光学冷加工定心磨边工艺设计.doc

河南工业职业技术学院河南工业职业技术学院 HenanHenan PolytechnicPolytechnic InstituteInstitute 毕毕 业业 设设 计计 题目 系别 专业 班级 姓名 学号 指导教师 日期 设计任务书 设计题目：设计题目： 光学零件定心磨边加工工艺 设计要求：设计要求： 综合运用所学知识，结合实际独立完成设计课题，拓宽知识面、掌握知识的深度、 以定心磨边技术的传统和现在的术语及方法为引导，写出各种定心工艺的优点以及容易 产生的疵病，同时对该种工艺的疵病进行分析，培养运用理论结合实际去处理问题的能 力、实验能力、计算机运用水平、书面及口头表达能力。 文字材料条理清楚、通顺,论述充分,符合技术用语要求,符号统一,编号齐全,书写工 整。图纸完备、整洁、正确。 按期圆满完成任务书中规定的项目;能熟练地综合运用所学理论和专业知识; 有结合 实际的某项具体项目的设计或对某具体课题进行有独立见解的论证，并有较高技术含量。 立论正确,计算、分析、实验正确、严谨,结论合理,科学作风严谨，毕业设计有一些独 到之处。 设计任务：设计任务： 1介绍定心磨边工艺传统和现代术语写出定心磨边的各种工艺类型及其原理图； 2. 结合实际工作写出定心磨边的各种工艺类型及其原理图； 3分析当前工艺类型的疵病产生原因； 4写出详细毕业设计说明书（10000 字以上） ，要求字迹工整，原理叙述正确，各种 磨边工艺分析全面。 设计进度要求：设计进度要求： 第一周：收集资料，在图书馆查看书籍，在实践中听取师傅的教导，在网上查找 各类相关资料尽量使资料完整、精确、数量多，有利于论文的撰写。 第二周：将收集到的资料仔细整理分类，及时与导师进行沟通。将设计的雏形确立 起来，论文的文字叙述全部做好。 第三周：进行相关图形的绘制工作和夹具的设计工作，把文字、绘图、排版、校对 等项工作完成。 指导教师（签名）：指导教师（签名）： 摘 要 光学在中国大地上起步晚，但发展尤为迅速。尤其是近年来，随着光学科技的突飞 猛进，光学产品从航空航天的使用到日常生活的使用，受到广泛欢迎。光学是一个精密 的学科，光学产品的生产要求极为严格，加工过程对精度要求很高。 为了满足光学仪器成像的要求，必须保证光学系统光轴的一致性。在仪器的装校中， 通常是靠透镜的外圆定位，但外圆定位只能保证各透镜几何轴的共轴性，却不能保证光 轴的一致性。如果要达到靠外圆定位来实现光轴的共轴性，那么，透镜在装配前必须进 行定心磨边，以消除或减小透镜的中心偏差。 为在实际生产中，透镜的定心磨边分两步进行：一是定心，通过光学或机械的方法 寻找并确定透镜光轴与基准轴重合的位置，即透镜光学表面定心顶点处的法线与基准轴 重合的位置，这里的基准轴就是机床的回转轴；二是磨边，透镜定心后夹紧，用砂轮或 金刚石磨轮磨削透镜的外圆，以获得图纸要求直径的透镜。透镜的定心方法主要分光学 定心和机械定心两类。 了提高零件的制造效益和质量，工艺研究的创新成果极大地改变了零件的生产程序 和工艺路线，充分利用被加工光学材料的特性，集中系列的高新技术，从而形成新的工 艺。 由于知识有限，设计中可能存在一定的错误，望指导老师能够谅解。 关键词：光学定心、磨边。 目目 录录 设计任务书 I 摘 要 III 1 定心磨边概况 1 1.1 传统的定义与术语 1 1.1.1 概念1 1.1.2 中心偏差与边厚差的关系2 1.2 新的概况 2 1.2.1 基本定义3 1.2.2 传统的中心偏差与新定义面倾角的关系3 1.3 透镜中心误差各种表述之间的关系 4 1.3.1 偏心差 C 与边厚差 T 之间的关系4 1.3.2 面倾角 X 与球心偏 A 的关系4 1.3.3 面倾角 X 与偏心差的关系4 1.3.4 偏心差 C 与球心偏 A 的关系4 2 磨边与倒角加工 6 2.1 磨边与倒角 6 2.1.1 磨边方式6 2.2.2 倒角6 2.2 影响定心精度的因素 8 影响定心精度的因素：机床主轴的径向跳动， 接头， 定心角。8 2.2.1 机床主轴的径向跳动8 2.2.2 接头8 2.2.3 定心角对精度的影响9 2.3 影响定心的工艺因素 9 2.3.1 磨轮的因素9 2.3.2 粘结胶的因素.10 2.3.3 冷却液的因素.11 2.4 磨边余量的计算与磨边疵病 .11 2.4.1 定心磨边余量.11 2.4.2 透镜定心磨边余量.11 2.5 定心方法及各种疵病分析 .13 2.5.1 各种定心磨边方法的精度表：.13 2.5.2 定心磨边常见疵病及产生原因：.13 2.5.3 磨边中的疵病及克服方法.14 2.6 透镜边厚差的检验 .15 3 机械定心磨边 .17 3.1 机械定心的原理及定心条件17 3.1.1 机械定心的原理.17 3.1.2 机械定心的定心条件.17 3.2 定心夹头的选择 .18 3.3 影响定心精度的因素 .19 3.4 夹头最小直径的选择 .19 4.1 透镜表面直接反射像定心法 .20 4.2 球心自准反射像定心法 .20 4.2.1 定心原理.20 