设计更具灵活性的优点。图球面和非球面透镜的光学性能非球曲面研究概述非球面的定义非球曲面是指光学表面具有无数个对称轴，并且没有定的曲率半径的二〇〇年六月十日星期四曲面。非球面按照有无回转轴可以分为两种类型类是具有个回转轴，例如抛物面椭球面等另类是没有回旋轴，如离轴抛物面自由曲面等。自由曲面是种复杂的非回转型非球面。非球曲面应用领域非球面曲面光学零件因其优良的光学性能而日益成为类非常重要的光学零件。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。军用方面，西方国家在年代以后研制和生产的军用光电系统，如军用激光装置热成像装置微光夜视头盔红外扫描装置导弹引导头和各种变焦镜头，均已在不同程度上采用了非球面光学零件。在般民用光电系统方面，非球面零件可以大量地应用到各种光电成像系统中，如飞机中提供飞行信息的显示系统摄像机的取景器交焦镜头红外广角地平仪中的锗透镜录像录音用显微物镜读头医疗诊断用的间接眼底镜，内窥镜，渐进镜片等，以及数码相机电脑摄像镜头，大屏幕投影电视机等图像处理产品。如今，非球面光学零件在机载设备卫星惯性制导及惯性导航系统激光制导系统红外探测系统等国防科技工业领域以及民用光电产品方面都有着越来越广泛越来越重要的应用。非球曲面加工技术近年来的发展概况我国从世纪年代初才开始超精密技术的研究，发展比较缓慢。近年来，我控制。传动参数的计算横溜板和纵溜板的通过滚珠丝杠来传动式中回转件的转速移动件的线速度由公式计算可得，导程与螺距的关系为取，则取螺距。表磨削系统设计在第章误差分析中得知，要使得零件磨削后的面形精度优于，而且在光学非球曲面的磨削过程中，由于零件的轮廓精度还受到数控插补算法砂轮在方向的安装位置误差砂轮半径及机床导轨本身运动精度等因素影响。因此实际磨削加工时中心高微调机构的微调精度应达到。系统结构设计该磨削系统主要分为五大部分空气主轴系统，位于纵溜板之上伺服进给系统，包括纵溜板的微进给驱动系统和横溜板微进给驱动系统微位移测量系统，主要用来进行向和向的微位移监测④中心高微调系二〇〇年六月十日星期四统，主要用于微调磨头在向的高度，向微调精度的高低直接决定着被加工零件轮廓精度的大小数控系统，将控制纵溜板和横溜板的进给。数控系统在磨削加工非球曲面时，有数控系统控制纵溜板轴及横溜板,轴作相应的纵向和横向进给，即可实现非球曲面的超精密磨削加工。纵溜板主轴箱主轴真空吸盘过渡盘工件高速磨头中心高微调机构微调支座横溜板图超精密光学非球曲面磨床结构简图中心高微调机构设计中心高位调机构的微位移误差对零件轮廓精度及表面粗糙度影响较大，是零件加工误差敏感方向。本次设计的中心高微调机构如图所示，它主要运用了斜楔移动产生微位移的原理。斜楔与水平方向有个很小的夹角，本微调机构的斜楔夹角为。微调杆Ⅰ或Ⅱ采用的是螺旋千分尺，且对它原有的刻度再次进行了细分。螺旋千分尺每回转小格，斜楔在水平方向上将产生的微位二〇〇年六月十日星期四移，在垂直方向上的微位移为由公式可得，正好满足我们磨削时需要达到的微调精度指标。微调杆Ⅰ，微调支撑板，斜楔，磨头支座，磨头，磨头夹紧盖，微调杆Ⅱ图中心高微调机构示意图对于已经设计制造出的中心高微调机构，要对其进行微位移标定，可以用电感测微仪进行标定，当微调杆或旋转个小格时，用测微仪测出该机构在垂直方向上的位移，所得数据如下表所示表中心高微调机构标定数据表格数微位移量格数微位移量格数微位移量二〇〇年六月十日星期四从表中可以看出，微调杆旋转小格时，最大的微位移量是，并且在垂直方向有的调整范围，可实现磨削加工时的砂轮的中心高微调。砂轮主轴的选择由之前的计算可知，砂轮主轴的转速大于，普通的三相异步电动机为磨头的磨床砂轮主轴转速为,所以需要选用高速电主轴作为砂轮主轴。高速精密主轴是种直接依赖于高速轴承技术油气润滑技术精密制造与装配技术电机设计与制造高速驱动与精密数控等技术的高度机电体化的高科技产品。在高速精密主轴系统中，主要有高速电主轴，高速气浮主轴，高速磁力主轴，磁气空气混合主轴等。本砂轮主轴的高速主轴所采用的为高速气浮主轴。气浮主轴主要是采用空气静压轴承作主轴的支承，采用变频电机驱动。气浮轴承采用全支承结构与国内传统的设计相比，能成倍地提高轴系的承载和刚度。如图所示，工作时，来自管道经过精密过滤的压缩空气进入壳体的通道，再流入轴承的节流小二〇〇年六月十日星期四孔。然后流经轴承与主轴之间的间隙，形成层压力气膜，将主轴浮起。启动电机驱动主轴，通过改变电源的频率，使主轴以不同的速度旋转。轴系回转精度受构成其运动的部件的几何精度装配精度和润滑介质性质的影响。