CN108255129B - 一种工件抛光检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工件抛光检测方法。该方法的装置由支架、抛光头、气缸、测头、安装板和激光测距仪组成。该方法将测头固定连接在气缸活塞的下端，气缸运动到下限位时，测头接触式测量工件表面，获取位姿数据，采用最小二乘法计算得到理论工件坐标系与机床坐标系间的变换矩阵，免去装调工件位姿的工序；激光测距仪位于抛光头Z向正下方，激光测距仪连续扫描工件表面获取等法向间距的抛光轨迹，校核工件位姿免装调时坐标系转换的正确性、校核等法向间距抛光数控程序的正确性、验证抛光数控程序与机床伺服性能的匹配性。该方法节省了抛光工艺辅助时间，保证了抛光工艺过程等法向间距抛光，提高了抛光去除的可靠性、抛光质量的可控性和抛光工艺效率。

Description

一种工件抛光检测方法
技术领域
本发明属于超精密光学元件抛光技术领域，具体涉及一种工件抛光检测方法。
背景技术
磁流变抛光技术利用抛光去除函数的高稳定性，实现对光学元件的精确微量去除，具有加工确定性高、收敛效率稳定、边缘效应可控、亚表面破坏层小以及加工大径厚比的光学镜面不存在复印效应，能很好满足天文光学、强激光等领域光学元件的超精密加工要求。对于磁流变抛光大口径光学元件、尤其是大口径非球面等复杂型面高面形精度的光学元件，工程实践中依靠人工手动方式对抛光元件找正、调姿，辅助工艺时间长、且装夹精度影响抛光质量和抛光收敛效率；精抛元件面形时，由于抛光去除量的较大差异引起不同位置驻留时间的差异，机床伺服运动要求较大的速度、加速度，抛光NC程序与实际机床伺服性能不匹配，抛光工艺过程较大的动态轮廓误差导致抛光去除特性不稳定，产生较大的加工误差、影响抛光质量和收敛效率。中国专利文献库公开的苏州椒图电子有限公司的名称为“一种曲面轮廓测量方法”（CN 105823411 A）的专利申请，将矩阵电路贴附在待测曲面上，通过侦测矩阵电路上相邻两电场通道间的距离值，计算原待测曲面的形状，该方法测量精度和分辨率受限于矩阵电路的电场通道、没有建立待测曲面与放置点间的基准，无法用于抛光工艺的在位调姿和抛光轨迹校核。中国专利文献库公开的大连理工大学的名称为“随动与轮廓误差在线协同补偿方法”（CN201610626499.6 A）的专利申请，基于高精度轮廓误差适量估计轮廓误差并补偿，以提高伺服运动的轮廓精度，但未提及如何测量与验证方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工件抛光检测方法。
本发明的工件抛光检测方法所使用的装置包括支架、抛光头、气缸、测头、安装板和激光测距仪，其连接关系是，所述的支架固定安装在机床主轴末端，所述的抛光头、气缸分别固定连接在支架上，与支架整体移动；所述的抛光头的底部通过磁力附着有抛光缎带；所述的测头固定连接在气缸活塞的下端，测头随气缸的伸缩上下移动，到达气缸运动的下限位时，测头测量工件位姿，到达气缸运动的上限位时，测头停止测量；所述的激光测距仪固定连接在安装板上，在激光测距仪校核抛光轨迹工作时，将安装板安装在支架上，激光测距仪位于抛光头的Z向中心正下方，激光测距仪测量抛光缎带与工件表面的等法向间距，在激光测距仪停止校核抛光轨迹工作后，将安装板从支架上拆卸下来。
所述的测头的工作位置在Z向的最低点，且低于抛光缎带的最低点，测头与抛光缎带的最低点的距离大于等于20mm。
所述的安装板上加工有三直角基准面，通过三直角基准面定位安装板在支架上的安装位置，再用螺钉固定连接在支架上。
本发明的工件抛光检测方法包括以下步骤：
步骤101：开始测量时，将工件放置于机床工作台上，工件的放置方位与理论坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE002
对应一致；
步骤102：在机床工作台上装夹工件，并固定工件；
步骤103：在位测量工件位姿，即根据工件表面复杂程度及尺寸大小选择测量点数
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和测量分布点
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，通过手动或机床自动控制测头接触工件表面轮廓和表面不同位置，获取其在机床坐标系中位置坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE008
的测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，当工件表面为平面件时取
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，当工件表面为曲面件时取
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；
步骤104：根据测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
，计算理论工件坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
与机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019
间的映射关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为工件的理论工件坐标原点
Figure DEST_PATH_IMAGE025