4.2.2 成像校正及定心仪位置的确定.22 4.3 光学电视定心 .24 4.3.1 光学电视定心原理.24 4.3.2 光学电视定心精度分析.25 4.3.3 电视定心磨边机.25 4.4 透射像定心法 .26 4.5 激光定心法 .27 4.5.1 激光定心仪.27 4.5.2 激光定心原理及装置.27 4.5.3 精度分析.27 5 劳尔激光定心机器 .29 5.1 维修工作安全守则 .29 5.2 检查定心钟径向摆动 .29 5.3 检查定心钟轴向跳动 .30 5.4 安装刀具 .30 5.5 检查刀具的径向和轴向跳动 .30 5.6 激光定中心 .31 致 谢 .32 参考文献 .33 1 定心磨边概况 1.1.1 1 传统的定义与术语传统的定义与术语 对于圆形的光学零件，精磨抛光完工之后一般都还要进行磨边，使其侧圆柱面尺寸 满足装配要求；对于球面透镜，磨边还有一个重要作用：就是校正透镜在研磨抛光过程 中很难完全避免的偏心，即校正两球心连线（光轴）与外圆对称轴（几何袖）的偏离。 根据透镜的使用要求，光学设计时往往预先给定这种偏离的大小，并用符号表示。 定心磨边就是使透镜满足这种技术要求。 经过精磨抛光后的透镜，一般均为未定心透镜，存在中心误差。对于单透镜，经常 表现为交叉性中心误差，即透镜光轴与透镜几何轴空间交叉（图 1.1）；有时也表现为平 行性中心误差，即透镜光轴与几何轴相互平行（图 1.2）。当透镜光轴与几何轴完全重合 时，则是理想的定心透镜（图 1.3）。 图 1.1 图 1.2 图 1.3 1.1.11.1.1 概念概念 中心偏差是透镜外圆的几何轴与光轴在透镜曲率中心处的偏离程度，用 C 表示。 定心是使透镜的光轴和几何轴重合或在一定的公差范围内。 磨边是将定心后的透镜进行对称地磨外圆。 光学系统的中心偏差尽管很复杂，但透镜中心偏差定义的 C 仍适用于单块透镜。它 符合磨边工序的加工目的，也可以看成是对磨边工序的主要技术要求。 1.1.21.1.2 中心偏差与边厚差的关系中心偏差与边厚差的关系 在透镜研磨抛光过程中，通常采用控制透镜边厚差来校正镜盘中心偏差，达到减小 透镜中心偏差的目的。特别是对大口径透镜不合适定性磨边，在抛光过程中必须通过控 制边缘等厚差的方法，达到中心偏差的要求。 一块存在边厚差的透镜。可以看成是由一块无边厚差的透镜，再附加上一块楔形镜 组成。 tanaa,tanbb,ab, 则 则 DR Ct R CD t 其中 t透镜的边厚差； R球面曲率半径； D透镜外圆直径； C透镜中心偏差。 透镜的中心偏差是其几何轴与光轴在曲率中心处的偏离程度。曲率中心和光轴均是 抽象的点和线，直接测出光轴对几何轴的相对位置是困难的，但是透镜存在中心偏时， 必须通过一些现象反映出来，定心的方法不同，反映的现象也不同。 定心的实质就是通过一定的方法，将透镜的两球心置于磨边机回转轴线上，从而把 以光轴为基准的磨边过程，变成一机床轴为对称轴的修磨透镜外圆的过程。 1.21.2 新的新的概况概况 传统规定的中心偏差 C 的定义，不能表示光轴与几何轴空间相互位置的一般情况， 所以，首先在德国和法国舍弃不用，而我国也在新的国标 GB724287 中提出新的术语和 定义。 本标准适应于由球面与球面或球面与平面组成的且具有旋转对称边缘面的单透镜和 胶合透镜。对于具有其他边缘形状的透镜（例如：矩形透镜）也基本适用。 1.2.11.2.1 基本定义基本定义 中心误差：光学表面定心顶点处的法线对基准轴的偏离量。 中心误差是用光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角来度量，此夹角称为面倾 角，用希腊字母 x 表示。 定心顶点：光学表面与基准轴的焦点。 基准轴：用来标注、检验和校正中心误差的一条确定的直线，该直线应体现系统的 光轴。 定心：校正中心误差的过程。 光轴:单透镜两光学表面球心的连线：胶合透镜在理想情况下光轴是光学表面球心的 连线。 若透镜诸光学表面定好中心，透镜的光轴即与基准轴重合，则该透镜已经定好中心。 若被定心的光学表面定心顶点处的法线与所选定的基准线重合，则该光学表面已经 定好中心。 1.2.21.2.2 传统的中心偏差与新定义面倾角的关系传统的中心偏差与新定义面倾角的关系 1. 用透射式定心仪检验 透射式定心仪检验出的是偏心差 c,在数值上它用焦点像跳动圆半径来度量。 透镜式定心仪检验出的偏心差 e，要保证图纸规定的面倾角 x 的要求。 单透镜两光学表面中有一个选作基准面时，则偏心差 c 与另一个光学表面的倾角的 允许值，按下式计算： C=0.291(n-1)l,F.x.10-3 式中：c偏心差，mm； X面倾角，（）； 透镜材料的折射率； l,F透镜的像方程焦距，。 用反射式定心仪检验 当被检验光学表面球半径为有限值时，可根据 x 值换算出球心到基准轴的距离 a， 也可按检验出的 a 值换算出面倾角 x 值，即 a=x.R/3438=0.291x.R10-3 式中：x面倾角，（）； a被检光学表面球心到基准轴的距离，mm； R被检光学表面球半径，mm； 1.31.3 透镜中心误差各种表述之间的关系透镜中心误差各种表述之间的关系 中心误差面倾角 x、偏心差 c、球心偏 a，这三个反映中心误差的量是客观存在的物 理量，但观察起来并不直观，需要通过仪器来测量。