專利名稱：可用于薄板類光學(xué)零件的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)零件的超精密切削加工領(lǐng)域，尤其涉及一種薄板類光學(xué)零件的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法。
背景技術(shù)：
能源問題已經(jīng)成為制約社會發(fā)展的瓶頸。世界各國均投入大量的人力物力致力于解決這一問題，其主要包括兩個分支節(jié)約現(xiàn)有能源和開發(fā)新能源。在航空航天領(lǐng)域中使用的光學(xué)元件，最重要的要求之一就是質(zhì)量輕，以節(jié)約能源損耗，減小發(fā)射成本。對輕質(zhì)的追求使得光學(xué)工程師設(shè)計使用了大量的薄板類光學(xué)零件。鋁合金材料由于其密度小、受熱變化均勻等特點(diǎn)在光學(xué)零件中得到了廣泛應(yīng)用。加工鋁合金類光學(xué)零件最有效的辦法是單點(diǎn)金剛石超精密切削技術(shù)。此項技術(shù)能夠直接加工出亞微米級的面形精度和納米級的表面粗 糙度，同時能夠高效地對大陡度非球面和自由曲面等復(fù)雜曲面進(jìn)行加工。在新能源開發(fā)方面，慣性約束核聚變技術(shù)是最具有轟動性的技術(shù)之一，其中用到了大量的薄板類光學(xué)零件。尤其是磷酸二氫鉀(KDP)晶體光學(xué)零件，由于其優(yōu)秀的非線性光學(xué)特性，成為了慣性約束核聚變技術(shù)中唯一可用的電光開關(guān)和倍頻元件。但是因其具有各向異性、質(zhì)軟、易潮解、脆性高、對溫度變化敏感和易開裂等不利于材料加工的特點(diǎn)，使得KDP晶體不能用傳統(tǒng)的拋光方法進(jìn)行加工。國際上通用的加工方法是單點(diǎn)金剛石飛切技術(shù)。上述兩類光學(xué)零件均具有薄板性質(zhì)，且均要求達(dá)到亞微米級的高形狀精度。加工中的裝夾變形是影響零件最終加工精度的最重要因素之一。對于這類薄板類光學(xué)零件，最有效的裝夾方式為真空吸附的方式；但是，即使較小的真空吸附力也會造成薄板類零件加工表面產(chǎn)生顯著的受力變形，從而影響精度指標(biāo)的控制。為此，研究一種薄板類光學(xué)零件的超精密切削工藝，有效避免吸附變形造成的面形誤差，對于實(shí)現(xiàn)高精度的加工具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種工藝步驟簡單、易用、成本低的可用于薄板類光學(xué)零件的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法，通過采用本發(fā)明的方法加工薄板類光學(xué)零件，可有效避免裝夾吸附力給薄板類光學(xué)零件帶來的受力變形，排除加工基準(zhǔn)面形狀和加工表面形狀的耦合，實(shí)現(xiàn)薄板類光學(xué)零件的高精度高效率的加工。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種可用于薄板類光學(xué)零件的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法，包括以下步驟
(I)檢測初始面形用離線面形檢測儀器(一般優(yōu)選波面干涉儀)檢測得到待加工工件的初始面形數(shù)據(jù)；
(2 )檢測裝夾后的在位面形將待加工工件進(jìn)行裝夾(優(yōu)選適用于吸附裝夾方式)，利用在位檢測系統(tǒng)測量裝夾后發(fā)生變形的待加工工件，得到在位檢測初始數(shù)據(jù)(利用在位檢測數(shù)據(jù)的高精度獲取方法獲得)；對在位檢測初始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(包括平滑處理、插值處理和濾波處理等步驟，均屬于常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法)，得到在位檢測面形數(shù)據(jù)；
(3)面形數(shù)據(jù)融合將上述步驟(I)中得到的初始面形數(shù)據(jù)和上述步驟(2)中得到的在位檢測面形數(shù)據(jù)進(jìn)行融合(采用融合算法)，并經(jīng)過濾波、補(bǔ)邊處理后得到補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)；
(4)切削加工將上述步驟(3)中得到的補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)生成(采用刀具路徑生成算法，刀具路徑可由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)工藝參數(shù)并利用現(xiàn)有軟件編程生成)自由曲面的刀具加工路徑，根據(jù)該刀具加工路徑并通過三軸聯(lián)動的自由曲面加工方法對待加工工件進(jìn)行加工，直至待加工工件的精度滿足要求，完成工藝過程。上述的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法中用到了在位檢測系統(tǒng)測量裝夾后發(fā)生變形的待加工工件，該在位檢測系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件包括一非接觸式位移傳感器，通過設(shè)計合理的夾具將前述非接觸式位移傳感器固定在機(jī)床上，即可實(shí)現(xiàn)其在線測量位移的功能。另外，在位檢測系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)對待加工工件的準(zhǔn)確測量，其精度必須高于加工系統(tǒng)(即加工 用的機(jī)床)，因此一般情況下，在位檢測系統(tǒng)應(yīng)該是獨(dú)立于加工機(jī)床、且比加工出的工件精度高的一個檢測平臺。