非球曲面的超精密加工工艺及加工系统的研究

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大型光学非球面超精密磨削的几何模型研究

第25卷第6期2004年11月兵工学报ACTA ARM AM EN TA RII Vol .25N o .6Nov .　2004大型光学非球面超精密磨削的几何模型研究韩成顺　董申　唐余勇(哈尔滨工业大学机电学院,黑龙江哈尔滨,150001)摘要　大型光学非球面元件的特殊优越性使其在现代光学系统中是不可替代的,实现高效率、更经济的生产以满足对其数量与质量的迫切要求是光学元件的制造面临的一大难题。

二轴联动的超精密数控机床是用来加工轴对称非球面光学元件的,若在工件主轴上安装可以精确给出旋转角度的码盘,并使用金刚石砂轮就可以用来进行非轴对称非球面的超精密磨削加工。

在对轴对称与非轴对称两种不同非球面的曲率分析基础上,给出了两种曲面加工相应的几何模型。

通过计算机仿真验证了该加工方法的简便与可靠性。

对二轴联动的超精密数控机床的技术改造可以实现三维加工,为提高效率、降低设备投入提供了依据。

关键词　机械制造工艺与设备;大型光学非球面;非轴对称非球面;超精密磨削;几何模型中图分类号　TG580.6 光学非球面有矫正像差、简化系统、提高光学系统精度的特点,因此广泛应用于航天、航空、国防等工业。

随着科学技术与国防工业的发展,高精度大型非球面元件的需求正与日俱增,然而,大型非球面特别是非轴对称光学元件的制造面临着难度大、效率低、成本高、加工程序复杂[1]等难题。

一种新的硬脆光学材料的加工方法———超精密磨削技术,可克服传统研抛加工的生产效率低,成本高等缺点,在高刚度超精密机床上,用经过精密修整的金刚石砂轮直接磨削出能达到光学系统要求的光学零件[2～5],且具有良好的经济性。

如何降低成本又能满足加工要求是本文讨论的中心。

根据轴对称非球面的轴对称性采用加工简便的二轴联动超精密数控设备,并通过对其技术改造实现非轴对称非球面的加工,给出数控磨削加工大型非球面光学元件的几何模型。

1　超精密磨削系统超精密机床如图1.1((1)底座;(2)立柱;(3)砂轮;(4)横向导轨;(5)纵向导轨;(6)夹具;(7)工件;(8)主轴)所示。

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。

非球面加工工艺实验研究

非球面加工工艺实验研究朱振涛，于正林（长春理工大学机电工程学院，长春130022）摘要：由于非球面零件本身的特殊性和复杂性，较球面零件加工更加困难。

基于自主研发的切线法数控成形非球面机床，分析加工零件表面精度的影响因素。

采用单因素法分别对砂轮参数、冷却液影响因素进行分析，着重分析砂轮磨损和磨轮转速误差。

严格控制加工过程中所产生的误差，避免由于过多误差影响最终零件的面形精度和表面粗糙度，优化工艺流程。

关键词：非球面；数控机床；表面精度；工艺流程中图分类号:TH706文献标志码:粤文章编号：员园园圆原圆猿猿猿（圆园员9）03原园017原园3 Experimental Research on the Processing Technology of Aspheric SurfaceZHU Zhentao,YU Zhenglin（Changchun University of Science and Technology,Changchun130022,China）Abstract:Due to its particularity and complexity,it is more difficult to process aspherical parts than spherical parts. Based on the self-developed tangent NC forming aspherical machine tool,this paper analyzes the influencing factors of the surface precision of the machined parts.The single factor method is used to analyze the parameters of the grinding wheel and the coolant.The grinding wheel wear and the grinding wheel speed error are analyzed.The errors generated during the machining process are strictly controlled to avoid the surface accuracy and surface roughness of the final part due to excessive errors,and the process flow is optimized.Keywords:aspherical surface;NC machine tool;surface accuracy;process flow0引言近些年来，非球面光学零件凭借自身的光学特性和无与伦比的成像效果，使其在军事、民用和航天等领域成为不可或缺的光学器件。

