CN108296493A - 一种精密车床加工菲涅尔微结构阵列的加工轨迹生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种菲涅尔微结构阵列的表面加工方法。该方法可应用在四轴或以上的超精密机床上，使用单点金刚石车刀加工，加工时将车刀安装在C轴主轴上，工件安装在Z轴上。按照加工过程中采用“XYC三轴联动”的方法，以及车刀刀刃方向与工件菲涅尔结构的圆环切线方向重合的原则，计算工件上的菲涅尔子单元的每一圈轨迹坐标点对应的机床XYZ轴值和C轴角度，通过上述方法完成切削点在工件坐标系与车床坐标系的转换，生成完整加工轨迹。从而实现菲涅尔微结构阵列的超精密加工，切削方向、刀具相对于工件的速度方向，与菲涅尔圆形的切线方向一致。

Description

一种精密车床加工菲涅尔微结构阵列的加工轨迹生成方法

技术领域

本发明属于超精密加工复杂零件制造技术领域，涉及一种菲涅尔微结构阵列的表面加工方法。

背景技术

菲涅尔结构是现代光学常用的透镜结构，是由一系列的同心环带构成，其表面相当于将传统的凸或平凹透镜中部分“坍陷”到平面上。从剖面看，表面轮廓是一系列锯齿型凹槽，中心部分是圆形的弧线。菲涅尔结构表面的每一个环带都可看作一个独立的透镜，实现对光路的汇聚或发散，整体的光学效果等效于传统透镜，但总体厚度小很多，这也使得透镜的吸收损耗小，具有结构轻巧、透光性能好、制造成本低、衍射效率高等优点。

如图1所示，菲涅尔微结构阵列是在一个工件表面上制作多个有序的、微小的菲涅尔结构，每个环带的高度只有若干微米，并需要达到纳米级别的粗糙度，属于超精密加工范畴。

针对菲涅尔微结构阵列的加工，目前常见的是加工单个菲涅尔微结构模具，再将多个模具拼接用于透镜阵列的注塑，这样的加工方式容易导致不同子单元的形貌尺寸、相对位置尺寸的精度和一致性低。若使用快刀伺服或者慢刀伺服的方法进行菲涅尔微结构阵列模具的整体加工，对于与主轴不同轴的单元，加工过程中刀具的切削刀刃的方向与这些单元菲涅尔圆环的切线方向不同向，刀具倾角的存在会导致这些圆环部分边缘无法切削，从而出现精度差、粗糙度高等问题。-近年来，也有学者提出通过机床的XYC轴联动，进行偏心加工的方法，实现了菲涅尔微结构阵列的整体加工。该联动偏心加工的方法是将工件装在主轴上、刀具在Z轴上，在加工阵列上某一子单元的某一个圆形轮廓时，机床通过XY轴联动，使得工件整体相对于刀具在XY平面上运行一个圆形轨迹，圆形轨迹的圆心偏离主轴轴心，且C轴在该过程中随着XY的轨迹进行联动，旋转一周。然而该方法坐标计算复杂，加工过程中刀具相对工件的合速度方向变化大，对粗糙度有一定的影响。

因此有必要开发新的加工方法，能够实现菲涅尔微结构阵列的一次装夹、整体加工，且加工的切削刀刃方向始终与环带切线方向相同，刀具相对工件的加工速度方向变化均匀，从而提高加工精度、降低表面粗糙度。

发明内容

本发明的目的是克服现有金刚石超精密车削加工技术在加工菲涅尔微结构阵列上的不足，提出一种简单的、能实现刀具沿着阵列上各个菲涅尔圆的轨迹加工，且切削方向、速度方向与各圆环切线方向一致的加工方法。本方法不需要机床进行Z轴的快刀伺服或者慢刀伺服工作，而是利用超精密车床的XYC三轴联动，并基于相关轨迹计算算法，即可实现菲涅尔微结构阵列的超精密加工。