透镜边缘的厚度差，会直观反映中 心误差，但很难测量准确。 1.3.11.3.1 偏心差偏心差 c c 与边厚差与边厚差 tt 之间的关系之间的关系 具有偏心差 c 的透镜相当于一个定心完好的透镜附加一个楔角为 的楔镜，如图所 示，若量仪测头与透镜表面接触轨迹圆的直径为 D，则边厚差 t=D。设图中 H/为透 镜的像方主点，平行于基准轴入射的平行光束会聚于 F/点相当于透镜像方焦点，像 方焦点 F/对基准轴的偏离量即像方主点 H/对基准轴的偏离量 c。若透镜折射率为 n，像 方顶焦距为 l/F，则主光线在楔角为 的楔镜上产生的偏向角为 =（n-1）。所以透 镜的偏心差 c=l/F=(n-1)l/F 因此得 t=Dc/(n-1) l/F 对于像方焦距为 f/的薄透镜有 t=Dc/(n-1) f/ 1.3.21.3.2 面倾角面倾角 x x 与球心偏与球心偏 a a 的关系的关系 当被定心的光学表面曲率半径为 R，则该面的面倾角 x 与球心偏 a 的关系可知 a=0.291xR10-3 1.3.31.3.3 面倾角面倾角 x x 与偏心差的关系与偏心差的关系 当折射率为 n、像方顶焦距为 l/F 的透镜其中一光学表面作为基准面时（基准面的中 心误差为零），则透镜的偏心差 c 与非基准面的面倾角 x 之间关系为 C=0.291(n-1)l/Fx10-3 1.3.41.3.4 偏心差偏心差 c c 与球心偏与球心偏 a a 的关系的关系 若透镜的两个光学表面的曲率半径分别为 R1、R2，可知，a1=R1q1 ，a2=R2q2 ，1=c/ R1 , 2=c/ R2 , q1=1+, q2=2+,因此有 C=（ a1R2- a2R1）/( R2 -R1) 式中 R1、R2要考虑符号关系，正透镜为正，负透镜为负。为了根据球心偏能保证球 心差不超出公差，对于 a1 、a2的符号考虑应以算得的偏心差值最大为准，所以，当 R1、R2异号时，a1 、a2取同号；当 R1、R2同号时，a1 、a2取异号。 2 磨边与倒角加工 粘结在定心磨边机上的透镜在定心之后，要用砂轮或金刚石磨轮进行磨边和倒角， 以达到用户要求的直径和形状。 2.12.1 磨边与倒角磨边与倒角 与定心方法向对应，磨边机有光学定心磨边机、机械定心磨边机、自动定心磨边机 等。其中机械定心磨边机是目前使用最广泛的设备。 2.1.12.1.1 磨边磨边方式方式 磨边方式主要有平行磨削、倾斜磨削、端面磨削、垂直磨削和金刚石成型磨轮磨削。 A.平行磨削。平行磨削是指磨轮轴线与透镜轴线平行。这种磨削方式的特点是磨轮 以最大的线速度磨削零件，磨削效率高，而且易于调整，是一种最为常见的磨削方式。 B.倾斜磨削。这种方式是为了避免零件受磨轮拉脱力过大而造成脱落，因此，将磨 轮调转 30。或 45。角。这样不仅拉脱力减小，而且使零件受到一个紧固的力，从而改善 了零件的受力情况，消除了磨边时零件的脱落现象，同时也可直接在磨边机上完成倒角。 C.端面磨削。采用磨轮端面磨削玻璃，不存在使零件脱落的作用力，磨削效率高； 其缺点是容易磨出锥面或非柱面。 D.垂直磨削。这种磨削方式也不会使零件脱落，而且进刀比较容易。 E.金刚石成型磨轮磨削。采用两块或三块组合的金刚石成型磨轮，可把磨边 和倒角一次完成。 2.2.22.2.2 倒角倒角 光学零件的倒角可以分为两大类：保护性的倒角和设计性的倒角。 保护性倒角是为了防止零件在装配时，尖锐的边缘被碰破，也防止划破工人的手。 在透镜磨边时砂轮和透镜的接触面不是十分均匀的，因此磨边以后，总是大大小小的破 边，倒角可以去掉一些小的破边。 A.成型金刚石磨轮倒角 利用成型金刚石磨轮磨边与倒角如图所示。这种方法是先磨边，然后磨轮相对于透 镜左右轴向移动一个小距离磨透镜的棱角。这种方法要求接头直径 D/应比透镜 D 小，其 关系为： D/=D（0.5+2） 式中： 是金刚石磨轮倒角部分的高度。 B.砂轮倒角 将砂轮或工件转动一定的角度，即可在磨边后接着倒角。 C.倒角模倒角 倒角时，使用金刚石倒角模，真空吸附。对于大透镜和硬玻璃材料用 W40 磨料；对 于小透镜和软玻璃材料用 W20 磨料。 E.倒角宽度 倒角宽度与零件直径和零件类型有关系，具体尺寸见下表: 倒角宽度（mm）零件 直径 （mm） 非 胶合面 胶 合面 用 滚边固 定 倒角位置 36 0.1+0.10.1+0.10.1+0.1 610 0.1+0.10.1+0.10.3+0.2 1018 1830 0.3+0.20.3+0.2 0.4+0.2 0.5+0.3 3050 5080 0.4+0.30.2+0.2 0.7+0.8 0.8+0.4 80120 0.5+0.40.3+0.3 12150 0.6+0.5 倒角的斜角 根据 D/r 的比值由下表给出。 