CN113146410B - 一种大口径非球面镜的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大口径非球面镜的加工方法，加工中先提取大口径非球面镜的环带并对该环带进行单独修正，修正环带后的镜面再继续进行研磨抛光。环带的提取和修正方法包括：将面形残差信息映射到彩色空间；K‑Means聚类分割确定研抛工具大小；确定加工路径；正环带。相比于目前主流的，对整个镜面统一规划加工路径进行研抛的数控小工具技术，本发明提出提取环带的大口径非球面镜研抛方法，对大口径非球面镜加工中出现的环带进行单独修正，而不需要对镜面整体进行研抛，优化了研抛效果，提高了加工效率。

Description

一种大口径非球面镜的加工方法
技术领域
本发明涉及光学镜面加工领域，主要针对大口径非球面镜加工中面形残差高点环带进行提取以优化加工。
背景技术
现代天文望远镜、遥感探测、国防科技(如激光武器等)领域对高质量光学非球面镜的需求在逐渐提升。主要表现为，对镜面的口径、面形精度、表面质量等提出了更高的要求。在计算机、自动控制、材料等学科综合推动下，大口径镜面加工技术飞速发展。
Itek开发了用于非球面光学加工的数控小工具研抛技术，这是最早也是最典型的计算机控制光学表面成型技术(CCOS)，可以通过计算机控制自动化进行研抛修正面形误差。由于能够精确定位、稳定去除，CCOS相对于传统光学加工具有更强的确定性和可预测性，目前在大口径镜面加工中应用广泛。目前主流的数控小工具加工方式是使用研抛工具对整个镜面进行统一研磨抛光。
但在工程实践中，当镜面面形修正至一定阶段时，残差图中的高点往往表现为几条明显环带，如果直接使用小工具对整个镜面进行加工会降低效率，因此需要对环带误差进行单独处理，实现对环带误差的针对性修正，而不需要对整个镜面进行加工，从而优化研抛效果。
发明内容
鉴于目前大口径非球面镜加工过程中常常出现面形残差高点环带，本发明的目的在于提出一种提取环带的大口径非球面镜加工方法。应用该方法提取环带并确定研抛工具的大小和加工路径，实现对环带误差的针对性修正，优化研抛效果和效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大口径非球面镜的加工方法，加工中先提取大口径非球面镜的环带并对该环带进行单独修正，修正环带后的镜面再继续进行研磨抛光；所述环带的提取和修正方法包括：
步骤1：将面形残差信息映射到彩色空间；
读取面形残差高度信息，依据整体范围按比例放大作为颜色数组索引值，得到对应RGB值，实现面形残差信息到彩色空间映射；
Figure BDA0002944485750000021
其中，min表示取最小值运算，max表示取最大值运算；
步骤2：K-Means聚类分割：将RGB矩阵转换为Lab矩阵，提取Lab矩阵中代表颜色信息的a,b数组作为二维矩阵ab,使用K-Means聚类算法对二维矩阵ab矩阵进行分类，将彩色图按颜色分割；
步骤3：确定研抛工具大小；
在步骤2分割结果选取要处理的颜色部分，按照范围筛选出目标环带，按角度提取环带一圈的宽度，进行平滑后取平均值，作为研抛工具的大小参考；
步骤4：确定加工路径；
将步骤3中得到的环带提取骨架，得到近圆形的环带中心线，沿中心线上网格点的坐标进行加工；
步骤5：正环带；
选择符合步骤3结果的研抛工具，在计算机上设置步骤4得到的加工路径，控制机械臂使用研抛工具对大口径镜面上环带部分进行研抛。
进一步的，步骤1中，残差面形是经过畸变矫正后的数据，环带位置信息与镜面上的实际坐标为确定的对应关系，可直接用于指导加工。
进一步的，步骤2中，K-Means聚类标准为欧氏距离，聚类结果为分类的簇，簇的个数不是定值，个数选择结合面形残差彩图及要提取的环带颜色做初步设定，再根据得到的聚类结果进行调整修改；聚类迭代的次数结合要提取的环带和仿真结果进行选择。
进一步的，步骤3中，只需关注研抛工具大小，其他工艺参数可保持不变；提取环带后进行针对性修正，选择相近宽度研抛工具进行研磨抛光。
进一步的，步骤4中，加工路径为按照角度行进的近圆形的加工路径，研抛工具沿环带中心线进行加工。
进一步的，步骤5中，使用数控小工具技术进行镜面加工，修正环带后的镜面可统一继续精细的研磨抛光。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
