磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡的制造方法
【專利摘要】磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)，磨頭座上設(shè)有磨頭旋轉(zhuǎn)軸，磨頭安裝在該旋轉(zhuǎn)軸上；磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)；磨頭座安裝在極徑平移臺(tái)上，磨頭座平移電機(jī)帶動(dòng)磨頭座在極徑平移臺(tái)上平移；極角軸電機(jī)帶動(dòng)極角軸旋轉(zhuǎn)；磨鏡機(jī)底座上設(shè)有鏡坯座，由鏡坯座平移電機(jī)帶動(dòng)其平移；鏡坯旋轉(zhuǎn)軸安裝在鏡坯座上，鏡坯固定在鏡坯旋轉(zhuǎn)軸上由鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)；磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)、磨頭座平移電機(jī)、極角軸電機(jī)、鏡坯座平移電機(jī)與鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)均由控制系統(tǒng)的電腦進(jìn)行數(shù)字化控制；特征是磨頭座是通過極角旋轉(zhuǎn)軸安裝在極徑平移臺(tái)上，形成下平移-上旋轉(zhuǎn)的極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，剛性高，可以更高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，不影響鏡面振動(dòng)，加工質(zhì)量更好、速度更快。
【專利說明】磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)加工領(lǐng)域，具體涉及一種用于磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)的發(fā)明。
【背景技術(shù)】
[0002]磨鏡機(jī)是一種磨制光學(xué)鏡面的機(jī)器，對(duì)于球面鏡，可以方便地直接磨制，對(duì)于非球面鏡，一般依靠磨制工藝加以控制，加工過程中需不斷檢測(cè)和修磨，工藝復(fù)雜，對(duì)工人的技術(shù)要求高，因而成本高昂。對(duì)樹脂鏡片而言，一般采用先磨制玻璃的鏡片作為模具，通過注塑生產(chǎn)樹脂鏡片。非球面鏡的成像質(zhì)量遠(yuǎn)好于球面鏡，但生產(chǎn)的困難導(dǎo)致其成本較高。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中的數(shù)控磨鏡機(jī)，絕大部分為球面磨鏡機(jī)。例如，中國(guó)200820029067.8號(hào)實(shí)用新型專利:一種用于加工球面工件的高精度球面數(shù)控珩磨機(jī)，由主軸、磨具、可控摩擦力矩球型鉸鏈、壓力桿、擺動(dòng)軸隨動(dòng)彈性加力機(jī)構(gòu)及隨動(dòng)力測(cè)量系統(tǒng)和隨動(dòng)光電測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)等組成。主軸轉(zhuǎn)動(dòng)后，可控摩擦力矩球型鉸鏈帶動(dòng)磨具擺動(dòng)，同時(shí)磨具繞自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。這類球面磨鏡機(jī)無法完成自動(dòng)磨制非球面鏡的任務(wù)。其工作原理為球面展成原理，當(dāng)主軸以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，珩磨頭具以角速度β擺動(dòng)同時(shí)珩磨頭繞自身軸線以角速度ω?轉(zhuǎn)動(dòng)。ω、β、ω I三個(gè)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，影響加工精度，通過計(jì)算機(jī)控制、控制協(xié)調(diào)ω、β、ω I三個(gè)參數(shù)的最佳匹配，保證了珩磨頭均勻磨損和球面工件均勻珩磨。
[0004]國(guó)外進(jìn)口的部分?jǐn)?shù)控磨鏡機(jī)，能磨制非球面鏡片，但價(jià)格均極其高昂，不適合在民用產(chǎn)品特別是低價(jià)的眼鏡、觀鳥鏡、雙筒望遠(yuǎn)鏡等產(chǎn)品上應(yīng)用。
[0005]本 申請(qǐng)人:于2012年提交的發(fā)明專利申請(qǐng)“數(shù)控非球面磨鏡機(jī)”(申請(qǐng)?zhí)?201210203265.2)，技術(shù)方案是:數(shù)控非球面磨鏡機(jī)，在磨頭座上設(shè)有磨頭旋轉(zhuǎn)軸，磨頭安裝在該磨頭旋轉(zhuǎn)軸上；磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶`動(dòng)所述磨頭繞磨頭旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；其特征在于，所述的磨頭座安裝在極徑平移臺(tái)上，磨頭座平移電機(jī)帶動(dòng)所述的磨頭座在極徑平移臺(tái)上沿極徑方向平移；所述的極徑平移臺(tái)通過極角旋轉(zhuǎn)軸安裝在磨鏡機(jī)底座上，極角軸電機(jī)帶動(dòng)極角軸旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，磨鏡機(jī)底座上設(shè)有鏡坯座，由鏡坯座平移電機(jī)帶動(dòng)所述鏡坯座平移；鏡坯旋轉(zhuǎn)軸安裝在該鏡坯座上，鏡坯固定在該鏡坯旋轉(zhuǎn)軸上，由鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)該鏡坯旋轉(zhuǎn)軸與鏡坯旋轉(zhuǎn)；所述的磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)、磨頭座平移電機(jī)、極角軸電機(jī)、鏡坯座平移電機(jī)與鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)，均由控制系統(tǒng)的電腦進(jìn)行數(shù)字化控制。