数控加工中非圆曲面加工工艺研究

进行三维零件造型，然后根据使用的数控机床和刀具输入正确的加工参数就可以生成正确的数控加工程序。只要造型和刀具参数正确，就基本上能加工
出正确的零件，在电脑屏幕上看到的形状，就是加工出来的产品形状了，正是由于它的这种直观性，更便于制造工程师进行工艺分析，制定出最佳的工艺方案。ＣＡＤ／ＣＡＭ软件的这种特性同样可用来为数控手工编程服务。以椭圆加工为例，如图１所示。
第２９卷第１４期２０１３年７月
甘肃科技
ＧａｎｓｕＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌ
０ｒｆ．２９
＾ｒＤ．１４
１试．２０１３
数控加工中非圆曲面加工工艺研究
程，２００６． Nhomakorabea［３］王睿．ＭａｓｔｅｒＣＡＭ９实用教程［Ｍ］．北京：人民邮电出
版社，２００７．
［４］周志强．模具数控加工技术［Ｍ］．北京：高等教育出版
社，２００２．
（上接第４５页）
８
计算，生成加工程序传送到数控机床进行零件加工。手工编程产生的数控程序比较简练，适合加工一些
相对比较简单的零件，而加工比较复杂的曲线、曲面等要编写较复杂的宏程序，所以对数控编程也提出了更高的要求。一般都是利用二维的零件图纸进行工艺分析，技术人员在分析一些具有复杂曲面的零件时，往往难以想象零件的空间三维形状，难以进

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］。

非球面光学零件超精密加工技术1

非球面光学零件超精密加工技术非球面光学零件超精密加工技术导读: 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比拟的良好的成像质量。

镜等。

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。

关键字非球面光学零件超精密加工1、概述、概述1.1 非球面光学零件的作用零件的作用非球面光学零件是一种非常重要的光学零件，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、常用的有抛物面镜、常用的有抛物面镜、双曲面镜、双曲面镜、双曲面镜、椭球面镜椭球面镜等。

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，很好的矫正多种像差，改善成像质量，改善成像质量，改善成像质量，提高系统鉴别能力，提高系统鉴别能力，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代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。

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。

非球面光学零件在军用和民用非球面光学零件在军用和民用光电光电产品上的应用也很广泛，如在摄影如在摄影镜头镜头和取景器、电视摄像管、视摄像管、变焦变焦镜头、电影放影镜头、卫星红外望远镜、录像机镜头、录像和录音光盘读出头、条形码读出头、头、条形码读出头、光纤通信光纤通信的光纤接头、医疗仪器等中。

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，出现了许多种新的非球面超精密加工技术，主要有：年代以来，出现了许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问题。

