工件中心的偏离量越小, 加工面形精 度就越高。另外 , 如果砂轮直径偏离 CNC 文件计算 的基准直径, 也会产生曲率半径误差; 两个参数彼此 依赖 , 相互关联 , 偏离量也会导致曲率半径误差。加 工中的机械载荷及砂轮直径误差与文件终点位置相 对于工件旋转轴心的偏离也有关。工件 磨削砂轮 的弹性变形也直接影响非球面元件面形精度。 2. 1 轮廓终点偏移量的误差修正
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。
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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。
非球面光学零件的超精密加工技术
Equipment Manufacturing Technology No.11，2012非球面光学零件常用的有椭球面镜、抛物面镜、双曲面镜等，其是一种非常重要的光学零件。
相对于球面镜而言，非球面镜具有许多优点，其可以消除球面镜片在光传递过程中产生的彗差、球差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，具有高品质的光学特征，可以获得高品质的图像效果。
另外，其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，减轻仪器总质量，降低成本。
非球面光学产品的应用前景非常广阔，在国防、航空航天领域，大型或超大型光学产品的开发是空间和国防技术的关键，体现着一个国家的科技水平和经济实力。
而在民用产品领域，如：数码相机、电脑摄像头、条形码读出头、光纤通讯以及激光产品等，也已经成为与人民生活息息相关的核心技术。
因此，非球面光学零件超精密加工技术的研究一直是制造领域的热点。
１国外非球面零件的超精密加工技术国外从２０世纪６０年代就开始了对非球面零件加工技术的研究，２０世纪８０年代以来出现了许多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（ＳＰＤＴ）、超精密磨削和抛光技术、计算机控制光学表面成形技术（ＣＣＯＳ）、光学玻璃模压成型技术、光学塑料成型技术以及非球面零件的特种加工技术等。
１．１计算机数控单点金刚石车削技术计算机数控单点金刚石车削技术（ＳＰＤＴ）是在超精密数控车床上，采用天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制的条件下，直接利用天然金刚石刀具单点车削出符合光学品质要求的非球面光学零件。
该技术主要用于加工中小尺寸、中等批量的红外晶体和软金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、成本低、重复性好、适合批量生产。
１．２超精密磨削和抛光技术超精密磨削和抛光能进一步提高光学零件的表面精度，尤其是对于采用玻璃、陶瓷等硬脆材料制造的非球面零件。
其中，延性磨削方式可以使材料以“塑性”流动方式去除，加工表面不产生脆性断裂现象［２］。
精密超精密加工技术的发展及应用
精密超精密加工技术的发展及应用1、概述精密和超精密加工技术的发展，直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，因此世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。
随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅速发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切⑴。
目前国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。
"］我国是制造业大国，近年来在精密加工技术和精密机床设备制造上也小有成就。
但是和发达国家制造强国相比，我国目前仍有差距。
我国每年虽有大量机电产品出口，但多数是技术含量较低、价格亦较便宜的中低档产品；而从国外进口的则大多是技术含量高、价格昂贵的高档产品。
2、国内外精密超精密加工技术发展通常按照加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工和超精密加工三个阶段。
目前，精密加工是指精密加工精度为1-0.1 m表面粗糙度为］RaO.1-O.O1 口的加工技术。
但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。
」20世纪60年代初期，随着航天、宇航的发展，精密超精密加工技术首先在美国被提出，并由于得到了政府和军方的财政支持而迅速发展。
到了20世纪70年代，日本也成立了超精密加工技术委员会并制定了相应发展规划，将该技术列入高新技术产业，经过多年的发展，使得日本在民用光学、电子及信息产品等产业处于世界领先地位［2］。
2.1国外发展超精密加工发展到今天，已经取得了重大进展，超精密加工以不再是一种孤立的加工方法和单纯的工艺问题，而成为一项包含内容极其广泛的系统工程。
超精密加工是以每个加工点局部的材料微观变形或去除作用的总和所体现的。
其加工机理随着加工单位（加工应力作用的范围）和工件材料的不均质程度（材料缺陷或因加工产生缺陷）不同而异，如图1所示⑻。
数控非球面加工技术