倒角的倾角零件直径与表 面半径的比值 D/r凸面凹面平面 0.745。45。 0.7-1.530。60。 1.5-2不倒角90。 45。 2.22.2 影响定心精度的因素影响定心精度的因素 影响定心精度的因素：机床主轴的径向跳动， 接头， 定心角。 2.2.12.2.1 机床主轴的径向跳动机床主轴的径向跳动 机床主轴径向跳动会造成透镜透镜基准轴的位置变化，因此，应使其径向跳动量小 于定心精度。 2.2.22.2.2 接头接头 为了保证机械定心的精度，防止接头划伤透镜的通光表面，以及透镜粘结面的曲率 中心与接头几何轴重合的程度，接头应满足以下要求： （1）接头的几何轴与机床主轴的重合精度应高于定心精度； （2）接头端面应与几何轴线严格垂直； （3）接头端面应光滑，不能擦伤透镜表面，端面粗糙度 Ra为 0.16 以上； （4）接头外径应比定心透镜名义直径小 0.15mm-0.30mm，并带有通气小孔，接 头壁厚一般为 1mm； （5）接头具有一定的刚度，光学定心法接头用黄铜 HPb591 或 H62；机械定 心法可用黄铜或 45 号钢； （6）对于机械定心，夹持透镜的两个主轴的同轴度也有要求，一般为 0.005mm-0.01mm。一般接头外径比透镜完工直径小 0.2mm-0.4mm。 下图为光学法定心接头和机械法定心接头设计图 图 2.1 光学法定心接头和机械法定心接头设计图 2.2.32.2.3 定心角定心角对精度的影响对精度的影响 对于机械法定心，除了上述两个影响因素外，透镜与接头的摩擦系数、透镜的曲率 半径以及接头直径对定心精度也有影响。透镜与接头的摩擦系数越小，定心精度越高。 对于弯月透镜，可用曲率半径较小的一面对直径较大的接头，曲率半径较大的一面对直 径较小的接头，以提高定心精度。 2.32.3 影响定心的工艺因素影响定心的工艺因素 在定心磨边机床、接头及定心角都合适的情况下，透镜磨边的精度与加工中磨轮粒 度及转速、粘接胶、冷却液等工艺参数有关系。 2.3.12.3.1 磨轮的磨轮的因素因素 透镜的定心磨边通常采用金刚石砂轮或碳化硅砂轮，加工光学玻璃常用青铜结合剂， 加工晶体可以用树脂树脂结合剂。其磨轮粒度按透镜的直径大小选择，对于大直径透镜， 采用 180#，小直径透镜采用 240#或 280#。磨轮的转速与透镜的直径有关系，直径越大， 转速越高，一般为 15m/s-35m/s。下表给出了光学法定心和机械法定心的主要参数。 各种定心方法的机器参数 磨边方法光学法定心磨 边 机械法定心磨边 工作转速 （r/min） 200500310 进刀量（mm）0.020.100.51 2.3.22.3.2 粘结胶的粘结胶的因素因素 磨边用的粘结胶的作用是将透镜粘结到接头上，它的主要成分是松香和虫胶漆，此 外还有少量的蜂蜡和矿物油。由于特殊的应用环境，磨边胶应满足一些特定的要求： （1）足够的强度，以保证透镜不会从接头上脱落； （2）软化点低，以便稍加热即可调节透镜的位置； （3）磨边后，容易清洗透镜和接头； （4）良好的化学稳定性，不致腐蚀磨边透镜。 2.3.32.3.3 冷却液的冷却液的因素因素 磨边冷却液可分为油性和水性两种，具有粘度低、冷却性强、润滑性好等特点，同 时不损害皮肤，对机床设备无腐蚀，对环境无污染。一般采用 401#冷却液、GX 水基冷却 液等。另外，透镜的磨边一般都是在抛光之后进行，因此，磨边时必须考虑抛光表面的 防腐蚀处理，一般是在磨边冷却液中加入 1%的抛光液稳定剂。 2.42.4 磨边余量的计算与磨边疵病磨边余量的计算与磨边疵病 2.4.12.4.1 定心磨边余量定心磨边余量 透镜完 工直径 （mm） 3-1010-2020-3535-5555-8080-110 大于 110 磨边余 量 （mm） 0.81.41.82.22.633.5 2.4.22.4.2 透镜定心磨边余量透镜定心磨边余量 透镜类型图示余量计算公式 双凸 t=D(D+D)(R1 + R2-d)/2R1R2 双凹 t=D(D+D)(R1+ R2+d)/2R1R2 平凸 平凹 t=D(D+D)/2R 当计算 得到的 D 大于 6nm 时，则应缩小 t，也就是说通过控制透镜的边缘厚度保证 D。当凸透镜 的完工直径加上磨边余量后边缘厚度小于 0.5mm 时，则也应缩小 t，通过控制透镜的边 缘厚度保证 D。一般情况下，用透镜的边厚差计算磨边余量。如下表： 透镜的边厚差 透镜口 径 D（mm） 3-1010-2020-3535-5555-8080-110110 边厚差 t（mm ） 0.30.40.50.60.70.81 2.52.5 定心方法及各种疵病分析定心方法及各种疵病分析 2.5.12.5.1 各种定心磨边方法的精度表：各种定心磨边方法的精度表： 正弯月 t =D(D+D)(R2- R1+d)/2R2（R1-h1） 负弯月 t=D(D+D)(R1-R2- d)/2R1R2 注：t透镜边缘厚度差；D透镜直径；D直径磨边余量；R 透镜的曲率半径（绝对值） ；d透镜的中心厚差；h1曲率半径 R1面 对应的矢高。 