CN105965349A - 大口径离轴非球面镜精密磨削系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径离轴非球面镜的自动化精密磨削加工系统，可以根据加工工艺参数和非球面参数输入，自动计算并生成非球面磨削数控程序，并进行面形误差的在位补偿。大口径离轴非球面镜精密磨削系统，包括砂轮形状精度测量子系统、非球面初始磨削加工子系统、非球面面形在位检测子系统、非球面补偿磨削加工子系统。本发明实现非球面初始加工、面形在位检测、补偿加工的数控程序自动生成，并且自动计算与分析金刚石砂轮圆弧半径、圆弧度误差、中心误差等参数，与传统研磨加工相比，单件大口径离轴非球面元件整体加工效率提升8‑10倍，实现了大口径离轴非球面镜的高效自动化超精密磨削加工。

Description

大口径离轴非球面镜精密磨削系统

技术领域

本发明涉及光学元件精密加工领域，特别是涉及一种大口径离轴非球面光学元件超精密成型磨削加工的计算机辅助制造(CAM)系统。

背景技术

随着激光技术的不断发展，大口径高功率激光驱动器作为激光技术的一个重要分支，在惯性约束核聚变方面有着重要的应用，如美国的NIF装置。作为世界上最大的光学工程，在大口径光学元件数量、质量方面，高功率激光驱动器所提出的要求比迄今为止任何光学系统都高出许多。离轴非球面镜是高功率激光驱动器终端光学组件的重要元器件之一，其作用是将前端输入的大口径混频激光分别聚焦，三倍频光汇聚为数十微米的光斑并至靶点，基频和二倍频光折射分离后用于诊断物理实验。而超精密磨削加工，是高效高精度获得批量非球面聚焦透镜的重要手段。

基于X/Y/Z三直线轴数控磨床，采用圆弧金刚石砂轮作为加工刀具，在数控三轴联动控制下，可实现离轴非球面镜的超精密磨削加工。离轴非球面表面各点的矢高不一致，每点的曲率半径也不相同，因此采用传统的G代码进行插补运动控制难以实现非球面廓形的运动；此外，光学加工精度要求极高，由于存在机床自身的定位误差、环境温度波动等影响，使用成型磨床一次加工很难得到理想面形精度的光学表面，需要借助于在位误差补偿技术实现面形精度的进一步收敛。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大口径离轴非球面镜的自动化精密磨削加工系统，可以根据加工工艺参数和非球面参数输入，自动计算并生成非球面磨削数控程序，并进行面形误差的在位补偿。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：大口径离轴非球面镜精密磨削系统，包括砂轮形状精度测量子系统、非球面初始磨削加工子系统、非球面面形在位检测子系统、非球面补偿磨削加工子系统。

进一步的，所述砂轮形状精度测量子系统包括检测程序输出模块和检测数据分析模块，用于离轴非球面超精密磨削加工圆弧金刚石砂轮形状精度的测量与分析，读取位移传感器采集到的砂轮表面形貌数据，自动对数据进行圆弧拟合分析，得到圆弧半径、圆弧度误差、圆弧圆心偏差信息。

进一步的，所述非球面初始磨削加工子系统包括点阵计算仿真模块和加工程序输出模块，用于非球面初始磨削加工数控程序的自动化生成。

进一步的，所述点阵计算仿真模块根据用户输入的加工信息和元件信息，计算非球面表面点和砂轮运动控制点三维坐标，并模拟仿真加工过程中砂轮的运动轨迹。

进一步的，所述加工程序输出模块将加工信息、元件信息、点阵坐标进行打包为加工记录文件，并保存至计算机，并根据规划的光栅式加工路径，将砂轮运动控制点离散化，并按照相应数控系统的格式，输出CNC程序代码，传输至超精密磨削机床执行。

进一步的，所述非球面面形在位检测子系统包括检测程序输出模块和检测面形分析模块，用于非球面面形在位检测与分析，最终得到非球面表面三维面形误差数据。

进一步的，所述检测程序输出模块根据用户输入的检测信息与元件信息，计算得到非球面表面点阵三维坐标，根据在位检测规划的光栅式路径，将点阵离散化，并按照相应数控系统的格式，输出CNC程序代码，传输至超精密磨削机床执行。

