基于变去除函数的射流抛光面形误差控制方法与流程

本发明涉及基于变去除函数的射流抛光面形误差控制方法，属于光学制造技术领域。本发明根据待加工面形，通过控制射流抛光去除函数的工艺参数实时调节去除函数，从而实现面形误差控制。

背景技术：

射流抛光技术是一种新型超精密抛光加工技术。射流抛光技术于上世纪末由荷兰Delft大学的Oliver W. Fähnle和HedserVan Brug等人提出，其主要原理为利用混合有微/纳米尺度磨料粒子的抛光液经供压系统提供初始压力，流经喷嘴而形成射流束，以一定的速度到达材料表面，利用磨料粒子对材料的剪切作用力而达到去除作用。与传统抛光技术以及其它超精密加工技术相比，射流抛光的主要特点与优势体现在针对高陡度曲面工件，利用射流束可以深入工件内部，从而避免机械干涉，进行内表面的加工并获得较高的加工精度，因此已成为一项新兴抛光方法被广泛关注。

面形误差控制方法是射流抛光技术的核心，是决定面形的收敛效果和抛光效率的关键。当前的射流抛光工艺通过求解射流抛光斑在各个轨迹点的驻留时间，实现面形收敛。这种工艺面形误差控制方法较为成熟，在多种确定性抛光方式中得以广泛应用，但还存在以下几个问题：

1)机床频繁的加减速造成的振动影响加工精度。机床各个运动轴的频繁加减速造成较大振动，影响去除函数的稳定性和轨迹精度，从而影响抛光精度；

求解的驻留时间受限于机床本身的动力学性能（如各运动轴的最大加速度、加加速度），驻留时间实现精度低。当计算的驻留时间与机床的加减速能力不匹配时，造成工件“欠抛”或“过抛”，使得面形误差恶化。

技术实现要素：

为解决当前射流抛光工艺方法导致的问题，本发明提出一种基于变去除函数的射流抛光面形误差控制方法，使得抛光不受限于机床的动力学性能，减小复杂轨迹抛光带来的冲击，提升面形收敛效率。

本发明的基于变去除函数的射流抛光面形误差控制方法，依次包括如下步骤：

（1）获取抛光工艺的去除函数：给定采斑时间，将与轴线形成倾斜角θ的喷嘴以角速度绕轴线回转，获取多组不同的工艺参数下的抛光斑，通过拟合建立去除函数工艺参数η与去除函数形态之间的映射关系。

其中，是关于 QUOTE 的多项式， 为常数，是以抛光斑中心为原点的坐标系下的面形位置坐标；

（2） 检测面形误差分布：采用干涉仪测量待加工光学镜面的面形误差分布，将检测得到的面形误差分布记为。

（3）建立抛光工艺的加工过程模型：在所述的光学镜面上等距选取个加工轨迹点，第 个加工轨迹点 的坐标记为 ，设第个加工轨迹点的驻留时间为，按顺序形成驻留时间向量；同时选取个加工控制点，第个加工控制点的坐标记为，各加工控制点的期望去除量为，按顺序形成期望的去除量向量；加工控制点的材料去除量为，所有的按顺序组成材料去除向量，加工模型为，其中是的影响矩阵，其第行第 列元素为；设射流抛光的工艺参数的上限为，下限为，计算在下的影响矩阵；

（4）求解工艺参数实现变去除函数修形：设机床最大速度为 ，通过内点法，求解如下的二次规划问题获得工艺参数下的驻留时间：

，subjected to ；

计算匀速 抛光时各轨迹点间的时间 , 计算驻留时间释放比 ；记 为第个轨迹点处的工艺参数，求解方程在区间的实根，若方程的根小于，取，若方程的根大于，取；

（5）通过数控加工控制面形精度：生成包含刀具轨迹点、进给速度、各轨迹点对应的工艺参数 的数控程序，将数控程序加载到带工艺参数控制的数控系统中执行加工，利用干涉仪测量加工后的面形，如果精度满足要求，则完成抛光；否则返回至步骤（2）。