上文提到本發(fā)明使用的在位檢測系統(tǒng)包括有一非接觸式位移傳感器，以采集待加工工件的面形數(shù)據(jù)；在此基礎(chǔ)上，由于本發(fā)明所要補(bǔ)償?shù)拿嫘握`差相對于機(jī)床自身的誤差一般大了 10倍以上，因此考慮到技術(shù)方案的可行性和便捷性，本發(fā)明的在位檢測系統(tǒng)實(shí)際上還包括有機(jī)床本身，以提供遍歷工件表面的運(yùn)動軌跡。換言之，本發(fā)明加工中用到的機(jī)床既是加工設(shè)備，又是檢測設(shè)備的一部分，因此本發(fā)明的在位檢測系統(tǒng)的精度由位移傳感器和機(jī)床自身的精度予以保證。上述的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法，所述待加工工件優(yōu)選適用于鋁合金材質(zhì)的薄板類光學(xué)零件或是KDP晶體薄板類光學(xué)零件。上述本發(fā)明的加工方法主要包含了在位檢測步驟和后續(xù)三軸聯(lián)動的自由曲面面形的切削工藝步驟，其基本原理是通過設(shè)置一在位檢測系統(tǒng)，并通過該系統(tǒng)高精度的非接觸式位移傳感器和機(jī)床自身精度保證在位檢測系統(tǒng)的精度，然后利用在位檢測系統(tǒng)測量得到吸附變形后的薄板類光學(xué)零件的在位檢測面形數(shù)據(jù)，結(jié)合離線測量得到的裝夾吸附前的初始面形數(shù)據(jù)，計算出吸附變形量和需要補(bǔ)償加工的面形數(shù)據(jù)，最后通過三軸聯(lián)動的自由曲面加工方法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償面形數(shù)據(jù)的加工。與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明的方法對薄板類光學(xué)零件進(jìn)行加工的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明在加工系統(tǒng)中采用了非接觸的位移傳感器，實(shí)現(xiàn)被加工工件的無損檢測；利用高精度的位移傳感器和超精密機(jī)床自身及動態(tài)伺服的精度，在位檢測系統(tǒng)簡單易用且具有小于
0.5 Pm的測量精度；通過采用在位檢測數(shù)據(jù)的高精度獲取方法，同時保持在位面形的幅值和相位信息準(zhǔn)確；通過在位檢測數(shù)據(jù)和離線檢測數(shù)據(jù)的融合算法，實(shí)現(xiàn)面形數(shù)據(jù)的填補(bǔ)和濾波；通過結(jié)合三軸聯(lián)動(超精密車床)的自由曲面面形切削的刀具路徑生成算法，得到最優(yōu)的刀具路徑，實(shí)現(xiàn)自由曲面面形的補(bǔ)償式切削加工(前述算法都屬于本領(lǐng)域中比較常規(guī)的算法)?？偟膩碚f，本發(fā)明真正實(shí)現(xiàn)了薄板類光學(xué)零件吸附變形量的檢測和確定性補(bǔ)償，加工精度只取決于在位檢測系統(tǒng)的精度和機(jī)床動態(tài)跟蹤精度，有效避免了吸附力給薄板類光學(xué)零件帶來的大變形量，排除了加工基準(zhǔn)面精度誤差對光學(xué)零件加工誤差的影響，對加工中的基準(zhǔn)面沒有嚴(yán)格的面形要求，是一種高效高精度的加工工藝方案。


圖I為本發(fā)明薄板類光學(xué)零件的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工的工藝流程圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中離線檢測得到的初始面形數(shù)據(jù)圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中在位檢測系統(tǒng)測得的初始數(shù)據(jù)，其中左圖為初始數(shù)據(jù)圖，右圖為左圖在框選處的局部放大圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例中圖3所示初始數(shù)據(jù)經(jīng)處理得到插值后的在位檢測面形數(shù)據(jù)圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例中圖2、圖4所示面形數(shù)據(jù)經(jīng)融合處理后得到的補(bǔ)償加工面形
數(shù)據(jù)圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例中圖5所示面型數(shù)據(jù)經(jīng)濾波和補(bǔ)邊后的補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)結(jié)果。圖7為本發(fā)明實(shí)施例中所需補(bǔ)償?shù)淖杂汕婷嫘蔚牡毒呒庸ぢ窂綀D。圖8為本發(fā)明實(shí)施例中工件加工完成后離線檢測得到的面形數(shù)據(jù)圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例
待加工的光學(xué)元件為直徑270mm、厚度IOmm的圓形KDP晶體薄板類工件，對該工件進(jìn)行反射面形加工，如圖I所示，具體包括以下步驟
1.用離線面形檢測儀器檢測得到待加工工件的初始面形數(shù)據(jù)，本實(shí)施例中是采用Zygo波面干涉儀對待加工工件先進(jìn)行初始面形數(shù)據(jù)的檢測，測得的結(jié)果如圖2所示，PV=8. 6 入(入=632. 8nm)；