定心方法精度（mm）备注 表面反射像定心 0.03-0.10 精度中等 自准直球心定心 0.005-0.04 精度高 透射定心 0.01-0.10 精度中等 适合小批量 生产，对工人要 求高，效率低 机械定心 0.01-0.10 精度中等，适合大批量生产，对工人 要求低，效率高 2.5.22.5.2 定心磨边常见疵病及产生原因：定心磨边常见疵病及产生原因： 疵病类 型 产生原因 崩边 （1）砂轮粒度粗； （2）进刀量太快或进给太快； （3）砂轮本身不平衡； （4）砂轮钝化或工作表面不平； （5）砂轮轴跳动大 工件脱 落 （1）进刀量过大； （2）粘结胶太脆； （3）零件与砂轮接触过猛； （4）砂轮径向跳动大 椭圆 （1）接头端面与其旋转轴线不垂直； （2）机械定心磨边机的进刀凸轮不佳，弹簧压力不 当； （3）工件轴磨损或松动 划伤 （1）接头端面粗糙度差； （2）粘结胶布干净； （3）倒角模半径取的不合适； （4）机械定心压力不当，冷却液中玻璃末过多 尺寸不 准 （1）尺寸定位精度不佳； （2）砂轮轴的精度低； （3）工件轴的固有误差； （4）机械定心压力小或磨削压力不当 锥度 （1）砂轮柱面母线与主轴不平行； （2）主轴导轨间隙过大； （3）主轴的往复运动不在同一条直线上； （4）工件前后动程不合适 2.5.32.5.3 磨边中的疵病及克服方法磨边中的疵病及克服方法 、崩边破口产生原因 （）砂轮或磨轮表面不平，或已磨钝后微孔堵塞，砂轮以选中软硬度为宜； （）砂轮粒度太租，工件越小，粒度越细，见表常见砂轮种类所示： （）砂轮量太大，或进给太快； （）砂轮和工件轴的相对跳动太大； （）砂轮或透镜转整选择不当； 、透镜上径出现椭圆或锥度，产生原因： （）砂轮与工件的径向跳动太大； （）夹头端面与工件轴不垂直； （）往复运动方向与砂轮工作面不平行； 、表面疵病等级下降产生原因 （）夹头端面不光滑而划伤； （）粘结胶不清洁或对透镜起腐蚀作用； （）机械定中心时压力过大； （）冷却液对玻璃起腐蚀作用； （）倒角时擦伤； （）清洗时擦伤。 2.62.6 透镜边厚差的检验透镜边厚差的检验 被定心透镜由三个钢球支承着，两只定位销紧靠着透镜的外圆柱面，形成五点支撑。 三只支承球所在圆的直径是可调的，以测量不同直径的透镜。定位球和支承球均选 表面非常光滑的钢球。用千分表紧固在支架上，其测量头顶住透镜的边部圆周上， 旋转一周，其千分表的跳动量就是透镜在这个环节上的边厚差。 测量透镜边厚差的装置示意图，如图 2.2 所示。 1-定位头 2-千分表 3-待测透镜 4-支撑球 图 2.2 测量边厚差的简易装 3 机械定心磨边 目前在中等精度透镜的大批量生产中，主要采用机械定心的方法，这是因为这种方法 操作简单，效率高，定心精度能满足一定的要求。 3.13.1 机械定心的原理及定心条件机械定心的原理及定心条件 3.1.13.1.1 机械定心的原理机械定心的原理 定心原理利用一对同轴性很高的、且端面垂直轴线的定心夹头定心夹头 1 和 3，借助 施加在夹头 3 上的弹簧力将工件 2 夹紧。夹头 1 只能转动，而夹头 3 既能转动又能在装 夹工件中沿轴向移动。 图 3.1 机械定心的原理 1、3-夹头 2-工件 在图 3.1 中，当透镜处于非定心状态时，由于其边厚不等，则透镜受力不平衡。这 时由弹簧产生的支反力，可分解成垂直于夹头端面的夹紧力和垂直轴线的定心力。夹紧 力 P1。和 P2 与反作用力相平衡。定心力的合力 F 将克服摩擦阻力 F(F 是透镜两表面法线 的切线方向上的摩擦力 F1 和 F2 的合力)，使透镜沿垂直轴线方向上移动，直到 PF 时， 透镜不再移动，此时，透镜光轴与夹头轴线(即机床回轴轴线)达到一定的重合精度，从 而实现了透镜的定心。 3.1.23.1.2 机械定心的定心条件机械定心的定心条件 若采用机械定心法，则定心前必须计算定心角，以判断能否使用该种定心方法。 1R1=R2 时的定心条件按定心原理，透镜的定心条件是，定心力 P 必须大于摩擦力 F， 即 PF。如果透镜的曲率半径 R1=R2=R，总定心角用 表示，而玻璃与夹头之间的摩擦 系数为 u，则由图 3.1 可知：满足定心条件时应有 PF，即 1sin cos 22 N tan 2 而 tan/(2 ) 2 DR 所以 R1 /(2 ) D2 DR 或 上述公式表示透镜两表面曲率半径相同时，采用机械法定心的条件。1 12 RR 时的 定心条件如果定心透镜的 12 RR ，那么 12 ，则透镜定心条件应满足下式： 12 tantan2 应用公式(79)时，对双凸、双凹透镜取“+”号，对弯月透镜取“-”号。 用定心值 z 代替 u，另外，对于单面定心 1 和 2 很小，则可用 sin 1 和 sin 2 代 替 tan 1 和 tan 2 那么公式(79)可写成 1212 121212 DD tantan22RR = 224 DD RR Z 公式(710)表示透镜两表面曲率半径不同时的定心条件。一般玻璃透镜与钢夹头之 间的摩擦系数 u=0.15，则： (1)ZO.15 时，相当17 30 ，定心情况良好； (2)Z=0.10O.15 时， =12 17 30 ，定心情况较差； (3)Z20 为好。 