球面光学样板的加工工艺资料

1、河南工业职业技术学院Henan Polytechnic Institute毕业设计题 系 专 班 姓 学目 别 业 级 名 号指导教师日期球面光学样板的加工工艺光电工程系精密机械技术2013 年 11 月河南工业职业技术学院毕业设计毕业设计任务书设计题目：球面光学样板的加工工艺设计要求：1. 设计球面样板加工的尺寸和精度要求，并附图例2. 设计出球面样板的制造工艺（包括球体的研制，球面样板的制造） ，并设计 出球体制造的工艺的工序要求，其中要求图文并用。3. 设计出球面样板加工的曲率半径以及其中的误差分析，并附图解释。4. 做出球面样板加工的精度分析并做好精度检验要求。设计任务：1. 设计球面

2、的标准样板；2. 设计球面样板的制造工艺及设计图示；3. 设计球面样板的曲率半径；4. 样板的精度分析与检验；5. 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， 会计算主要元器件的一些参数，并选择元器件。设计进度要求：第一周：在图书馆查看书籍，在网上搜索资料，在实践中听取老师的教导，以 便于查找各类相关资料，使资料更完整，更精确，有利于论文的撰写。第二周：使自己对论文的框架有个大概的了解， 将收集到的资料进行整理分类，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：根据论文的要求对论文进行排版，绘图，把文字校对等项工作完成。指导教师（签

3、名）：河南工业职业技术学院毕业设计摘要球面样板是检验球面光学零件曲率半径和球面面型误差的量具， 由于光学系统 多由球面组成，而球面的曲率半径测试的特殊性，逐渐发展成这套即比较简单，又 容易控制误差的测量工具和检验方法。样板是光学零件制造过程中使用最广泛、最 简便的一种精密测量工具，因此，在光学零件生产技术准备阶段，必须先设计和制 造一套标准样板和一定数量的工作样板。球面光学样板的制造与球面零件制造，虽然有许多类似之处，但由于样板是 测量工具，要求面形精度比一般透镜高得多，因此，为了保证其高精度，球面徉板 往往成对制造。关键词 ：粗磨，精磨，抛光，工艺，检测。河南工业职业技术学院毕业设计目录毕业

4、设计任务书 I摘 要 11. 绪 论 41.1 光学样板的重要性 41.2 球面样板的应用 42. 球面标准样板设计 52.1 球面加工各工序曲率半径的工艺设计原则 52.1.1 球面的余弦磨削 52.1.2 球面的均匀磨削 62.1.3 球面的均匀磨削和余弦磨削在光学冷加工中的应用 62.1.4 球面加工各工序曲率半径的配合 62.2 在单件加工透镜球面在各工序测量标准的设计原则 72.2.1 球面加工各工序曲率半径设计的顺序 72.2.2 球面加工各工序曲率半径计算过程之一 72.2.3 球面加工各工序曲率半径计算过程之二 72.3 球面加工各工序曲率半径计算过程的修正方法 82.3.1

5、实际设计时还注意的事项 82.3.2 解决这些问题的方法 82.4 球面标准样板的尺寸选择 92.5 球面样板精度设计 92.6 注意事项 93. 球面样板的制造 103.1 球体的磨制 103.2 弧形样板的制造 114. 球面样板的曲率半径 134.1 球面曲率半径的允差 134.2 误差分析 145. 样板的精度分析与检验 165.1 球面样板的精度分析 165.1.1 测量误差 16河南工业职业技术学院毕业设计5.1.2 矢高制造误差 175.1.3 标准样板光圈误差 175.2 球面样板的精度检验 186. 光学冷加工工艺和设备现状及其发展 197. 国外光学加工技术的发展现状 25

6、结 论 30致 谢 31河南工业职业技术学院毕业设计球面样板的加工工艺1. 绪 论1.1 光学样板的重要性球面样板是检验球面光学零件曲率半径和球面面型误差的量具， 由于光学系统 多由球面组成，而球面的曲率半径测试的特殊性，逐渐发展成这套即比较简单，又 容易控制误差的测量工具和检验方法。球面样板分球面标准样板和球面工作样板， 球面标准样本通常用同一曲率半径 的凸，凹球面成对制造（俗称对板） ，而球面工作样板则根据被检零件的曲率半径 来制造，例如，检验凹球面，则制造凸球面的工作样板，反之，亦可。1.2 球面样板的应用图（ 1.1 ）光学样板是人造熔融石英材质的光学平板之一， 被用作平面元件的平面度

7、测量 时的标准平面。也被称为牛顿样板，日系企业也称为原器。 把被测件放在光学平 板上就会出现牛顿环，根据牛顿环的数量和形状，检验和测量被测件的面精度。牛 顿环是两个表面间的间隙引起的干涉条纹。一个间隔相当于测量波长的一半。 （ 牛 顿环法 ）每个光学样板都被放置在一个保护木合内，并附有实测的干涉条纹照片和 表面形状数河南工业职业技术学院毕业设计2. 球面标准样板设计2.1 球面加工各工序曲率半径的工艺设计原则在加工平面零件时，在各工序完工的表面都是平面，这样可以使表面的各部位 都是均匀的去除。而加工球面零件时，其表面在各工序应如何加工呢？下面我们进 行讨论。2.1.1 球面的余弦磨削以加工平面

