[發明專利]基于兩步在線檢測和補償技術的自由曲面加工方法和裝置

有效

• 申請號: 201711078560.9
• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN107824813B
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發明（設計）人: 王占山;沈正祥;余俊;王曉強
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: B23B25/06
• 分類號: B23B25/06
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 翁惠瑜

本發明涉及一種基于兩步在線檢測和補償技術的自由曲面加工方法及裝置，所述方法包括：按設計路徑對加工工件進行初始加工，獲得設計自由曲面；同步檢測所述設計自由曲面的面形誤差和旋轉方位角度；基于所述面形誤差和旋轉方位角度對所述設計路徑進行修正，獲得一次修正加工路徑；基于所述一次修正加工路徑對所述設計自由曲面進行一次補償加工，獲得一次補償自由曲面；對所述一次補償自由曲面進行過中心點的徑向檢測；基于徑向檢測數據對所述一次修正加工路徑進行修正，獲得二次修正加工路徑；基于所述二次修正加工路徑對所述一次補償自由曲面進行二次補償加工。與現有技術相比，本發明具有檢測精度高、補償精度高等優點。

技術領域

本發明屬于超精密車削加工領域，尤其是涉及一種基于兩步在線檢測和補償技術的自由曲面加工方法和裝置。

背景技術

自由曲面廣泛應用于成像與非成像系統中，可有效縮短光學系統總長和提高成像質量。自由曲面提供給設計者更多的設計自由度，因此近年來在航天、照明、和生物工程等領域上均有較大的發展。然而，由于自由曲面具有非旋轉對稱特性，其面形的高精度加工一直是國內外研究的重難點。

超精密車削加工技術采用單點金剛石車刀可直接加工出表面粗糙度為光學表面的鏡片，常用于加工各種紅外和照明系統用的自由曲面鏡片或模具，如高次非球面鏡片、離軸非球面反射鏡、菲涅爾透鏡和復眼透鏡等。近年來，基于超精密車削加工機床發展起快刀伺服和慢刀伺服加工是兩種刀具路徑規劃加工自由曲面的技術。其中，慢刀伺服加工因其具有全坐標閉環控制和振蕩軸(Z軸)范圍大的工藝特性，廣泛應用于加工大口徑和大矢高差的自由曲面。然而，超精密加工過程會受機械、環境和人為等因素的影響，增大了加工鏡片的面形誤差，最終導致光學系統整體性能的降低。在超精密加工中，人為因素的影響可控制和避免，但剩余加工誤差需要通過補償加工來修正，修正數控加工程序的補償加工方法是降低甚至消除大部分加工面形誤差的有效途徑。

鏡面面形補償加工的基石是高精度的檢測方法。商業的輪廓測試儀器和干涉儀適用于鏡片面形的離線檢測。但是，對于非旋轉對稱的自由曲面而言，鏡片離線檢測后的重新裝調具有很大的挑戰性，即需要設計高精度的裝夾工裝，在裝調方法上也具有較高的要求。而基于在線檢測和補償加工自由曲面的方法，克服了離線檢測的弊端，在該領域更具有實用性和發展前途。基于接觸式的在線檢測與補償的研究，日本東北大學于2010年研發了一種基于接觸式位移傳感器的螺旋路徑測試微小非球面系統的方法，其檢測系統重復性精度在±15nm；湖南大學于2010年研發了一種基于藍寶石微探針在線檢測的補償加工方法用于加工碳化鎢模具，補償加工三次后的面形精度在0.177μm；北京理工大學于2014年研發了一種基于觸發式探針MT60在線檢測面形的誤差補償方法，補償加工口徑400的平面鏡，其在線與離線檢測結果的偏差小于0.07μm。盡管接觸式探針可應用于在線或離線檢測，但是接觸式探針需要補償探針的半徑，對于材質較軟的表面，接觸式檢測會造成破壞性的劃痕和損傷。基于非接觸式的在線檢測與補償的研究，浙江大學于2015年研發了一種基于掃描隧道顯微鏡和多軸聯動方式在線檢測加工面形的三維微結構的方法，該方法僅適用于測試表面矢高差較小的自由曲面，未提及與測試方法相對應的補償方法；對于大口徑自由曲面的研究，華中科技大學于2014年研發一種在線檢測與誤差補償的模型用于檢測大口徑螺旋槳葉片，其激光測試系統的檢測精度在微米量級。

影響在線非接觸式檢測精度的重難點之一是測試點的精確定位，對于采用慢刀伺服法加工的較大口徑和矢高差的自由曲面，在線檢測的路徑是源于慢刀伺服加工路徑生成適用于光學探針的螺旋線檢測路徑，光學探針所在的旋轉軸速度為自適應的變速旋轉，現有的檢測方法很難實現對旋轉角度的精確定位。此外，在線非接觸式檢測對于環境要求較高，較大口徑自由曲面的在線檢測耗時較長，環境因素(如溫度、濕度等)將導致在線檢測結果存在不確定的波動，是影響檢測精確度不可忽視的重要因素，而現有的技術并沒有對由于環境因素引入的檢測誤差進行修正。

針對以上問題可知，較大口徑非旋轉對稱的自由曲面需要一種高測量和補償精確度的方法，為加工提供技術支持。

發明內容