CN112975590B - 一种光学自由曲面元件全频段误差加工方法 - Google Patents

一种光学自由曲面元件全频段误差加工方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112975590B
CN112975590B CN202110275824.XA CN202110275824A CN112975590B CN 112975590 B CN112975590 B CN 112975590B CN 202110275824 A CN202110275824 A CN 202110275824A CN 112975590 B CN112975590 B CN 112975590B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
polishing
workpiece
tool
processing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110275824.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN112975590A (zh
Inventor
魏朝阳
李瀚捷
万嵩林
邵建达
万奎平
李尧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Original Assignee
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS filed Critical Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority to CN202110275824.XA priority Critical patent/CN112975590B/zh
Publication of CN112975590A publication Critical patent/CN112975590A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112975590B publication Critical patent/CN112975590B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Constituent Portions Of Griding Lathes, Driving, Sensing And Control (AREA)

Abstract

一种光学自由曲面元件全频段误差加工方法，集成气囊抛光、射流抛光、柔性光顺、自寻位加工等工艺技术，通过判断工件表面面形不同频段误差的截止频率来实现三种抛光工艺的快速切换完成全频段加工，解决了现有各种子孔径抛光技术应用于大口径、复杂自由曲面元件的全频域超精密加工各自存在中高频误差、难以适应高陡度曲率变化、不满足自由曲面反演映射与无交叉规划条件、工件位置标定复杂，未将多种功能集成到同一设备上导致的工艺衔接差、成本高以及智能化程度低等关键问题。