8、的经验，我们将一个球面在不改变其曲率半径的情况下磨削这个球 面，最终它仍是由原来相同的球面。球面上的各点向下加工的尺寸都是一致的，新 球面是被均匀加工出来的。采用这种方法加工，它的表面加工量真的是均匀的吗？当加工一个曲率半径为 R 的凸球面时，如果加工前的曲率半径也为 R，加工量 为时。加工前后如上图，一个球面初始曲率半径为 R，绕 Y 轴进行旋转进行研磨 加工，其中心在 Y轴方向研磨量为后，形成一个曲率半径为 R 的新球面，球心从 原位置 O1沿 Y 轴移至 O2。原球面参加研磨的各点沿 Y 轴移动量都是。由于球面 上都向下方去除了尺寸，因此有人主观的认为球面是均去除的，球面就应该是这 样加

9、工的。实际上球面零件表面加工后的缺陷深度， 是在球面的径向方向上均匀的， 而不是在纵轴方向，球面的去除量也应当按径向来计算的。当球面的张角很小时径 向和轴向的区别不大，但是当球面的张角较大时差别就非常明显了。球面的去除量 是以一球面上的各点到另一球面最小距离对应点间的距离，当加工量远远小于球面 的曲率半径时可以用两球面径向的间距来计算。现在我们来讨论张角 方向的去 除量：球面的去除情况如图所示， O1A为原球面的半径 R，与新球面交于 B，O2B为新 面的半径 R，C为 B点在 Y轴上的垂点， 1、 为 A、B点对两球面的张角。O1A = O2B = R，BC = Rsin ，O2C = Rc

10、os，O1C = Rcos - ，公式见常用公式推导河南工业职业技术学院毕业设计从我们推导出的公式 =COS 可以看出，球面的径向去除量随张角的增加 而减少，并成余弦函数分布。因此，我们将一个球面在不改变其曲率半径的情况下 进行磨削，就叫做余弦磨削。这个公式不仅适用于凸面，也同样适用于凹面。这个结论告诉我们，在加工球面时，采用各工序曲率半径不变的方式加工的球 面是有问题的。球面中心的缺陷被去除掉后，不能保证球面边缘的缺陷被去除，因 为球面边缘的去除量比中心少，特别是球面张角很大的情况。如果将球面边缘的缺 陷全部去除掉，球面中心的去除量又会很大，需要增加加工工时，在工艺设计上是 不合理的。注意球

11、面余弦磨削的公式是在去除量远远小于球面曲率半径的情况下推导出 来的，它是一个近似公式，不是精确公式。特别是去除量很大或球面曲率半径很小 时公式计算与实际情况差距很大。还要注意的是，被加工球面是半球或超半球时， 又会出现其它结果。2.1.2球面的均匀磨削球面表面均匀被去除，其曲率半径会如何变化呢？我们设想一个球体，原先的曲率半径为 R1。球体被均匀的去除深度 后，新 球体的曲率半径为 R2。R2和 R1的关系则是： R2=R1-。因此我们可以得出结论：在加工凸球面时，球面均匀去除量 后要得到曲率 半径为 R2 的球面，在加工前球面的曲率半径应当是 R1=R2+。在加工凹球面时， 球面均匀去除量

12、后要得到曲率半径为 R2的球面，在加工前球面的曲率半径应当 是 R1=R2- 。2.1.3 球面的均匀磨削和余弦磨削在光学冷加工中的应用在球面铣磨、精磨和抛光的理想工艺设计中，要以均匀磨削为基础设计各工序 的曲率半径。在粗磨、精磨和抛光过程中，模具表面磨耗的理想情况是余弦磨耗。在返修时，单个透镜球面的加工量是余弦磨削。 球面加工到工艺设计尺寸后过量的磨削，也是属于余弦磨削。2.1.4 球面加工各工序曲率半径的配合透镜镜表面加工通常要经过铣磨、精磨、超精磨和抛光四个步骤，精磨加工量河南工业职业技术学院毕业设计为 2、超精磨加工量为 3、抛光量为 4，假定铣磨后曲率半径为 R1、精磨后 曲率半径为

13、 R2、超精磨后曲率半径为 R3，抛光后曲率半径为 R4。因此有： R3=R4 4，R2=R3 3，R1=R22。式中：“ +”表示为凸面，“ - ”表示为凹面。 这就是各道工序曲率半径的工艺参数计算原则。在实际加工过程中，直接测量 球面的曲率半径数值是很困难的，通常我们采用比较法进行测量。2.2 在单件加工透镜球面在各工序测量标准的设计原则对透镜球面精度检查的普遍方法是： 抛光和超精磨使用球面玻璃样板利用干涉法检查光圈数，精磨和铣磨使用球径环利用矢高差法测量高度。 这两种测量方法都是以测量被检测球面与参考球面之间的矢高差来比较曲率半径的偏差。干涉法的测量精度相对较高，其条件是表面要光滑反光。

14、由于需要两 表面接触测量，容易使表面出现擦伤或压伤。矢高法测量精度虽然相对较低，但是 量具的通用性强，对表面粗糙度没有严格的要求。2.2.1 球面加工各工序曲率半径设计的顺序 在设计球面加工各工序曲率半径时， 必须按照工艺路线从后向前的顺序进行计 算，即先计算抛光后的曲率半径， 然后依次计算超精磨、 精磨、铣磨后的曲率半径。 因为抛光后是球面最终加工工序，可以根据镜片图纸要求确定，也透镜的参数。而 其它工序，都是根据后道工序的要求和加工余量而制定的，是工艺尺寸。2.2.2 球面加工各工序曲率半径计算过程之一 令：镜片图中球面的曲率半径名义值为 R0，抛光后光圈数的中心值为 N0，检 测光圈使用

