获得高质量的图像效果和高品质的光学特征。般来说，在光学仪器上，块非球面透镜的作用相当于三块球面镜，因此，光学仪器设备采用非球面镜片具有重量轻透光性能好成本低且使光学系统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，我国加快了非球曲面零件超精密加工技术的研究步伐，成功研制出了非球曲面超精密加工磨床和车床，但是真正意义上的非球面超精密加工技术至今还未开展起来。在非球面超精加工工艺的研究方面，我国尚在起步阶段，还没有对加工工艺进行深入系统的研究。国内对光学非球面加工技术的研究越来越重视，清华大学在非球面计算机控制研磨哈尔滨工业大学在非球面超精密磨削抛光国防科技大学在非球面磨削研抛加工体化长春理工大学和中科院长春光机所在非球面新加工原理方法成都精密光学工程研究中心在大型非球面加工等方面都作了很多研究工作，推动了我国光学非球面超精密加工技术的发展，但与国外仍有较大的技术差距。九五期间，超精密加工国防科技重点实验室对九五重点预研课题非球面曲面的超精密加工与测量技术进行了卓有成效的系统的科研攻关，成功地研制出了非球面曲面超精密复合加工系统。本课题的研究成果，将有效地解决我国国防科研生产对非球面光学零件需求的矛盾，并有效地促进我国非球面超精密加工技术的跨越式发展。在系统设计时，考虑到被加工对象材料以及精度要求的不同，采用了模块化设计理论，即在同台机床上通过不同的模块组合来实现超精密车削和超精密磨削等功能。对于有色金属材料，如铜铝及其合金等工件采取金刚石车削工艺加工，而对于黑色金属玻璃和陶瓷等工件则采取超精密磨削工艺加工。国外从世纪年代开始进行超精密加工技术的研究，到世纪年代以后，出现了许多新的非球面超精密加工技术，如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超精密抛光技术等。这些加工方法基本解决了各类非球面零件的加工问题，加工零件精度和效率高，适于批量生产。非球面曲面加工应根据工件材料形状精度和口径等因素的不同，采用不同的加工方法。如对于铜铝等软质材料，可采用单点金刚石切削进行超精密加工，对于玻璃陶瓷等硬脆材料，则主要是通过超精密磨削研磨和抛光进行加工。目前，国外许多公司已将超精密车削磨削研磨及抛光等加工功能集于体，研制开发出新型的非球面超精密复合加工系统。如公司生产的，英国大学的精密工程研究所研制的，日本丰田工机的等都具有复合加工功能，这样就使得非球面曲面零件的加工变得更加灵活。在光学非球面的超精密加工机床方面美国公司的产品轴分辨率达到美国大学光学研究所和光速度工件直径工件转速从公式和公式中可以看出，当公式中任何两个参数为已知时，可计算出另外个参数的数值。初定纵向进给，工件速度为则得计算，得，导轨的整体设计本次设计传动部分中轴轴运动导轨呈形安排在机床的床身上。检测导轨运动位置的光栅测量系统的读数头安装在固定不动的床身上，而其测量位置用的标尺光栅则安装在轴导轨的移动溜板上。导轨采用液体静压导轨。由于油液粘性剪切阻力较大，发热问题较为突出，故采用恒温供液系统控制温度。导轨采用伺服电动机通过级精密滚珠丝杠以及结构新颖的自由度精密丝杠溜板耦联机构，驱动工作台实现直线进给运动。轴导轨采用空气静压导轨作为支撑，用滚珠丝杠作为驱动组件。针对轴导轨自重及外载荷产生的变形，设计了载荷系统，采用可调节载荷力的机械卸荷方式，把轴导轨移动部分重量加载到卸荷梁上，减轻了轴导轨的负担。轴导轨采用液体静压导轨作为支撑，并采取桁架式结构以减轻导轨的重量，同时防止其重量使轴导轨产生扭曲变形，对轴导轨设计了配重系统，通过精确控制液体静压轮的位置，保证配重体的重心与轴导轨的重心相对于轴导轨中心线严格对称。传动部分选用滚珠丝杠来驱动气液体静压导轨，为满足运行要求，采用端固定端游动的安装方式，两端采用无径向间隙钢球回转结构丝杠与电机的连接处设计了特殊的滚珠连接轴节，以消除电机与丝杠安装所产生的同轴误差对电机及丝杠传动的干涉影响丝母与导轨的连接为多点式钢球连接，其结构形式既能减小丝杠的挠度及晃动对导轨的影响，又能保证传动链的刚度。为了提高机床定位精度，用双频激光干涉仪作为位置反馈组件进行全闭环的控制。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。结论中心