CN103213068B - 超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法 - Google Patents

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超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法，本发明涉及一种针对气囊抛光技术获取工件边缘去除函数的测量方法。本发明是要解决目前方法无法通过实验测量或仿真的方法获得气囊抛光工件边缘区域去除函数的问题，而提供了超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法。一、对工件进行加工与测量；二、二维与三维测量数据的缝接。本发明应用于边缘去除函数领域。

Description

超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法
技术领域
本发明涉及一种针对气囊抛光技术获取工件边缘去除函数的测量方法。
背景技术
“边缘效应”被视为当前大口径非球面抛光过程中的技术难点，产生的原因是抛光工具对工件边缘的非连续局部作用，导致工件边缘区域的精度急剧下降，典型的现象是“塌边”，一旦出现“塌边”，整个加工过程就要从头开始，甚至被放弃。“边缘效应”是大多数计算机控制抛光技术难以避免的问题，严重制约了加工精度和效率。由于气囊抛光技术中抛光工具为柔性的充气气囊，机械结构复杂，抛光过程中的“边缘效应”更为显著。工件边缘精度控制是气囊抛光大口径非球面的重要关键技术，而获取气囊抛光工具在工件边缘的去除函数是进行边缘精度控制的关键。当高速旋转的抛光气囊伸出工件边界时，工件边缘区域的材料去除量会极度增大，这样的陡度会超出干涉仪的测量能力，因此无法通过干涉仪测得完整的三维去除函数。
实验表明，利用直径80mm的抛光气囊、20mm的去除函数，约有5mm的边缘区域无法获得干涉条纹。
工件边缘区域的去除函数可以根据Preston方程进行仿真获得，Preston方程对抛光过程材料去除特性的描述如下：
dz/dt＝k·v·p
k为比例常数，它与被抛光材料、抛光膜层材料、抛光粉种类、抛光液浓度、PH值以及抛光温度有关，v为工件表面某一点的瞬时抛光速度，p为抛光压力，v和p都是关于位置坐标(x，y)和时间t的函数。根据抛光过程去除函数的定义：定点抛光时单位时间内抛光工具对工件的材料去除量分布，因此去除函数可以根据下式仿真得到：
R ( x , y ) = 1 T ∫ 0 T k · p ( x , y ) · v ( x , y )
其中T为去除函数的测试周期，v(x，y))是抛光区域的速度分布，p(x，y)是抛光区域的压强分布。
一般来讲，抛光区域的速度分布可以通过分析抛光工具的空间运动关系直接计算得到。但计算抛光区域的压强分布十分困难，而准确获得工件边缘区域的压强分布就更加复杂。根据目前可检索的文献，国内外普遍通过建立工件边缘区域压强分布的数学模型进行仿真，这些方法都存在一定的局限性，其中典型的是工件和抛光工具接触区的压强分布线性模型，在分析过程中工件某些部位会出现负值压强，因此无法准确仿真边缘区域的去除函数。而对于结构复杂的气囊抛光工具，如何建立准确的数学模型来计算工件边缘区域的压强分布尚未见报道。
发明内容
本发明是要解决目前方法无法通过实验测量或仿真的方法获得气囊抛光工件边缘区域去除函数的问题，而提供了超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法。
超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法按以下步骤实现：
一、对工件进行加工与测量
(1)在工件边缘定点抛光，生成工件边缘去除函数；
(2)利用干涉仪对工件边缘去除函数进行测量，得到三维测量数据；
(3)利用轮廓仪对工件边缘去除函数进行横向扫描测量，得到工件边界上的材料去除深度；
二、二维与三维测量数据的缝接
(1)通过对步骤一(3)中工件边界上的材料去除深度进行差值运算，得到工件边界上的材料去除深度分布曲线；
(2)通过对步骤一(2)中的三维测量数据与步骤二中(1)中工件边界上的材料去除分布曲线的数据进行差值运算，实现工件边缘去除函数丢失数据的恢复，获得完整的工件边缘的材料去除函数，即完成了超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法。
本发明的有益效果