非球面模具超精密补偿加工技术

非球面模具超精密补偿加工技术尹韶辉;李海峰;陈逢军;王宇【摘要】为了实现非球面模具的超精密数控加工,研究了加工轨迹算法原理及整个软件系统的结构与实现.提出了基于表面粗糙度均匀化的工件进给速度控制法,分析了工具磨损误差和工件形状误差,重点提出了误差补偿方法,同时也讨论了采用砂轮平行磨削法时避免加工干涉的方法.软件能生成高精度的加工与补偿加工数控程序文件.最后,在一台镜面磨床上实验加工直径为6 mm的碳化钨透镜模具,经过多次补偿加工后,获得了谷峰值为0.123 μm, 误差均方根为0.021 μm的表面形状精度.【期刊名称】《纳米技术与精密工程》【年(卷),期】2010(008)005【总页数】6页(P433-438)【关键词】超精密加工;平行磨削法;形状误差补偿;非球面光学模具;数控编程软件【作者】尹韶辉;李海峰;陈逢军;王宇【作者单位】湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082;湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082;湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082;湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,长沙,410082【正文语种】中文【中图分类】HT74非球面的超精密加工技术研究一直是制造领域的热点和难点.从20世纪60年代以来，国内外有关专家投入了大量的人力物力，在美国、日本、欧洲等发达国家已经有了成熟的超精密磨削装备及工艺研究成果，而我国超精密磨削技术还处在起步阶段[1-2]，还没有真正投入实际生产应用的超精密机床产生，在工艺方面的研究还未能真正深入下去.超精密磨削技术的研究可分为两方面：一是机床硬件的开发；二是具有补偿功能的高精度数控软件系统的开发.目前国外的大部分硬件都能够达到实际应用要求，国内相关企业院校也在积极研究[3]；对于软件部分，国内还停留在理论方面的研究，自主开发的能够非常成功地进行非球面超精密补偿加工的软件还非常欠缺，因此开发产品的软件部分显得尤为重要，这也是自主产品开发的瓶颈问题之一.本文中主要从计算机数控软件开发方面来实现非球面的超精密加工.以平行磨削工艺为基础，研究了非球面加工成形算法、加工补偿原理及软件的结构与实现.通过控制和优化加工路径，对加工过程中可能产生的误差与干涉分别采取补偿与避免措施，然后利用 C++Builder 设计开发出非球面自动加工补偿软件系统.利用该软件可以自动生成非球面加工与补偿加工数控 (numerical control， NC)程序.最后，通过实验加工直径为6 mm的小凹非球面碳化钨模具，经过多次的补偿加工后获得工件的形状精度谷峰值PV(peek-valley)为0.123 μm，误差均方根RMS(root mean square)为0.021 μm.软件运行稳定，数据处理效率高且与数控系统兼容性好，该软件适合非球面模具的超精密补偿加工，具有很好的应用推广前景.1 软件的算法分析和加工轨迹控制应用光学中各种形式的轴对称曲线方程都可以用一个一般的形式来表示.设光轴(即非球面的旋转对称轴)为Z轴，坐标原点取在顶点,则轴对称非球面曲线方程[4]为(1)式中：C=1/R， R为曲线的基圆半径；x为坐标变量；k为非球面圆锥系数.当C=0时，曲线为多项式曲线. N可根据实际需要选取，一般N取10即可满足高次非球面系数的要求.轴对称形式的非球面磨削加工常采用球头砂轮或直角砂轮作为磨削工具.本软件采用球头砂轮平行磨削法，加工时可以减少砂轮的磨损和工件表面、亚表面损伤及面形误差[5-6].由于工件可随轴旋转，只需要控制机床X、Z两轴或X、Z、B 3轴联动(B轴是安装在X轴上的水平旋转工作台)，就可完成非球面曲面形状加工.软件算法设计时，以待加工的非球面顶点为编程坐标原点，砂轮球头中心点为工具轨迹控制中心，编程时通过控制砂轮中心点o的运动产生工具路径.最后，将生成NC代码输入CNC控制器，控制机床X、Z、B坐标运动完成磨削加工.砂轮的移动速度有加工慢进给和退刀快进给两种，其走刀轨迹如图1所示，其中Rt为工件的半径，Rr为砂轮球头半径.程序算法中定义get_z(double(u))作为式(1)的计算返回函数.假设在非球面光学曲面中，某点P的X坐标为XP(i)，通过调用该函数就可以求得该点在曲面上的Z坐标值，即ZP(i)=get_z(XP(i)) i=1，2，…，n(2)设曲线轮廓某点的切线角(即曲线切线与X轴的夹角)为ang(i)，(XO(i),ZO(i))为工具中心坐标，(XP(i),ZP(i))为非球面曲线轮廓上加工点的坐标.根据简单的几何关系，可以得出工具中心点与磨削点之间关系，即(3)图1 刀具轨迹示意通过式(3)可将砂轮控制轨迹与工件目标轨迹联系在一起.在加工时通过设置X方向的加工步距，可以控制程序计算误差在所需要的精度范围内.为了提高算法精度，在计算轮廓切线角ang(i)时，采用解析法，通过求曲线方程式(1)的一阶导数的反正切，计算公式如下：ang(i)=arctan (dz)(4)(5)(6)实际加工时，由于工件加工点线速度不均匀，使得加工后工件表面的粗糙度不均匀，影响表面质量.在设计工具磨削进给速度时考虑了两种进给方式，一种是常规的恒速进给，另一种是基于粗糙度均匀化的变速进给.在图2中，v1、v2分别为靠近工件中心处工件加工点的线速度和砂轮进给速度.为使两者的合速度在加工过程中基本相等，当靠近工件边缘处工件加工点线速度增加到时，砂轮进给速度需减少到，才能使得合速度v=v′.为解决此问题，本文中通过控制工件加工点的圆周速度并转化为改变工具进给速度的方法来实现变速加工[7].利用易于实现的软件控制方法代替采用较贵的主轴伺服硬件调速技术达到的同样效果.