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❖ 目前国内外仍然广泛使用计算机控制铣磨、抛光 技术来加工非球面透镜。
随着非球面元件的广泛应用，数控加工非球 面正成为各国关注的核心技术之一，优化工艺流 程、改善面形精度、缩短加工时间、提高生产效 率是非球面加工产业发展的方向。
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Part5 数控非球面加工的影响因素
❖ 预抛光过程中，工件轴、工具轴转速分别为150
rpm 和450rpm ，摆角 21.7°时，抛光 15
min，工件表面的铣磨痕迹全部被去除掉。抛光液
温度调整到 27 ℃时，材料去除量最大，整个表面
能够被快速抛亮。
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❖非球面加工工艺流程如图所示
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图3 工艺流程图
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4.2非球面数控反馈铣磨抛光工艺
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1.4非球面光学零件制造过程
❖ 非球面制造通常分为非球面成形和光学面实现两 个工艺方面。
❖ 1）非球面成形：就是通过研磨等方法使零件表 面面形达到非球面要求，但是表面粗糙度还很大， 还不是光学面，不能够透射或反射光。
❖ 2）光学非球面实现：主要有抛光、模压和切削 等方法，是在保持非球面面形的前提下，减小表 面粗糙度，使之成为光学面。
❖ 还有一些非球面制造的非球面成型和光学面实现 是同时完成，如单点金刚石车削、光学塑料模压、 玻璃模压等。
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Part2.非球面光学零件的加工方法: LOGO
1）表面材料去除法 ：去除工件上多余的材料，最终得
到所需非球面的形状、尺寸和表面粗糙度要求。
浅析光学零件的超精密加工技术
浅析光学零件的超精密加工技术摘要：光学元件广泛应用于航空航天设备（雷达侦察）、卫星（先进光学望远镜系统、高分辨率电视摄像系统、高灵敏度红外传感系统）、激光制导、红外探测等领域，产品应用更加广泛。
因此针对其超精密加工技术展开研究，可以有效提高光学零件的精密度。
基于此，本文将针对光学零件展开概述，结合超精密加工技术原理，针对其展开研究，旨为相关人员提供参考帮助。
关键词：光学零件；非球面；超精密加工前言：超精密加工技术广泛应用于国家重大专项，如磷酸二氢钾（Potassium DihydrogenPhosphate，KDP）激光核聚变聚焦晶体及透镜、一种航天大型飞机反射镜、大型抛物面国家重点模型等。
球面镜应用范围较广，多目标光纤光谱望远镜（LAM-OST），国家重大科学项目反射镜等。
为了获得高质量的图像并减小尺寸和重量，许多武器装备采用非球面光学元件。
为了进一步扩大视野和提高分辨率，光学元件的尺寸越来越大。
一、光学零件概述1.非球面光学零件椭偏仪是非球面光学领域中应用广泛的光学仪器。
抛物面和双曲面镜是重要的光学器件。
与球面玻璃相比，非球面玻璃具有许多优点。
非球面镜消除了光传输过程中球面造成的慧差、曲率散射和像畸变，减少了光能的损失，光学性能高，成像好。
此外，钢珠可用一个或多个非球面零件代替，简化了刀具结构，减轻了刀具整体重量，降低了成本。
研制国防和航天领域的优质或超优质光学器件是国家航天和国防科技发展的关键，体现了一个国家的科技水平和经济实力。
数码相机、电脑相机、条码扫描器、光纤通讯、激光设备等。
公共物品是可以阻碍人类生活的工具。
因此，追求非球面光学元件的超精密加工是制造业的热点。
2.大口径光学零件一般来说，大口径光学零件的加工必须经过复杂而漫长的过程（加工面的大小决定加工时间），周期长。
主要工序包括磨削、粗磨、精磨、粗抛、精抛、电镀等环节。
同时，每个环节都必须配备一种或多种检测手段，以保证流程的高效运行。
非球面光学元件加工及检测技术综述
去 除材 料 加 工法 是 一 种 在原 始 毛 坯 （ 接 近 非球 面
２ ． ２ 热复 制成 型技 术
光学玻璃在室温下脆而硬 ， 去除材料加工法生产
效 率和工 艺稳 定性 无 法满 足迅 速发展 的行 业需 求 。高 温 下玻 璃 是 一种 典 型 的黏 弹 性材 料 ， 具 有 良好 的型 面 复 制性 ， 鉴 于此研 究者 开发 了非 球面 热复 制成 型技术 ，
Ｕ Ｌ Ｐ一 １ ０ ０ Ａ（ Ｈ ） ， 英 国克 兰菲 尔 德 精 密工 程 研 究所 （ Ｃ Ｕ Ｐ Ｅ） 研制的 Ｎ ａ ｎ ｏ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ， 其可 以加工大型Ｘ 线天体 望远镜用的非球 面反射镜 （ 最大直径可达 １ ４ ０ ０ ｍ ｍ， 最大 长度为 ６ ０ ０ ｍ ｍ的圆锥镜） 、 中国航空工业第一集
的球 面 ） 上利用磨 、 抛等手段去除一定量材料后得到 目标非球 面的方法 。早期加工方法主要通过操作者 手工 完成 ， 需 要加工者 具有较 高 的技术 及丰 富的经 验， 加工效率低 ， 且容易 出错 ， 其主要工序包括铣磨成