這種磨鏡機(jī)的極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是一種下旋轉(zhuǎn)-上平移系統(tǒng)；能加工非球面鏡，成本也較低廉，但因?yàn)榭傮w設(shè)計(jì)的原因，該方案對(duì)系統(tǒng)的剛性要求較高，否則在加工過程中容易因電機(jī)的振動(dòng)，造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，影響鏡面質(zhì)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提出了一種改進(jìn)的磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)。與現(xiàn)有技術(shù)不同，本發(fā)明磨鏡機(jī)的極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是一種下平移-上旋轉(zhuǎn)的極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。本發(fā)明的磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，能夠由電腦控制磨鏡機(jī)自動(dòng)磨制，快速磨出需要的非球面鏡面，對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求不高，成本極大降低，磨制效率高。
[0007]完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是:
一種磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)，在磨頭座上設(shè)有磨頭旋轉(zhuǎn)軸，磨頭安裝在該磨頭旋轉(zhuǎn)軸上；磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)所述磨頭繞磨頭旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；所述的磨頭座安裝在極徑平移臺(tái)上，磨頭座平移電機(jī)帶動(dòng)所述的磨頭座在極徑平移臺(tái)上沿極徑方向平移；極角軸電機(jī)帶動(dòng)極角軸旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，磨鏡機(jī)底座上設(shè)有鏡坯座，由鏡坯座平移電機(jī)帶動(dòng)所述鏡坯座平移；鏡坯旋轉(zhuǎn)軸安裝在該鏡坯座上，鏡坯固定在該鏡坯旋轉(zhuǎn)軸上，由鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)該鏡坯旋轉(zhuǎn)軸與鏡坯旋轉(zhuǎn)；所述的磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)、磨頭座平移電機(jī)、極角軸電機(jī)、鏡坯座平移電機(jī)與鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)，均由控制系統(tǒng)的電腦進(jìn)行數(shù)字化控制；其特征在于，所述的磨頭座安裝在極徑平移臺(tái)上的安裝方式是:所述磨頭座是通過極角旋轉(zhuǎn)軸安裝在極徑平移臺(tái)上，形成下平移-上旋轉(zhuǎn)的極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
[0008]使用時(shí)在所述控制系統(tǒng)的電腦軟件內(nèi)輸入設(shè)計(jì)的鏡面的面形函數(shù)，或輸入樣品的測(cè)量數(shù)據(jù)，即可由電腦控制磨鏡機(jī)自動(dòng)磨制，可磨制凹面或凸面的旋轉(zhuǎn)非球面。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)不同是，本發(fā)明磨鏡機(jī)的磨頭運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不是傳統(tǒng)意義上的極坐標(biāo)系統(tǒng)，平移運(yùn)動(dòng)在下方，是主運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)軸安裝在平移運(yùn)動(dòng)臺(tái)上，是從運(yùn)動(dòng)，最大的區(qū)別是:本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路完全顛覆了傳統(tǒng)的技術(shù)偏見；本系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸的中心隨平移運(yùn)動(dòng)而變化，而傳統(tǒng)極坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的中心固定不動(dòng)。