取决于其间的运动基准的数目基准和动体或定体间的间隙或干涉，接触机构的特性以及固有摩擦力的大小等因素。不同摩擦机理的轴系具有不同的精度水平，在精度比较上，空气静压轴系占有较大的优势。图气压静压滑动轴承原理示意图运动基准少，精度传递增益大空气静压主轴不像滚动轴系那样存在有内环外环，滚动体等多个运动基准，而其只有个基准件回转主轴因而避免了多个基准间的几何形状误差积累与干涉，具有良好的精度传递增益。均匀化效应强，系统精度高连续的空气介质膜分布在轴承的整个工作面上，气膜的均匀化效应有效地均化了基准件的形状误差，降低了表面租糙度波度，明显地消除了回转运动中的高频误差成份。因而，大幅度地提高了回转运动精度。非接触气膜置中运动精度重复性好没有摩擦运动过程中不产生颤振，没有间隙能够在任何位置无侧隙地启动。同时，逆向回转精度不受影响。使用时确定好刀具卡爪位置，直接卡进磨削刀具，减少多次装夹所带来的误差。二〇〇年六月十日星期四结论中心高微调机构的微位移误差对零件轮廓精度及表面粗糙度影响较大，是零件加工误差的敏感方向。砂轮主轴与工件轴线的对中误差是影响面形精度的重要因素，而砂轮半径误差也会给零件的面形精度带来较大的影响。该磨削系统中机床主轴的回转精度为，磨头主轴的回转速度为二〇〇年六月十日星期四，回转精度为，横溜板纵溜板的直线位移分辨率为，数控系统的分辨率为，磨头中心高能在方向的调整范围内实现的精确微调，可实现非球曲面的超精密磨削加工。在本次设计中，对非球曲面的加工系统进行了整体设计，对砂轮装置进行了详细的设计。而且对装置中部分零件进行了较为细致的分析。拟定下步工作为对该磨削系统进行超精密光学非球曲面的磨削实验。以证明，磨削加工的零件轮廓精度为不大于，表面粗糙度优于。二〇〇年六月十日星期四致谢我要首先感谢张文生老师在设计过程中对我的全力支持与指导。在设计过程中，曾遇到困难，遇到挫败，感谢张老师对我的鼓励关怀与指导。张老师敏锐的观察力孜孜不倦的教诲和严谨的学术态度，使我受益匪浅，并将终身受益。在此向敬爱的张文生老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。感谢校图书馆充足的图书资源。感谢卢玉梅老师唐庆菊老师和杨兰玉老师在设计过程中热心的指导与帮助。感谢同学在设计过程中对我的帮助。感谢我的家人对我的关心和支持。感谢所有关心支持和鼓励我的师长同学和朋友们。二〇〇年六月十日星期四参考文献张坤领光学玻璃非球面廓形的数控磨削技术研究天津,天津大学,文秀兰,林宋,谭昕超精密加工技术与设备北京化工工业出版社罗松保,张建明非球曲面的超精密加工与测量技术的研究制造技术与机床李国,董申,张景和机械系统设计大型非球曲面超精密复合加工机床纳米技术与精密工程阎秋生非球曲面的超精密加工技术中国机械工程学会学术年会,广州,陈明君,董申,张飞虎超精密非球曲面磨削系统中砂轮修整技术的研究兵工学报张方阳纯度氧化铝陶瓷凹球面精密磨削研究天津,天津大学陈明君,董申,张飞虎超精密光学非球曲面磨削系统的研制中国机械工程滕燕,董申铸铁基金刚石球头砂轮精密修整技术制造技术与机床陈明君,张龙江,董申超精密磨削光学非球面用中心高微调机构制造技术与机床陈明君,张飞虎,董申光学非球面器件的超精密磨削加工技术研究光学技术何伯吹机床设计手册北京机械工业出版社王先逵机械加工工艺手册北京机械工业出版社刘峰水润滑高速高精密主轴研究天津,天津大学,周磊,陈时锦,程凯超精密车床进给伺服系统的复合控制设计机械设计与制造程延江胡忠辉,马文生光学非球面超精密磨削质量控制技术研究宇航学报王家昆动静压高速主轴系统性能测试和信号分析昆明,昆明理工大学,王隆太先进制造技术北京机械工业出版社冯辛安机械制造装备设计北京机械工业出版社赵韩,黄康,陈科机械系统设计北京高等教育出版社甘永立几何量公差与检测上海,上海科学技术出版社二〇〇年六月十日星期四李增强,夏光岚,宗文俊圆弧刃金刚石刀具刃磨中的关键技术工具技术,于永泗,齐民机械工程材料大连大连理工大学出版社王先逵精密加工技术实用手册北京机械工业出版社陈日曜金属切削原理北京机械工业出版社二〇〇年六月十日星期四二〇〇年六月十日星期四二〇〇年六月十日星期四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二〇〇年六月十日星期四二〇〇年六月十日星期四目录摘要目录第章绪论非球面加工的优点和意义非球曲面研究概述非球面的定义非球面应用领域非球曲面加工技术近年来发展概况非球曲面加工的发展趋势和研究