基于两步在线检测和补偿技术的自由曲面加工方法和装置与流程

本发明属于超精密车削加工领域，尤其是涉及一种基于两步在线检测和补偿技术的自由曲面加工方法和装置。

背景技术：

自由曲面广泛应用于成像与非成像系统中，可有效缩短光学系统总长和提高成像质量。自由曲面提供给设计者更多的设计自由度，因此近年来在航天、照明、和生物工程等领域上均有较大的发展。然而，由于自由曲面具有非旋转对称特性，其面形的高精度加工一直是国内外研究的重难点。

超精密车削加工技术采用单点金刚石车刀可直接加工出表面粗糙度为光学表面的镜片，常用于加工各种红外和照明系统用的自由曲面镜片或模具，如高次非球面镜片、离轴非球面反射镜、菲涅尔透镜和复眼透镜等。近年来，基于超精密车削加工机床发展起快刀伺服和慢刀伺服加工是两种刀具路径规划加工自由曲面的技术。其中，慢刀伺服加工因其具有全坐标闭环控制和振荡轴(z轴)范围大的工艺特性，广泛应用于加工大口径和大矢高差的自由曲面。然而，超精密加工过程会受机械、环境和人为等因素的影响，增大了加工镜片的面形误差，最终导致光学系统整体性能的降低。在超精密加工中，人为因素的影响可控制和避免，但剩余加工误差需要通过补偿加工来修正，修正数控加工程序的补偿加工方法是降低甚至消除大部分加工面形误差的有效途径。

镜面面形补偿加工的基石是高精度的检测方法。商业的轮廓测试仪器和干涉仪适用于镜片面形的离线检测。但是，对于非旋转对称的自由曲面而言，镜片离线检测后的重新装调具有很大的挑战性，即需要设计高精度的装夹工装，在装调方法上也具有较高的要求。而基于在线检测和补偿加工自由曲面的方法，克服了离线检测的弊端，在该领域更具有实用性和发展前途。基于接触式的在线检测与补偿的研究，日本东北大学于2010年研发了一种基于接触式位移传感器的螺旋路径测试微小非球面系统的方法，其检测系统重复性精度在±15nm；湖南大学于2010年研发了一种基于蓝宝石微探针在线检测的补偿加工方法用于加工碳化钨模具，补偿加工三次后的面形精度在0.177μm；北京理工大学于2014年研发了一种基于触发式探针mt60在线检测面形的误差补偿方法，补偿加工口径400的平面镜，其在线与离线检测结果的偏差小于0.07μm。尽管接触式探针可应用于在线或离线检测，但是接触式探针需要补偿探针的半径，对于材质较软的表面，接触式检测会造成破坏性的划痕和损伤。基于非接触式的在线检测与补偿的研究，浙江大学于2015年研发了一种基于扫描隧道显微镜和多轴联动方式在线检测加工面形的三维微结构的方法，该方法仅适用于测试表面矢高差较小的自由曲面，未提及与测试方法相对应的补偿方法；对于大口径自由曲面的研究，华中科技大学于2014年研发一种在线检测与误差补偿的模型用于检测大口径螺旋桨叶片，其激光测试系统的检测精度在微米量级。

影响在线非接触式检测精度的重难点之一是测试点的精确定位，对于采用慢刀伺服法加工的较大口径和矢高差的自由曲面，在线检测的路径是源于慢刀伺服加工路径生成适用于光学探针的螺旋线检测路径，光学探针所在的旋转轴速度为自适应的变速旋转，现有的检测方法很难实现对旋转角度的精确定位。此外，在线非接触式检测对于环境要求较高，较大口径自由曲面的在线检测耗时较长，环境因素(如温度、湿度等)将导致在线检测结果存在不确定的波动，是影响检测精确度不可忽视的重要因素，而现有的技术并没有对由于环境因素引入的检测误差进行修正。

针对以上问题可知，较大口径非旋转对称的自由曲面需要一种高测量和补偿精确度的方法，为加工提供技术支持。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于两步在线检测和补偿技术的自由曲面加工方法和装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于两步在线检测和补偿技术的自由曲面加工方法，包括：