[0010]如圖2所示:原有技術(shù)的磨頭運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是傳統(tǒng)的極坐標(biāo)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)軸中心O2是極坐標(biāo)中心，固定不動(dòng)，工作時(shí)，在電腦控制下，由極角旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制極角α，極徑平移電機(jī)控制極徑P O2的長(zhǎng)度，從而控制P點(diǎn)的軌跡，磨頭裝在P點(diǎn)上，由P點(diǎn)的軌跡，磨制出各種非球面；
本發(fā)明的磨頭運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)安突破了固定旋轉(zhuǎn)中心的限制，把平移運(yùn)動(dòng)作為主運(yùn)動(dòng)放在下方，極大提高了數(shù)控磨鏡機(jī)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在控制算法上，采用固定極徑長(zhǎng)度，浮動(dòng)旋轉(zhuǎn)中心的方法，如圖2所示，旋轉(zhuǎn)軸中心O2隨平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)，極徑P O2的長(zhǎng)度固定，其長(zhǎng)度應(yīng)足夠大，以能滿足整個(gè)鏡面的行程為準(zhǔn)，工作時(shí)，在電腦控制下，由極角旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制極角α，極徑平移電機(jī)控制NO2的長(zhǎng)度(而不是原有的極徑Ρ02)，從而控制P點(diǎn)的軌跡，磨頭裝在P點(diǎn)上，由P點(diǎn)的軌跡，快速磨制出各種非球面；對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求不高，成本極大降低，磨制效率高。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)化方案有:
1、鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)、磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)均采用直流電機(jī)，因速度穩(wěn)定性要求不高，采用開環(huán)速度控制，成本低廉；
2、極角軸電機(jī)、磨頭座平移電機(jī)均采用步機(jī)電機(jī)，使用對(duì)電機(jī)步進(jìn)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的方法，得到電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，實(shí)現(xiàn)極角軸、磨頭座平移量的計(jì)量，既實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)位置控制，又具有很聞的性價(jià)比；
3、鏡坯座平移臺(tái)、極徑平移臺(tái)均采用絲桿傳動(dòng)，平滑、穩(wěn)定、分辨精度高；
4、極角軸、鏡坯旋轉(zhuǎn)、磨頭旋轉(zhuǎn)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，傳動(dòng)比高，能自鎖，分辨精度高；
5、在所述的“極角軸電機(jī)帶動(dòng)極角軸旋轉(zhuǎn)”機(jī)構(gòu)上安裝有行程開關(guān)；
6、在所述的“磨頭座平移電機(jī)帶動(dòng)所述的磨頭座在極徑平移臺(tái)上沿極徑方向平移”機(jī)構(gòu)上安裝有有行程開關(guān)。[0012]極角旋轉(zhuǎn)、極徑平移均安裝行程開關(guān)，以確保運(yùn)動(dòng)在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)。
[0013]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與工作步驟如圖1所示: 1、鏡坯7安裝在鏡坯座8上，磨制過程中，鏡坯7由鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)9帶動(dòng)，以固定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可以在磨制前，由電腦軟件設(shè)定；
2、鏡坯座8由鏡坯座平移電機(jī)12拖動(dòng)，可沿鏡坯座平移臺(tái)11直線移動(dòng)，可由電腦及手控盒控制；
3、磨頭6安裝在磨頭座4上，磨頭6由磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)3帶動(dòng)，在磨制過程中以固定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速可由電腦控制，在磨制前設(shè)定；
4、磨頭座4通過極角旋轉(zhuǎn)軸14安裝在極徑平移臺(tái)上，由極角軸電機(jī)15拖動(dòng)，由電腦或手控盒控制，做極角旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
5、極徑平移臺(tái)2通過滾動(dòng)軸承安裝在磨鏡機(jī)底座上，由磨頭座平移電機(jī)I拖動(dòng)，由電腦及手控盒控制，做直線運(yùn)動(dòng)(極徑);
6、自動(dòng)磨制時(shí)，電腦上的磨鏡機(jī)軟件按輸入的面形，控制極角軸、極徑平移臺(tái)電機(jī)依次運(yùn)動(dòng)，使磨頭走出的曲線，符合面形函數(shù)；磨坯及磨頭的旋轉(zhuǎn)，使鏡坯面被磨成旋轉(zhuǎn)非球面。
[0014]面形的輸入有兩種方法，一是輸入鏡面的面形函數(shù)，適合于已經(jīng)鏡面函數(shù)的情形；二是輸入樣品的測(cè)量數(shù)據(jù)，由程序進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，所擬合出的多項(xiàng)式作為面形函數(shù)，適合按樣品加工的情況。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
