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。

非球面元件可以使复杂的多元件设计变得异常简单，同时它们可以提高高性能光学系统的设计能力。

在一个多元件系统中，一个非球面元件可以替代两个，有时是三个球面元件。

近年来非球面元件已广泛应用于航天，军事，商业等领域中。

以美国的Javelin反坦克导弹发射装置为例,由于使用非球面透镜，使设计者减少了光学元件的使用数量，在提高光学透射率及综合性能的同时降低了系统的重量，尺寸，复杂程度及成本。

红外材料锗的价格相对较贵，所以减少不必要光学元件的数量对于降低成本有很重要的作用。

其他从使用非球面中获益的军用光学系统还包括M1A2潜望镜，反坦克导弹的红外前视系统，M1A2光学系统升级，先进火炮系统中的可见及红外通道，未来作战工具I2 防尘眼镜，以及先进的激光眼晴保护镜等。

一些民用产品，如医用成象设备，防碰撞系统，光纤耦合装置，计算机光学数据存储,高清晰度电视等也从非球面中获益。

正是由于光学非球面元件的广泛使用，使得光学非球面的加工技术得到了快速发展。

但是传统的加工方法远远满足不了近代对非球面数量的需求，和对非球面的精度的要求。

数控加工技术的出现，实现了加工及检测的自动化，数字化，突破了传统的手工或半手工操作，也使各国开展了对各种新型抛光工艺的深入研究，从而提高了加工效率和制造精度。

针对上述形势，我们建成了我国第一台非球面数控加工中心(FSGJ-1)。

开展了对数控成型和抛光工艺的深入探索。

经过大量的工艺实验，总结出一套科学的工艺流程，为我国的非球面加工提供了一种行之有效的手段，填补了这一领域国内的空白，从而使我国进入了光学非球面加工的世界先进行列。

1.2国内外发展现状现代数控加工技术集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用，开创了非球面制造业的新时代，使世界非球面技术发生了巨大变化。

数控技术广泛使用使非球面的生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计。

数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。

现在非球面加工若离开了数控技术，先进加工技术就成了无本之木。

20世纪60年代美国国防科研机构率先开发出了计算机数控单点金刚石车削技术，80年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。

它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条件下，直接利用金刚石刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。

80年代中后期，随着计算机及精密计量技术的迅速发展，数控加工技术进一步得到了完善。

Itek公司欲把数控技术发展成CAD/CAM一体化、非专家可操作的先进光学制造系统，到目前为止，由于非球面加工工艺的复杂性，很难建立数学模型来加工非球面。

这期间法国和俄罗斯等国家也各自研究出了自己的数控设备，使非球面加工口径达到2m，精度为λ/15。

瓦为罗夫国家研究所的AD1000数控抛光机的加工精度也达到了λ/18。

80年代末，日本研制出了的超精密数控范成法研磨机，使用该研磨机加工出的光学零件，其面形精度达到了0.08µm，表面粗糙度的均方根值为0.2nm。

90年代以后，数控加工技术在不断完善的同时，进入了实用化阶段。

Itek 公司研发出了真空自励磨头，解决了大口径超薄非球面的加工问题。

另外，也使加工精度提高了很多，加工周期缩短为5个月。

1994年，Tinsly公司与Itek等公司合作，利用数控加工技术完成了对哈勃望远镜主镜的修复工作，这项工作代表了当时数控技术的最高水平。

我国非球面加工能力与发达国家相比也有较大的差距，长期以来一直以手工加工为主，精度和效率均不能满足日益增长的非球面需求量的要求。

近年来，我国在CCOS技术方面也开展了一些研究工作。

20世纪70年代我国已经开始了研究非球面数控加工技术，长春光机所于1992年研制出了我国首台数控机床FSGJ-Ⅰ。

它是集铣磨成型、磨边、精磨抛光和检测于一体，最大加工直径800mm，面形精度<30mm，表面粗糙度<2nm。

近年又研制成功了FSGJ-Ⅱ型计算机数控非球面加工机床，最大口径达到了1200mm，面形精度优于30mm，表面粗糙度<2nm。

在不久的将来，我国非球面加工技术会更上一层楼。

第二章非球面的理论基础2.1非球面的优缺点从非球面的提出到非球面的应用至今四百多年来，由于非球面光学零件具有其他零件无法比拟的优越性，非球面的加工技术一直受到人们的青睐和不断探索，但是非球面也存在着加工方面的困难。

首先介绍一下非球面具有的优点：1.具有优良的光学性能光通过单透镜近轴光线和远轴光线不会会聚在一点，而非球面透镜则可以会聚一点没有球差。

一束光线通过球面和非球面反射镜时成像质量也不同，球面反射镜接受无限远的光束像点有球差，而抛物面反射镜接受无限远的光束像点是无球差的。

2.改善了成像质量正是非球面具有优良的光学性能，它可以改善光学系统的成像质量。

非球面特别适合大视场、大口径、像差要求高和结构要求小的系统中，非球面作为主要的光学元件，常用作像差校正元件，例如在光学系统光阑附近采用非球面可校正各带的高级像差，在像面前或远离光阑的地方采用非球面可以校正像散和畸变。

3.简化了光学系统非球面在光学系统中可以代替多个球面来校正像差，同时减小了系统的空间体积。

4.减轻了光学仪器的质量采用非球面由于简化了光学系统，必然会减小仪器的体积，质量减轻，这对天文、航天和军用仪器来说，显得尤其重要，同时，对民用产品也实现了小型化和轻量化。

虽然非球面具有很多的优点，但其在加工方面存在着困难（1）非球面大多数只有一个对称轴，表面比较复杂，只能单件加工。

（2）非球面各点曲率半径不同，在抛光时表面难以用成型模具修正。

（3）非球面对另一表面的偏差，不能用定心磨边的方法解决两光学表面的同轴性。

（4）非球面的检验不容易实现，一般不能用样板进行检验，对某些非球面的检验是非常困难的。

2.2 非球面的数学表达式非球面光学零件就是有一个或两个与球面有差异的光学表面构成的光学零件，在这些非球面中最常见的是一个对称轴的回转非球面。

回转非球面通常采用数控机床进行加工回转非球面最常用的表达式是2222ni i i x a H ==+∑ （2-1）式中x 为非球面的X 轴（对称轴）方向的坐标，坐标原点为非球面顶点；C=1/0r ，0r 为非球面顶点的曲率半径；K=1-2e ，e 为偏心率；2i a 为非球面系数。