形、 研磨 、 Βιβλιοθήκη 光等 ， 通 常称 为经 典研 抛法 。
第２ 期
张小兵 ： 非球面光学元件加工及检测技术综述
于曲率半径是 变化的 ， 只有一根对称轴 线 ， 无法应用 球面零 件的磨轮包 络线 的范成法加工 ， 而且面形不易 修正 、 检测 困难 ， 特别是高次非球面与 自由曲面加工
光学非球面的超精密加工技术及非接触检测
华南理工大学学报(自然科学版)第32卷第2期J our nal of Sout h China U niversity of TechnologyV ol.32 N o.22004年2月(Natural Science Edition )February 2004文章编号:1000565X (2004)02009405光学非球面的超精密加工技术及非接触检测谢 晋(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)摘 要:针对亚微米级及亚微米级以下的光学硬脆性非球面器件难加工问题,分析了光学非球面的形状精度和应用,讨论了其超精密加工原理和方法及非接触检测手段.结果表明,精密数控机床、硬脆性材料延性域加工原理和超精密检测是光学非球面超精密加工的技术保证.关键词:非球面;超精密加工;光学器件;非接触检测;单点金刚石切削;弧形金刚石砂轮中图分类号:T G 58 文献标识码:A 收稿日期:20031022 作者简介:谢晋(1963-),男,博士,副教授,主要从事磨削及精密加工的研究.E-mai :jinxie @ 长期以来,光学球面镜头存在色像差的问题,如图1(a )所示.要构成高性能的光学系统,往往采用多枚镜头.20世纪30年代,为了消除这种色像差,研究人员提出并发明了非球面镜头,如图1(b )所示.但是,几个世纪以来的传统切削、磨削和抛光方法无法加工非球面产品,而只有利用数控机床才能有效地实现非球面的加工.19世纪70年代至80年代,应用于投影仪、显微镜、照相机、CD 读写装置和激光加工机等领域的民用光学产品开始朝着高性能、大口径化和小型化等方向快速发展,工业上开始生产非球面光学部件.目前,一些主要的非球面光学器件及其应用领域如表1所示,从该表中可以看出,大部分光学非球面器件材料为难加工的硬脆性材料.在光学系统的应用中,光的反射和折射要求非球面的形状精度达到光波长的1/10左右[1],特别是,应用于航空和军事领域中的光学系统要求非球面具有较高的形状精度.因此,光学非球面超精密加工及超精度测试已经受到许多研究者的关注.例如,O P TI CA M 中心已经将CN C 技术应用到精密光学器件的生产中,自动进行有选择性的非球面粗加工、精细加工和最终抛光加工,从而大幅度地降低了生产成本.图1 球面和非球面透镜的光学性能Fig.1 Op tical perf or ma nce of sp heric a nd asp heric le ns表1 光学非球面器件的材料及应用Table 1 Op tic asp heric materials a nd its appplication 非球面类型材料应用领域普通镜头红外线镜头普通反射镜注射模具椭圆体反射镜光学玻璃单晶锗、单晶硅铝合金、铜、磷青铜陶瓷、镍合金石英玻璃、碳化硅显微镜、CD/DVD 、投影仪夜视镜、医用内视镜、激光加工激光加工机、大型显示器激光打印机X 射线系统国内也已经开始引进超精密加工机床来加工国防、航空等高科技领域所急需的高精度非球面零件.由于超精密磨削涉及的技术比较复杂,国内花巨资购买的砂轮系统还没有得到有效的使用[2].虽然中国航空精密机械研究所成功地研制了Na nosys-300球面曲面超精密复合加工系统[2],但是,加工精度、砂轮精密修整、非球面成形机理以及非球面的超精密检测等诸多关键技术的研究都没有详细的报道.实际上,目前我国光学非球面的加工技术和质量检测仍处在初级阶段.本文中主要介绍和分析最新研究和开发的光学非球面的超精密加工机理、方法和测试技术及其特点.1 光学非球面部件的制作工艺光学非球面的成型加工大体可分为模具成形法和切除加工法两种.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;而切除加工是利用切削、磨削和抛光将工件直接切除成非球面.模具成形法适应大批量生产,但很难保证非球面形状的高精度.注射和模压成形用的镀镍模具通常采用单点金刚石切削,但对于陶瓷等超硬模具,切削就变得非常困难.因此,采用磨削加工法,可大大缩短加工工期.非球面光学镜头按制作工艺可分为玻璃镜头、塑化镜头、微型镜头和复合镜头[3].其中,玻璃镜头主要在耐热非球面模具中将玻璃材料加温到软化温度400～700℃再模压成形.塑化镜头是利用镀镍硬质钢模具将非球面注射成形.微型非球面镜头是在超精密机床上将树脂材料直接加工成形后再抛光,或者在球面模具中注射树脂再加热硬化.复合非球面镜头是在非球面模具与球面镜头之间注入紫外线树脂,然后用紫外线照射使其硬化成形.2 非球面的切除加工方法及特点无论是注射成形/模压成形所需的模具还是高精度光学非球面部件,都必须采用切削、磨削和抛光直接进行切除加工.切削加工主要采用单晶金刚石刀具,磨削加工主要采用金刚石砂轮,而抛光主要采用游离磨料.每一种方法都是在工件表面沿着非球面的三维坐标轨迹对工件逐渐进行切除加工.一般是先在数控机床上将非球面形状加工成型,然后在保持形状精度不变的情况下将其抛光,减小其表面粗糙度[4].但是,这种游离磨料抛光方式会消耗大量的加工时间,无法进行规模生产.