3.23.2 定心夹头的定心夹头的选择选择 保证机械定心的关键是夹头的精度，因此对定心夹头(接头)的要求如下： (1)夹头轴与机床回转轴的同轴性要求在 0003O005mm 以内； (2)夹头端面精确垂直几何轴，并且端面粗糙度应达到 o05ptm 以上； (3)夹头外径比透镜完工直径小 O2O3mm； (4)夹头壁厚一般为 1mm，并且壁端为锥面； (5)一般夹头为黄铜 H50、H62 或钢材料。 3.33.3 影响定心精度影响定心精度的因素的因素 (1)在夹头直径 D和定心透镜曲率半径尺一定时，双凸、双凹透镜的定心值比弯月 透镜的定心值大，即在相同条件下，前者的定心精度高。 (2)在夹头直径一定时，透镜曲率半径愈小，定心精度愈高。通常机械定心适用于 R180mm 的透镜。对于直径在 670mm 的透镜，定心精度可达 O.01mm。 (3)在透镜曲率半径 R 一定时，D愈大，定心精度愈高，所以夹头直径要尽量大， 这样不仅精度高，而且还可以防止夹头端面划伤透镜通光表面。 (4)夹头与透镜表面之间的摩擦系数愈小，则定心精度愈高。而摩擦系数与夹头材料 的选择、夹头工作端面的粗糙度和润滑剂有关。润滑剂可用变压器油或仪表油等。 3.43.4 夹头最小直径的选择夹头最小直径的选择 为了提高机械法的定心精度和防止夹头划伤透镜的通光表面，夹头直径要尽量大。 在生产实践中，为了使用方便，可根据透镜的曲率半径大小，利用判断机械定心法所用 夹头的最小直径 min Df ，即该透镜直径大于 min Df 才能采用机械定心法。此图按定心角 16 制。 4 4 光学定心光学定心 光学定心主要包括透镜表面直接反射像定心法、球心自准反射像定心法、透射像定 心法、电视定心法和激光干涉技术定心法。 4.14.1 透镜表面直接反射像定心法透镜表面直接反射像定心法 这种定心方法的原理如图所示。 图 4.1 表面反射像定心 定心接头轴线与机床的回转轴重合，并且接头端面精确地垂直于轴线。将透镜胶接 于接头端面时，如果胶层非常均匀，则透镜表面“1”球心必然落在接头的轴线上。如果 再使透镜表面的“2”的球心也置于接头轴上，则透镜实现了定心。利用透镜表面直接反 射灯像的方法进行定心，故称透镜表面直接反射像法。 在保证定心接头轴线与机床的回转轴重合，且接头端面严格垂直于轴线的情况下， 将透镜粘结在接头上，定心时，将一光源放在透镜前上方 yA 处，转动接头，根据非粘结 面的光源反射像的跳动来移动透镜，使其光轴与夹头轴线重合。当像撞到上面，则将透 镜沿着夹头端面向下移动；像转到下面，则反之，直至像不移动或在允许范围内，即完 成定心。一般情况下，透镜粘接面的定心主要靠接头端面的修整精度来保证。 这种定心时用肉眼直接观察像的跳动，与表示中心误差的各参与量之间没有直接的 关系，但它的大小反映出透镜中心误差的大小。 这种定心法定心精度不高，一般为 0.05mm 左右。但所需要的设备简单，操作方便， 适用于单件或小批量生产。 4.4.2 2 球心自准反射像定心法球心自准反射像定心法 4.2.14.2.1 定心原理定心原理 球心自准反射像法定心原理如图所示: 图 4.2 球心自准反射像法定心原理 1被定心透镜；2，3自准显微镜的物镜组成部分；4分化板。 从十字分划 A 发出的光线，由垂直放大率为 的光学系统对透镜的表面曲率中心成 像，经被检面球心反射回来的十字像位于分划板上 A/处。如果透镜的球心偏位 c，转动透 镜，十字像 A/亦随之跳动，像的跳动量为 4c。若分划板的分划值为 b，则允许像 A/的 跳动格数为： m=4c/b 如果像的跳动格数超过这个范围，必须移动透镜，直至十字像不跳动或在允许的范 围跳动。如下图，给出了球心反射像定心仪的光学系统图。 图 4.3 球心反射像定心仪的光学系统图 1光源；2聚光镜；3分划反光镜；4物镜；5可换物镜；6工件； 7物镜；8分划板；9目镜组；10接头。 将具有中心误差的透镜粘结在接头上，在确定了球心自准反射定心仪在磨边机上的 位置后，观察透镜光学表面曲率中心。转动接头时，观察球心像的跳动量，如果跳动量 大，则移动透镜，至球心像不动或跳动在允差范围内，即完成定心。 球心自准像定心法，定心精度较高，可达 0.005mm，主要用于直径小、曲率半径小的 透镜的定心。但由于视场较小，找像困难。另外，供定心仪移动的导轨与机床主轴的平 行度要求太高。因此，在中等精度透镜高效生产中，主要采用机械定心法。 4.2.24.2.2 成像校正及定心仪位置的确定成像校正及定心仪位置的确定 1. 校正点位置的确定 所谓校正点就是透镜表面的球心像。当透镜定心时，此像要随接头而移动，定心过 程就是通过观测校正像的跳动来实现定心的。因此，首先必须找出球心像的位置（校正 点） ，然后将定心仪物镜前焦点置于校正点上，才能正确观测像的跳动。 透镜表面的校正点与它的曲率中心置于同一纵向位置上，因为反射面的放大倍数是- 1。 透镜后表面的定心，一般是靠接头端面的垂直度实现的，所以，通常情况不必用定 心仪观测像的跳动。 