在机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019A
中的偏移量，转换矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为理论工件坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE002AA
相对机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AA
的旋转矩阵，工件表面轮廓在机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAA
中的空间方程
Figure DEST_PATH_IMAGE029
，采用最小二乘法公式
Figure DEST_PATH_IMAGE031
计算
Figure DEST_PATH_IMAGE023A
、
Figure DEST_PATH_IMAGE027A
：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
步骤120：采用干涉仪离线测量工件面形，获取工件的面形数据；
步骤121：采用磁流变抛光工艺进行采斑，获取抛光去除函数；
步骤105：结合步骤120和步骤121的结果，采用CCOS技术生成理论工件坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAA
中的等法向间距抛光数控程序，根据步骤104中的理论工件坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAA
和机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAAA
的映射关系，转换生成机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAAAA
中的等法向间距抛光数控程序；
步骤106：将抛光头沿机床Z正向偏置5 mm ~10mm，避免抛光头与工件发生干涉，运行并校核等法向间距抛光数控程序；
步骤107：安装板安装在支架上，确认激光测距仪入射到工件表面的反射光进入激光测距仪的测量接收窗口，在机床运行等法向间距抛光数控程序过程中，连续扫描工件表面法向轮廓并采样；
步骤108：根据步骤107的采样结果，判断全面形区域的法向间距误差是否小于设定误差阈值；
步骤109：若法向间距误差小于等于设定误差阈值，证明免装调的坐标系转换正确、等法向间距抛光数控程序与机床伺服性能匹配；若法向间距误差大于设定误差阈值，进入步骤131：采用PID参数整定、前馈控制等技术优化机床伺服参数，提高机床的动态性能、减少动态轮廓误差，若仍无法满足要求，进入步骤132：对抛光数控程序进行优化，优化后再进入步骤106，重新进行校核、验证等法向间距抛光数控程序。
本发明的工件抛光检测方法是一种集成测量工件位姿、在位动态测量工件表面轮廓以校核等法向间距抛光数控程序的检测装置及检测方法，采用测头接触式测量工件表面，获取工件的位姿数据，通过最小二乘法计算得到理论工件坐标系与机床坐标系间的变换矩阵，免去加工工件前装调工件位姿的工序；采用激光测距仪扫描工件表面获取等法向间距的抛光轨迹，以校核工件位姿免装调状态下坐标系转换的正确性、校核等法向间距抛光数控程序的正确性、验证抛光数控程序与机床伺服性能的匹配性，节省了抛光工艺辅助时间，保证抛光工艺过程实现等法向间距抛光，提高了抛光去除的可靠性、抛光质量的可控性，提高了抛光工艺效率。
附图说明
图1为本发明的工件抛光检测方法所使用的装置的结构图；
图2为本发明的工件抛光检测方法的工艺流程图。
图中， 1.支架 2. 抛光头 3.气缸 4.测头 5.安装板 6. 激光测距仪 7.抛光缎带 8. 工件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，本发明的工件抛光检测方法所使用的装置包括支架1、抛光头2、气缸3、测头4、安装板5和激光测距仪6，其连接关系是，所述的支架1固定安装在机床主轴末端，所述的抛光头2、气缸3分别固定连接在支架1上，与支架1整体移动；所述的抛光头2的底部通过磁力附着有抛光缎带7；所述的测头4固定连接在气缸3活塞的下端，测头4随气缸3的伸缩上下移动，到达气缸3运动的下限位时，测头4测量工件8的位姿，到达气缸3运动的上限位时，测头4停止测量；所述的激光测距仪6固定连接在安装板5上，在激光测距仪6校核抛光轨迹工作时，将安装板5安装在支架1上，激光测距仪6位于抛光头2的Z向中心正下方，激光测距仪6测量抛光缎带7与工件8表面的等法向间距，在激光测距仪6停止校核抛光轨迹工作后，将安装板5从支架1上拆卸下来。
所述的测头4的工作位置在Z向的最低点，且低于抛光缎带7的最低点，测头4与抛光缎带7的最低点的距离大于等于20mm。
所述的安装板5上加工有三直角基准面，通过三直角基准面定位安装板5在支架1上的安装位置，再用螺钉固定连接在支架1上。
实施例1
工件7表面为曲面的Φ200光学元件，采用本方法在位测量工件7的位姿、动态测量工件7的表面轮廓以校核等法向间距抛光数控程序。将支架1固定安装在具有转摆工作台的机床主轴末端，机床主轴固定连接于机床转摆工作台上，测头4和激光测距仪6与机床转摆工作台一起转摆，进行多自由度检测。