美国Precitech I nc.公司生产的超精密多轴自由曲面加工机床不需抛光就可以使光学非轴对称非球面零件的加工精度达到亚微米级乃至纳米级的范围[5].近来,全部省去游离磨料抛光方式进行直接切削或磨削来达到最终的形状精度和表面粗糙度,即利用延性域加工原理进行镜面切削和镜面磨削的研究已经取得了许多新的进展.2.1 非球面超精密加工机床的构造最新的研究结果表明,为了实现硬脆性材料的精密切除加工就要求材料的切除深度始终保持在临界延性域(ductile-mode)切深以下的范围,一般要求亚微米级以及亚微米级以下.这也就是要求加工机床能够控制工件进给量在微米级甚至亚微米级以下.采用空气静压和油静压轴承配制高精度(直线度,表面粗糙度)摩擦系数小的V-V滚动滑道和高精度(圆柱度,圆心度)传动杆可以使导向机构到达10～20nm以内的波动[3].图2中所示的为空气差压圆柱立轴的工作结构图.空气静压轴承可以使低速运动时无震动.利用d1,d2,p能够进行克单位的力调节,可以达到与水平结构一样的纳米级的微小波动.工件回转轴最合适采用空气静压形式,安装内置电机可以消除传递转动带的振动,可以达到轴方向和径向方向小至10nm的偏心振幅.图2 空气静压轴的工作原理Fig.2 Wor king p rinciple of air-p ressure axis2.2 单点金刚石切削单点金刚石切削是在精密数控机床上同时控制x和y两轴的运动,将旋转工件切除成非球面体,如图3(a)所示.通常应用于加工激光反射的非球面铜镜面和塑化玻璃非球面金属模具.最近的研究表明,弧形单晶金刚石刀具的圆弧包络线切削法可以应用到硬脆性材料的非球面超精密切削中[6],但是,必须要求金刚石刀具进给量非常小(小于1～2μm/r),这就会花费非常长的切削时间,导致单晶金刚石刀具的急剧磨耗.然而,平面形单晶金刚石刀具的直线包络线切削法在加工非球面59第2期谢 晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测单晶硅镜头时可以较大幅度地加大金刚石刀具进给量(20μm/r ),提高加工效率,其非球面的表面粗造度达到16nm ,形状精度(PV 值)可达到1.36μm [7].2.3 弧形金刚石砂轮磨削加工在磨削加工方面,无论对于硬脆性材料还是金属材料,采用弧形金刚石砂轮在一定的行走轨迹和修整条件下都可以在数控机床上实现非球面的成形加工.最新研发的几种弧形金刚石砂轮成型磨削方法可以大致分为交叉磨削法、平行磨削法、倾斜磨削法、球面砂轮磨削法和斜轴圆柱砂轮磨削法[8～10],分别如图3(b ),(c ),(d ),(e )和(f )所示.图3 光学非球面成形加工方法Fig.3 Form machining methods of optical asp heric surface交叉磨削法的加工表面粗造度较差,为此,将砂轮轴旋转90°使砂轮周速与工件速度方向平行进行磨削,即采用平行磨削法.实验结果表明,平行磨削法比交叉磨削法能获得更好的表面加工质量[9].倾斜磨削法是将砂轮轴倾斜一定角度适用于加工更深的凹形非球面.球面砂轮磨削法是利用砂轮球面按照非球面的运动轨迹与工件点接触进行磨削加工,它能使球面的砂轮均衡摩耗,形状精度可达到0.089μm [10],但球面砂轮成形修整比较困难.斜轴圆柱砂轮磨削法[9]是采用小直径砂轮加工很深的凹面,主要用于光通讯,医疗器件等3m m 以下的小口径非球面的加工.3 光学非球面的形状精度光学非球面器件的形状精度要求在几到几十厘米的范围内达到1μm 以下[11].图4表示了一些应用于不同领域的非球面光学器件的尺寸大小及其必要的加工精度.可以看到非球面光学部件正在向小型高精度化和大型高精度化方面发展.但是,现有的加工工具,加工工艺及加工设备常常无法保证更小或更大尺寸的产品达到高精度.这主要是因为以下原因造成了设计形状与加工形状的差异.(1)机床的运动误差和切削刀具/金刚石砂轮的磨耗;(2)非球面中心和外围的不同加工条件;(3)切削刀具/磨削砂轮的形状测试误差;(4)加工形状的测试误差;(5)三维坐标系与加工点的漂移;(6)加工力引起的变形和加工热产生的热变形.图4 光学非球面的尺寸与形状精度Fig.4 Op tic asp heric size a nd its f or m accuracy为消除这些因素的影响,使其与设计值的形状误差缩小到1μm 以下,往往利用被加工的非球面形状的检测信息进行多次的误差修正.非球面加工中可能需要几十次的测试和修正才能达到目标精度,也就是说,没有高精度的测试手段也就无法加工出高精度的光学非球面器件.但是,传统的三维测试仪的测试精度只能达到5μm ,而且大多只能检测球面和平面[13].因此,最近非接触三维形状测试手段已经可以在行走精度为0.1μm 的水平面上检测垂直方向精度为0.05μm 以下的非球面的形状精度[11,12].69华南理工大学学报(自然科学版) 第32卷4 非球面的非接触测试仪通常,非球面的加工形状测试主要采用接触式测定方式.它的动态测试范围较大,但容易损伤工件表面,特别不易检测断口,且超硬材料易损伤探头.因此,非接触三维形状测试的研究开始得到了广泛的重视.但是,非接触测试无法检测到陡峭的斜面,且非球面材料的颜色和反射率也会产生散乱导致数据误差.针对这些问题,最近研制的光干涉形状测试仪,激光形状测试仪和原子力探针测试仪能够在纳米级范围内检测非球面的三维形状.4.1 非接触光干涉三维形状测试仪非接触光干涉三维形状测试构造如图5(a )所示.