2.將待加工工件吸附安裝在專用吸盤上，用搭建好的在位檢測系統(tǒng)對吸附后的在位面形進(jìn)行檢測，得到在位檢測初始數(shù)據(jù)如圖3所示；對圖3所示的在位檢測初始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，插補(bǔ)后得到如圖4所示的三維在位檢測面形數(shù)據(jù)；
3.將本實(shí)施例上述步驟I和步驟2分別得到的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到如圖5所示的補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)；
4.對上述步驟3中得到的面形數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和補(bǔ)邊，得到如圖6所示的補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)；
5.將上述步驟4中的補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)生成如圖7所示的自由曲面的刀具加工路徑，并根據(jù)該刀具加工路徑進(jìn)行加工；
6.加工完成后對工件進(jìn)行離線檢測，得到的結(jié)果如圖8所示，PV=2.I入。由上可見，經(jīng)過一次補(bǔ)償加工，工件的面形精度PV值從8. 573入(A =632. 8nm)減小到了 2. 189入，RMS值從I. 781入減小到了 0. 490X，面形的收斂速率達(dá)到了 75%。而根據(jù)圖5所示的補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)(即吸附變形數(shù)據(jù))可以看到，如果按照普通的平面車削的方法進(jìn)行加工，面形精度幾乎不收斂，結(jié)果驗證了本文補(bǔ)償工藝方法的高效性。另外，對于鋁合金材質(zhì)的薄板類工件的補(bǔ)償加工處理方法與上述KAP晶體完全相同，可參照上述實(shí)施例的加工步驟進(jìn)行加工處理。
權(quán)利要求
1.一種可用于薄板類光學(xué)零件的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法，包括以下步驟 (1)檢測初始面形用離線面形檢測儀器檢測得到待加工工件的初始面形數(shù)據(jù)； (2)檢測裝夾后的在位面形將待加工工件進(jìn)行裝夾，利用在位檢測系統(tǒng)測量裝夾后發(fā)生變形的待加工工件，得到在位檢測初始數(shù)據(jù)；對在位檢測初始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到在位檢測面形數(shù)據(jù)； (3)面形數(shù)據(jù)融合將上述步驟(I)中得到的初始面形數(shù)據(jù)和上述步驟(2)中得到的在位檢測面形數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并經(jīng)過濾波、補(bǔ)邊處理后得到補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)； (4)切削加工將上述步驟(3)中得到的補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)生成自由曲面的刀具加工路徑，根據(jù)該刀具加工路徑并通過三軸聯(lián)動的自由曲面加工方法對待加工工件進(jìn)行加工，直至待加工工件的精度滿足要求，完成工藝過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法，其特征在于所述待加工工件為鋁合金材質(zhì)的薄板類光學(xué)零件或是KDP晶體薄板類光學(xué)零件。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法，其特征在于所述步驟(2)中的裝夾方式為吸附裝夾。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法，其特征在于所述離線面形檢測儀器為波面干涉儀。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可用于薄板類光學(xué)零件的單點(diǎn)金剛石補(bǔ)償式切削加工方法，包括以下步驟用離線面形檢測儀器檢測得到待加工工件的初始面形數(shù)據(jù)；將待加工工件進(jìn)行裝夾，利用在位檢測系統(tǒng)測量裝夾后的待加工工件，得到在位檢測初始數(shù)據(jù)；對在位檢測初始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到在位檢測面形數(shù)據(jù)；將得到的初始面形數(shù)據(jù)和在位檢測面形數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并經(jīng)過濾波、補(bǔ)邊處理后得到補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)；將補(bǔ)償加工面形數(shù)據(jù)生成自由曲面的刀具加工路徑，根據(jù)該刀具加工路徑并通過三軸聯(lián)動的自由曲面加工方法對待加工工件進(jìn)行加工，直至待加工工件的精度滿足要求，完成工藝過程。本發(fā)明的工藝具有步驟簡單、易用、成本低、加工精度和效率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B23Q17/20GK102744424SQ20121026580
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月30日
發(fā)明者關(guān)朝亮, 尹自強(qiáng), 彭小強(qiáng), 戴一帆, 鐵貴鵬 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)