测头4随气缸3向下运动，到达气缸3运动的下限位，测头4随机床轴伺服运动，测头4的探针接触工件8表面时触发脉冲信号、实时记录当前机床坐标值，由工件8表面多点坐标测量值和工件表面理论方程，采用最小二乘法计算得到实际工件坐标系与理论工件坐标系之间的转换矩阵参数，生成当前机床坐标系中的等法向间距抛光数控程序，实现工件8的位姿测量和工件8的免装调加工。
将安装板5安装在支架1上，激光测距仪6位于抛光头2的Z向中心正下方，将抛光头2沿机床Z正向偏置5~10mm，确认激光测距仪6入射到工件8表面的反射光进入激光测距仪6的测量接收窗口后，机床运行等法向间距抛光数控程序过程中，激光测距仪6连续扫描工件8表面轮廓并采样，比较全面形区域的法向间距误差是否小于设定误差阈值，校核坐标系转换正确性、抛光数控程序的正确性、抛光数控程序与机床伺服性能的匹配性。
本实施例的工件抛光检测方法的工作过程如图2所示。
步骤101：开始测量时，将工件8放置于机床工作台上，工件8的放置方位与理论坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAA
对应一致；
步骤102：在机床工作台上装夹工件8，并固定工件8；
步骤103：在位测量位姿，即根据工件8表面复杂程度及尺寸大小选择测量点数
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，测量分布点
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，通过手动或机床自动控制测头4接触工件8表面轮廓和表面不同位置，获取其在机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAAAAA
中位置坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
的测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
Figure DEST_PATH_IMAGE039
；
步骤104：根据测量值
Figure DEST_PATH_IMAGE039A
，计算理论工件坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAA
与机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAAAAAA
间的映射关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE021A
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE023AA
为工件8的理论工件坐标原点
Figure DEST_PATH_IMAGE025A
在机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAAAAAAA
中的偏移量，转换矩阵
Figure DEST_PATH_IMAGE027AA
为理论工件坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAA
相对机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAAAAAAAA
的旋转矩阵，工件8表面轮廓在机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAAAAAAAAA
中的空间方程
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，采用最小二乘法公式
Figure DEST_PATH_IMAGE031A
计算
Figure DEST_PATH_IMAGE023AAA
、
Figure DEST_PATH_IMAGE027AAA
：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
步骤120：采用干涉仪离线测量工件面形，获取工件8的面形数据；
步骤121：采用磁流变抛光工艺进行采斑，获取抛光去除函数；
步骤105：结合步骤120和步骤121的结果，采用CCOS技术生成理论工件坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAA
中的等法向间距抛光数控程序，根据步骤104中的理论工件坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE002AAAAAAAAA
和机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAAAAAAAAAA
的映射关系，转换生成机床坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAAAAAAAAAAA
中的等法向间距抛光数控程序；
步骤106：将抛光头2沿机床Z正向偏置5 mm ~10mm，避免抛光头2与工件8发生干涉，运行并校核等法向间距抛光数控程序；
步骤107：安装板5安装在支架1上，确认激光测距仪6入射到工件8表面的反射光进入激光测距仪6的测量接收窗口，在机床运行等法向间距抛光数控程序过程中，连续扫描工件8表面轮廓并采样；
步骤108：根据步骤107的采样结果，判断全面形区域的法向间距误差是否小于设定误差阈值；