算法流程如图3所示，其中u1和u2分别为刀具中心点和加工点的移动速度，mm/min；L1和L2分别为刀具中心和加工点相邻插补点的距离，mm；u为进给速度，mm/min；ω为工件回转速度，r/min；计算变量，r为实际加工点处工件半径.图2 磨削点合速度图图3 算法流程2 误差补偿与干涉避免2.1 砂轮磨损与轨迹修正在磨削加工过程中，影响工件表面轮廓精度的误差源包括砂轮的安装误差、砂轮路径及机床位置误差、砂轮的尺寸和轮廓误差、由于超精密机床的高刚度和高精度，砂轮的尺寸和轮廓误差是影响工具路径和工件面形精度的一个主要因数[8]，它们主要来源于砂轮的在机整形和整个磨削加工过程中的砂轮磨损.为了使工件达到高的轮廓和表面精度，砂轮的几何误差必须在下个磨削加工循环前进行精确测量和补偿.在图4中，加工前砂轮半径为R，加工后测得砂轮半径磨损量为ΔR，,为修正后砂轮中心的轨迹坐标，磨削点法线方向与Z轴夹角为β(i)，则补偿后的砂轮中心轨迹坐标为(7)图4 砂轮半径补偿示意(8)2.2 面形精度的补偿一般情况下，初次磨削加工后面形误差会比较大，为保证残余形状误差的快速收敛，提高加工精度，必要的形状误差补偿技术必不可少[9-10]，只有通过一次或多次形状误差补偿加工才能获得纳米级的加工表面精度.形状误差补偿通常采用“加工—测量—补偿—再加工”的循环过程.本软件中采用的加工补偿流程如图5所示：首先，在加工前对砂轮进行整形修锐，利用软件生成的初始刀具轨迹对工件进行磨削加工，接着利用轮廓测量仪对已加工面进行在位测量[11].软件在获得测量数据后，利用快速傅里叶变换(fast Fourier t`ransform，FFT)过滤去测量系统的随机误差，并将剩余离散数据拟合成一条将叠加于非球面母线上的误差连续曲线，并对比理想磨削刀具轨迹，计算出生成的形状误差数据.最后，根据形状误差数据对原有的刀具轨迹进行补偿，生成新的NC加工程序，再次对工件进行磨削，如此循环，直到形状精度达到要求为止.图5 误差补偿加工基本流程2.3 平行磨削干涉的避免在加工凸面非球面时砂轮半径大小不会对加工面造成干涉，本文中讨论加工凹面时的情况.由于非球面上每个点的曲率半径不同，为了避免工具头与曲面的干涉，要满足选用的砂轮的曲率半径小于或等于非球面曲率半径的最小值.设非球面曲率半径为R(i)，其计算式为(9)即要满足Rr≤min R(i).微小砂轮平行磨削时，还需要设置合适的砂轮倾斜角度来避免砂轮轴面与曲面的干涉.为了避免此干涉，需要满足砂轮的倾斜角α>max β(i).3 软件的实现与加工实验软件利用C++Builder 6.0作为开发工具，软件系统结构如图6所示，加工主程序界面如图7所示.图6 软件系统的结构图7 加工主程序界面实验加工采用凹面非球面，材料为碳化钨棒料，实验在一台4轴高精度磨床(见图8)上进行.实验前利用金刚石笔对砂轮进行修整.砂轮安装在机床主轴上，金刚石笔装在B轴旋转工作台上，金刚石笔尖沿砂轮轮廓运动的同时B轴转动，使金刚石笔的中心线与接触点法线重合，过程类似车削，如图9所示.图8 实验机床图9 砂轮修整实验时采用AFG-M水溶冷却液，其他实验参数见表1.为减少砂轮磨损，提高加工效率，粗加工时采用X-Z两轴联动包络形成非球面轮廓轨迹，精加工时使用X-Z-B 3轴联动保证砂轮与工件接触点的位置始终位于砂轮截面圆弧的同一位置上，减少砂轮半径误差对非球面面形精度的影响.设置好所有参数后，将软件生成的NC加工程序导入机床数控系统中进行磨削加工，加工完成后利用机床自带的高精度轮廓测量仪对工件表面进行形状精度在位测量，获取面形精度数据文件.表1 实验参数加工方法进给速度/(mm·min-1)步距/μm金刚石砂轮砂轮转速/(r·min-1)工件转速/(r·min-1)粗加工22#235(φ6mm)金属结合剂精(补偿)加工11#2000(φ6mm)树脂结合剂45000200粗加工获得的形状误差数据曲线如图10(a)所示(误差值的均方根RMS=0.216 μm，谷峰值PV=0.795 μm)，经过多次补偿加工后获得的形状误差曲线图如图10(b)所示，误差值的均方根RMS=0.021 μm，谷峰值PV=0.123 μm，形状精度有了较大的提高.利用Zygo干涉仪测量工件中心半径处结果如图11所示，加工后工件照片如图12所示.图10 工件形状误差曲线图11 Zygo干涉仪测量结果在相同的实验条件和加工参数下，由机床自带软件粗加工后形状误差曲线如图13(a)所示(误差值的均方根RMS=0.186 μm，谷峰值PV=0.540 μm)，同样经过补偿加工后形状误差曲线如图13(b)所示(误差值的均方根RMS=0.018 μm，谷峰值PV=0.122 μm).图12 工件照片图13 机床自带软件加工的工件形状误差曲线实验结果说明该软件生成的加工和补偿加工NC数据代码精度高，补偿效果明显，基本上接近国外先进的非球面加工机床自带软件加工出的工件精度，能够满足高精度的非球面模具加工的需要.4 结语对于一套适合高精度镜面磨削加工软件系统，成形算法是基础，误差补偿是关键.本非球面加工软件系统采用了高精度的插补算法，提出了变速进给加工方式，运用了误差在位测量与自动补偿技术，大大提高了加工精度.加工时采用平行磨削法，在减少砂轮磨损的同时，提高了加工质量.精加工时使用X-Z-B 3轴联动可减少砂轮半径误差对非球面面形精度的影响.通过对直径为6 mm的小型模具进行超精密微细补偿磨削加工实验，软件能够获得适合高精度加工及补偿加工程序，加工后的工件获得了较高的形状精度.该软件具有良好的工程应用前景.【相关文献】[1] 刘家豪，傅建中，陈子辰. 超精密加工的关键技术及发展趋势 [J]. 机电工程，2001, 18 (5) : 19-21.Liu Jiahao， Fu Jianzhong, Chen Zichen. 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高精度非回转对称非球面加工方法研究