进一步的，所述检测面形分析模块读取传感器得到的二维位移数据，进行滤波、插值等处理，最终得到非球面表面的三维面形结果，并将面形结果保存至计算机。

进一步的，所述非球面补偿磨削加工子系统分别读取初始磨削加工的记录文件与面形误差数据后，将初始磨削的砂轮运动控制点阵坐标与面形误差数据叠加，得到补偿磨削加工砂轮运动控制点坐标，并将点阵离散化，并按照相应数控系统的格式，输出CNC程序代码，传输至超精密磨削机床，进行补偿磨削加工。

本发明的有益效果是：实现非球面初始加工、面形在位检测、补偿加工的数控程序自动生成，并且自动计算与分析金刚石砂轮圆弧半径、圆弧度误差、中心误差等参数；解决了砂轮形状精度检测、非球面磨削加工数控程序自动化生成、非球面面形在位测量、非球面面形误差在位补偿加工等关键技术难题；在实际操作中，明显地降低了非球面元件超精密磨削加工对操作人员技能水平的依赖；采用本发明系统加工400mm口径离轴非球面镜，普通操作人员操作时间不超过10min，加工后非球面元件面形精度P-V值可稳定控制在5μm范围内，表面粗糙度RMS值约为10nm，与传统研磨加工相比，单件大口径离轴非球面元件整体加工效率提升8-10倍，实现了大口径离轴非球面镜的高效自动化超精密磨削加工。

附图说明

图1是本发明的砂轮形状精度测量子系统的操作界面。

图2是本发明的非球面初始磨削加工子系统的操作界面。

图3是本发明的点阵计算仿真模块对运动轨迹进行仿真的操作界面。

图4是本发明的非球面面形在位检测子系统的操作界面。

图5是本发明的非球面补偿磨削加工子系统的操作界面。

图6是本发明的控制框图。

图7是本发明的工作框图。

具体实施方式

本发明系统包括四个子系统：砂轮形状精度测量子系统；非球面初始磨削加工子系统；非球面面形在位检测子系统；非球面补偿磨削加工子系统。

砂轮形状精度测量子系统包括：检测程序输出模块和检测数据分析模块。分别对砂轮不同相位的磨削表面圆弧形貌进行检测，并得到表面形貌位移数据。图1是砂轮形状精度测量子系统的操作界面，用户读取位移数据后，软件提取出不同相位处的圆弧原始轮廓f_i，自动对原始轮廓数据进行圆弧拟合，得到不同相位处的圆弧半径R_i、圆心坐标(Z_i，Y_i)，并进行平均处理后，得到砂轮的综合圆弧半径值R_ave和综合圆心坐标(Z_ave，Y_ave)，拟合得到综合圆弧轮廓f_ave。将各圆弧段的原始轮廓f_i减去综合圆弧轮廓f_ave得到圆弧度误差曲线并显示于GUI界面。将不同相位处的圆弧的圆心坐标(Z_i，Y_i)与综合圆心坐标(Z_ave，Y_ave)显示于操作界面，得到圆弧中心位置误差分布图，如图6所示。

非球面初始磨削加工子系统包括：参数信息输入模块、点阵计算仿真模块和加工程序输出模块，其操作界面如图2所示。用户根据工艺输入加工尺寸、加工步数、加工速度等信息，根据图纸要求输入非球面顶点曲率半径、圆锥系数、非球面系数、离轴距离等信息，确认后，参数信息输入模块将所有输入内容传输至计算机。由于非球面参数项目较多，数据复杂，为便于后续同类元件的加工，可以将非球面参数打包保存至计算机，以后直接打开相应的文件即可快速输入元件信息。点阵计算仿真模块根据内存中的参数信息，按照非球面的定义公式(1)，计算得到非球面表面的点阵三维坐标值(X,Z,Y)，再根据公式(2)，计算得到砂轮运动控制点的三维坐标值(Xo,Zo,Yo)。根据规划的光栅式加工轨迹，将砂轮运动控制点阵(Xo,Zo,Yo)进行离散化，得到一系列点的三维坐标值。为验证砂轮加工轨迹的正确性，防止干涉和碰撞的发生，点阵计算仿真模块对元件表面形貌、砂轮运动控制点的运动轨迹进行仿真，直观显示在实际磨削时砂轮运动轨迹与所加工的元件表面点位置，其操作界面如图3所示。加工程序输出模块根据数控系统类型(SIEMENS或FUNUC)，对离散化的砂轮运动控制点三维坐标，按照相应格式输出为数控代码文件至磨床数控系统内存中，如图6所示。