步骤109：若法向间距误差小于等于设定误差阈值，证明免装调的坐标系转换正确、等法向间距抛光数控程序与机床伺服性能匹配；若法向间距误差大于设定误差阈值，进入步骤131：采用PID参数整定、前馈控制等技术优化机床伺服参数，提高机床的动态性能、减少动态轮廓误差，若仍无法满足要求，进入步骤132：对抛光数控程序进行优化，优化后再进入步骤106，重新进行校核、验证等法向间距抛光数控程序。
在磁流变抛光机床PKC-600Q1上，采用本方法对表面为曲面的Φ200光学元件进行位姿测量和动态测量工件表面轮廓，基于测量结果优化机床动态性能后，工件7全面形区域的法向间距误差小于0.01mm，满足了曲面光学元件的超精密抛光要求。
实施例2
工件7表面为平面的Φ200光学元件，采用本方法在位测量工件7的位姿、动态测量工件7的表面轮廓以校核等法向间距抛光数控程序。将支架1固定安装在机床主轴末端，机床主轴固定连接于机床Z轴溜板上，测头4和激光测距仪6与Z轴一起平移，进行直线方向上的检测。
实施方式与实施例1基本相同，主要区别在于，选择测量点数
Figure DEST_PATH_IMAGE046
、测量分布点
Figure DEST_PATH_IMAGE048
。
采用本方法对表面为平面的Φ200光学元件进行位姿测量和动态测量工件表面轮廓，工件7全面形区域的法向间距误差小于0.01mm，满足了平面光学元件的超精密抛光要求。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种工件抛光检测方法，其特征在于，所述的检测方法使用的装置包括支架(1)、抛光头(2)、气缸(3)、测头(4)、安装板(5)和激光测距仪(6)，其连接关系是，所述的支架(1)固定安装在机床主轴末端，所述的抛光头(2)、气缸(3)分别固定连接在支架(1)上，与支架(1)整体移动；所述的抛光头(2)的底部通过磁力附着有抛光缎带(7)；所述的测头(4)固定连接在气缸(3)活塞的下端，测头(4)随气缸(3)的伸缩上下移动，到达气缸(3)运动的下限位时，测头(4)测量工件(8)的位姿，到达气缸(3)运动的上限位时，测头(4)停止测量；所述的激光测距仪(6)固定连接在安装板(5)上，在激光测距仪(6)校核抛光轨迹工作时，将安装板(5)安装在支架(1)上，激光测距仪(6)位于抛光头(2)的Z向中心正下方，激光测距仪(6)测量抛光缎带(7)与工件(8)表面的等法向间距，在激光测距仪(6)停止校核抛光轨迹工作后，将安装板(5)从支架(1)上拆卸下来；
所述的测头(4)的工作位置在Z向的最低点，且低于抛光缎带(7)的最低点，测头(4)与抛光缎带(7)的最低点的距离大于等于20mm；
所述的安装板(5)上加工有三直角基准面，通过三直角基准面定位安装板(5)在支架(1)上的安装位置，再用螺钉固定连接在支架(1)上；
所述的工件抛光检测方法包括以下步骤：
步骤101：开始测量时，将工件(8)放置于机床工作台上，工件(8)的放置方位与理论工件坐标系OTXTYTZT对应一致；
步骤102：在机床工作台上装夹工件(8)，并固定工件(8)；
步骤103：在位测量位姿，即根据工件(8)表面复杂程度及尺寸大小选择测量点数m和测量分布点Pi，通过手动或机床自动控制测头(4)接触工件(8)表面轮廓和表面不同位置，获取其在机床坐标系OXYZ中位置坐标Pi(xi，yi，zi)的测量值
Figure FDA0002544749860000011
Figure FDA0002544749860000012
当工件(8)表面为平面件时取m≥9，当工件(8)表面为曲面件时取m≥16；
步骤104：根据测量值
Figure FDA0002544749860000013
计算理论工件坐标系OTXTYTZT与机床坐标系OXYZ间的映射关系：
Figure FDA0002544749860000014
式中，ΔT为工件(8)的理论工件坐标原点OT在机床坐标系OXYZ中的偏移量，转换矩阵G为理论工件坐标系OTXTYTZT相对机床坐标系OXYZ的旋转矩阵，工件(8)表面轮廓在机床坐标系OXYZ中的空间方程{F(ΔT，G，xi，yi，zi)＝0|i∈N，1≤i≤m}，采用最小二乘法公式Q计算ΔT、G：
Figure FDA0002544749860000021
步骤120：采用干涉仪离线测量工件面形，获取工件(8)的面形数据；
步骤121：采用磁流变抛光工艺进行采斑，获取抛光去除函数；
步骤105：结合步骤120和步骤121的结果，采用CCOS技术生成理论工件坐标系OTXTYTZT中的等法向间距抛光数控程序，根据步骤104中的理论工件坐标系OTXTYTZT和机床坐标系OXYZ的映射关系，转换生成机床坐标系OXYZ中的等法向间距抛光数控程序；
步骤106：将抛光头(2)沿机床Z正向偏置5mm～10mm，避免抛光头(2)与工件(8)发生干涉，运行并校核等法向间距抛光数控程序；
步骤107：安装板(5)安装在支架(1)上，确认激光测距仪(6)入射到工件(8)表面的反射光进入激光测距仪(6)的测量接收窗口，在机床运行等法向间距抛光数控程序过程中，连续扫描工件(8)表面轮廓并采样；
步骤108：根据步骤107的采样结果，判断全面形区域的法向间距误差是否小于设定误差阈值；
步骤109：若法向间距误差小于等于设定误差阈值，证明免装调的坐标系转换正确、等法向间距抛光数控程序与机床伺服性能匹配；若法向间距误差大于设定误差阈值，进入步骤131：采用PID参数整定、前馈控制技术优化机床伺服参数，提高机床的动态性能、减少动态轮廓误差，若仍无法满足要求，进入步骤132：对抛光数控程序进行优化，优化后再进入步骤106，重新进行校核、验证等法向间距抛光数控程序。
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