为了降低加工难度，我们将偶次项改为此偶次非球面的最佳拟合球。最佳拟合球的方法拥有更大优势，在加工方面，由图可知此抛物面最大矢高为－１４３２９ｍｍ，因此其最佳拟合球曲率半径为９７１４６０ｍｍ，如图３所示，最大面形误差为２２μｍ，与前面所述方法去除量基本相同，球面的加工比非球面的加工更加容易，并且可以通过古典抛光方式修正表面中频误差，从而得到更好
第９卷第３期
中国光学
Ｖｏｌ．９Ｎｏ．３
２０１６年６月
ＣｈｉｎｅｓｅＯｐｔｉｃｓ
Ｊｕｎ．２０１６
文章编号２０９５１５３１（２０１６）０３０３６４０７
高精度非回转对称非球面加工方法研究
徐乐，张春雷，代雷，张健
（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室超精密光学工程研究中心，吉林长春１３００３３）
选用Ｕｎｉｎａｐ）加工的方式得到最终非对称非球面
面形。
为了保证加工效率，此方法只对非对称非球
面有较好的加工效果，因为在上述第二步中采用
Ｕｎｉｎａｐ抛光膜，此抛光膜的特点是不会引入中频
误差（尤其对４ｍｍ以下频段控制良好），但是去
除效率较低，因此如果非回转对称项于对称项偏
离量过大则会使得加工周期变长，影响加工效率。
示。由此可见，非回转对称项的面形误差为
±１．１μｍ，即加工时应去除最大量为２２μｍ。
非球面偶次项加工难度最大，因为偶次项同样是
非球面。并且，在检测过程中，由于面形为非回转
对称非球面，并且非回转对称项为一个４５°方向
的倾斜，因此在检测时没有基准面进行参考，也就

