一種光學(xué)自由曲面磨削成型方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光學(xué)加工領(lǐng)域，特別提供了一種光學(xué)自由曲面磨削成型方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 將自由曲面引入光學(xué)系統(tǒng)中，可極大提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和能量的傳輸效 率?，F(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中自由曲面的應(yīng)用，可W針對系統(tǒng)的特殊像差設(shè)計特定的自由曲面，補償 系統(tǒng)像差，提高系統(tǒng)成像質(zhì)量。由于自由曲面的多自由度特性，通?？蒞在保證光學(xué)系統(tǒng)成 像質(zhì)量的條件下，進(jìn)一步減少光學(xué)系統(tǒng)中的元件數(shù)量，減小光學(xué)系統(tǒng)的尺寸，因此被越發(fā)廣 泛的應(yīng)用于醫(yī)療，軍事，航天等領(lǐng)域。
[0003] 先進(jìn)數(shù)控超精密制造技術(shù)加工自由曲面光學(xué)元件，可有效解決自由曲面光學(xué)元件 加工的技術(shù)瓶頸，但一般的自由曲面磨削成型方法所設(shè)及使用的數(shù)控磨削加工中屯、直接影 響光學(xué)自由曲面的加工質(zhì)量，提高加工精度往往意味著更高的加工成本，例如引進(jìn)超精密 的液壓或氣浮加工中屯、，其對使用環(huán)境，加工材料均有很大的限制。
[0004] 因此，如何解決上述問題，成為人們亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)自由曲面磨削成型方法，W解決W往在 進(jìn)行自由曲面加工時，需要使用超精密的數(shù)控中屯、，對于使用環(huán)境和加工材料均由很大限 審Ij，而且加工成本高等問題。
[0006] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案，具體為，一種光學(xué)自由曲面磨削成型方法，采用數(shù)控磨削 加工中屯、與球形砂輪進(jìn)行磨削成型，其特征在于：
[0007] SI:將設(shè)計的目標(biāo)曲面采用點云矩陣進(jìn)行描述，得點云設(shè)計矩陣Mdesign;
[0008] S2:依據(jù)所述點云設(shè)計矩陣Mdesign對待加工曲面進(jìn)行磨削工作，并對磨削后所得曲 面進(jìn)行檢測，得點云檢測矩陣Mmeasure;
[0009] S3:將所述點云檢測矩陣Mmeasure與所述點云設(shè)計矩陣Mdesign進(jìn)行比較，獲得點云誤 差矩陣Merr;
[0010] S4:依據(jù)所述點云誤差矩陣Merr對磨削后曲面進(jìn)行補償磨削加工。
[0011] 優(yōu)選，所述步驟S4包括：
[001^ S401:將所述點云誤差矩陣Merr與闊值進(jìn)行比較；
[OOK] S402:當(dāng)所述點云誤差矩陣Merr大于闊值時，依據(jù)所述點云誤差矩陣Merr,計算獲得 點云修正矩陣Mdesign_l ;
[0014] S403:依據(jù)所述點云修正矩陣MdesigM對磨削后曲面進(jìn)行補償磨削加工，對補償磨 削后曲面進(jìn)行點云檢測，并將檢測所得的點云檢測矩陣與點云設(shè)計矩陣Mdesign比較，再次獲 得點云誤差矩陣Merr;
[0015] S404:重復(fù)步驟S401~S403,直至點云誤差矩陣Merr小于等于闊值。
[0016] 進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟S402中，依據(jù)所述點云誤差矩陣Merr,計算獲得點云修正矩 陣Mdesign_l的公式為：
[0017] Mdes ign_l = Mdes ign+Merr 〇
[001引進(jìn)一步優(yōu)選，
[0019] 步驟S2中檢測磨削后所得曲面的方法為接觸式檢測；
[0020] 步驟S403中檢測補償磨削后曲面的方法為接觸式檢測。