定心时，首先必须找出透镜的校正点。对于透镜非粘结面，其校正点就是它的去曲 率中心，而粘结面的校正点位置可用近轴球面折射公式计算。然后根据校正点到透镜非 粘结面的距离，选择合适的物镜。选择的原则是：当物镜的物方焦点置于校正点上时， 物镜与透镜非粘结面的距离 x 不小于 10mm，以便于操作。 由图所示的定心仪与透镜间的位置关系可以看出，当校正点到透镜非粘结面间的距 离 l2和选定的可调物镜物方顶焦距 lF2确定后，便可确定物镜前表面到透镜非粘结面间的 距离 x2，从而确定了定心仪的轴向位置。 图 4.4 定心仪与透镜间的位置关系 2. 自准显微镜轴向位置计算 用自准显微镜定心是观察与球面共心的光束所成的像（球心像）来校正透镜的偏心， 也就是说将球心像作为自准显微镜的物。透镜的球心像又是由自准显微镜所成的像作为 透镜的物所造成的。当球心像的像平面和自准显微镜的物平面（自准显微镜本身的像平 面）相重合时，就能在自准显微镜中看到球心像了。 透镜球心像的位置可用折射球面的近轴折射基本公式求出，即 n/s/-n/s=( n/-n)/r 则 s/= n/rs/nr+( n/-n)s 式中：s/为像到折射面顶点的距离; S 为物体（发光点）到折射面顶点的距离； n 为第一种介质的折射率； n/为第二种介质的折射率； r 为球形临界面的半径。 根据上述原理，下表给出了不同形状的透镜在不同的粘结情况下，自准显微镜轴向 位置的计算方法。 透镜 类型 定心图示校正粘结面 平凸 透镜 平凹 透镜 X1=L1+r2n/( n/-n) X1可换物镜面与 透镜非粘结面间的距离； L1可换物镜第一 面到物平面间的距离； r2球面曲率半径； n/空气的折射率； n玻璃的折射率。 符号规则：凸为 “+” ，凹为“” 。 双凹 透镜 双凸 透镜 正弯月 透镜 负弯月 透镜 X1= L1+ n/r2s/n r2+( n/n)s 此时 s= r1d r1粘结凹面的半 径（取负值） ； d透镜中心厚度； r2符号规则：凹为 正，凸为负。 4.34.3 光学电视定心光学电视定心 为了提高定心精度，减轻人眼疲劳，在球心自准定心法基础上，发展了光学电视定 心法。这种方法采用自准显微镜观测定心透镜球心像的跳动，然后通过电视屏显示定心 误差，因此，精度高、检测直观、效率也高。 4.3.14.3.1 光学电视定心原理光学电视定心原理 光学电视定心法的原理如图所示。 图 2.5 光学电视定心光学系统 1光源；2聚光镜；3分划板；4分光镜；5显微物镜； 6定心透镜；7摄像机；8显示器。 在如图所示的光学电视定心装置中，在定心磨边机的导轨上装有自准显微测量系统。 它由光源 1、聚光镜 2、分划板 3、反光镜 4、物镜 5 和电视摄像管 7 组成。待定心透镜 6，用粘结胶粘在定心接头上。 在定心过程中，首先移动自准显微镜，使由物镜 5 射出的光线，聚集在定心透镜外 表面的球心 O1上。如果透镜无偏心，则射向定心透镜的光线沿法线方向射入，且反射光 线按原路返回，并将分划板的十字丝成像于摄像管 7 的中心点 O1/上。对物镜来说，O1/点 与定心透镜第一面（非粘结面）的球心 O1是共轭的。转动与机床回转轴有高度同轴性的 定心接头时，球心 O1的自准像，O1/不动，则表面定心透镜的光轴与机床的回转轴（即定 位轴）重合；否则，如果透镜有偏心，转动定心接头时，自准像 O1/将发生跳动，这时加 热定心接头使粘结胶软化，将透镜的粘结面沿夹头端面作上下、左右移动，直到主轴回 转时，在电视显示屏上的像无跳动或在允许的公差范围内跳动，即透镜实现定心。 在定心过程中，对于被定心透镜的两个球心像，主要是将非粘结面的球心像置于定 位轴上（回转轴） 。而粘结面的定心是靠定心接头端面垂直度和定位轴的同轴性保证。但 是，接头端面在长时间使用过程中要产生磨损，这将造成端面与轴线的垂直度超差。因 此，定心接头使用一定时间后，还要对定心透镜的粘结面球心像进行检查，看是否在定 心公差范围内。 4.3.24.3.2 光学电视定心精度分析光学电视定心精度分析 采用光学电视定心法，其定心误差应包括透镜两表面定心误差的总和。但粘结面的 定心精度已由夹头端面垂直度保证，因此透镜的定心精度是由非粘结面的定心精度决定 的。 设电视摄像管的分辨率为 N，显微镜的放大率为 ，则通过电视系统所观察到的非 粘结面球心，随主轴回转时的跳动量为（1/N）（1/） 。由此可得定心透镜非粘结面 球心离回转轴的垂直距离为 C，则表示光学电视定心法的定心精度为 C=1/4N 如上述分析可看出：光学电视定心法布球心自准像定心法的精度高，而且定心快， 适用于高精度透镜大批量生产的定心，但定心效率仍未有机械定心法高。 4.3.34.3.3 电视定心磨边机电视定心磨边机 如图所示为双光电路定心磨边机，可用于不透可见光材料透镜及一般透镜的外圆、 端面整平、倒角等工序。在透镜两端各置一光学定中心仪，并连接显像装置观察，找正 光轴后进行磨边。