本发明提供一种使用超精密车床实现菲涅尔微结构阵列加工的加工轨迹生成方法，在该超精密车床加工系统中，车刀安装在具有闭环定位功能的机床C轴上，刀刃中心在C轴回转中心上，车刀可随C轴进行旋转，C轴能实现与XY轴的联动，随XY轴在XY平面内进行移动，工件安装在机床Z轴滑台上，工件的加工面与XY面平行，其特征在于，该加工轨迹生成方法包括以下几个步骤：

(1)建立工件加工表面的坐标系，计算菲涅尔微结构阵列上每个子单元的几何参数，包括：每个子单元的圆心坐标、半径范围、子单元内不同半径位置的点对应的高度值；

(2)标定机床坐标系下的加工原点位置，以建立菲涅尔微结构阵列上每个子单元的切削点与机床坐标的转换关系；

(3)按照加工过程中采用XYC三轴联动的方法，并根据切削方向与工件上菲涅尔微结构阵列的圆环切线方向重合的原则，计算工件上的子单元每一圈切削点对应的机床坐标系下的XYZ轴值和对应的C轴角度；

(4)按照C轴旋转一圈，加工一个菲涅尔子单元的等高圆形一周的方式，对步骤(3)计算的坐标点进行排序，生成对应该菲涅尔微结构阵列的完整加工轨迹；

(5)对加工轨迹进行刀尖半径补偿，形成最终的加工轨迹。

步骤(1)中对菲涅尔微结构阵列进行几何描述的方法如下：建立工件表面的坐标系，在每个子单元中，圆心坐标为(x_oi,y_oi)，i表示阵列结构中子单元的序号，圆心与C轴回转中心的距离为l_i，子单元内距离圆心r的点所在的单元轮廓高度为z_r，对于子单元中同一个圆上的点，其高度Z值相同，Z值与半径相关，由菲涅尔结构参数决定，按照公式(1)、(2)对菲涅尔微结构阵列进行几何描述，

z_r＝f(r) (2)。

步骤(2)中可采用如下方法对加工远点位置进行标定：

采用试切-测量-调整的方法，安装工件，移动机床的XY轴，使得刀具切削刃中心正对工件中心，记下此时机床加工系统的XY轴坐标(x_c,y_c)，将C轴旋转至角度坐标θ＝0，测量刀刃方向与X轴方向夹角△θ。

步骤(3)中确定切削点与机床坐标换算关系的方法如下：

(A)确定子单元上任一切削点的工件坐标与机床XY轴坐标的转换。

在工件坐标系下，工件表面一圆心坐标为(x_oi,y_oi)、加工半径为r的子单元圆形轮廓，需要机床XY轴联动以完成圆形轨迹的加工，对应的联动轨迹换算公式如下：

其中，(x_c,y_c,z_c)为加工圆形轮廓上任一切削点在机床坐标系下的坐标，i表示该子单元的序号，ε为子单元圆形轮廓上各点对应的旋转夹角。

(B)确定子单元上任一切削点的工件坐标与机床XYC轴坐标的转换。实现切削方向与菲涅阵列机构的子单元圆形切线方向一致。

在加工过程中，需要根据当前切削点的位置调整C轴角度，使得切削刃方向沿着切削的圆形轨迹切线方向，在步骤(2)中得到当C轴角度坐标θ＝0时，刀刃方向与X轴方向夹角为△θ的基础上，可得C轴与XY联动关系为：

其中，(x_c,y_c,z_c)为加工圆形轮廓上任一切削点在机床坐标系下的坐标，θ_c是C轴的转角，通过C轴与XY轴联动，从而使得加工过程中刀刃沿着圆环切削。

本发明仅需要机床XYC三轴进行联动，而Z轴只是完成相应的切深进给，在经过合理的轨迹规划，加工过程中Z轴可实现最大程度的静止状态，机床不需要配置带有快刀伺服或者慢刀伺服的刀。本发明中，工件在一次装夹后完成所有阵列的加工，有利于提高各个菲涅尔子单元之间的尺寸精度，切削刃切削方向与菲涅尔圆的切线方向一致，有利于降低加工表面的粗糙度，提高表面质量的一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的实施例中菲涅尔微结构阵列示意图。

