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光学定心的原理与方法

时间:2015/3/23 18:05:36   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:1892   评论:7
内容摘要:光学定心的原理与方法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。2.1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2.1 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...
光学定心的原理与方法

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。
2.1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。

光学定心的原理与方法

2.1 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。
2.2 球心自准反射像定心法

2.2.1 定心原理 

球心自准反射像法定心原理如图所示:光学定心的原理与方法

2.2 球心自准反射像法定心原理

1—被定心透镜;23—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β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4cβ。若分划板的分划值为b,则允许像A/的跳动格数为

m=4cβ/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。
光学定心的原理与方法

2.3 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。

2.2.2 成像校正点与定心仪位置的确定

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。光学定心的原理与方法

2.4 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

   

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

光学定心的原理与方法

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

光学定心的原理与方法
光学定心的原理与方法

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。

 

2.3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。

2.3.1 光学电视定心定心原理

光学电视定心法的原理如图所示。光学定心的原理与方法

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。

 

2.3.2 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β,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/β)。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=1/4Nβ

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。

 

2.3.3 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:Φ180mm     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/min127r/min254r/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:Φ150mm×Φ32mm×20mm;电机总功率:0.58kw;圆度:≤0.005mm;外圆与光学轴心同轴度:≤0.005mm 

光学定心的原理与方法

2.4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,光学定心的原理与方法

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/2β

    式中:β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。

2.5激光定心法

2.5.1 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。

2.5.2激光定心原理及装置

激光定心装置中:

AB—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AB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XY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。

2.5.3  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=103000Φ/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;

      Φ—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。
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