電腦程序控制，快速磨制旋轉(zhuǎn)非球面鏡，磨制效率極大提高，一致性好；
對(duì)于已知面形函數(shù)的鏡面，只需在軟件中輸入面形函數(shù)，即可自動(dòng)磨制；
對(duì)于不知道面形函數(shù)的鏡面，只需在軟件中輸入面形測(cè)量數(shù)據(jù)，即可自動(dòng)磨制；
既可磨制凸面鏡，也可磨制凹面鏡，適應(yīng)性極好；
磨制成本大幅下降，同時(shí)對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求不高。
[0016]在程序中設(shè)置參數(shù)，可自由控制加工精度和加工時(shí)間，精度越低，加工時(shí)間越短。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，例如，與發(fā)明專利申請(qǐng)“數(shù)控非球面磨鏡機(jī)”(申請(qǐng)?zhí)?201210203265.2)相比，本發(fā)明機(jī)械結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，系統(tǒng)的剛性高，加工過程各電機(jī)可以更高的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，也不會(huì)影響鏡面振動(dòng)，鏡面加工的質(zhì)量更好、速度更快。
[0018]對(duì)于數(shù)據(jù)見下表:
【權(quán)利要求】
1.一種磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)，在磨頭座上設(shè)有磨頭旋轉(zhuǎn)軸，磨頭安裝在該磨頭旋轉(zhuǎn)軸上；磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)所述磨頭繞磨頭旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；所述的磨頭座安裝在極徑平移臺(tái)上，磨頭座平移電機(jī)帶動(dòng)所述的磨頭座在極徑平移臺(tái)上沿極徑方向平移；極角軸電機(jī)帶動(dòng)極角軸旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，磨鏡機(jī)底座上設(shè)有鏡坯座，由鏡坯座平移電機(jī)帶動(dòng)所述鏡坯座平移；鏡坯旋轉(zhuǎn)軸安裝在該鏡坯座上，鏡坯固定在該鏡坯旋轉(zhuǎn)軸上，由鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)該鏡坯旋轉(zhuǎn)軸與鏡坯旋轉(zhuǎn)；所述的磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)、磨頭座平移電機(jī)、極角軸電機(jī)、鏡坯座平移電機(jī)與鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)，均由控制系統(tǒng)的電腦進(jìn)行數(shù)字化控制；其特征在于，所述的磨頭座安裝在極徑平移臺(tái)上的安裝方式是:所述磨頭座是通過極角旋轉(zhuǎn)軸安裝在極徑平移臺(tái)上，形成下平移-上旋轉(zhuǎn)的兩軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)，其特征在于，所述的鏡坯旋轉(zhuǎn)電機(jī)與磨頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)均采用直流電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)，其特征在于，所述的極角軸電機(jī)與磨頭座平移電機(jī)均采用步機(jī)電機(jī)，采用對(duì)電機(jī)步進(jìn)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的方法，得到電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，實(shí)現(xiàn)極角軸、磨頭座平移量的計(jì)量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)控非球面磨鏡機(jī)，其特征在于，所述的鏡坯座平移臺(tái)與極徑平移臺(tái)均采用絲桿傳動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)，其特征在于，所述的極角軸、鏡坯旋轉(zhuǎn)及磨頭旋轉(zhuǎn)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)，其特征在于，在所述的“極角軸電機(jī)帶動(dòng)極角軸旋轉(zhuǎn)”機(jī)構(gòu)上安裝有行程開關(guān)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的磨制非球面光學(xué)鏡面的數(shù)控磨鏡機(jī)，其特征在于，在所述的“磨頭座平移電機(jī)帶動(dòng)所述的磨頭座在極徑平移臺(tái)上沿極徑方向平移”機(jī)構(gòu)上安裝有有行程開關(guān)。
【文檔編號(hào)】B24B51/00GK103495916SQ201310492738
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年10月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月5日
【發(fā)明者】朱慶生, 鄭鋒華, 周小軍, 周筱敏, 成春連 申請(qǐng)人:中科院南京天文儀器有限公司