其原理是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[12].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置.利用这种原理,垂直移动参照镜观察测试面上的CCD 各点的干涉条纹,确定其等光路位置,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.若在白色干涉计中处理干涉强度并进行频域解析,不仅能够检测粗糙面及断口面,而且还能够检测超精密加工的工件表面.白色干涉计测试仪的横向行走精度一般为0.6μm ,垂直移动精度可达10nm.图5 非球面的非接触检测方法Fig.5 N on-contact measure me nt met hod of asp heric surf ace4.2 非接触激光三维形状测试仪非接触激光测试构造如图5(b )所示.激光通过显微镜镜筒,从物镜的一端开始向光轴中心聚焦,再由工件反射后经物镜返回,在聚焦A F 感应器聚焦成像.然后,通过移动物镜使激光点最小且达到光轴心确定垂直方向的位置.此时,将聚焦点的xyz 坐标以线性形式输入到计算机,获取非球面表面的三维形状数据.测试精度直接取决于工作台面向工件聚焦的移动精度.此外,在非接触激光显微镜上安装微分干涉光学系统,利用可视光能够检测出数纳米级的凸凹程度,并且可以在1nm 的范围内定量地评价表面粗糙度.非接触激光三维形状测试仪N H-3S P 的水平面的测试精度为1+5L /120μm (L 为测量长度);垂直方向的测量精度在10m m 以内为1μm [13].4.3 原子力探针测试仪原子力探针测试构造图如图5(c )所示.这种方法是根据原子间排斥力通常保持一致的原理,利用探针与物体的原子间排斥力的作用接近测试表面,从而确定非球面表面的三维形状[11].在测试装置上,将重0.2mg 的微型空气滑道用弹簧悬挂,用安置的反射镜对具有波长安定性的激光进行聚光,采集反射光的聚焦误差信号,驱动垂直方向的步进空气滑道,使误差信号接近于零,最终确定垂直方向的坐标.因为原子力探针测试的原子间排斥力仅有30mg ,所以对测试面几乎没有损伤,近似于非接触检测.最大的特点是测试精度不受材质、反射率和表面粗造程度的影响.但是,测量精度与测量范围和测量面角度有关[11].例如,水平测量范围的精度,100mm 以下为0.05μm ,100～200mm 之间为0.1μm ,200～400m m 之间为0.3μm ;测量面倾斜角度的精度,30°以下为0.01～0.05μm ,30°～45°之间大于等于0.1μm ,45°～60°之间大于等于0.3μm.5 结束语光学非球面加工正朝着高精度大型化和高精度小型化方向发展.精密数控机床、硬脆性材料延性域79第2期谢 晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测加工原理和非接触精度检测是光学非球面加工形状精度达到亚微米级及亚微米级以下的技术保证.此外,超精密加工和高精度检测在开拓高增值的复杂光学自由曲面以及特殊形状液晶光导板的模具加工方面将会发挥先导作用.参考文献:[1] Ta na ka K.Rece nt t re nd of asp heric p rocessing tech2nology[J].Scie nce of Machine,2002,54(3):11-20.[2] 罗松保,张建明.非球面的超精密加工与测量技术的研究[J].制造技术与机床,2003,494(9):58-61.[3] Toya ma T.Develop me nt of ult ra-p recision grinder f ormachining asp heric surf ace[J].Toyota MachineryRep ort,1992,32(3):8-18.[4] Suzuik H,Hara S,Matsunaga H.Study on asp hericalsurf ace p olishing using a small rotating t ool-develop2me nt of p olishing syste m[J].J our nal of t he J ap a n So2ciety f or Precision Engineering,1993,59(10):1713-1718.[5] 李荣彬,杜雪,张自辉,等.光学自由曲面的超精密加工技术及应用[A].2003年机械工程学会年会论文集[C],深圳:机械工程学会,2003.15-19[6] Suzuik H,Kitajima T,O kuya ma S.Study of p recisioncutting of axi-symmet ric asp herical surf ace-eff ect oft ool errors on wor kpiece f or m accuracies a nd its com2 pe nsation met hods[J].J our nal of t he J ap a 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Key words:asp heric surf ace;sup er-p recision machi ni ng;op tic p a rt;non-contact measure me nt;si ngle-p oi nt dia mond cutti ng;a rc dia mond gri ndi ng w heel89华南理工大学学报(自然科学版) 第32卷。