15、的波长为 ，工作样板的光圈数为 Ny，球面的口径为 Dj ；球径环的工 作直径为 D0。2.2.3 球面加工各工序曲率半径计算过程之二透镜在铣磨、精磨和抛光时，通常它的外径大于透镜完工尺寸，最准确的说法是：“球面的加工口径大于透镜完工球面的口径”。令：球面完工后口径为Dj ，球面加工过程的口径为 D。球面光学样板的球面口径都大于球面加工过程尺寸，令：球面光学样板的球面河南工业职业技术学院毕业设计口径为 Dy。有时球面光学样板的与球面对板的光圈不为零， 令：球面光学样板的光圈为 Ny。测量铣磨和精磨时的参考球面的光圈也不为零， 由于其偏差通常小于 0.001mm， 千分表的测量精度是 0.001

16、mm，所以在铣磨和精磨测量矢高差时，参考球面的误差 可以忽略不计。2.3 球面加工各工序曲率半径计算过程的修正方法2.3.1 实际设计时还注意的事项上面讲述的都是球面加工各工序曲率半径计算的原理，如果直接利用上述公式 计算的结果用于生产中，我们就会发现有很多透镜加工困难，甚至无法进行加工。 因此，上述运算过程与实际的应用还有很大的差距，必须对对过程进行修正。我们特别要注意以下几个方面：1）最突出的问题是，当球面的相对口径很大时，运算出的每道工序间球面的 矢高差较大，特别是从铣磨到初精磨的矢高差可能大得出奇，以至于初精磨时透镜 剧烈的跳动，致使球面边缘破边，透镜报废。2）当球面的相对口径很小时，

17、运算出的每道工序每道工序间球面的矢高差较 小，有时几乎为零。在透镜的精磨和抛光过程中，必须先进行边缘加工后整个球面 同时加工才能保证整个球面对称加工。如果先中心接触，往往使球面磨偏，一边加 工量大，另一边加工量小，表面缺陷来得，并且同时扩大了边厚差。3）由于每道工序球面精度（光圈数、矢高差）加工水平、工艺的经济性的限 制，球面的光圈和矢高差都不能加工的十分精确，而只能加工到一定范围。在某些 情况下，两道工序之间球面精度公差大小，会影响透镜边缘的加工余量的设计。2.3.2 解决这些问题的方法对于以上问题，首先要评估企业的加工工艺水平，确定每道工序合理的球面精 度公差，再计算各工序的曲率半径和中心

18、厚度。同时必须考虑工艺设计的经济性。河南工业职业技术学院毕业设计2.4 球面标准样板的尺寸选择球面标准样板的设计应以能满足使用要求和保证测量精度二原则来确定。球面工作样板的尺寸应比透镜每边大约 0.5 1 毫米为宜。厚度则根据曲率半 径的大小适当确定。一般为：凸样板边缘厚度不小于10 15 毫米凹样板中心后度不小于12 18 毫米球面标准样板的长和宽应略比工作样板大些，厚度与工作样板基本相同。表面粗糙度，测量面粗糙度为 14，观察面粗糙度为 12，非工作面粗糙度 5，表 面疵病等级为方便用户 V 级。2.5 球面样板精度设计球面是可用光学样板来检验的球面。根据一般实践经验，柱面标准样板的精度

19、等级分为 A、B两个等级（见表 2-2 ）。表 2-2 球面标准样板精度等级（ R）A R/R 0.03% 0.3%B R/R 0.05% 0.5% 球面标准样板精度等级定为 A 级2.6 注意事项1在实际的工艺设计时，本计算方法是对各工艺尺寸的初始设计。在这里对 一些特殊形状的零件、特殊材料的零件，没有加工到讨论中。在实际工作中，还要 根据具体的情况进行考虑，制定针对性的工艺设计方法。2球面加工余量的大小，不仅与表面粗糙度有关，而且还与球面加工的面形 精度有关。加工余量越小生产效率越高，同时对上道工序的加工精度要求越高，会 增加上道工序的加工难度。工厂的加工技术水平也有很大的影响，工艺设计要

20、保证 在实际生产中可以实施。河南工业职业技术学院毕业设计3. 球面样板的制造3.1 球体的磨制一般样板制造是用球径仪测量矢高，以保证样板的曲率半径精度，但制造曲率 半径小于 35mm的标准样板，其精度难以达到 A 级。因此，通常在制造这种标准样 板时，先研制一个全球体，然后再套制凸凹样板。球体的的半径可用百分尺，立式 光学计、乌氏干涉仪做精确测定。球体起到传递曲率半径的作用，它比用球径仪测量小曲率半径R 具有更高的精度。制造球体的毛坯，有条件时可压制成球形。球体最小直径比完工尺寸大 0.7-1mm。若采用块料毛坯， 应先磨成正方形， 其边长大于球体完工直径的 0.7-1mm， 先磨去八角，然后

21、开始滚圆。球体滚圆不用球模，而是用圆筒形工具， 筒的外径约为球体直径的 0.8 ，壁厚 1-2mm。圆筒装在精磨机主轴上做逆时针转动，然后用两手指分别向交叉的方向拨 转球体，见下图所示。并添加磨料使球体在磨料上滚动。在加工中应经常检查球体 的不圆度。加工球体10河南工业职业技术学院毕业设计在磨制球体时，第一道砂用 180，磨到直径比完工尺寸大 0.4-0.7mm；第二道砂用 280，磨到直径比完工尺寸大 0.2-0.3mm；第三道砂用 W47或 W28,磨到直径余量为 0.006-0.008mm 后，开始抛光。把研磨的圆筒端面敷上一层抛光胶，就可作为抛光盘，并用球体本身压一下 后，即可进行抛光