$Y(X,Z)=\frac{c(X^2+Z^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2(X^2+Z^2)}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i{(X^2+Z^2)}^i---\left(1\right)$

$\left.\begin{array}{c}Xo=X-R_a\×\frac{f_x^{\′}(X,Z)}{\sqrt{{\[f_x^{\′}(X,Z)\]}^2+{\[f_z^{\′}(X,Z)\]}^2+1}}-R_w\×\frac{f_x^{\′}(X,Z)}{\sqrt{{\[f_x^{\′}(X,Z)\]}^2+1}}\\ Zo=Z-R_a\×\frac{f_z^{\′}(X,Z)}{\sqrt{{\[f_x^{\′}(X,Z)\]}^2+{\[f_z^{\′}(X,Z)\]}^2+1}}\\ Yo=Y+R_a\×\frac{1}{\sqrt{{\[f_x^{\′}(X,Z)\]}^2+{\[f_z^{\′}(X,Z)\]}^2+1}}+R_w\×\frac{1}{\sqrt{{\[f_x^{\′}(X,Z)\]}^2+1}}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

所述非球面面形在位检测子系统包括：检测信息输入模块、检测程序输出模块和检测面形分析模块，其操作界面如图4所示。用户根据工艺输入测量范围、测量步数、测量速度等参数，根据元件图纸输入非球面参数或直接读取已保存的元件信息，确认后检测信息输入模块将所有输入的参数传输至计算机。检测程序输出模块根据用户输入的信息，计算非球面表面点阵数据，根据检测对点的路径规划，将点阵数据离散化，并输出为相应数控系统的CNC程序代码，用于建立检测坐标系；根据在位检测的路径规划，将点阵数据离散化后输出为非球面在位检测CNC程序代码。运行非球面检测程序的同时，记录保存传感器获得的位移数据，检测面形分析模块读取位移数据后，进行均值平滑滤波、三次样条插值拟合、最小二乘法去倾斜、网格细化以及两个方向的三维数据叠加取平均，最终得到检测的面形结果，并将面形结果保存，如图6所示。

所述非球面补偿磨削加工子系统包括：记录面形输入模块、点阵计算模块和加工程序输出模块，其操作界面如图5所示。为快速进行程序生成，用户直接读取初始加工时保存的加工记录和面形在位检测过程中保存的面形数据，记录面形输入模块将所有数据传输至计算机后，点阵计算模块将面形数据进行插值拟合整形，使其与初始加工砂轮运动控制点阵的数据格式一致，引入补偿系数对原始面形误差进行修正后，与初始加工砂轮运动控制点阵叠加，得到补偿加工砂轮运动控制点阵。加工程序输出模块按照规划的光栅式加工路径将补偿加工砂轮运动控制点阵离散化，并输出对应数控系统的CNC程序代码，传输至磨削数控系统内存，如图6所示。

如图6所示，具体来说，本发明的大口径离轴非球面镜超精密磨削系统的操作方法为：

1)对安装在机床上的圆弧砂轮形状精度进行检测，选择测量模式，输入测量信息，读取测量数据后，系统对原始位移数据进行圆弧拟合，得到圆弧半径值、圆弧度误差、圆弧中心误差等参数；

2)用户根据元件尺寸及加工工艺文件，输入加工工艺参数：加工尺寸、加工步数、加工速度、每刀磨削量、砂轮半径、砂轮转速、操作者、元件编号、数控系统类别等，对输入的信息进行确认；

3)用户根据图纸要求，输入非球面参数：顶点曲率半径、圆锥系数、非球面系数、斜面角度、离轴距离、中心厚度，并对输入信息进行确认；由于非球面参数一般比较复杂，为便于后续加工同类元件时的操作，用户可以将非球面参数保存至电脑硬盘，下一次操作时直接读取元件信息即可；

4)点击“计算”按钮，对非球面表面点阵坐标、砂轮运动控制点阵坐标进行计算，并对砂轮磨削运动进行仿真；

5)点击“保存记录”按钮，对加工信息、元件信息等保存至电脑硬盘，便于后期查阅；

6)点击“生成子程序”按钮，系统将按照对应数控系统的代码格式，生成机床可直接执行的数控程序并传输至数控系统；点击“生成主程序”，系统按照对应数控系统的代码格式生成数控程序并传输至机床数控系统；