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Ｒ３ｍ。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：Ｔ５０６Ｇ８．文献标识码：Ａ文章编号：０．３８２０ｌｕ－２２０１０１２（０６Ｓｐ０２ —５０
维普资讯
第２７卷增刊２００６年１２月
宇航学报
ＪｕｎｌｏｔｏａｔｓｏｒａｆＡｓｎｕｉｒｃ
Ｖｏ．７１２
Ｓｐ．ｕ
Ｄｅｅｅ２ｏｃｍｂｒ０６
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。

非球面镜超精密测量与误差分析系统设计与研究的开题报告

非球面镜超精密测量与误差分析系统设计与研究的开题报告一、研究背景非球面镜是一种广泛应用于光学系统中的光学元件。

制造非球面镜需要高精度的加工和表面质量控制，其中表面形貌误差是制造过程中最难控制的因素之一。

同时，非球面镜的优劣直接关系到整个光学系统的性能，因此其精度检测是非常重要的工作。

目前，国内外已有很多相关的测量设备和方法，如Fizeau干涉仪、球差测量仪、三维扫描仪等，但这些设备和方法存在一定的局限性，如不能满足高精度、大尺寸、复杂形状等要求。

因此，开发一种非球面镜超精密测量和误差分析系统对于提高非球面镜加工和检测技术有着重要意义。

二、研究内容本研究的目的是设计并研究一种非球面镜超精密测量与误差分析系统，该系统可以实现对非球面镜表面形貌的高精度测量和误差分析，并且可以处理大尺寸、复杂形状的非球面镜。