[0021] 進(jìn)一步優(yōu)選，步驟S2和步驟S403中的檢測點位置與目標(biāo)曲面的點云設(shè)計矩陣采樣 點位置相同。
[0022] 進(jìn)一步優(yōu)選，所述點云設(shè)計矩陣Mdesign和所述點云檢測矩陣Mmeasure中均包括曲面 在X、Y、Z=維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
[0023] 本發(fā)明提供的光學(xué)自由曲面磨削成型方法，采用點云的方式對于自由曲面進(jìn)行評 價與測量，計算得到點云誤差矩陣，W點云誤差矩陣進(jìn)行補償加工，W修正加工結(jié)果，使用 該磨削成型方法進(jìn)行磨削工作，可W有效提高數(shù)控磨削中屯、的磨削精度，無需引用超精密 的數(shù)控中屯、，降低加工成本，有利于自由曲面光學(xué)元件的制造與應(yīng)用。
[0024] 本發(fā)明提供的光學(xué)自由曲面磨削成型方法，具有W下優(yōu)點：
[0025] 1、通過點云的方式進(jìn)行曲面設(shè)計與檢測描述，可適用于大部分自由曲面光學(xué)元 件，有效擴(kuò)展其適用范圍；
[0026] 2、通過補償加工的柔性加工方式，降低了對加工中屯、的要求，可有效降低自由曲 面光學(xué)元件的制造成本。
【附圖說明】
[0027] 圖1為球形砂輪的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2為自由曲面光學(xué)元件的磨削成型加工示意圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合具體的實施方案，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步解釋，但是并不用于限制本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0030] 為了解決W往在進(jìn)行自由曲面光學(xué)元件加工時，需要使用超精密的加工中屯、，對 于使用環(huán)境和加工材料均有很多的限制，而且成本高的問題，本實施方案提供一種光學(xué)自 由曲面磨削成型方法，其可W適用于普通的數(shù)控中屯、，能夠提高普通數(shù)控中屯、的加工精度， 進(jìn)而可W采用普通數(shù)控磨削加工中屯、和球形砂輪進(jìn)行光學(xué)自由曲面的加工，降低了自由曲 面加工的成本，而且對于使用環(huán)境和加工材料均無苛刻的要求。
[0031 ]下面W-個具體的實施方案對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0032] 采用數(shù)控磨削加工中屯、與球形砂輪，通過單點磨削的方式進(jìn)行自由曲面z = aix2+ B2y2+a3X3+a4y3磨削成型，該光學(xué)元件的口徑為D，由于該自由曲面的方程中包括了S次項， 因此為一個非回轉(zhuǎn)對稱的自由曲面。
[0033] 其中，球形砂輪的結(jié)構(gòu)可參見圖1，包括圓柱形砂輪刀柄1，與圓柱形砂輪刀柄1固 定連接的圓柱形砂輪基體2,在砂輪基體2的外周設(shè)置有砂輪磨料層3,砂輪磨料層3的磨削 工作面為圓弧性，且其曲率變徑為砂輪口徑，即砂輪基體2與砂輪磨料層3可看作是球體的 一個截片。運樣的優(yōu)勢在于實際磨削過程是砂輪磨料層3的圓弧形磨削工作面進(jìn)行磨削，可 提高表面的光潔度與加工效率，由于實際砂輪接觸位置是球形的一部分，因此在一定程度 上可W彌補加工中屯、運動精度與動態(tài)特性對于實際加工的影響。其中球形砂輪的口徑小于 被加工自由曲面最佳擬合球的曲率半徑。
[0034]將自由曲面z = aix2+a2y2+a3X3+a4y3口徑納曲面離散化，設(shè)采樣間隔為d，可W得到 該曲面面形點云設(shè)計矩陣Mdesign
[0036] 其中，點云設(shè)計矩陣中包括X，Y，ZS維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；
[0037] 依據(jù)點云設(shè)計矩陣Mdesign與上述球形砂輪的具體參數(shù)，選擇合適的加工路徑，生成 加工程序?qū)霐?shù)控磨削加工中屯、進(jìn)行加工，加工示意圖如圖2所示，其中，A為