初始加工步骤，按设计路径对加工工件进行初始加工，获得设计自由曲面；

一次检测步骤，同步检测所述设计自由曲面的面形误差和旋转方位角度；

一次修正步骤，基于所述面形误差和旋转方位角度对所述设计路径进行修正，获得一次修正加工路径；

一次补偿步骤，基于所述一次修正加工路径对所述设计自由曲面进行一次补偿加工，获得一次补偿自由曲面；

二次检测步骤，对所述一次补偿自由曲面进行过中心点的径向检测；

二次修正步骤，基于径向检测数据对所述一次修正加工路径进行修正，获得二次修正加工路径；

二次补偿步骤，基于所述二次修正加工路径对所述一次补偿自由曲面进行二次补偿加工。

进一步地，所述设计自由曲面的口径尺寸大等于100mm。

进一步地，所述一次修正步骤中，根据面形误差和旋转方位角度计算设计自由曲面面形误差的真实坐标点，将设计路径坐标点的z轴坐标减去对应的面形误差的真实坐标点，获得一次修正加工路径。

进一步地，所述二次修正步骤中，根据径向检测数据计算一次补偿自由曲面径向面形轮廓的真实坐标点，将一次修正加工路径坐标点的z轴坐标减去对应的面形误差的真实坐标点，获得二次修正加工路径。

进一步地，所述二次检测步骤过程中，相对环境湿度的波动小于2％。

本发明还提供一种实现上述自由曲面加工方法的基于两步在线检测和补偿技术的自由曲面加工装置，包括：

车削车床，包括设置有车床主轴的主轴平台和设置有加工刀具的刀具平台，所述车床主轴上连接有用于固定加工工件的真空吸盘；

第一光学探针，设置于刀具平台上，用于进行面形误差检测和径向检测；

第二光学探针，设置于主轴平台上，用于进行旋转方位角度检测；

控制器，分别连接第一光学探针和第二光学探针，用于接收所述第二光学探针的反馈数据，并根据反馈数据进行路径修正；

所述加工装置工作时，所述第一光学探针与车床主轴的旋转轴中心一致，且第一光学探针的高度与加工刀具的高度相同，所述第二光学探针与真空吸盘侧壁的角度标志位相对应。

进一步地，所述第一光学探针通过斜平面对中心方法调节至与车床主轴的旋转轴中心一致。

进一步地，进行面形误差检测时，所述第一光学探针根据设计路径进行变速运动。

进一步地，进行旋转方位角度检测过程中，所述第二光学探针与真空吸盘的相对距离保持不变。

进一步地，进行径向检测时，所述第一光学探针从自由曲面中心沿着径向进行一次扫描，获得一条扫描线上的径向检测数据。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)检测精确性高：本发明一方面在线同步检测面形误差和旋转方位角度，实现了变速旋转运动下数据点实时的精确定位，提高了检测点的定位精度；另一方面本发明还进行径向检测，在短时间内获得各环带的修正值，消除了环境因素对在线检测结果的影响，从而保证了较大口径的非旋转对称的自由曲面面形高精确性的在线检测。

(2)补偿精确性高：本发明无需将加工工件离线检测再补偿，同时，本发明提出了两步补偿的方法，利用面形误差检测结果对加工路径的周向面形误差进行第一步补偿，利用径向检测路径的检测数据补偿径向的面形误差完成第二步补偿加工，两步补偿均基于精确地检测结果，提高了加工精度。

(3)设备简单：本发明通过安装于超精密车削车床上的两个光学探头实现自由曲面的在线高精度检测和补偿，结构简单可靠。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为在线螺旋检测路径示意图；

图3为在线径向检测路径示意图；

图4为初始次加工后的面形误差在线检测图；

图5为一次补偿加工后的面形误差在线检测图；

图6为二次补偿加工后的面形误差在线检测图；

图7为离线zygo干涉仪检测离轴抛物面镜结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供一种基于两步在线检测和补偿技术的自由曲面加工方法，通过两步在线检测和两步补偿获得更为准确的自由曲面，有效降低由环境因素引入的检测误差，提高加工精度。该方法具体包括：