22、。抛光时手使球体转动的方向与研磨是一样。一直抛光到尺寸符 合要求为止。3.2 弧形样板的制造弧形标准样板的下料和粗磨， 与一般零件相同。 粗磨后表面砂眼一般不低于 W28 的磨砂面，曲率半径可用金属样板或简易球径仪检查。一般矢高误差 h 不超出0.2-0.3mm。检查合格后即可精磨。先将球面标准样板的非测量面（平面或球面）精磨及抛光，并在抛光平面上刻 上标准样板的曲率半径数值。取比标准样板直径小的平模或接头，用柏油粘在毛坯的表面上。一般粘结凸样 板用平模，凹样板用环状带螺纹的接头粘接。标准样板的精磨是成对进行加工的，即凸样板和凹样板是同时加工的。若凸样 板在主轴上转动，凹样板在凸样板上摆动，其

23、结果是凸样板边缘多磨，所以，无论 是凸样板还是凹样板都是矢高值增加，曲率半径减小。11河南工业职业技术学院毕业设计样板对磨反之，凸、凹样板互换位置，其结果是矢高 h 值减小，曲率半径增大。由此可 见，测量矢高时，若 h 值太小，则可将凸样板放在下面；反之则相反。其他条件如 主轴转速、摆幅、压力等工艺因素的影响，与一般精磨相同。 “样板对”磨到矢高 符合要求再进行粗抛光。在用球径仪测量矢高时，是先根据标准半径求出标准矢高，然后再将测量的矢 高与之比较。若测量矢高大于标准矢高，说明半径偏小；反之，半径偏大。然后再 做相应调整，修改。弧形球面标准样板的抛光模，应与标准样板曲率半径相同，直径比样板的稍

24、 大些。在抛光时，如果矢高已经符合要求，但当凸、凹样板互检时，光圈不对，例 如低 N道圈，此时可将凸样板和凹样板都改高 N|2 道圈，则弧高值仍不变。假如精磨和粗抛后，矢高有偏差，而且光圈也不对，这是光圈修改和矢高修 改同时考虑。一般来说，每改变一道光圈，矢高改变 0.25 m。也就是凸面光圈改 高一道或凹面光圈改低一道，则矢高均应增加增加 0.25 m；相反，凸面改低一道 圈，或凹面改高一道圈， 矢高均减少 0.25 m。例如，测得凸凹面矢高和应增加 0.5 m，凸面和凹面互检时，光圈低 6 道圈。此时，考虑将凸面改高 2 道圈，以满足 矢高增加 0.5 m的目的，这样凸凹面还低 4 道圈，

25、于是凸凹面各改高 2 道圈，解 决了光圈低 4 道的问题，而矢高不变。这样，即满足了矢高要求，又改变了光圈。对板互检时， 局部误差属于哪一块， 这可以利用两块样板做相对移动来判断。 若局部误差随移动的那块样板而动，则光圈的局部误差就属于这块移动的样板。对光圈误差修改到很小时，每次检查都要有一定的定温时间，以减少热变形 对光圈的影响。样板直径愈大，定温时间就愈长。每次修改光圈的时间要短，以免 把光圈该过头。球面标准样板制造好后，一般不用于检查零件，而是依据它套制工作样板， 检验零件光圈是用工作样板。工作样板不必成对制造，可以根据需要，复制一块凸的或凹的即可。光学样板的材料，应具有高的硬度，低的线

26、膨胀系数，较小的应力等。常用12河南工业职业技术学院毕业设计于制造样板的材料有：硬质玻璃 K9、QK2、K4。最理想的材料为石英玻璃，硬度高， 但价格较贵。制造标准球面样板时的检测仪器，主要是球径仪。近年出现的新型检 测仪器有激光球面干涉仪及激光全息球面干涉仪等。对于特大曲率半径的球面，可 使用刀口仪检测。4. 球面样板的曲率半径4.1 球面曲率半径的允差球面样板的曲率半径数值和光学零件的曲率半径名义值是一支的， 它是设计计 算出来的半径数值。此名义值往往要归整到光学表面曲率半径数字系列标准中规定 的数值。这样一来，半径的允差就有很大的变化。例如根据WT标准，就其最密的1000 系列；来看，其

27、 R R 0.23 而通常光学样板的曲率半径允差要求不低于 R R 0.23 。两者相比，约差一个数量级。再从几何光学角度来讲，对焦距的要 求一般也是不太严格的，通常其误差为 1。但也有某些要求十分严格的零件， 例如长焦距大孔径照相物镜等， 其去曲率半径的允差要求需达到 0.01 ，否则就要 明显地影响到成像质量和焦距。因此，考虑到设计的需要和制造工艺与测量手段的 可能性、经济性，对不同的曲率半径就应给予不同的允差。R0.535 区间的半径允差这一区间的基准凸样板一般都做成超半球或者全球型，再制制造 中多采用指示千分尺或立式光学比较仪测量其直径控制半径R的误差，其精度一般可达到微米数量级。所以

28、本区间的半径允差直接以绝对值“微米”表示。如果 他们的直径磨制的很规则，那么，套制出来的工作样板的半径精度一定很高2.35 R4000 区间的半径允差在 35R4000 区间的样板一般都做成弧形。其实际半径通常是先用球径仪测出矢高，再用球径公式换算得出来的，其允差采用相对误差形式R R表示。13河南工业职业技术学院毕业设计4.2 误差分析在制造过程中 R 包括四各方面的误差。1）测量误差 Rc由上图求出球径公式 R（r2 2h）H2 全微分得 dR （r h）dr 12（1-r3 h3）dh 有此可得环形球径仪的测量误差： Rc（ r h） rc 1-（r h）2 hc2） 矢高的制造误差 R

