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透镜的定心与磨边

2021-12-20 10:39| 发布者：Davis| 查看：3626| 评论：1|原作者: 小小光08

摘要：透镜的定心和磨边对于透镜的精密抛光完工来说是必不可少的步骤。定心可以校正透镜在研磨抛光过程中产生的偏心，以及校正两球心连线与外圆对称轴的偏离。本文介绍了透镜定心的方法，包括光学定心法、机械定心法、光电定心法、激光定心法、球心自准像定心法和光学电视定心法等，希望能够帮助大家更好地了解透镜定心和磨边的相关知识。

1. 相关术语与定义

对于圆形的光学零件，精密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，磨边还可以校正透镜在研磨抛光过程中产生的偏心，及校正两球心连线（光轴）与外圆对称轴（几何轴）的偏离。

经过精磨抛光后的透镜，一般为未定心透镜，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，如图1所示：

图1：交叉性中心误差

也可能表现为平行性中心误差，即透镜光轴与几何轴相互平行，如图2所示：

图2：平行性中心误差

经过定心后，透镜光轴与几何轴完全重合或在一定允许的公差内，则是理想或合格的定心透镜，如图3所示：

图3：理想的或已校正的定心透镜

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用砂轮或金刚石磨轮磨削外圆，以获得对称且符合图纸要求直径的透镜。

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。

一块存在边厚差的透镜，可以看成是一个无边厚差的透镜，加上一个楔形镜组成，如图4：

图4：中心偏差与边厚差的关系

上图中，透镜的边厚差Δt为

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，变成以机床轴为对称轴的修磨透镜外圆的过程。

定心的方法有光学定心法、机械定心法、光电定心法、激光定心法。

2. 光学定心法

（1）透镜表面直接反射像定心法

图5：透镜表面直接反射像定心法原理图

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的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。当像转到上面，则将透镜沿着夹头端面向下移动；像转到下面，则反之向上移动，直到像不移动或在允许范围内移动，即完成定心。

一般情况下，透镜粘结面的定心主要靠接头端面的修整精度来保证。

这种定心时人眼直接观察像的跳动，与表示中心误差的各参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。

这种定心方法的精度不高，一般在0.05mm左右，但所需设备简单，操作方便，适用于单件或小批量生产。

（2）球心自准像定心法

图5：球心自准像定心法原理图

从十字分划A发出的光线，由垂轴放大率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`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

如果像的跳动格数超过了这个范围，必须移动透镜，直至十字像不跳动或在允许的范围内跳动。

如图6，给出了球心反射像定心仪的光学系统图。

图6：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，直至球心像不动或跳到在允许范围内，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共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。

（3）光学电视定心法

为了提高定心精度，减轻人眼疲劳，在球心自准定心法的基础上，发展出了光学电视定心法。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，且效率高。

图7：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

如图7所示，在定心磨边机的导轨上装有自准显微测量系统。将待定心透镜胶接在定心接头上。在定心过程中，首先移动自准显微镜，使由物镜射出的光线，聚焦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呈现于摄像机的中心点O₁`上。对物镜来说，点O₁`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，即实现定心。

采用光学电视定心法，其定心误差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。

光学电视定心法比球心自准像定心法的精度高，且定心效率高，适用于高精度透镜大批量生产的定心，但它的定心效率仍没有机械定心法高。

3. 机械定心法

（1）机械定心法原理

机械法定心是将透镜放在一对同轴精度高、端面精确垂直于轴线的接头之间，利用弹簧压力夹紧透镜，根据力的平衡来实现定心。其中一个接头可以转动，另一个既能转动又能沿轴向移动。当透镜光轴与机床主轴尚未重合时，如图8所示，假设接头与透镜接触后，则接头施加给透镜压力N，方向垂直于透镜表面。压力N可分解为垂直于接头端面的夹紧力F和垂直于轴线的定心力P。定心力P将克服透镜与接头之间的摩擦力，使透镜沿垂直于轴线方向移动，夹紧力F将推动透镜沿轴线方向移动。当透镜光轴与机床主轴重合时，定心力就达到平衡，即完成定心。

图8：机械定心法原理示意图

（2）机械定心法的系数

不是所有的透镜都能采用机械方法定心，因此，光学镜片在定心之前，可计算定心系数K值来判断加工的难易度，作为设计工艺与夹具的参考。

图9：透镜的定心角

从图9可以看出，定心力的大小与接头和透镜之间的压力的大小和方向有关。压力的大小是由弹簧力决定的，而方向是由透镜的定心角（夹紧角）决定，定心角是指在接头轴线平面内，透镜与接头接触点的切线间的夹角α。设接头和透镜之间的定心角为α_i，接头的直径为D_i，透镜非黏结面的曲率半径为R_i，则定心角的正切值为