本发明与现有的射流抛光工艺相比的优点是：

（1）机床在加工过程当中一直保持匀速进给，这有利于保持减轻机床的振动，保持射流抛光去除函数的稳定，提升抛光精度。

（2）抛光不在受限于机床的动力学性能，能更为精确地实现对面形的去除要求，提升去除收敛效率，降低“欠抛”和“过抛”产生的面形误差。

（3）建立了基于射流抛光工艺参数的去除函数调节机制，既能通过调节去除函数实现面形精度的收敛，同时能够根据面形精度需求，调整去除函数的形态，便于提升面形的收敛效率。

附图说明

图1为本发明的待加工工件测量的面形误差分布图；

图2为本发明的射流喷嘴压强在加工面形上的分布图；

图3为本发明的加工后测量的面形误差分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照公式和附图，对本发明进一步详细说明。本发明通过调控喷嘴压强这一抛光工艺参数实现去除函数的控制。

抛光设备为一台普通的射流抛光工艺机床，基本的加工参数为：机床最大进给速度=4000mm/min，喷嘴倾角θ=20°，喷头转速1000r/min，机床抛光过程保持匀速进给 =50mm/min，抛光头编程位置距离工件表面距离为50mm，喷嘴直径为1mm，喷嘴压强上限为=1MPa，下限为=0.286MPa。加工试件为口径为50mm×50mm的K9工件，目标精度为PV=0.14，RMS=0.09。

通过下述方法对所述的K9工件进行射流抛光工艺：

1. 获取抛光工艺的去除函数：设采斑时间为10分钟，将喷嘴倾斜20°并以角速度1000r/min绕轴线回转，分别获取喷嘴压强=0.3MPa,0.4MPa,0.5MPa,0.6MPa,0.7MPa, 0.8MPa,0.9MPa,1MPa下的抛光斑；建立喷嘴压强η与去除函数形态之间的映射关系：令，去除函数的形态为

对多组实验数据拟合获得系数：a=10^-12,b=-2.86×10^-7,=0.20500047；

2. 检测面形误差分布：采用Zygo干涉仪测量待加工光学镜面的面形误差分布，将检测得到的面形误差分布记为，如图1所示；

3.建立抛光工艺的加工过程模型：设光学镜面的加工轨迹步距为=0.5mm，从工件的边界开始沿着光栅路径等步距共选取10201个加工轨迹点，第个加工轨迹点的坐标记为，设第个加工轨迹点的驻留时间为(1≤QUOTE ≤10201)，按顺序形成驻留时间向量；在每两个相邻轨迹点之间选取8个加工控制点，共计81600个加工控制点，第个加工控制点的坐标记为 ，各加工控制点的期望去除量为,1≤ ≤81600，按顺序形成期望去除量向量；加工控制点的材料去除量为，所有的 按顺序组成材料去除向量 ，加工模型为，其中是81600×10201的影响矩阵，其第行第列元素为；计算在=0.643MPa下的影响矩阵 ；

4. 求解喷嘴压强实现变去除函数修形：通过内点法，求解如下的二次规划问题获得喷嘴压强下的驻留时间：

，subjected to7.5ms，=1…10201；

计算机床匀速进给=50mm/min时各轨迹点间的时间0.6s，计算驻留时间释放比；第个加工轨迹点处的喷嘴压强的计算公式是：

计算的结果如图2所示；

5. 通过数控加工控制面形精度：生成包含刀具轨迹点、进给速度 、各轨迹点对应的喷嘴压强的如下数控程序，

X0.000 Y0.000 Z0.000 F50 P537455

X0.000 Y0.500 Z0.000 F50 P513616

X0.000 Y1.000 Z0.000 F50 P652319

X0.000 Y1.500 Z0.000 F50 P604405

X0.000 Y2.000 Z0.000 F50 P647327

…

将数控程序加载到带喷嘴压强控制的数控系统中，执行加工。本次加工时间为102分钟，利用激光干涉仪测量加工后的面形，如图3所示。加工后的PV为0.135，RMS为0.084，满足精度需求，完成加工。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。