(1)初始加工步骤，按设计路径对加工工件进行初始加工，获得设计自由曲面，所获得的设计自由曲面的口径尺寸大等于100mm，为较大口径的非旋转对称的自由曲面。本发明的加工过程慢刀伺服实现。

(2)一次检测步骤，同步检测所述设计自由曲面的面形误差和旋转方位角度。

(3)一次修正步骤，基于所述面形误差和旋转方位角度对所述设计路径进行修正，获得一次修正加工路径。具体地，根据面形误差和旋转方位角度计算设计自由曲面面形误差的真实坐标点，将设计路径坐标点的z轴坐标减去对应的面形误差的真实坐标点，获得一次修正加工路径。

(4)一次补偿步骤，基于所述一次修正加工路径对所述设计自由曲面进行一次补偿加工，获得一次补偿自由曲面。

(5)二次检测步骤，对所述一次补偿自由曲面进行过中心点的径向检测，该过程中，保持相对环境湿度的波动小于2％。

(6)二次修正步骤，基于径向检测数据对所述一次修正加工路径进行修正，获得二次修正加工路径。具体地，根据径向检测数据计算一次补偿自由曲面径向面形轮廓的真实坐标点，将一次修正加工路径坐标点的z轴坐标减去对应的面形误差的真实坐标点，获得二次修正加工路径。

(7)二次补偿步骤，基于所述二次修正加工路径对所述一次补偿自由曲面进行二次补偿加工，消除环境因素的影响。

在某些实施例中，检测获得的面形误差、旋转方位角度和径向检测数据经低通滤波再插值处理后进行后续操作。

如图1所示，实现上述自由曲面加工方法的基于两步在线检测和补偿技术的自由曲面加工装置，包括：

车削车床，包括设置有车床主轴4的主轴平台3和设置有加工刀具2的刀具平台1，所述车床主轴4上连接有用于固定加工工件6的真空吸盘5，真空吸盘5侧壁粘贴聚酰亚胺胶带作为精密的角度标志位8；

第一光学探针7，设置于刀具平台1上，用于进行面形误差检测和径向检测；

第二光学探针9，设置于主轴平台3上，用于进行旋转方位角度检测；

控制器，分别连接第一光学探针7和第二光学探针9，用于接收所述第二光学探针9的反馈数据，并根据反馈数据进行路径修正。

上述加工装置工作时，所述第一光学探针7与车床主轴4的旋转轴中心一致，且第一光学探针7的高度与加工刀具2的高度相同，所述第二光学探针9与真空吸盘5侧壁的角度标志位8相对应。所述第一光学探针7通过斜平面对中心方法调节至与车床主轴4的旋转轴中心一致。进行面形误差检测时，所述第一光学探针7根据设计路径进行变速运动。进行旋转方位角度检测过程中，所述第二光学探针9与真空吸盘5的相对距离保持不变。进行径向检测时，所述第一光学探针7从自由曲面中心沿着径向进行一次扫描，获得一条扫描线上的径向检测数据。

综上，本发明主要包括两部分，一部分是基于精确定位测试点的第一步补偿加工。采用两个光学探针协同检测加工镜片面形误差，其中一个探针用于检测加工面形误差，该探针按源于慢刀伺服路径生成的螺旋线检测路径进行变速运动，另一个探针架设在主轴平台上用于检测主轴的旋转方位角度。双探针采用同一控制器接收反馈数据信号，可基于同一时间轴获取检测数据实现对变速旋转运动下面形数据点实时的精确定位，利用检测得到的面形误差结果对加工路径的周向面形误差进行第一步补偿。本发明的另一部分是基于消除环境因素影响的检测结果的第二步补偿，为了修正检测时间过长环境对检测结果造成的影响，仅对过中心点的与螺旋线相切的一条线进行检测，利用径向检测路径的检测数据补偿径向的面形误差完成第二步补偿加工。

