CCOS抛光工艺全频段收敛路径规划方法与流程

本发明属于CCOS光学抛光加工技术领域，具体为一种能有效提高全频段收敛效率的抛光路径规划方法。

背景技术：

在现代光学加工中，通常会使用计算机控制表面成形(CCOS)的方法来加工各种光学元件。CCOS的基本原理是根据面形误差数据来使用远小于工件直径的磨头通过计算机控制其在工件上各驻留点的驻留时间实现面形各点材料的定量去除。对于CCOS抛光工艺中路径规划是十分重要的一环，材料去除量可以看作是加工去除函数和加工路径上驻留时间矩阵的卷积，因此加工路径的选择会直接影响抛光质量的好坏。现有CCOS抛光工艺中常用的抛光路径主要有两种方式：一种是xy直线式光栅扫描路径，另一种是阿基米德螺线扫描路径。但对于这些固定路径求解驻留时间时容易出现速率突变而影响加工精度，并且采用以上固定路径加工时均很容易产生中频突出的问题，这都导致了加工质量的下降。到目前为止依然没有合适的路径规划方法可以同时解决以上两个问题，因此需要设计一种新型路径的规划方法来减少加工中的速率突变，同时需要增加路径的多样性以避免固定路径产生的中频误差，这对CCOS抛光加工工艺将会有极大的推动作用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种CCOS抛光路径的规划方法，能使CCOS加工中磨头的运动的速率突变减小的同时具有随机性，从而全频段提高抛光加工精度。

为解决上述技术问题，本发明提出一种CCOS光学加工路径规划方法，具体包括以下步骤：

(1)加工前准备：应用抛光工艺过程进行去除函数试验提取去除函数(或直接使用已知的去除函数)，另外利用面形检测装置对工件进行面形误差检测，获得工件的面形误差分布数据，再基于面形误差数据采用现有去卷积算法(如比例估算法，卷积迭代法等)计算抛光中各点的驻留时间分布，设置加工采样间隔S，将驻留时间矩阵T积分得到加工驻留时间矩阵t和速度分布矩阵V(i，j)，计算公式为：

(2)在矩阵V(i，j)对应坐标点中选取初始路径的起点(x_start，y_start)和终点坐标(x_end，y_end)，其中初始路径的起点和终点将不会在迭代中改变，一般的选取速度矩阵V(i，j)中最大值和最小值对应坐标作为路径的起点和终点；

(3)选择算法迭代的初始路径，路径中相邻的采样点都需保证距离等于S，一般的起点和终点固定后初始路径会有很多选择，如附图1所示，为简单起见，选取图1中路径①或②作为迭代初始路径，初始路径可表示为(i₁，j₁)→(i₂，j₂)→…→(i_n，j_n)→…→(i_N，j_N)，其中，(i，j)为速度分布矩阵中行列号，路径中经过的坐标点个数为N；

(4)考虑路径中任意两个相邻点(i_n，j_n)和(i_n+1，j_n+1)，其对应位置坐标距离固定为S，因此两点坐标间关系必有i_n＝i_n+1或j_n＝j_n+1，定义速率突变矩阵矩阵K代表了路径中任意两个点扩展后的速率变化总和，计算方式为：

当i_n＝i_n+1

当j_n＝j_n+1

(5)找到矩阵K中最小元素的行列号，也就是找到速率变化最小的路径扩展选择，将其对应两点插入对应路径中，具体算法为：

若最小值为k_mn

则新路径为(i₁,j₁)→...→(i_n,j_n)→P_A→P_B→(i_n+1,j_n+1)→...→(i_N,j_N)

其中

同时路径长度从N扩展为N+2，并继续步骤(4)进行迭代扩展；

(6)若矩阵K中已没有可扩展的路径点，则终止迭代，此时路径序列为最终加工路径；

在抛光工艺中，可根据最后得到的加工路径和各点驻留时间生成数控代码，从而控制机床进行CCOS加工。

针对传统栅形路径和螺旋路径容易引起速率突变的缺点，上述CCOS抛光工艺提出了新的路径规划方案，与现有技术相比，本发明的优点在于：该方案生成的路径能使机床运动速率最大限度的保持平稳，从而克服抛光加工中因为机床速率突变导致的去除误差，有利于提高抛光精度。另外由于每次加工所使用的驻留时间矩阵均不相同，因此生成的加工路径也随之改变，提高了加工路径随机性，使得工件中频误差得以收敛。由于本发明提供了一种光学CCOS抛光中有别于传统工艺的栅形路径和螺旋路径，这对高精度CCOS抛光具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明中对初始路径选择的示意图。

图2为实施例中抛光工艺过程中的去除函数形状。

图3为实施例中测得两块待加工工件的面形误差分布图。

图4为实施例中两块待加工工件分别采用的抛光路径示意图。

图5为实施例中两块试验工件加工后面形误差分布图。

图6为实施例中加工前后工件功率谱密度曲线图。

图7为实施例中两种路径加工前后功率谱密度的收敛率情况图。

具体实施方式

实施例：

本实施例的CCOS抛光工艺是在一台基于ABB机械手的抛光设备上进行的，工艺参数设置为：小磨头直径20mm，施加压力10N，公转速度120rpm，自转速度200rpm，抛光液成分为CeO₂，浓度为10％w.t，环境温度为23℃，待抛光的试验工件为两块70mm×70mm的BK7光学玻璃。实验分别用栅形路径和新型路径对两个工件进行加工，比较加工结果。

通过下述方法对工件进行抛光：

1、确定去除函数：应用上述工艺过程进行去除函数实验，从而获得去除函数，去除函数如图2所示，该去除函数直径为30mm；

2、检测面形误差分布：利用激光干涉仪检测待抛光工件的面形误差，两块工件面形误差分布数据如图3所示；

3、计算驻留时间分布：根据获取的去除函数(如图2)和待抛光试验工件的面形误差分布数据(如图3)，采用现有的驻留时间计算方法分别计算两个工件各点驻留时间分布矩阵；

4、设置采样间隔为2mm，将对应驻留时间分布矩阵积分得到加工驻留时间矩阵；

5、工件1对应加工驻留时间矩阵采用新型路径算法计算出加工路径，工件2对应加工驻留时间矩阵采用经典栅形路径加工，对应路径如图4所示；

6、根据抛光路径上各点坐标和该点的驻留时间采用现有技术方法生成数控代码控制机床进行小磨头抛光；

7、实际抛光之后的光学镜面面形如图5所示，为进一步比较二中加工方法的加工结果差别，采用功率谱密度(PSD)的分析方法进行分析，在加工前后面形上分别选择横向纵向两条直线进行功率谱密度分析，如图3和5所示，分析加工前后全频段收敛情况；

8、功率谱密度(PSD)分析结果如图6所示，其中较粗的曲线为加工前面形PSD曲线，较细的为加工后面形PSD曲线，而其对应PSD收敛率结果如图7所示，可以发现栅形路径由于其固有缺陷，横向收敛率约为96％，而纵向收敛率却跌落到89％；而本发明方法提出的新型路径不存在此类问题，横向和纵向全频段收敛率分别为96％和98％，均优于栅形路径，这说明本发明方法提出的路径规划方法具有很好的实际效果。