29、b 将球径公式中的变量微分，整理后可导出矢高制造误差：Rb1 11-（r R）2 Rz 式中 : Rz 制造标准样板时所控制的式高。 由计算得到的名义矢高和制造测量矢高的偏差称作矢高的制造误差，用 表示。 引起半径偏离名义值的误差，即半径偏差用 表示。4.3 标准样板的光圈误差 RNB 这是制造标准样板是，因凸、凹两块样板的半径不可能完全一制而造成的半径 偏差，用 RNB表示，欲将其换成曲率半径误差时，可对球径仪中的变量微分，令 rD2h=N1+（2RD）2式中： N 标准样板的光圈数D 标准样板的直径波长14河南工业职业技术学院毕业设计4.3 工作样板的光圈误差 RNG 将 N换算成半径偏差

30、，则：RNGNG21 11-（r R）2 式中 NG 工作样板的光圈数D 标准样板的直径 波长上述几种误差为柱面标准样板的全部误差。通过分析表明，上诉诸误差值，测 量误差 是最大的，可达允差的 1/2 以上；而标准样板的光圈误差引起的半径偏差 工作样板光圈误差引起的半径偏差是不容忽视的误差。15河南工业职业技术学院毕业设计5. 样板的精度分析与检验5.1 球面样板的精度分析精度是用误差表征的。控制光学样板的各种误差， 是保证其精度的 前提。因此。定量地分析光学徉板各种误差。对确定精度要求是十分必 要的。5.1.1 测量误差目前。国内普遍使 .用接触式环形球径仪测量样板的曲率半径 R。其 侧量原

31、理见 9-12 所示。已知测量 环半径 r，通过测量矢高 h，按下式汁算 R 为R12h 2对（ 9-1）式全微分得r1 dR drhr21 h2 dh9-1)由此得出环形球经仪的测量误差公式为Hr11hrh0式中： r0 球经仪测量环半径 r 的极限误差；h0 球经仪测量矢高的极限误差；R0 半径的测量误差；16河南工业职业技术学院毕业设计5.1.2 矢高制造误差 由计算机的到的名义矢高和制造测量矢高的偏差， 称作矢高的制造 误差， h2 表示。 h 2引起半径偏离名义值的误差，即半径偏差用Rh表示。为推到 h2和 Rh的关系，将（ 9-1）式中只对变量 h微分，整理后得1Rh 1 2h2（

32、9-5）1 r R 1 公式（9-5）表明了样板的矢高制造误差 h 2与其引起的半径偏差 Rh 之间的关系。5.1.3 标准样板光圈误差 标准样板成对制造时，凸凹两块样板的曲率半径不可能完全一致， 由此造成标准样板的光圈误差，通常用凸凹样板吻合的光圈数NB 表示这个误差。为了便于分析比较各种误差的数量关系，将光圈误差NB 换算成曲率半径偏差以 RNB 表示(9-6)式中： DB 标准样板的口径；R标准样板的曲率半径；检验光圈的单色光波长， =0.5um当R DB 时，（9-6）式可以近似写成下式，并具有较好的精确度；17河南工业职业技术学院毕业设计2NB4N B R2RNBB 2B 2(9-7

33、)NB DB2DB2B 2R5.2 球面样板的精度检验我们通过分析 随变化的曲线和 随变化的曲线发现： 、 与 变化的趋势是一 致的。下面我们对不同曲率半径的样板的误差分配作一下讨论： 在 R0.5mm-R35mm这一区间，各种误差所占允差的大致比例通过分析表明：对 A 级精度的标准样板而言，这段范围测量误差一般占允差的1/2 左右，标准样板光圈误差占允差的 1/10 甚至更小，这样分配是合理的。 在 35mmR4000mm的范围，柱径仪测量标准样板已不合理。18河南工业职业技术学院毕业设计6. 光学冷加工工艺和设备现状及其发展我国光学仪器的加工技术，虽然有较长历史但形成批量生产并具有完整的工

34、艺 是在新中国成立后。光学冷 加工工艺 在解放前虽然已有所采用，但缺乏完整性。 解放后经过光学行业各方面人士及职工的努力，方逐步形成了较完善的加工方法。五十年代初期， 光学行业的设备陈旧， 工艺落后。 进入第一个五年计划后， 加 工工艺 主要是采用“苏联”的工艺，设备也是由苏联引的和按“苏联”图纸制造 的专用设备，二十世纪六十年代初期，国内个别厂家由德国引进了先进设备（如铣 磨机和光学对中心磨边机） ，受到这些设备的启示，国内在六十年代中期开始工艺 科研和研制新设备。首先进行的是研究粗磨机机械化和设计粗磨机，由于设备和工 艺的改进，加工效率有很大的提高，但是后来受政治形势的影响，光学工艺的革新

35、 受到冲击，刚见成效的工艺革新，就此停止。二十世纪七十年代中期，对光学冷加 工技术改造和技术革新提出了“四化”目标，即毛坯型料化、粗磨机械化、精磨高 速化、定心磨边自动化。经过努力，这些目标全部在二十世纪八十年代初基本实现 了。光学工业实现了光学冷加工 “四化”，为* 民生产光学仪器奠定了有力基础。 二十世纪八十年代针对当时民用光学仪器生产，又提出了 光学零件 制造的新四 化，即抛光高速化，清洗超声化，辅助工序机械化和辅料商品化。 “新四化”，虽然 受到了管理体制改变的影响，在研制设备和进行工艺科研的时间和深度不够理想， 但全部实现了。二十世纪八十年代重点是对光学加工机理和工艺因素的研究和探讨

36、， 通过科研 人员和课题组的努力，均取得了理想的科研成果。在光学零件的定摆磨削和光学零 件加工中不同牌号玻璃与不同结合剂的丸片之间的合理匹配都在光学加工方面有 了突破，引起光学界的重视。这些科研的成果对光学加工工业起了重要作用，为了 我们进一步提高光学加工的科研水平， 奠定了雄厚的基础， 为新的创新开辟了道路。二十世纪八十年代是我们光学技术和工艺科研硕果累累的时期。 不但在光学加 工的基础理论方面，而在加工设备， 加工工艺 ，加工 模具 ，以及辅料等方面都 取得了可喜成果。如光学加工机理，光学零件 加工工艺 因素，光敏胶， PH值稳定 剂，光学导电膜，易腐蚀玻璃保护膜； PJM-320平面精磨

37、机， QJM220球面精磨机，19河南工业职业技术学院毕业设计QJP-100与QJP-40光学中球面与小球面精磨抛光机； 光学零件复制法； 光学零件超 声清洗代替清擦，光学零件真空吹塑包装以及自聚焦 透镜 制造等等，真是不胜枚 举。这些科研成果，不但通过了部级鉴定，而且均获得子部级奖励或国家发明将。进入九十年代后，在中国光学行业有了更大的进展，这是由于光学产品出口， 光学工艺也随着有了更大的改变和进展。我们采用了几十年的成盘 加工工艺 受到 了冲击，而单件光学加工在光学批量生产中占据了统治地位。本世纪初，我国光学制造业已取得了辉煌的成果，进入了发展的高峰，已形成 了很强的生产能力。据有数字统计

38、的资料，我国光学制造能力已超过了五亿件 / 年，当然这不包括， 一些小型民办企业的生产能力。在亚洲也好，在世界上也好，中国光学冷加工的能 力应当是名列前茅的，但我们的技术水平却是比较落后。主要是表现在不能大批量 生产高 精度 元器件，大部分企业不能长期稳定生产，不能制造高精度的特种光学 零件。造成此种现象的原因： a. 执行工艺规程不够 b. 没有专门工艺研究和工艺设备 的研究开发单位 c. 没有行业法规 d. 没有软件贸易企业，没有“光学工程”的承包 单位。 光学加工设备和光学工艺的发展是分不开的。孔夫子说过“工欲善其事， 必先利其器”。这说明设备在工艺技术发展中的重要性。我国光学加工设备和

39、国际上光学设备的发展过程是一致的，即脚踏、机动、电 动。基本是两大系列， 一是德国系列、 二是日本系列。 解放前主要是德国设备为主， 即从 1936 年云光厂成立，从国外引进的德国设备如：单轴粗磨机、二轴精磨抛光 机、四轴精磨抛光机、五轴精磨抛光机等。二是伪满的大陆科学院为维修使用的光 学仪器从日本购进的设备。 解放后 156 项中的西光厂又从苏联购进了光学加工设备、 它的原型机亦是德国设备、如 -500 和 n-350 型单轴粗磨机、 n-350 三 轴精磨抛光机、 n-200 中型六轴精磨抛光机、和 n -60 小型六轴抛光机以及 -2 型定心磨边机等。在上世纪六十年代末期、由长春专用设备

40、厂研制出了 GM0.8铣磨机、南仪厂又 在七十年代初期研制出 GP-5 型高抛机（后改成 Q835型）。铣磨代替了粗磨、高抛 代替了古典抛光。 这是光学制造史上具有重要意义的年代。 此后研制出了 PJM-320。 在平面加工方面实现高速化起了决定性的作用。20河南工业职业技术学院毕业设计二、光学加工技术发展沿革 从光学加工技术发展来看，我国光学加工技术主要分为两大分支。一支就是原 五十三工厂承袭德国人的加工技术，基本上就是散粒磨料加工，古典式抛光，而另 一分支是新中国成立以后，为配合 156 项援建项目而引进的苏联的加工技术。它主 要包含有散粒磨料粗磨，古典式和准球心抛光，弹性胶盘，柏油抛光模

41、和自准定心 磨边。由古典方法转向机械化粗磨（铣磨） 、准球心抛光，是光学制造业的一次重大 的变革。对光学加工改革起着推动作用的是兵器工业“ 739”会议。上世纪七十年中期 是我国光学制造技术大变革的时期。八十年代光学制造技术最大变革由成盘加工转 向单件加工。单件加工很早就在日本采用， 1983 年“北总”是从日本引进 PenTaxK1000相机 开始引进这种技术和设备的。而部分技术人员和工人早在这以前从事劳务出口时， 在日本已经接确此项工艺，但由于我们在八十年代初期，虽然引进了设备，而在工 艺结构上还不完善，没有相应配套的工装和辅料，所以采用上述设备后，生产效率 并不高。加之当时，生产批量不大

42、，没能引起人们的注意和足够的认识。但是一些 专家看到了此种工艺的特点，它很适合中国国情。因此北总在 1983 年于江西召开 的工艺研讨会上把它列入了三条高效生产线之内。这三条生产线即：平面高效生产 线（ 228 厂承担）、球面单件生产线（ 308 和 598 厂承担），刚性上盘球面零件高效 生产线（ 248和原 5208厂承担）。北总在江西开会的同时，机械部决定由沈工所（沈阳仪器仪表工艺研究所）牵 头，江西光学仪器总厂，南京电影机厂等单位参加研究建立一条刚性上盘最佳 参 数 高效生产线。由于技改投资强度大，研制单位多力量雄厚，所以很快研制成功， 经专家门鉴定认为是国内第一条光学零件高效生产线，

43、 在国内具有领先地位。 这样， 一时在全国光学行业兴起一股光学零件刚性上盘进行加工的热流。国内不少厂订购 了这种设备（每条生产线含三台 Q826铣磨机和四台 Q875精磨抛光机）。此生产线 可以完成粗磨、精磨、超精磨和抛光等光学加工任务。事情总有它的两面性，最佳 参数生产线具有高效，精度较高，流水作业等优点，但同时又有一定的缺点，如个 别零件（中心特别薄的负透镜等）不能加工，模具制造难度大以及相应配套的辅料21河南工业职业技术学院毕业设计需要进口或配套供应等。这样使这股刚性上盘热很快冷下来，取而代之的是单件加 工的高效生产技术。这是由于大批量生产引起的，首先“云华”合资厂为进行大批 量生产 望

44、远镜 而引进成套加工设备和 加工工艺 。由于它的高效和操作方式很适 合中国国情，加之是按工艺结构全面引进（即按产品加工要求成套引进设备、技术 及辅料），所以很快就得到了国人的认可，为了使这一工艺和设备早日实现国产化， 二九八厂、南仪厂、光辉厂都投入了一定的力量进行研制。于 1990 年研制出了国 产四轴单件精磨机。继之，二九八厂亦研制出了精磨机、抛光机、磨边机等设备。 北总科技局很重视单件加工技术的国产化，在研制经费上给予了支持，使得单件加 工在我国很快的推广起来。现在单件加工设备已经有了一个较完善的系列。相应的 辅料也有部分能够生产。单件加工在大批量生产中，目前在中国的光学行业起着重要作用。

45、但在上个世 纪末和本世纪初世界光学仪器行业发展很迅速，同时光电仪器在更多的领域得到应 用。在光学加工方面除了对批量有较大的要求外，更重要的是要提高加工精度，扩 大加工范畴。因而国内光学工艺方面的专家对非球面加工，自聚焦透镜制造，导波 器件制造进行了研究和探讨，而且取得了初步成果。经过几十年的努力，我国光学行业建立了自己的光学 加工工艺 ，研制出一系 列的光学加工设备。有些设备已成为国内名牌产品，有的已出口援外或外贸出口。 这些设备有 Q826、Q875、 Q835A、QM-80、YG367、YG368、QA8510等名牌设备，最 近我们又研制出了环抛 机床 和下摆机床。光学加工技术的发展是随着

46、光学仪器的发展而发展，同时各相关专业的发展也 对其起着重要的影响。新的加工技术，新的加工设备都需各专业配合特别是 数控 技术的配合方能研制成功，我们相信在本世纪初会有更多新的光学加工技术和加工 设备出现。三、技术引进对我国光学加工的促进 我国引进光学加工设备和技术，主要是从日本、德国、韩国等国家引进，也有 部份是从英国和美国引进的。四、光学加工实力及存在问题光学加工手段，随着光电行业的发展， 进入二十一世纪后， 有较大发展和充实。 光学加工工业存在的主要问题如下：22河南工业职业技术学院毕业设计a. 光电事业有了很大发展，研制出不少具有世界先进水平的产品。产品虽然研 制出来，但是投入批量生产却

47、很难。其主要原因是产品设计和工艺设计脱钩，配合 不当。我们在工艺上的研究还很浅，在光学加工方面还没有形成一个完整的工艺体 系。b. 生产手段是对生产力影响的重要因素。制造水平低是和设备有关的。光学加工设备的数量不均衡是一个原因，而更重 要的是很多设备加工效率低，精度差，有 30%以上的设备上仿苏设备和国产设备， 国产设备原型机多为日本和韩国设备，其中一部分设备根本没有投入生产。而从现 有的设备和检测仪器看：不能满足发展的需求。c. 多年来，我国光学行业沿袭着一种不正常的观念。即重视产品设计和研究的 技术人员，而从事工艺设计和制造技术人员却得不到足够的重视。这样，从事工艺 科研的人员减少，从而影

48、响了加工水平的提高。d. 近年来，很多光学厂进行了改造，但在光学加工技术引进和技术改造方面的 项目还不多，同时，国有企业在这方面的投入很不够，没有一定的投资强度，就不 可能形成强有力的生产基础，达到预期的产出目的。五、发展对策回顾历史， 认识现实，其目的是为了未来的发展。 如何发展我们光学加工工业， 以适应光学电子仪器行业的发展和市场的需求，提出如下对策：1、建立完整的光学 加工工艺 体系：a. 制定工艺方法及确定发展道路根据产品的发展和市场需求，确定出我们自己的工艺方法和发展道路。开发产 品要考虑其有否技术继承性，确定工艺也要考虑其继承性。目前透镜制造日本是以 单件加工为主，而德国基本上以成

49、盘为主。那么中国应以什么加工方式为主，确定 我们光学 加工工艺 发展道路？这是建立工艺体系的关键。是光学加工发展和提高 的当务之急，否则今天采用单件加工，最佳参数生产线就会闲置一旁；而明天采用 成盘加工，日本设备又无用武之地，只有制定出标准的加工方法确定出工艺发展路 线，我们方能将有限的资金用于发展重点和缩短发展时间。b. 完善光学加工的工艺结构确定光学加工的发展道路之后， 要根据制定的加工方法和发展道路以及市场需23河南工业职业技术学院毕业设计求完善工艺结构。工艺结构应由下面七个部分组成：(a) 加工材料； (b) 加工要求； (c) 加工设备； (d) 加工工艺 装置； (e) 加工用 辅