Description

一种光学自由曲面元件全频段误差加工方法
技术领域
本发明属于现代先进光学加工，特别是一种针对光学自由曲面元件全频段误差的加工方法。
背景技术
在光学加工领域中，现代高性能光学系统对大口径、高陡度自由曲面元件的口径及表面面形精度要求越来越苛刻，中高频误差越来越成为限制元件性能的瓶颈。目前各数控抛光技术加工光学复杂曲面元件面临的中高频误差、难以适应高陡度曲率变化、不满足自由曲面反演映射与无交叉规划条件问题、工件位置标定复杂、工艺衔接功能差、设备成本高、智能化程度低，没有合适的方案将气囊抛光功能、射流抛光功能、柔性光顺抛光功能、快速换件功能和自寻位加工功能集成在一台多自由度工业机器人设备上以完成全频段误差去除，不满足光学技术发展对高效组合加工光学自由曲面元件达到全频段误差去除效果的迫切应用需求。
发明内容
本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种新型光学自由曲面元件全频段误差加工方法，该装置根据不同的频段误差去除要求来定义对应的截止频率，从而选择对应的抛光工具与加工路径，实现多功能组合抛光，达到复杂曲面光学元件全频段面形误差去除效果。
本发明的技术解决方案如下：
1)加工前数据准备：建立工件坐标系与工具坐标系，提取三种工具头在不同抛光参数下的去除函数；利用面形检测装置进行工件的面形误差检测，通过功率谱密度分析提取出工件表面面形的特定频段误差的频率，根据工件面形数据、加工步距与抛光路径计算出驻留时间矩阵；
2)定义截止频率fc，根据不同的频段误差去除要求来选择不同的加工路径和去除函数，即根据工件表面实际面形，按照下述公式选择抛光路径与抛光工具：
Figure BDA0002976595470000011
其中，f为选择的理想频率，errinitial表示工件的初始表面误差，TIF代表工具去除函数，Lorb代表工具的自转与公转等效过程，L代表工具加工路径，截止频率fc与TIF、Lorb和L有关；
当截止频率fc低于工件表面低频误差频率范围的下限时，选择气囊抛光子系统进行加工，消除低频误差；
当截止频率fc低于工件表面中频误差频率范围的下限时，选择柔性光顺抛光子系统进行加工，消除中频误差；
当截止频率fc低于工件表面高频误差频率范围的下限时，选择射流抛光子系统进行加工，消除高频误差；
3)选择好的去除函数与运动路径后，通过有限元分析获取的瞬时Preston变量，计算瞬时工具去除函数TIF(i·Δt)；通过数值分析获取的瞬时运动学变量，计算单位时间间隔内的工具加工路径L(t)；
4)使用分段路径卷积方法达到该频段误差的精准去除，去除量表示为：
Figure BDA0002976595470000021
其中，Z(x,y)为去除量，TIF(i·Δt)为瞬时工具去除函数，L(t)为单位时间间隔内的工具运动路径，T为总驻留时间，n为路径分段数，Δt为单位时间，i为迭代次数，*代表卷积过程。
5)根据上述步骤进行工件的第一次加工，对加工后的工件进行面形检测与功率谱密度分析，提取出新的频段误差范围，重新定义截止频率fc并选择新的工具去除函数TIF与加工路径进行新一轮加工；
6)循环加工直至工件表面各频段误差均得到抑制，结束加工。
加工装置包括工业机器人、双目视觉传感器、工业计算机、旋转转台与抛光液循环系统、抛光工具头与快换工具模块；双目视觉传感器用于测量工件或工具库中工具头的实际位置，将数据反馈到工业计算机中，实现自寻位加工；工业计算机，用于对双目视觉传感器传输的数据进行处理，控制旋转转台与抛光液循环系统的启停，并控制工业机器人实现自寻位及抛光工具头的快速切换。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
1)通过抛光路径与抛光工具的选择，实现光学自由曲面元件的全频段误差去除。
2)集成气囊抛光、射流抛光、柔性光顺抛光、自寻位加工，同时集成伪随机路径、密度自适应路径、栅格路径、区域自适应路径、阿基米德螺旋路径等路径算法；可实现多种材料、面形、口径的光学元件超精密全频段加工。
3)采用工业机器人、双目视觉传感器和工业计算机组合，实现光学自由曲面元件的全频段误差去除的智能化。
附图说明
图1是本发明的原理框架与控制关系图。
图2是本发明的机械结构连接图。
图3是本发明超精密加工光学元件实现全频段误差去除的流程图。
具体实施方式
为了详细说明本发明的构造及特点所在，现结合附图说明如下。
本发明为完成对大口径、高陡度自由曲面元件全频段误差的低成本、稳定、高效去除，经过综合考虑各抛光技术的优点与缺点，选择集成气囊抛光、射流抛光、柔性光顺抛光三种技术。柔性光顺抛光为上海光机所基于有限元分析方法，研制出的匹配被加工自由曲面元件曲率变化的柔度可控光顺应力盘小磨头抛光技术；所述的气囊抛光具有加工自由曲面柔性可控且去除效率高，可实现快速保形抛光加工去除低频误差；射流抛光是通过磨料对材料表面的微切削作用实现材料微量去除且可去除高频误差，可加工各种复杂曲面元件，可实现超光滑表面加工；柔性光顺小磨头抛光有良好的区域修形与光顺抛光效果，可实现高精度且效率稳定的修形加工去除中频误差。三种抛光方式均适应高陡度曲率变化、满足自由曲面反演映射与无交叉规划条件，所以这三种抛光方式相结合既适合大口径、高陡度自由曲面元件的加工，又可完成全频段误差的去除。在本发明中，在任意路径下，通过控制不同抛光工具头的去除函数在工件表面的驻留时间，经过多次工具头的切换迭代过程，也就是各种去除效果的迭代过程，集成了三种抛光方式去除的优点，互相补偿，可以逐步使面形误差收敛达到超精密全频段的加工需求。
为了定义截止频率fc，本发明把抛光过程看成了一个滤波器系统，其中工具去除函数TIF与工具头自转公转等效过程Lorb可看成两个低通滤波器，工具加工路径L0为输入，材料去除量Z(x,y)为输出。
Figure BDA0002976595470000041
图1为本发明的原理框架与控制关系图，该多功能加工平台主要由人机交互界面、工业机器人及其控制模块、可旋转转台与抛光液循环系统及其驱动模块、抛光工具头与快换工具模块、双目视觉传感系统五部分组成。
双目视觉传感器与工业计算机直接进行交互，在事先标定好坐标后，双目视觉传感器可测量工件或快换工具库中工具头的实际位置，将数据反馈到工业计算机中，工业计算机会得出实际的进给值，再通过控制系统将进给值传给工业机器人实现自寻位加工，大大提高了加工效率与加工精准度。本发明通过快换装置快速切换工具头与双目视觉传感系统快速进行工件与在快换工具库中的抛光工具头的实时定位，实现了单机器人平台多工具头组合加工。
图2所示为本发明的机械结构连接图。在加工时，根据双目视觉传感器4提供的数据以及需要哪种抛光方式的控制指令，将机器人工具端11移至工具库10相应位置气动锁放快换装置主头7与快换装置副头8进行抛光工具头快速切换，所述的抛光工具头包括气囊抛光子系统1、射流抛光子系统2、光顺小磨头抛光子系统3，六维力传感器9可分别安装在被选用的抛光子系统的抛光工具头上，所述的抛光工具头快速切换后并移至旋转转台5上的待抛光工件相应的位置上，启动抛光液循环系统6进行抛光加工。
图3所示是本发明组合加工工件的流程图。本发明可以根据不同光学元件的不同加工需求进行组合抛光加工达到所要求的指标。当工件需要加工时，本发明先判断工件表面面形质量与所要达到的面形加工指标定义截止频率fc,判断需要哪种加工方式，即切换到哪个抛光子系统，本发明加工方法包括如下步骤：
1)加工前数据准备：建立工件坐标系与工具坐标系，提取三种工具头在不同抛光参数下的去除函数；利用面形检测装置进行工件的面形误差检测，通过功率谱密度分析提取出工件表面面形的特定频段误差的频率，根据工件面形数据、加工步距与抛光路径计算出驻留时间矩阵；
2)定义截止频率fc，根据不同的频段误差去除要求来选择不同的加工路径和去除函数，即根据工件表面实际面形，按照下述公式选择抛光路径与抛光工具：
Figure BDA0002976595470000051
其中，f为选择的理想频率，errinitial表示工件的初始表面误差，TIF代表工具去除函数，Lorb代表工具的自转与公转等效过程，L代表工具加工路径，截止频率fc与TIF、Lorb和L有关；
当截止频率fc低于工件表面低频误差频率范围的下限时，选择气囊抛光子系统进行加工，消除低频误差；
当截止频率fc低于工件表面中频误差频率范围的下限时，选择柔性光顺抛光子系统进行加工，消除中频误差；
当截止频率fc低于工件表面高频误差频率范围的下限时，选择射流抛光子系统进行加工，消除高频误差；
3)选择好的去除函数与运动路径后，通过有限元分析获取的瞬时Preston变量，计算瞬时工具去除函数TIF(i·Δt)；通过数值分析获取的瞬时运动学变量，计算单位时间间隔内的工具加工路径L(t)；
4)使用分段路径卷积方法达到该频段误差的精准去除，去除量表示为：
Figure BDA0002976595470000061
其中，Z(x,y)为去除量，TIF(i·Δt)为瞬时工具去除函数，L(t)为单位时间间隔内的工具运动路径，T为总驻留时间，n为路径分段数，Δt为单位时间，i为迭代次数，*代表卷积过程。
5)根据上述步骤进行工件的第一次加工，对加工后的工件进行面形检测与功率谱密度分析，提取出新的频段误差范围，重新定义截止频率fc并选择新的工具去除函数TIF与加工路径进行新一轮加工；
6)循环加工直至工件表面各频段误差均得到抑制，结束加工。