具体研究内容如下：1.基础理论研究：主要研究非球面镜的形貌描述方法、相干光学干涉原理、非球面镜相位测量算法等。

2.硬件设计与制造：设计并制造非球面镜测量系统的核心器件和组件，包括光源、检测器、相干光路、指示器等。

3.软件开发：采用MATLAB等软件平台进行非球面镜测量数据的处理、分析和可视化，实现测量结果的自动化保存和报告生成。

4.误差分析方法研究：研究非球面镜测量误差的来源、分析方法和控制策略，提高非球面镜测量的准确性和重复性。

5.实验验证与分析：采用自行制造的非球面镜模型进行系统验证和数据分析，探索系统实际应用时的优化和提升方案。

三、预期成果本研究的预期成果包括：1.设计实现一套高精度、大尺寸、复杂形状非球面镜测量系统。

2.开发实现一套非球面镜测量数据分析和处理软件。

3.研究出有效的误差分析方法，提高非球面镜测量的准确性和重复性。

4.验证研究成果的实验结果。

四、研究意义本研究的主要意义在于：1.填补国内非球面镜测量技术空缺，提高非球面镜加工和检测技术的水平。

2.为实际光学系统中非球面镜的精确安装和调试提供科学依据和技术支持。

高精度小口径非球面加工工艺研究

更高的分辨率和成像质量。因此，无论在军用和民用方面都得到了广泛的应用。本文是以６ｍｍ的石英玻璃透镜为研究对
象，目的是研发一种针对高精度小口径非球面的加工工艺。本文以Ｐｒｅｓｔｏｎ理论作为基础，将数控光学表面成型技术（ＣＣＯＳ）和传统加工技术结合，对透镜进行数控磨削、抛光、和手工修抛等工序，并对加工过程中的各种误差进行分析并
ｐａｐｅｒｉｓｂａｓｅｄｏｎＰｒｅｓｔｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｃｏｍｂｉｎｅｄｔｈｅＣＣＯＳａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｌｅｎｓｗｏｕｌｄｂｅｍｃｉｎｈｅｄｕｓｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｈｏｔｄｓｓｕｃｈａｓＣＮＣｇｒｉｎｄｉｎｇ，ｐｏｌｉｓｈｉｎｇａｎｄａｒｔｉｉｆｃｉａｌｐｏｌｉｓｈｉｎｇ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｓｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，ｔｈｅｅｘ — ｐｅｒｉｍｅｎｔｌｅａｒｒｏｒｓｗｉｌｌｂｅｎａａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｒｅｃｔｅｄｔｏａｃｉｅｈｖｅｔｈｅｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｈａｐｅａｃｃｕｒａｃｙｔｈａｔｉｓＯ．２８ｇｍａｎｄｔｈｅｓｒｆｕａｃｅｆｉｎｉｓｈｏｆｔｈｅｌｅｎｓｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈｅｔ耐ｃｌａｓｓｎａｉｔｏｎｌａｓｔｎｄａｒｄａ．Ａｓａ

非球面光学零件超精密加工技术

（Ｊ）ＥＬＩＤ镜面磨削原理ＥＬＩＤ磨削系统包括：金属结合剂超微细粒度超硬磨料砂轮、电解
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ＥＬＩＤ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
Ｒａ３Ｏｎｍ
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１．２５ｎｒｎ，这个机床被认为是符合现代工艺规范的。ＣＵＰＥ生产的Ｎａｎｏｃｅｎｔｒｅ非球面光学零件加工机床，加工直径达６００ｍｍ。面型精度优于０．１ｔｘｍ，表面粗糙度优于Ｒａ０．Ｏ１Ｉｘｍ。ＣＵＰＥ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ＣＮＣ光学零件磨床“ ０ＡＧＭ２５００ ” ，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２．５ｍ× ２．５ｍ× ０．６１ｍ的工件，它能加工出２ｍ见方的非对称光学镜面，镜面的形状误差仅为１Ｉｘｍ。ＡＨＮ６０－３Ｄ是一台ＣＮＣ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０．３５ｕｎｌ，表面粗糙度达Ｒａ０．０１６￣ｍ。另外东芝机械研制的ｕＬＧ一１００Ａ（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１５０ｍｍ和１００ｍｍ，位置反馈元件是分辨率为０．０１Ｉ．ｔｍ的光栅。ｆ２）非球面光学零件的ＥＬＩＤ镜面磨削技术

关于非球面加工工艺的研究

关于非球面加工工艺的研究发布时间：2021-07-01T17:00:40.510Z 来源：《科学与技术》2021年第29卷3月7期作者：詹达举[导读] 近年来，随着非球面的光学器件在越来越多的光电产品中广范应用，因此市场的规模也在不断扩大，詹达举世大光电（深圳）有限公司 518000摘要：近年来，随着非球面的光学器件在越来越多的光电产品中广范应用，因此市场的规模也在不断扩大，在这样的情况下，高精度、低成本以及非球面的光学元器加工工艺也越发重要，在这样的情况下，提升对于光学元器件的加工工艺研究，成为了当前的研究主要方向，有着非常广阔的市场，因此本文主要对非球面加工工艺进行研究，希望对相关从业人员有一定的参考作用。