光学非球面超精密磨削质量控制技术研究
量和 加工效 率 ， 被认 为 是 加 工技 术 上 的一 次 重 大 这
突破 ｏ
非球 面 光学元 件 的 加 工 ， 国 内外 都 可 以采 用 金 刚 在
石 超精 密 车削来 完成 ； 对于 光学 玻璃 ， 晶玻璃 及 而 微
已有 的 研 究 表 明［” ， 脆 材 料 在 加 工 过 程 中 １ 硬 ’ 存在三 种 材料 去除方 式 ：） 碎切 屑 ： 加工 表 面是 １崩 被 由于加 工工 具作 用 造 成 材 料 脆 性 断 裂 而形 成 切 屑 ； ２ 塑性 变形 切 屑 ： 加工 表 面在 加 工 工 具 作 用 下形 ） 被 成塑性 剪 切变形 而形 成 连 续 的 塑 性 切 屑 ； ） 碎 和 ３崩 塑性 变形 切 屑同 时存在 。只有 在加 工过 程 中稳定 地 形 成塑 性 变形切 屑 ， 即所谓 的塑性 域加 工 ， 才能 获得 高质量 的 光滑表 面 。
的微 晶玻 璃 内 非 球 面 ， 工表 面粗 糙 度 Ｒ ３ｍ。 加 ａｎ 关 键 词 ：超 精 密 磨 削 ；非 球 面 加 工 ；质 量 控 制 ；微 晶玻 璃 中图 分 类 号 ：Ｔ ５０６ Ｇ ８ ． 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ： ０．３８ ２０ ｌｕ－２２０ １ ０１２ （０６ Ｓｐ０２ —５ ０
维普资讯
第２ ７卷 增 刊 ２０ ０ ６年 １ ２月
宇 航 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｔｏ ａ ｔ ｓ ｏ ｒ ａ ｆＡｓ ｎ ｕｉ ｒ ｃ
Ｖｏ ． ７ １２
Ｓ ｐ． ｕ
Ｄｅ ｅ ｅ ２ ｏ ｃ ｍｂ ｒ ０６
光 学 非球 面超 精 密磨 削 质 量控 制 技 术研 究
对 于硬 脆 材 料 来 说 ， 表 面 的 微 裂 纹 数 少 于 其
高精度非球面透镜的加工与检测
高精度非球面透镜的加工与检测摘要：针对非球面透镜高精度的加工需求，提出了一种组合式抛光技术。
在采用不用研抛参数的条件下将自动化研抛系统与离子研抛机相结合，从而提高了系统对非球面透镜的加工能力。
通过仿真分析与实验测试，验证了提高表面精度的设计理念。
关键词：透镜加工；非球面；离子抛光机；仿真计算1 引言大口径不是球面的元件由于具有不需要中心遮蔽，可以改善成像质量，让系统结构更简单等优点，现已是空间相机和超大功率的激光器等光学装置的重要器件之一[1]。
随着科学技术的进步，目前的大尺寸光学系统在器件表面质量、加工效率方面都有了很大的提高，远超出古典光学在系统设计中的要求从频域上看，光学器件的制作误差可分为低频段的误差、中频段的误差还有高频段的误差三种。
中频段的误差可分为两个频段：SD1、PSD2。
分段的频率是0.4 mm-1。
高频相位的误差在8.3到100 mm-1之间[2]。
大口径不是球面零件的常规加工工艺是采用铣磨出形状、散粒研磨和抛光等工艺，使其达到与球面形态最接近，然后采用人工修整抛光或者数控机床把球面再变成非球面。
这种把零件抛光成球面，然后再从球面到非球面的加工方法存在着很大的缺陷。
2 设计思路为解决以上问题，改善非球面的加工效率和精确度，各种先进的工艺技术（抛光技术例如磁流变、离子束、气囊、等离子体技术等）被开发出来并且迅速发展。
同时，以先进的制造技术为基础，开发了多种工艺的加工方法。
位于英国的Zeeko公司的Walker等人提出了一种利用超精密研磨加气囊抛光的技术来加工欧洲大型望远镜制造所需要的大型非球面零件。
所制得的米级口径的六边形不是球面光学器件的面形误差PV可达62纳米， RMS可达11纳米。
位于美国的QED公司的 Dumas等人[3]提出了一种新的抛光工艺，即将 MRF技术与常规的沥青抛光技术相结合，应用于非球面研磨出形以后再抛光的加工。
为了满足高精确度批量生产离轴型的非球面零件需求，本文研究了一种混合的抛光工艺，以达到高效率生产非球面零件的目的。
高精度光学非球面加工
1.
1. 2. 3.
谢谢！ 不妥之处，请大家指正！
通过非球面铣磨，抛光完成非球面加工，仍是现在主 要的加工方法，而且主要工作量逐渐改变传统手工的 模式，向数控的方向转变； 该技术发展的历史比较长，成熟的设备较为全面，如 德国Satisloh， Schneider公司和Optotech等公司推 出不同类型的铣磨和抛光机床；我国也开展了大量数 控技术的研究 不仅在数控设备自动话和加工精度方面取得了很大的 进展，各种不同抛光方法和原理的研究，极大的推动 了光学非球面加工技术的发展
一、数控铣磨和抛光技术
数控抛光技术之一经典小磨头抛光：
相对于数控铣磨而言， 抛光技术更加重要，因 此开展的研究工作更为 广泛，工作原理多种多 样，左图为行星式抛 光，早期的抛光头为沥 青，因此本文暂且称之 为经典小磨头抛光。
一、数控铣磨和抛光技术
数控抛光技术－－经典小磨 头抛光：
小磨头行星式抛光的优点： 1. 设备造价相对较低； 2. 控制系统和工作环境要求较低； 缺点： 1. 无法进行超光滑加工； 2. 抛光头工作状态容易改变，抛光函数不稳定，不 利于数控。
二、单点金刚石车削技术
1. 2. 3.