图2为本发明提供的实施例中加工系统示意图

图3为本发明提供的实施例中加工示意图1。

图4为本发明提供的实施例中加工示意图2。

图5为本发明提供的实施例中加工轨迹示意图。

图6为本发明提供的实施例中XYC三轴联动下的位移-时间曲线图。

图中，1.工件，2.刀具。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2是本发明实施例的加工系统示意图，采用具有角度定位的C轴作为主轴，C轴能实现与XY轴的联动。工件固定在C轴上，XY轴根据C轴的转角进行相应的移动，三轴联动形成刀具在工件表面的最终轨迹，从而形成加工形貌。

实现本发明的重要技术基础是菲涅尔微结构阵列几何参数与机床XYC轴之间的坐标换算关系。为了提高加工质量，本发明要求加工过程中的切削方向始终与加工中的子单元圆形环带的圆周切线方向相同，且将刀具安装在C轴上，计算出相应的换算关系。

本实施例中包括以下几个步骤：

1.标定加工原点位置。

用试切-测量-调整的方法，安装工件，移动机床的XY轴，使得刀具切削刃中心正对工件中心，记下此时机床加工系统的XY轴坐标(x_c,y_c)；将C轴旋转至角度坐标θ＝0，测量刀刃方向与X轴方向夹角△θ。

2.确定切削点与机床坐标的换算关系

A)建立工件表面的坐标系，对菲涅尔透镜阵列进行几何描述。

如图1，建立工件表面的坐标系，每个子单元圆心坐标为(x_oi,y_oi)，i表示阵列中子单元的序号，圆心与与C轴回转中心的距离为l_i，距离圆心r的点所在的单元轮廓高度为z_r，对于子单元同一个圆上的点，其高度Z值是相同的，该值与半径相关，是由菲涅尔结构参数决定的。

z_r＝f(r) (2)

B)确定某子单元工件坐标与机床XY轴坐标的转换

对于在工件坐标系下，工件表面某圆心坐标为(x_oi,y_oi)的子单元，加工半径为r的圆形轮廓，需要机床XY轴联动圆形轨迹，对应的联动轨迹换算公式如下：

其中，(x_c,y_c,z_c)为加工轮廓上任一切削点在机床坐标系下的XYZ轴坐标，i表示该单元的序号，ε为子单元圆形上各点对应的旋转夹角。

C)确定某子单元工件坐标与机床XYC轴坐标的转换，实现切削方向与菲涅尔子单元圆形切线方向一致。

在加工过程中，C轴需要根据当前切削的子单元的位置，调整C轴角度，使得切削刃方向沿着切削的圆形轨迹切线方向。，当C轴角度坐标θ＝0时，测量刀刃方向与X轴方向夹角△θ，可得C轴与XY联动关系为：

其中，θ_c是主轴的转角，从而使得加工过程中刀刃沿着圆环切削。

使用本发明实施例当中的加工方法，机床的XYC轴需要根据公式(4)联动。其中，XY轴驱动刀具沿着工件各个子单元的菲涅尔圆形进行运动，而C随XY轴联动，确保切削刀刃始终朝向切削方向，如图5所示。假设主轴进行匀速旋转，分析加工一个子单元圆周的XYC轴位移曲线，如图6所示，可见XY轴按照简谐运动进行加减速移动，XY轴运动平稳。主轴旋转一周完成子单元一个圆形的加工，在此过程中，Z轴保持固定切深不动；在切削下一个圆周前，Z轴按照公式(2)做进给，而不需要做往复的伺服进给，因此整个加工系统有很大的刚度。

按照菲涅尔微结构阵列的相关形状参数公式(1)(2)，并结合本发明提出的坐标系转换算法公式(4)，可完成工件表面结构坐标的换算，得出机床运动坐标值。为了确保加工时切削方向与子单元圆形的切线方向一致，按照主轴旋转一周完成子单元一个圆形的加工方法，编排加工点的顺序。最后，对加工轨迹进行刀尖半径补偿，形成最终的加工轨迹。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种使用超精密车床实现菲涅尔微结构阵列加工的加工轨迹生成方法，在该超精密车床加工系统中，车刀安装在具有闭环定位功能的机床C轴上，刀刃中心在C轴回转中心上，车刀可随C轴进行旋转，C轴能实现与XY轴的联动，随XY轴在XY平面内进行移动，工件安装在机床Z轴滑台上，工件的加工面与XY面平行，其特征在于，该加工轨迹生成方法包括以下几个步骤：