实施例

本实施例以加工口径为100mm的离轴抛物面镜为例进一步说明上述方案。本实施例采用装置的结构如图1所示，刀具平台1沿z轴运动，加工刀具2为单点金刚石刀具，主轴平台3沿着x轴运动，车床主轴4为精密车削车床的气浮主轴。待加工的离轴抛物面镜的材料为6061铝合金，顶点曲率半径为256.174mm，离轴量为147.902mm，加工口径为100mm，倾斜角30°。本实施例所用的第一光学探针7和第二光学探针9的量程均为300μm。采用上述方法，利用慢刀伺服加工较大口径的非旋转对称的自由曲面，通过精确的在线检测结果对加工镜片面形误差进行两步补偿加工。加工过程具体为：

第一步，根据待加工的离轴抛物面镜参数获得设计路径，采用慢刀伺服技术按照设计路径完成加工工件的初始加工。

第二步，利用斜平面对中心方法来调节第一光学探针7的高度，使得调节后的第一光学探针7高度与车床主轴4的旋转轴即c轴一致。调节第二光学探针9与真空吸盘5的水平距离，使得调节后的第二光学探针9可清晰探测出真空吸盘5侧壁的角度标志位8。第一光学探针7的检测路径与慢刀伺服的加工路径相同，如图2所示，本实施例为螺旋检测路径，将慢刀伺服加工数控程序的刀具半径设置为零，每旋转周期进刀的步长范围为0.1～0.3mm，本实施例采用0.1mm，确定好第一光学探针7高度和水平位置后开始运行检测程序。第二光学探针9沿着x轴做稳定的、匀速线性运动以保证与真空吸盘5的相对距离不变。第一光学探针7和第二光学探针9连接至同一控制器，可于同一时间轴获取面形误差和旋转方位角度的检测数据，实现对变速旋转运动下面形数据点实时的精确定位。

第三步，将通过第一光学探针7检测到的面形数据和通过第二光学探针9得到的旋转角度数据进行低通滤波处理，计算出曲面面形误差的真实坐标点，该坐标点与设计路径坐标点相对应，用设计路径坐标点的z轴坐标减去其对应点的面形误差，获得一次修正加工路径，利用该路径对初次加工的曲面进行一次补偿加工，获得一次补偿自由曲面。

第四步，完成一次补偿加工后，再次对加工结果进行检测。提取原始数控程序中c轴角度为0°的坐标生成径向检测路径的数控程序，利用第一光学探针7沿着如图3所示的线段从中心到边缘进行径向扫描，扫描时长为10秒，周围环境相对湿度波动为0.6％。利用径向扫描线与加工螺旋线的交点的检测结果对一次修正加工路径进行第二次修正，按照获得的二次修正加工路径再次对曲面进行加工，实现二次补偿加工。

图4所示为初始加工面形误差在线检测图，面形误差的峰谷值pv值在2.894μm，一次补偿加工后的结果见图5所示，可发现经过一次补偿加工后的面形误差峰谷值pv值为0.895μm，其量级降至了亚微米级，且一次补偿加工后镜片的周向面形误差基本已补偿消除。将检测好的径向面形误差数据对数控加工程序进行环带修正并进行二次补偿加工。图6所示为二次补偿加工后的面形误差在线检测图，面形误差的峰谷值在0.345μm，相较于一次补偿加工修正了周向的面形误差，二次补偿加工有效修正了径向的面形误差。

离轴抛物面镜属于非对称自由曲面的一种，利用标准球面镜可搭建零位光路用干涉仪来离线检测光学性能，因此，离线检测结果可用来验证补偿加工方法的精确性。图7所示为干涉仪检测离轴抛物面镜结果，波前误差的峰谷值在0.302μm。由此可见，由于采用了本发明，加工的表面面形误差的峰谷值pv值从初次加工的2.894μm降低到0.345μm，且检测精度达到亚微米量级。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。