[發明專利]非球面光學元件加工機床導軌形狀誤差的確定性補償方法

有效

• 申請號: 202110632150.4
• 申請日: 2021-06-07
• 公開（公告）號: CN113275977B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 周煉;鄭楠;樊非;李潔;韋前才;陳賢華;張清華;王健;許喬
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: B24B13/00
• 分類號: B24B13/00;B24B49/12;B24B51/00;G01B11/24;G05B19/404
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 符繼超

本發明公開了非球面光學元件加工機床導軌形狀誤差的確定性補償方法，包括以下步驟：仿真分析機床導軌受力變形；實測導軌形狀誤差；計算加工工況下導軌形狀誤差分布；根據非球面方程，獲取非球面光學元件表面各點坐標，結合非球面平行磨削砂輪運動控制點坐標傳遞函數模型，獲取磨削過程中砂輪運動控制點陣坐標；疊加導軌形狀誤差，得到具有誤差修正的砂輪運動控制點陣坐標；按照修正后的砂輪運動控制點坐標形成的加工軌跡進行磨削加工，實現導軌形狀誤差的確定性控制。本發明可以實現非球面成形加工過程中對機床導軌形狀誤差的確定性補償控制，消除導軌形狀誤差與磨削力引起導軌變形而對元件最終加工精度的影響，提高元件的成形加工精度。

技術領域

本發明涉及非球面光學元件超精密加工技術領域，更具體的說是涉及非球面光學元件加工機床導軌形狀誤差的確定性補償方法。

背景技術

非球面光學元件能夠消除球面元件在光束傳遞過程中產生的球差、慧差、像差等不利影響，在光束聚焦時能減少光能損失，提高聚焦和校準精度，在現代大型光學系統中獲得了廣泛的應用。非球面表面各點的矢高和曲率半徑不相同，采用精密磨削加工的方法，實現非球面光學元件的精密成形，具有材料去除速率快、便于實現自動化等優點，目前已被國內外多項大型光學系統作為非球面光學元件制造的主工藝使用。超精密磨削加工利用高精度、高剛度的超精密磨床，金剛石砂輪在數控系統的精確控制下，按照理論的非球面軌跡進行運行，實現材料的去除，基于運動復印原理獲得被加工表面。因此，加工過程中，金剛石砂輪和元件之間的相對位置關系的精確程度，直接影響了元件最終的加工誤差。機床直線軸的位置誤差和導軌形狀誤差，是影響砂輪和元件之間相對位置關系的直接因素。直線軸位置誤差可以通過光柵尺精確實時測量運動位置，并進行在線誤差補償，實現高精度、確定性控制。但制約最終加工精度的導軌形狀誤差，無法實現確定性補償控制。

中國專利CN108803497A公開了一種導軌誤差運動部件位姿誤差映射模型的建模方法，通過建立滾動體與導軌滾道面和滑塊滾道面的彈性接觸模型、單滑塊的誤差傳遞函數模型、運動部件位姿誤差與導軌誤差的映射模型，給出均化系數的定義方法。該發明明確滾動導軌副的誤差均化機理，確定具體的誤差均化比例，在機床正向設計中定量的指導公差分配，降低生產制造成本，有效的控制裝配誤差，提高裝配成功率。中國專利CN104217080A公開了一種滾動直線進給系統運動誤差預測模型建立及預測方法，先根據導軌型號分析滾道和滾珠接觸狀態以及滑塊的結構，依據Hertz理論分析滾珠受力與變形之間的關系，構建滾珠的等效非線性彈簧；依據滑塊和直線進給系統結構，在有限元分析軟件ANSYS中構建有限元模型，完成預測模型建模；實測直線進給系統導軌的水平和豎直方向直線度誤差，擬合實測誤差，構造誤差曲線；將得到的誤差曲線代入預測模型中；施加載荷，模擬直線進給系統的自重和受載；通過有限元分析軟件ANSYS求解完成直線進給系統五項運動誤差的預測。中國專利CN105653842A針對直線滾動導軌作為承載與導向機構的機床進給系統，考慮導軌精度與剛度在外力作用下對進給系統精度的耦合影響，提出一種進給系統力變形誤差的建模方法。首先通過等效負載法對導軌接觸剛度進行估算，其次建立以滑塊作為支撐的工作臺受力平衡方程，再次根據工作臺的剛性假設確定各滑塊幾何變形關系，根據變形與力之間的物理關系列補充方程，最后聯立求解進給系統的力變形誤差，該發明彌補了導軌精度與剛度在外力作用下對進給系統精度的耦合影響的空白，對研究機床力誤差有良好的應用前景。

綜合上述內容可以看出已公開的專利主要針對于機床直線導軌運動誤差的建模、預測，以及受力情況下的變形分析。針對大口徑非球面光學元件超精密成形加工過程中對元件形狀誤差高精度控制的需求，暫無公開的超精密磨削機床導軌形狀誤差的控制方法。

因此，如何提供一種能有效提高元件的成形加工精度的非球面光學元件加工機床導軌形狀誤差的確定性補償方法是本領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種非球面光學元件加工機床導軌形狀誤差的確定性補償方法，可以實現非球面成形加工過程中對機床導軌形狀誤差的確定性補償控制，消除導軌形狀誤差與磨削力引起導軌變形而對元件最終加工精度的影響，提高元件的成形加工精度。