主要生产厂家： 美国MOORE TOOLS公司 英国TYLOR HOBSON公司 日本TOSHIBA MASHINARY 公 司
二、单点金刚石车削技术
250UPL金刚石车床
工作原理图
二、单点金刚石车削技术
三、模压技术
利用预先制造的磨具，将已经软化的低熔点 玻璃压制成所需面形。
一、数控铣磨和抛光技术
数控抛光技术－－流体抛光
使用含有抛光颗粒的流体进行加工，该方法并未获得广泛应用，个 人以为，去除函数不理想以及仅能抛光小口径非球面镜限制了其应 用。
非球面光学零件超精密加工技术
修整 电源 、 电解修整 电极 、 电解液（ 兼 作磨削液） 、 接电 电刷 和机床设备 。 磨削过程 中， 砂轮通过接 电电刷 与电源的正极相接 ， 安装在机床上 的修 整电极与电源 的负极相接 ， 砂轮 和电极 之间浇注电解液 ， 这样 ， 电源 、 砂 轮、 电极 、 砂轮和电极之间的电解液形成一个完整的电化学系统。 采用 Ｅ Ｌ Ｉ Ｄ磨 削时 ， 对所用 的 砂轮 、 电源 、 电解液 均有 一些 特殊要 求。要求砂 轮 的结合 剂有 良好 的导电性和 电解 性 、 结合剂元 素的氢氧
Ｒａ ３ Ｏ ｎ ｍ
试论工程旋工【 ｌ 】 的 清 单 运用 与成 本控 制
青海 交通 建设 工程有 限公 司 王 一然
［ 摘 要］ 针对 目前建筑工程施工项 目 成本 管理 中存在 的一些 问题 ， 本文提 出了使 用工程量清单计算成本 ， 用质量管理和 范围管理控 制成本 ， 用目 标成本法控制成本等措施并做 出简要分析。 ［ 关键词］ 工程施工 清单 成本 控制
装置 ， 它可 以满足单点和延性磨 削两个 方面的使用 要求 ， 通过合理化机 床结构设计 、 利用 高刚度伺服驱动 系统和液体静 压轴承使机 床具有较 高的闭环 刚度 ， ｘ和ｚ 轴 的分辨 率为 １ ． ２ ５ ｎ ｒ ｎ ， 这个机床被认 为是符合现 代工艺规范 的。Ｃ Ｕ Ｐ Ｅ 生 产的 Ｎ ａ ｎ ｏ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ 非球 面光学零件加 工机床 ， 加 工直 径达 ６ ０ ０ ｍ ｍ。面型精 度优 于 ０ ． １ ｔ ｘ ｍ， 表 面粗 糙度优 于 Ｒ ａ ０ ． Ｏ １ Ｉ ｘ ｍ。 Ｃ Ｕ Ｐ Ｅ 还为美 国柯 达公 司研究 、 设计 和生产 了当今世界上最大的超精密 大型 Ｃ Ｎ Ｃ 光学零 件磨 床“ ０ Ａ Ｇ Ｍ ２ ５ ０ ０ ” ， 该机 床主要 用于 光学玻璃 等硬 脆材料 的加 工 ， 可加丁 和测量 ２ ． ５ ｍ× ２ ． ５ ｍ× ０ ． ６ １ ｍ的工件 ， 它能加工 出 ２ ｍ见方 的非对称 光学镜 面 ， 镜 面的形状误 差仅为 １ Ｉ ｘ ｍ 。Ａ Ｈ Ｎ ６ ０ －３ Ｄ 是一 台 Ｃ Ｎ Ｃ 三维截形磨 削和车削机床 ， 它能在 ｘ、 Ｙ和 ｚ 三轴 控制下磨 削和车 削轴 向对称 形状的光学零 件 ， 可 以在 ｘ 、 Ｙ和 ｚ 轴二个半 轴控制 下磨削和车削非轴对称光学零件 ， 加工工件 的截形精度为 ０ ． ３ ５ ｕ ｎ ｌ ， 表面 粗糙度 达 Ｒ ａ ０ ． ０ １ ６ ￣ ｍ。另 外东芝 机械研 制 的 ｕ Ｌ Ｇ 一１ ０ ０ Ａ （ Ｈ ） 超精 密复 合加工装置 ， 它用分别控制两个 轴的方法 ， 实现了对非球面透镜模具 的 切削和磨削 ， 其 ｘ轴和 ｚ 轴 的行 程分别为 １ ５ ０ ｍ ｍ和 １ ０ ０ ｍ ｍ， 位置反馈元 件是分辨率为 ０ ． ０ １ Ｉ ． ｔ ｍ的光栅。 ｆ ２ ） 非球面光学零件的 Ｅ Ｌ Ｉ Ｄ镜面磨 削技术
非球面加工技术
式中， 是非球面顶点处的曲率； 表示非球面上任一点到光轴 的距离； 是二次曲面系数，它与二次曲面的离心率 有关， 值的不同则表示不同形状的非球面，如图1.2
图1二次曲线
当K=0时，表示为一个圆，如图1.2中曲线1；
当K>0时，表示椭圆。如图1.2中曲线2；
当-1K<0时，表示抛物线。如图1.2中曲线3；
该技术可以加工出符合光学质量要求的非球面光学零件，主要用于加工中小尺寸、中等批量的光学零件，其特点是生产效率高、加工精度高、重复性好。采用该项技术，可以加工120mm以下的光学零件，面形精度达l/2～1，表面粗糙度的均方根值为0.3～0.1um。目前实验室非球面铣磨采用德国LOH公司的设备，该设备精度高，细磨后，面形精度可达1um，粗糙度RMS小于200nm
非球面的研磨抛光是采用机修与手修结合的方法，特别是在最后的面形修抛阶段更是完全依靠加工者的经验进行手修。这种传统的非球面抛光工艺不仅周期长，劳动强度大，效率低。而且手修的过程不容易控制，抛光精度取决于技术人员的经验，对加工者的个人经验和能力要求很高。
3
射流抛光技术[13－15]（Fluid Jet Polishing，简称FJP）是近几年来刚刚提出用于先进光学制造业的新方法，是在磨料射流技术的基础上发展起来的集流体力学、光学制造、表面技术于一体的先进光学加工工艺，属于非接触式抛光方法。它是利用由小喷管喷出的混有磨料粒子的高速抛光液作用于工件表面，借助于磨料粒子的高速碰撞剪切作用达成材料去除的目的。通过控制液体喷射的压力、方向及驻留时间等来定量的修正被加工工件面形的光学加工工艺。图1.3为液体喷射抛光的实验原理图。混有磨料粒子的抛光液经高压泵加速后，以极高的速度从喷管喷出射向工件表面，与工件发生碰撞，对工件表面进行抛光。碰撞结束后，磨料粒子随水流回流到收集器，循环往复，可对工件进行连续抛光。在喷射抛光过程中，高速磨料粒子如同一把把微小的柔性车刀，对工件表面进行切削、刻划加工。
光学非球面先进制造关键技术的探讨
光学非球面先进制造关键技术的探讨
光学非球面先进制造关键技术是光学领域的一个新领域，它已经成功应用于多
种领域OK。
要想实现光学非球面先进制造关键技术，必须从理论到工艺实施等方
面都考虑到。
首先，在理论上，需要熟悉基础知识，例如像素阵列的光学技术、怎样在硬信