关键词：非球面；光学镜片，加工工艺引言：光电产品在当前的社会中，承担着非常重要的作用，在各行业的生产之中，很多技术都离不开光学非球面元件的使用，非球面镜片的曲率半径随中心轴而变化，以提高光学质量，减少光学元件，降低设计成本。

与球面透镜相比，非球面透镜具有独特的优势，因此已广泛用于光学仪器，图像和光电行业，如在摄影镜头，电影变焦镜头、手机摄像，航天卫星，红外望远镜、录像机镜头、光纤通信的光纤接头、医疗仪器等。

当前的市场中，有着广阔的前景，提升对于非球面技术的应用，取得了非常有效的成果，当前市面上有很多这种类型的机器，本身加工技术也较为成熟，所以以下就是对这部分技术的一个初步分析，研究非球面加工工艺应该如何实施。

一、非球面分类在当前实际的使用之中，非球面通常分为二次非球面，高次非球面和自由曲面。

二次非球面是光学系统中使用最广泛的表面，与其他类型的非球面相比，它具有特殊的位置是最常见的非球面。

高次非球面广泛用于光学系统中消除球差、彗差，像散、场曲,减少色差，减化结构，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性。

自由曲面在不对称的光学系统领域有突出的作用。

如可视VR，离轴影像处理。

二、非球面技术的优势（一）像差校准非球面透镜是用来代替球面透镜的，其最大的优点是可以校正由准直聚焦系统中的球面透镜引起的球面像差。

刍议单晶硅非球面超精密加工机理与关键工艺技术陈超鹏

刍议单晶硅非球面超精密加工机理与关键工艺技术陈超鹏发布时间：2023-06-02T10:24:34.925Z 来源：《中国科技人才》2023年6期作者：陈超鹏[导读] 单晶硅非球面现已被广泛应用在各类元件之中，在应用过程中可以将其应用在光学系统之中，比如说将其应用在导弹导引系统之中。

但是在单晶硅非球面加工过程中，整体周期较长，在加工过程中容易出现各类重复性问题，因此在稳定性方面的控制难度较高。

上海红烁光电科技有限公司 201209摘要：单晶硅非球面现已被广泛应用在各类元件之中，在应用过程中可以将其应用在光学系统之中，比如说将其应用在导弹导引系统之中。

但是在单晶硅非球面加工过程中，整体周期较长，在加工过程中容易出现各类重复性问题，因此在稳定性方面的控制难度较高。

基于此本文主要对单晶硅非球面超精密加工机理与关键工艺技术作出分析，主要从单晶硅非球面切削机理作出明确，再分析抛光机理的工艺方法，最后明确组合加工工艺要求，以此达成单晶硅非球面超精密加工的目标，从而保证整体工艺的稳定性，以此达成实际需求。

关键词：单晶硅非球面；超精密；加工机理；关键工艺技术引言：对于我国非球面技工操作方面金刚石车削是主要的加工手段之一，但是由于单晶硅与金刚石的亲和性会促使刀具存在磨损情况，因此在加工过程中容易出现表面裂纹或者瑕疵等其他问题，此时也会出现切削刀纹的残留，因此严重影响了质量问题。

此时还需引入抛光技术，此类技术可以提高整体加工的质量。

当前我国应用较为广泛的是磁流变抛光技术，在应用此类技术过程中可以有效应对非球面的加工，并且将其与超精密切削技术相结合，更可以弥补磁流变抛光技术中的不足，也可以减少刀纹残留的现象，以此有效去除裂纹问题，从而规避加工表面出现的各类损伤，以此提升加工的精密度，满足当前我国单晶硅非球面加工的需要。

一、超精密加工概述精密加工主要指的是在一个固定范围内的发展时期，加工精度与表面质量可以达成较高的配合度，以此形成的加工工艺可以被称之为精密加工。