Claims (2)

1.一种光学自由曲面元件全频段误差加工方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)加工前数据准备：建立工件坐标系与工具坐标系，提取三种工具头在不同抛光参数下的去除函数；利用面形检测装置进行工件的面形误差检测，通过功率谱密度分析提取出工件表面面形的特定频段误差的频率，根据工件面形数据、加工步距与抛光路径计算出驻留时间矩阵；
2)定义截止频率fc，根据不同的频段误差去除要求来选择不同的加工路径和去除函数，即根据工件表面实际面形，按照下述公式选择抛光路径与抛光工具：
Figure FDA0002976595460000011
其中，f为选择的理想频率，errinitial表示工件的初始表面误差，TIF代表工具去除函数，Lorb代表工具的自转与公转等效过程，L代表工具加工路径，截止频率fc与TIF、Lorb和L有关；
当截止频率fc低于工件表面低频误差频率范围的下限时，选择气囊抛光子系统进行加工，消除低频误差；
当截止频率fc低于工件表面中频误差频率范围的下限时，选择柔性光顺抛光子系统进行加工，消除中频误差；
当截止频率fc低于工件表面高频误差频率范围的下限时，选择射流抛光子系统进行加工，消除高频误差；
3)选择好的去除函数与运动路径后，通过有限元分析获取的瞬时Preston变量，计算瞬时工具去除函数TIF(i·Δt)；通过数值分析获取的瞬时运动学变量，计算单位时间间隔内的工具加工路径L(t)；
4)使用分段路径卷积方法达到该频段误差的精准去除，去除量表示为：
Figure FDA0002976595460000021
其中，Z(x,y)为去除量，TIF(i·Δt)为瞬时工具去除函数，L(t)为单位时间间隔内的工具运动路径，T为总驻留时间，n为路径分段数，Δt为单位时间，i为迭代次数，*代表卷积过程；
5)根据上述步骤进行工件的第一次加工，对加工后的工件进行面形检测与功率谱密度分析，提取出新的频段误差范围，重新定义截止频率fc并选择新的工具去除函数TIF与加工路径进行新一轮加工；
6)循环加工直至工件表面各频段误差均得到抑制，结束加工。
2.根据权利要求1所述的光学自由曲面元件全频段误差加工方法，其特征在于，加工装置包括工业机器人、双目视觉传感器、工业计算机、旋转转台与抛光液循环系统、抛光工具头与快换工具模块；所述的双目视觉传感器，用于测量工件或工具库中工具头的实际位置，将数据反馈到工业计算机中，实现自寻位加工；所述的工业计算机，用于对双目视觉传感器传输的数据进行处理，控制旋转转台与抛光液循环系统的启停，并控制工业机器人实现自寻位及抛光工具头的快速切换。
CN202110275824.XA 2021-03-15 2021-03-15 一种光学自由曲面元件全频段误差加工方法 Active CN112975590B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110275824.XA CN112975590B (zh) 2021-03-15 2021-03-15 一种光学自由曲面元件全频段误差加工方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110275824.XA CN112975590B (zh) 2021-03-15 2021-03-15 一种光学自由曲面元件全频段误差加工方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112975590A CN112975590A (zh) 2021-06-18
CN112975590B true CN112975590B (zh) 2022-03-08