7)运行数控程序，进行非球面磨削加工；

8)进行非球面在位检测，输入相应的测量信息，输入或读取元件信息，生成对点程序并传输至数控系统，运行程序，建立面形测量系统位移传感器与元件直角的空间位置关系；

9)生成检测程序传输至数控系统，运行程序，同时记录传感器的位移数据并保存；

10)读取位移数据，系统对位移数据进行滤波、插值等处理，最终得到三维面形数据，并保存面形误差数据；

11)当面形误差较大时，进行补偿加工，分别读取初始加工时的加工记录和面形误差数据，对补偿加工砂轮运动控制点阵进行计算后，生成补偿磨削加工数控程序并进行元件加工。

工作时，运行大口径离轴非球面镜超精密磨削系统，由用户输入相应的工艺参数后，输出非球面磨削加工CNC数控程序和非球面在位检测CNC数控程序，超精密磨床运行加工CNC数控程序，得到离轴非球面光学元件，在运行检测CNC数控程序的同时，位移传感器检测非球面表面形貌并获取位移数据，由大口径离轴非球面镜超精密磨削系统读取位移数据后进行分析，得到三维面形误差数据，完成离轴非球面镜的磨削加工和在位检测，如图7所示。

Claims (9)

1.大口径离轴非球面镜精密磨削系统，其特征在于，包括砂轮形状精度测量子系统、非球面初始磨削加工子系统、非球面面形在位检测子系统和非球面补偿磨削加工子系统。

2.如权利要求1所述的大口径离轴非球面镜精密磨削系统，其特征在于，所述砂轮形状精度测量子系统包括检测程序输出模块和检测数据分析模块，用于离轴非球面超精密磨削加工圆弧金刚石砂轮形状精度的测量与分析，读取位移传感器采集到的砂轮表面形貌数据，自动对数据进行圆弧拟合分析，得到圆弧半径、圆弧度误差、圆弧圆心偏差信息。

3.如权利要求1所述的大口径离轴非球面镜精密磨削系统，其特征在于，所述非球面初始磨削加工子系统包括点阵计算仿真模块和加工程序输出模块，用于非球面初始磨削加工数控程序的自动化生成。

4.如权利要求3所述的大口径离轴非球面镜精密磨削系统，其特征在于，所述点阵计算仿真模块根据用户输入的加工信息和元件信息，计算非球面表面点和砂轮运动控制点三维坐标，并模拟仿真加工过程中砂轮的运动轨迹。

5.如权利要求3所述的大口径离轴非球面镜精密磨削系统，其特征在于，所述加工程序输出模块将加工信息、元件信息、点阵坐标进行打包为加工记录文件，并保存至计算机，并根据规划的光栅式加工路径，将砂轮运动控制点离散化，并按照相应数控系统的格式，输出CNC程序代码，传输至超精密磨削机床执行。

6.如权利要求1所述的大口径离轴非球面镜精密磨削系统，其特征在于，所述非球面面形在位检测子系统包括检测程序输出模块和检测面形分析模块，用于非球面面形在位检测与分析，得到非球面表面三维面形误差数据。

7.如权利要求6所述的大口径离轴非球面镜精密磨削系统，其特征在于，所述检测程序输出模块根据用户输入的检测信息与元件信息，计算得到非球面表面点阵三维坐标，根据在位检测规划的光栅式路径，将点阵离散化，并按照相应数控系统的格式，输出CNC程序代码，传输至超精密磨削机床执行。

8.如权利要求6所述的大口径离轴非球面镜精密磨削系统，其特征在于，所述检测面形分析模块读取传感器得到的二维位移数据，进行滤波、插值等处理，得到非球面表面的三维面形结果。

9.如权利要求1所述的大口径离轴非球面镜精密磨削系统，其特征在于，所述非球面补偿磨削加工子系统读取初始磨削加工的记录文件与面形误差数据后，将初始磨削的砂轮运动控制点阵坐标与面形误差数据叠加，得到补偿磨削加工砂轮运动控制点坐标，并将点阵离散化，并按照相应数控系统的格式，输出CNC程序代码，传输至超精密磨削机床，进行补偿磨削加工。