本发明避免了为获取气囊抛光工件边缘区域去除函数而计算工件边缘区域压强分布的复杂过程。本发明能通过干涉仪与轮廓仪的测量数据快速获得工件边缘区域的去除函数。在三维与二维数据的缝接过程中避免了“去倾斜”等数据处理，该方法操作简单、精度高。这种获取边缘区域去除函数的方法同样适合于其它抛光技术。
附图说明
图1为具体实施方式一中工件边界上的材料去除深度分布曲线；其中，为工件边界上的二维测量点，为通过二维测量点差值得到的去除函数边界，l为干涉仪测量三维数据丢失的宽度，A为工件边界上去除深度分布曲线，XY为测量去除函数的坐标系；
图2为具体实施方式二中利用干涉仪的测量数据与边界点的数据获得完整三维边缘去除函数的示意图，其中，a为通过干涉仪三维数据与边界数据差值得到的数据点；
图3是图2中a在坐标系XZ中的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法按以下步骤实现：
一、对工件进行加工与测量
(1)在工件边缘定点抛光，生成工件边缘去除函数；
(2)利用干涉仪对工件边缘去除函数进行测量，得到三维测量数据；
(3)利用轮廓仪对工件边缘去除函数进行横向扫描测量，得到工件边界上的材料去除深度；
二、二维与三维测量数据的缝接
(1)通过对步骤一(3)中工件边界上的材料去除深度进行差值运算，得到工件边界上的材料去除深度分布曲线；
(2)通过对步骤一(2)中的三维测量数据与步骤二中(1)中工件边界上的材料去除分布曲线的数据进行差值运算，实现工件边缘去除函数丢失数据的恢复，获得完整的工件边缘的材料去除函数，即完成了超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法。
本实施方式中，干涉仪为通用商业激光干涉仪，购买自美国ZYGO公司，型号为GPITMXP激光干涉仪；轮廓仪为通用商业表面轮廓仪，购买自英国Taylor Hobson公司的GPIl200表面轮廓仪；
所述步骤一(2)中部分工件边界区域的数据由于其陡度超过了干涉仪的测量范围而无法获得干涉条纹，但可通过干涉仪软件中的Calibration(标度)功能测得工件边界处数据丢失的宽度，这里设为l；
所述步骤一(3)中利用轮廓仪获得工件边界上的材料去除深度值，如图1所示，边界点的扫描个数由去除函数的尺寸决定，为了差值准确，扫描点的间隔需要小于去除函数边界长度的四分之一；
所述步骤二(1)中工件边界上的材料去除深度分布曲线如图1中所示A；
所述步骤二(2)中通过差值恢复的去除函数的数据点如图2中所示a，XZ坐标系下所示完整的去除函数示意图如图3所示。
本实施方式的有益效果：
本实施方式避免了为获取气囊抛光工件边缘区域去除函数而计算工件边缘区域压强分布的复杂过程。本发明能通过干涉仪与轮廓仪的测量数据快速获得工件边缘区域的去除函数。在三维与二维数据的缝接过程中避免了“去倾斜”等数据处理，该方法操作简单、精度高。这种获取边缘区域去除函数的方法同样适合于其它抛光技术。

Claims (3)

1.超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法，其特征在于超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法按以下步骤实现：
一、对工件进行加工与测量
(1)在工件边缘定点抛光，生成工件边缘去除函数；
(2)利用干涉仪对工件边缘去除函数进行测量，得到三维测量数据；
(3)利用轮廓仪对工件边缘去除函数进行横向扫描测量，得到工件边界上的材料去除深度，即二维测量数据；
二、二维与三维测量数据的缝接
(1)通过对步骤一(3)中工件边界上的材料去除深度进行差值运算，得到工件边界上的材料去除深度分布曲线；
(2)通过对步骤一(2)中的三维测量数据与步骤二(1)中工件边界上的材料去除深度分布曲线的数据进行差值运算，实现工件边缘去除函数丢失数据的恢复，获得完整的工件边缘的材料去除函数，即完成了超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法。
2.根据权利要求1所述的超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法，其特征在于步骤一(2)中所述干涉仪为Zygo、Wygo或4D激光干涉仪。
3.根据权利要求1所述的超精密气囊抛光技术中工件边缘去除函数的测量方法，其特征在于步骤一(3)中所述轮廓仪为Form Talysurf通用轮廓仪。
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