设备参数如下： 加工透镜的最大直径：180mm； 工件主轴中心高：136mm； 砂轮主轴与工件主轴中心线距离：70mm180mm；工件主轴转速： 63r/min、127r/min、254r/min；工件主轴往复速度：151p/min；工件主轴往复行程： 040mm；砂轮主轴转速：3560r/min；砂轮规格：150mm32mm20mm；电机总功率： 0.58kw；圆度：0.005mm；外圆与光学轴心同轴度：0.005mm。 4.44.4 透射像定心法透射像定心法 透射像定心是通过观察透镜的透射像与几何轴的偏离来定心的。将透镜胶在接头上， 接头的端面严格垂直于机床主轴，即几何轴。定心时，转动透镜，则通过透镜透射过来 的十字分划像有跳动，其跳动量表示透镜像方焦点对基准轴的偏离量，反映出透镜几何 轴与光轴在透镜光心处的偏离量。 如图所示， 图 2.7 透射法定心原理示意图 1光源；2聚光镜；3十字分划板；4准直物镜；5接头；6工件；7可调物镜；8固 定物镜；9直角棱镜；10分划板；11目镜 透镜偏心差 c 由下式求出： c=bn/2 式中： 为物镜放大镜； B 为分划板实际格值； n 为跳动格数。 透射像定心法有个最大的不足，就是当透镜像方焦点对基准轴的偏离量为零，而光 轴与基准轴仍有交角时，透镜实际存在的偏心差无法反映出来。 4.54.5 激光定心法激光定心法 4.5.14.5.1 激光定心仪激光定心仪 激光定心仪有三部分组成，即可调焦的激光器、二维的位置传感器、电子处理和显 示部分。其测量原理是：从激光发出的光经可调焦的光学系统通过定心透镜，在透镜后 用带可调千分尺的光电晶体转换器接收光点像，然后将光点像显示在显示器上。透镜是 夹在两个空心夹具（接头）之间的，激光可以通过，而且是通过透镜的中心。通过转动 透镜可以从光点在感光片商的移动确定偏心差是多少。 4.5.24.5.2 激光定心原理及装置激光定心原理及装置 激光定心装置中： A、B聚焦装置；C反射镜；D被定心透镜；E聚焦旋钮；F亮度旋钮； M转换器；S红色指示灯；X水平位移旋钮；Y纵向位移旋钮；G放大倍数旋 钮；L400mm。 在机械自动定心机床上，右边加上激光发生器，左边装置为激光转换仪（屏幕显示 装置） ，被定心透镜夹持在左右两根高精度空心夹具上，紫红色的激光束从激光发生器中 射出，通过 A 与 B 两块光学透镜聚焦（此两块透镜可根据被加工透镜曲率半径大小来调 节焦距） 。激光光束再通过反射镜 C，成 90 度折射，通过右空心轴，再通过被定心透镜 D，又通过左空心轴，直射到带可调千分尺的光电晶体转换器 M 上。 在光学晶体转换器 M 上，激光束瞬间被吸收并被转换成电子流，转换后的电流相当 微弱，经放大后，紫红色的激光束转换成不刺眼的绿色亮点，随着被定心透镜 D 的旋转， 在显示仪屏幕上显示的绿色光点作圆周轨迹旋转。如果在同一折射率条件下，则光点旋 转轨迹直径小，透镜定心好。 屏幕 X 与 Y 坐标每格读数值：一大格分五小格，每小格为 2mm。在透镜定心过程中为 了看清屏幕上光点旋转轨迹，必须予以放大，它必须配合光电转换元件座上的附加千分 尺 M 来进行调节。用这种方法就可以保证定心透镜最后的定心精度。 4.5.34.5.3 精度分析精度分析 透镜通过激光束定心，在屏幕上按放大倍数显示读数，此读数不是真正的透镜面倾 角的角秒精度值，要想得到精确角秒值，可用以下计算公式： x=103000/LK(n-1) 式中：x表面倾角； L被加工透镜到光电转换器的距离； K显示装置放大倍数； n透镜的折射率； 显示屏幕中绿光点旋转直径； 103000计算系数。 在实际操作过程中，为更方便地得到表面倾角，一般可直接查表。而且查表数值与 计算所得数值基本上吻合。 激光定心操作简单，速度快，定心精度高，可以达到 10/的定心。 5 劳尔激光定心机器 以 LOH C-2SL 激光定心机器为例，讲述实习中的有关了解。 5.5.1 1 维修工作安全守则维修工作安全守则 1、所有清洗和保养工作都必须遵从电器件守则。 2、维护和保养工作必须由合格并授权的电工进行。 3、有些维护工作必须在关机状态进行，要遵从适当的守则。 4、在开始维护或修理之前，清擦机器，特别是连接处和螺纹接口，清除油 和保养剂。不要使用酸性清洗剂，使用无棉抹布。 5、检查所有螺纹接点是否有泄漏、擦痕、损伤,清洁后修复应立即改正任何 缺点。 6、机器维护修理期间，将松开的螺钉立即拧紧。 7、当安全装置需拆开维护修理时，在工作完成之后应立即将定位重新装好 并测试。 8、请按照环境安全方式处理所有消耗品、冷却剂、润滑剂和更换零件 。 当定心钟安好，夹紧在定心主轴上后，在定心操作前，必须检查其径向和轴向摆动， 提供有专门的测量仪器。 5.25.2 检查定心钟径向摆动检查定心钟径向摆动 1、照准测量仪器的臂，测针大致要磨得镜片接触定心钟的边缘的位置。 2、用定位螺钉将测量仪固定到位。 3、校准数字表至“0” 。 4、用脚踏开关开始定心主轴的转动。指示表所显示的径向摆动应在 0.003mm 允差范围之内。 5、如果径向跳动超过上述范围，定心钟必须按下列进行再调。 6、如前所述取掉定心钟，用酒精或类似物清洗接触物。 7、