Family

ID=76335483

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110275824.XA Active CN112975590B (zh) 2021-03-15 2021-03-15 一种光学自由曲面元件全频段误差加工方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112975590B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114102340B (zh) * 2021-12-03 2023-03-14 湖北久之洋红外系统股份有限公司 一种针对二次曲面反射镜的抛光制备方法
CN115464501B (zh) * 2022-09-30 2023-06-20 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所 使用单一研抛工具、可变公转半径的面形误差加工方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3331144B2 (ja) * 1996-05-14 2002-10-07 旭光学工業株式会社 ビーム整形光学系
GB9928825D0 (en) * 1999-12-06 2000-02-02 Unova Uk Ltd Improvements in and relating to grinding
CN101086730A (zh) * 2007-07-13 2007-12-12 上海大学 基于非连续平滑的卷积混合盲分离频域方法
CN101585159B (zh) * 2009-06-10 2011-01-26 中国人民解放军国防科学技术大学 基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置
CN102211301B (zh) * 2011-05-18 2013-06-05 浙江工业大学 大型平面的超精密自动化加工装置及其加工方法
CN102848287B (zh) * 2012-09-14 2014-09-17 中国人民解放军国防科学技术大学 光学零件中高频误差的组合式加工方法
CN111002111A (zh) * 2019-12-10 2020-04-14 中国空气动力研究与发展中心设备设计及测试技术研究所 一种面向亚纳米精度离子束抛光的面形误差优化去除方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112975590A (zh) 2021-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112975590B (zh) 一种光学自由曲面元件全频段误差加工方法
Calleja et al. Highly accurate 5-axis flank CNC machining with conical tools
CN104626168B (zh) 基于智能算法的机器人力位柔顺控制方法
CN107052950A (zh) 一种复杂曲面打磨抛光系统及方法
CN105127862A (zh) 基于砂带磨抛机的工业机器人叶片磨抛工艺
CN105965349B (zh) 大口径离轴非球面镜精密磨削系统
US4885874A (en) Method of grinding two or more cams of a camshaft
CN102211301B (zh) 大型平面的超精密自动化加工装置及其加工方法
CN111347294B (zh) 一种高陡度光学镜面误差抛光修正加工方法
CN114055255B (zh) 一种基于实时点云的大型复杂构件表面打磨路径规划方法
CN103128645A (zh) 压力可控、速度可变的主动柔顺机器人研磨系统及方法
CN110119566B (zh) 一种适用于复杂曲面机器人砂带磨抛的切削深度预测方法及装置
CN111002111A (zh) 一种面向亚纳米精度离子束抛光的面形误差优化去除方法
CN110744406A (zh) 一种叶片型面机器人磨抛自适应加工系统及方法
CN112658811B (zh) 一种控制ccos修形边缘误差效应的方法
CN106886197B (zh) 控制机器实施加工的方法及其装置和应用
JP5610800B2 (ja) 光学素子の製造方法
CN103737451A (zh) 离轴非球面反射镜的砂轮原位自动整形铣磨加工方法
CN108188864B (zh) 一种非球面光学元件自动化抛光系统及方法
Pereverzev et al. Optimal internal grinding cycles in multidimensional control-parameter space
CN112008502A (zh) 一种基于刀具光学检测技术的刀具磨削加工控制方法
CN109773593B (zh) 一种基于余量约束条件下的磨削方法
CN106886195B (zh) 机加工控制方法及其装置和应用
CN102825519A (zh) 一种棱镜的加工方法
CN110227994B (zh) 一种高阶切触包络式磨抛加工方法及其应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant