光学元件的设计与应用

光学元件的设计与应用

随着科学技术的快速发展，光学元件在不同的行业中得到广泛应用，这也为光学元件的结构和形状提供了更高、更多的要求。其中：有些是对产品外形轮廓及尺寸高精度的要求，例如汽车消盲区反射镜、ADAS模块中的平凹棱镜；有些是基于光学系统设计的需要，例如高精度栅格反射镜、激光雷达透镜组；有些是为了产品的升级换代而简化装配，例如汽车上的一键启动按钮。这些形状复杂的光学元件可统称为异形光学元件。此类异形光学元件如果采用传统的加工方式，如钻床钻孔、仿形磨边等，会因为定位精度低及砂轮磨损造成加工精度不足，满足不了产品的性能要求；或者因为加工破损率高而导致成本增加。而数控加工能提供一种更加高效、自动化程度更高的路径1光学元件加工中的应用CNC(ComputerizedNumericalControl）是指数控加工技术，最早应用于机械制造行业。世界上第一台数控加工机床是美国麻省理工学院于1952发明的，这台简易的数控机床已经能够实现3轴联动控制，此后数控加工技术迅速成为机械制造加工现代化的关键技术和重要基础1）基础部件。主要由床身、立柱及工作台等3个重要部分组成。2）数控系统。主要由可编程控制器、CNC装置等部分组成。3）主轴部分。主要由主轴电机、轴承等部分组成。4）自动换刀系统。主要由刀库等部分组成。5）辅助装置。主要由装夹固定、检测等部分组成。在CNC的设计和加工的过程中，需要同时考虑精度和效率的问题，通常要遵循先面后孔、先粗后精、先基准面后其它面的原则1）非常适合于高精度、高质量要求的工件加工，完全由程序自动控制，避免长工艺流程及人为因素的影响，加工出光学元件的精度非常高、表面质量非常好；2）非常适合于加工形状非常复杂的异形零件；3）非常适合于加工具有季节性、周期性等特点的产品；4）非常适合于加工工序集中或是需要多工位加工的工件；5）非常适合于批量产品加工，生产效率高、劳动强度低，能够产生良好的经济效益。1995年前后，许多由台湾引进的CNC加工中心就开始在模具制造行业中推广使用。而CNC加工中心在国内光学元件加工制造上的推广应用大约是在2007年前后；随着划时代产品苹果手机的推出，手机玻璃屏横空出世，在手机玻璃屏幕磨边及精密钻孔需求的推动下，国内的几大CNC设备厂商开始研发推出CNC玻璃精雕机，从而成就了伯恩光学、蓝思科技等手机屏加工巨头。随着数控技术及应用的不断深入发展，CNC加工中心也由三坐标加工向五坐标加工不断的发展，并在许多不同行业中得到广泛应用。2磨边加工和装夹工艺设计这里以汽车消盲区反射镜的CNC磨边为例，其外形指标如图1所示。通常光学加工中对外形的处理时采用仿形磨边的工艺；但由于该镜片外形和厚度的不规则性，采用仿形磨边工艺加工存在以下几个方面的困难：1）装夹定位困难。固定后会由于砂轮对镜片的挤压导致镜片移位甚至掉盘。2）砂轮磨损不均，容易造成掉盘。由于镜片轮廓的外形及厚度都是不规则的，砂轮会随着加工时间的进行而发生不规则的磨损，从而导致镜片在加工过程中的会因为受力不均而掉盘。3）轮廓精度不能满足指标要求。由于镜片的外形不规则性，靠限位比较难以准确复制标准件的外形。4）人工操作时间长，工作环境差。仿形磨边需要人工装夹定位的操作，1次装夹只能加工1片镜片，操作效率低、强度大；镜片加工面大导致加工过程设备噪音大、油气污染重，劳作环境较差：最终导致镜片成本高。而采用CNC磨边工艺来进行汽车消盲区后视镜的轮廓加工，则能较好的解决以上仿形磨边工艺的困难，实现精准定位、3D磨边、一人操作多台设备等，极大的提高产品加工精度，减少人工，降低成本。CNC磨边工艺路线为：CAD图形导入—CNC加工程序设计—产品装夹定位—砂轮选择—CNC磨边—检测—下盘。通常CNC磨边是先在铝合金的基底座用CNC铣刀加工好定位基准，将待加工镜片固定到定位槽内，然后启动预设好的程序，由设备按程序完成加工。加工停止后使用GO-NOGO检具检查外形轮廓及尺寸是否合格；若尺寸超标（尺寸超标通常是因为砂轮磨损，导致加工后的产品尺寸偏大），则只要根据偏差量稍微调整程序，再重复执行工艺路线一次，即可满足指标要求。影响CNC加工效率的因素，除了主轴功率及转速、砂轮磨耗度外，工件的装夹定位也是重要的影响因素。对于小批量的产品，通常只需要用临时方案及对刀的方式即可满足；在批量化生产过程中，需要采用快速装夹定位来缩短机台等待时间。常用的快速装夹定位方案有磁性吸盘、真空吸盘和气动装夹等。磁性吸盘是平面铣磨设备常用的定位方式。如图2所示，铣磨设备的底座为电磁载物台，待加工产品需要先装在铸铁的工装上，再放到电磁载物台上，通过磁性吸附定位。加工时待加工面与砂轮互磨形成剪切力及内推力。由于待加工面较厚导致摩擦力比较大，而电磁吸附的力相对来说比较小，因此这个方式通常适用于薄片的加工。对于本文中的异形件，由于局部厚度超过6mm，加工中的内推力大于磁性吸附的力，造成加工中载物台易发生移位而失效，因此此装夹方案不适用于消盲区反射镜加工。真空吸附定位是加工手机盖板常用的固定方式。如图3所示，把待加工件光滑的平面放在蜂巢孔的夹具上面，启动真空，待加工件就会通过真空吸附固定在夹具上面了。真空的吸附力与待加工件A面的面积大小及表面平整度有关。手机盖板面积大、厚度薄，是光滑的表面，通过真空吸附可以很好的固定在夹具上。而消盲区反射镜的定位面是铣磨后的球面，难以与夹具表面形成密闭接触。因此这方案也不适用于消盲区反射镜加工。气动装夹的固定装夹方案，如图4所示，是先把待加工件固定在一个靠体上，通过靠体与气动装置实现快速装夹，其设计的重点在于靠体的设计以及整套装夹平台的设计组装。待加工镜片只需要先固定到与产品匹配的专用靠体上，再放进定位槽，待全部待加工镜片都放进定位槽后启动气动装夹装置，就完成了装夹。通过该方案装夹加工的镜片，其指标加工精度提高了10%，而单片加工效率提高了100%。同时采用多轴联动可进一步提高加工效率。可见与仿形磨边工艺相比，CNC磨边工艺的优势明显，具有自动化程度高、生产效率高、零件加工精度高、一致性好、便于实现计算机辅助设计与制造一体化等优点。3机床加工异形光学元件的优势应用CNC加工技术，通过参数及程序的设定控制生产加工流程，可有效避免在异形件加工过程中可能发生的偏差和误差，保证异形件成型后达到高精度的要求。与传统加工技术相比，CNC加工异形光学元件的优势明显：1）可加工常规方法难于加工的复杂型面，甚至