息和软信息（虚拟信息）之间传输信息等等。
同时，还要特别注意，此项技术的理论基础还比较薄弱，实际应用中也会出现很多新问题，需要时刻谨慎，多思考问题。
其次，到了实现阶段，就需要借助合理的工艺及设备，解决制作出精度要求高、参数范围宽的光学非球面先进结构产品。
这一步骤必须在制定精确的工艺流程及技术参数的基础上，全程监控并调整每一步的制作关键技术；同时，还要对复杂工艺进行全程控制，尤其是在调节环境变量这一方面，要充分考虑可能存在的随时变化，以确保制造出的光学特性符合预期。
最后，制造出的光学非球面先进结构产品，要对其光学参数逐项进行检测、比对；优化工艺，确保制作出的光学非球面先进结构达到设计要求。
从现有技术看，光学非球面先进制造关键技术确实不容易，只有经过理论上精
心构思，工艺及设备精益求精，甚至是多方交流，方能把光学非球面先进制造关键技术发挥出更大的价值。
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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。
近年来，该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨产业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。
为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。
2．非球面零件超精密切削加工技术
美国Union Carbide公司于1972年研制成功了R―θ方式的非球面创成加工机床。
这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角θ和半径R，实现非球面的镜面加工。
加工直径达φ380mm，加工工件的外形精度为±0.63μm，表面粗糙度为Ra0.025μm。
摩尔公司于1980年首先开发出了用3个坐标控制的M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工直径356mm的各种非球面的金属反射镜。
英国Rank Pneumo公司于1980年向市场推出了利用激光反馈控制的两轴联动加工机床(MSG―325)，该机床可加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加工工件外形精度达0.25-0.5μm，表面粗糙度Ra在0.01-0.025μm之间。
随后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等机床，该公司又在上述机床的基础上，于1990年开发出Nanoform600，该机床能加工直径为600mm的非球面反射镜，加工工件的外形精度优于0．1μm，表面粗糙度优于0.01μm。
代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美国劳伦斯．利弗莫尔(LLNL)实验室于1984年研制成功的LODTM，它可加工直径达2100mm，重达4500kg的工件其加工精度可达0.25μm，表面粗糙度Ra0.0076μm，该机床可加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚变工程所需的零件、红外线装置用的零件和大型天体反射镜等。
英国Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金刚右镜面切削机床，可以加工大型X射线天体看远镜用的非球面反射镜(最大直径可达1400mm，最大长度为600mm的圆锥镜)。
该研究所还研制成功了可以加工用于X射线看远镜内侧回转抛物面和外侧回转双曲面反射镜的金刚石切削机床。
日本开发的超精密加工机床主要是用于加工民用产品所需的透镜和反射镜，目前日本制造的加工机床有：东芝机械研制的ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、丰田工机的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非球面加工机床等。
3．非球面零件超精密磨削加工技术
3.1 非球面零件超精磨削装置
英国Rank Pneumo公司1988年开发了改进型的ASG2500、ASG2500T、Nanoform300机床，这些机床不仅能够进切削加工，而且也可以用金刚石砂轮进行磨削，能加工直径为300mm 的非球面金属反射镜，加工工件的外形精度为0.3-0.16μm，表面粗糙度达Ra0.01μm。
最近又推出Nanoform250超精密加工系统，该系统是一个两轴超精密CNC机床，在该机床上既能进行超精密车削又能进行超扬密磨削．还能进行超精密抛光。
最突出的特点是可以直接磨削出能达到光学系统要求的具有光学表面质量和面型精度的硬脆材料光学零件。
该机床采用了很多先进的Nanoform600、Optoform50设计思想，机床最大加工工件直径达250mm，它通过一个升高装置使机床的最大加工工件直径达到450mm，另外通过控制垂直方向的液
体静压导轨(Y轴)还能磨削非轴对称零件，机床数控系统的分辨率达0.001μm，位置反馈元件采用了分辨率为8.6nm的光栅或分辨率为1.25nm的激光干涉仪，加工工件的面型精度达0.25μm，表面粗糙度优于Ra0.01μm。
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。
近年来，该项工作开展较好的单位有北京机床研究所、中国航空精密机械研究所、哈尔滨产业大学、中科院长春光机所应用光学重点实验室等。
为更好的开展对此项超精密加工技术的研究，国防科工委于1995年在中国航空精密机械研究所首先建立了国内第一个从事超精密加工技术研究的重点实验室。