(1)建立工件加工表面的坐标系，计算菲涅尔微结构阵列上每个子单元的几何参数，包括：每个子单元的圆心坐标、半径范围、子单元内不同半径位置的点对应的高度值；

(2)标定机床坐标系下的加工原点位置，以建立菲涅尔微结构阵列上每个子单元的切削点与机床坐标的转换关系；

(3)按照加工过程中采用XYC三轴联动的方法，并根据切削方向与工件上菲涅尔微结构阵列的圆环切线方向重合的原则，计算工件上的子单元每一圈切削点对应的机床坐标系下的XYZ轴值和对应的C轴角度；

(4)按照C轴旋转一圈，加工一个菲涅尔子单元的等高圆形一周的方式，对步骤(3)计算的坐标点进行排序，生成对应该菲涅尔微结构阵列的完整加工轨迹；

(5)对加工轨迹进行刀尖半径补偿，形成最终的加工轨迹。

2.如权利要求1中所述一种使用超精密车床实现菲涅尔微结构阵列加工的加工轨迹生成方法，其特征在于，步骤(1)中对菲涅尔微结构阵列进行几何描述的方法如下：建立工件表面的坐标系，在每个子单元中，圆心坐标为(x_oi,y_oi)，i表示阵列结构中子单元的序号，圆心与C轴回转中心的距离为l_i，子单元内距离圆心r的点所在的单元轮廓高度为z_r，对于子单元中同一个圆上的点，其高度Z值相同，Z值与半径相关，由菲涅尔结构参数决定，按照公式(1)、(2)对菲涅尔微结构阵列进行几何描述，

z_r＝f(r) (2)。

3.如权利要求2中所述一种使用超精密车床实现菲涅尔微结构阵列加工的加工轨迹生成方法，其特征在于，步骤(2)中标定加工原点位置的方法如下：

采用试切-测量-调整的方法，安装工件，移动机床的XY轴，使得刀具切削刃中心正对工件中心，记下此时机床加工系统的XY轴坐标(x_c,y_c)，将C轴旋转至角度坐标θ＝0，测量刀刃方向与X轴方向夹角△θ。

4.如权利要求3中所述一种使用超精密车床实现菲涅尔微结构阵列加工的加工轨迹生成方法，其特征在于，步骤(3)中确定切削点与机床坐标换算关系的方法如下：

(A)确定子单元上任一切削点的工件坐标与机床XY轴坐标的转换，

(B)确定子单元上任一切削点的工件坐标与机床XYC轴坐标的转换，实现切削方向与菲涅阵列机构的子单元圆形切线方向一致。

5.如权利要求4中所述一种使用超精密车床实现菲涅尔微结构阵列加工的加工轨迹生成方法，其特征在于，步骤(A)中确定子单元上任一切削点的工件坐标与机床XY轴坐标的转换方法如下，在工件坐标系下，工件表面一圆心坐标为(x_oi,y_oi)、加工半径为r的子单元圆形轮廓，需要机床XY轴联动以完成圆形轨迹的加工，对应的联动轨迹换算公式如下：

其中，(x_c,y_c,z_c)为加工圆形轮廓上任一切削点在机床坐标系下的坐标，i表示该子单元的序号，ε为子单元圆形轮廓上各点对应的旋转夹角。

6.如权利要求5中所述一种使用超精密车床实现菲涅尔微结构阵列加工的加工轨迹生成方法，其特征在于，步骤(B)中转换方法如下：在加工过程中，需要根据当前切削点的位置调整C轴角度，使得切削刃方向沿着切削的圆形轨迹切线方向，在步骤(2)中得到当C轴角度坐标θ＝0时，刀刃方向与X轴方向夹角为△θ的基础上，可得C轴与XY联动关系为：

其中，(x_c,y_c,z_c)为加工圆形轮廓上任一切削点在机床坐标系下的坐标，θ_c是C轴的转角，通过C轴与XY轴联动，从而使得加工过程中刀刃沿着圆环切削。