50、料； (f) 加工技术； (g) 加工人员水平。上述工艺结构的七个基元必须匹配得当。 对工艺各基元之间的制约关系一定要 进行分析和合理设计。单件生产线所以能受到认可，是由于开始引进时是全面配套引进的。设备、 模具、辅料以及人员培训等全按日本的模式引进的，这样才有高效率。国产化不只 是仿制设备，而工装，辅料以及人员培训都应配套进行。c. 加强工艺科研 加强光学工艺基础理论研究是提高光学加工技术水平的必要条件。基础理论 的研究将会为提高现有加工技术水平奠定有力的基础。过去没有很好的开发光学工 艺基础理论的研究，主要是没有独立科研单位。建立光学工艺科研单位，方能保证 光学工艺科研顺利进行。d. 相关

51、专业的配合 光学加工技术涉及的学科很多，诸如力学、化学、电子等学科。因此光学加工 技术水平的提高与未来的发展都必须有相关专业的配合。如是科研课题攻关，则应 由主管部门组织相关专业共同进行，共同享受科研成果；如是学术研究，则应由学 会邀请相关学科研究人员参加，共同探讨和论证。2、培养人才，调整人才结构 对任何一个生产或科研领域，人才都是重要的，而在光学加工领域更为重要， 目前，怎样培养出一批即能上机操作，又能编制工艺的工人是很重要的；同时要对 现有的光学加工技术人才结构进行调整，一是使原来单一光学技术人员调整为光 学、机械、化工、电子等多专业技术方队。这样才能适应发展的需要。二是对现有 的技术人

52、员进行知识更新和进行经营和管理方面的知识补课。这样，技术人员才能 在制定工艺规程时从经营，价值工程等多方面考虑问题。3、加强投入 自从改革开放以来，光学行业进行的技术改造和技术引进项目较少，技术提高 不大。为改变目前这种落后面貌和适应光学行业的发展以及市场的需求，必需加大 对光学加工技术改造和技术引进的投资。没有大的投入，不会有大的产出24河南工业职业技术学院毕业设计7. 国外光学加工技术的发展现状 如今我们不难发现，军用武器系统中几乎都装备有各种各样的光电传感器件， 而在这些光电传感器件中，或多或少都采用了各种样式的光学零件。从美国陆军所 作的一项调查报告的材料中我们知道， 19801990

53、 年美国军用激光和红外热成像产 品所需要的各种光学零件就有 114.77 万块，其中球面光学零件为 63.59 万块，非 球面光学零件为 23.46 万块，平面光学零件为 18.1 万块，多面体扫瞄镜为 9.62 万 块。拿 M1坦克为例，其大约使用了 90 块透镜、 30 块棱镜以及各种反射镜、窗口和 激光元件。又如一具小小的 AN/AVS-6 飞行员夜视眼镜就采用了 9 块非球面光学零 件和 2 块球面光学零件。从 70 年代开始，以红外热成像和高能激光为代表的军用光学技术迅速发展。 军用光学系统不但要求成像质量好，而且要求体积小、重量轻、结构简单。这对光 学加工行业是一个严峻考验。为了跟

54、上时代发展的步伐，设计和制作出质地优良的 光学成像系统，光学零件加工行业于 70 年代开展了大规模技术革命和创新活动， 研究开发出许多新的光学零件加工方法，如非球面光学零件的加工法。近 10 多年 来，新的光学零件加工技术得到进一步地推广和普及。目前 , 国外较为普遍采用的 光学零件加工技术主要有 : 计算机数控单点金刚石车削技术、光学玻璃透镜模压成 型技术、 光学塑料成型技术、 计算机数控研磨和抛光技术、 环氧树脂复制技术、 电铸成型技术以及传统的研磨抛光技术等。计算机数控单点金刚石车削技术， 是由美国国防科研机构于 60 年代率先开发、 80 年代得以推广应用的非球面光学零件加工技术。 它

55、是在超精密数控车床上， 采用 天然单晶金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制条件下，直接利用金刚石 刀具单点车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。该技术主要用于加工中 小尺寸、中等批量的红外晶体和金属材料的光学零件，其特点是生产效率高、加工 精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本比传统的加工技术明显降低。采用该 项金刚石车削技术加工出来的直径 120mm以下的光学零件 ,面形精度达 l/2 1l ，表 面粗糙度的均方根值为 0.02 0.06mm。目前，采用金刚石车削技术可以加工的材料有：有色金属、锗、塑料、红外光 学晶体（碲镉汞、锑化镉、多晶硅、硫化锌、硒化锌、氯化纳、氯化钾、氯

56、化锶、 氟化镁、氟化钙、铌酸锂、 KDK晶体）无电镍、铍铜、锗基硫族化合物玻璃等。上25河南工业职业技术学院毕业设计述材料均可直接达到光学表面质量要求。此技术还可加工玻璃、钛、钨等材料，但 是目前还不能直接达到光学表面质量要求，需要进一部研磨抛光。计算机数控单点金刚石车削技术除了可以用来直接加工球面、 非球面光学零件 外，还可以用来加工各种光学零件的成型模具和光学零件机体，例如加工玻璃模压 成型模具、复制模具、光学塑料注射成型模具和加工复制环氧树脂光学零件用的机 体等。该技术与离子束抛光技术相结合，可以加工高精度非球面光学零件；与镀硬 碳膜工艺和环氧树脂复制技术相结合，可生产较为便宜的精密非球面反射镜和透 镜。假若在金刚石车床上增加磨削附件或采用陶瓷刀具、安装精密夹具和采用在 100C 低温进行金刚石切削等措施，此项技术的应用范围将可进一步扩大。目前,美国亚里桑那大学光学中心