相比于目前主流的，对整个镜面统一规划加工路径进行研抛的数控小工具技术，本发明提出提取环带的大口径非球面镜研抛方法，对大口径非球面镜加工中出现的环带进行单独修正，而不需要对镜面整体进行研抛，优化了研抛效果，提高了加工效率。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是面形残差高度值矩阵三维绘图。
图3是面形残差矩阵转换为RGB矩阵后的显示图。
图4是对于RGB矩阵进行聚类分割的结果图。
图5是结合范围最终提取出的环带灰度图。
图6是获取环带的宽度信息图。
图7是对环带提取骨架结果图。
图8是沿环带中心线的加工路径规划图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明是一种大口径非球面镜的加工方法，加工中先提取大口径非球面镜的环带并对该环带进行单独修正，修正环带后的镜面再继续进行研磨抛光；所述环带的提取和修正方法包括：
步骤(1).将面形残差信息映射到彩色空间：读取面形残差高度信息，依据整体范围按比例放大作为颜色数组索引值，得到对应RGB值，实现面形残差信息到彩色空间映射。
Figure BDA0002944485750000031
其中，min表示取最小值运算，max表示取最大值运算。
其中，残差面形是经过畸变矫正后的数据，因此计算出的环带位置信息与镜面上的实际坐标为确定的对应关系，可以直接用于指导加工。直接绘制面形残差高度值矩阵的彩色图像会导致获得的RGB矩阵维度不一致，所以通过比例映射的方法对应到RGB强度值color。
步骤(2).K-Means聚类分割：将RGB矩阵转换为Lab矩阵，提取Lab矩阵中代表颜色信息的a,b数组作为二维矩阵ab,使用K-Means聚类算法对ab矩阵进行分类，将彩色图按颜色分割。
其中，K-Means聚类标准为欧氏距离，聚类结果为分类的簇。簇的个数不是定值。个数选择可以结合面形残差彩图及要提取的环带颜色做初步设定，再根据得到的聚类结果进行调整修改，一般设置为4～6个。聚类迭代的次数同样需要手动设置，结合要提取的环带和仿真结果进行选择。簇的个数设置越多，对面形残差图的分割越精细，但可能与要提取环带冲突。K-Means聚类迭代次数可选择范围较大，结合仿真效果与工程需求来确定。
步骤(3).确定研抛工具大小：在步骤(2)分割结果选取要处理的颜色部分，按照范围筛选出目标环带，按角度提取环带一圈的宽度，进行平滑后取平均值，作为研抛工具的大小参考。
步骤(3)中只需关注研抛工具大小，其他工艺参数可以保持不变。提取环带后进行针对性修正，故选择相近宽度研抛工具进行研磨抛光。
步骤(4).确定加工路径：将步骤(3)中得到的环带提取骨架，得到近圆形的环带中心线。沿中心线上网格点的坐标进行加工。
步骤(4)中的加工路径为按照角度走的近圆形加工路径，研抛工具可以沿环带中心线进行加工。
步骤(5).修正环带：选择符合步骤(3)结果的研抛工具，在计算机上设置步骤(4)得到的加工路径，控制机械臂使用研抛工具对大口径镜面上环带部分进行研抛。
步骤(5)中使用数控小工具技术进行镜面加工。修正环带后的镜面可以统一继续精细的研磨抛光。
提取环带时，先将面形残差高度值res矩阵转换为对应RGB值。直接绘制面形残差高度值矩阵的彩色图像会导致获得的RGB矩阵维度不一致，所以通过比例映射的方法对应到RGB强度值color。转换前的面型残差高度值矩阵三维图和转换后的RGB值矩阵分别如图2与图3所示。将获得的RGB矩阵转换为Lab矩阵，Lab颜色空间更适合基于色彩的图像分割。提取Lab矩阵中代表颜色信息的a,b数组作为二维矩阵ab,使用K-Means聚类算法对ab矩阵进行分类。聚类标准为欧氏距离，聚类结果为分类的簇。簇的个数和聚类迭代的次数由个人设置，结合图3大致颜色及5次迭代结果，最终选择分为5个簇，聚类迭代5次，要提取的目标环带为大致半径范围400mm-650mm环带，彩色图中表现为黄色。最终的聚类结果如图4所示。
需要提取的环带部分为聚类结果中簇3部分外圈环带，按范围筛选提取后环带灰度图如图5所示。对得到的环带按角度提取环带一圈的宽度，进行平滑后取平均值，作为研抛工具的大小参考，结果图如图6所示。其中，虚线为直接获取的宽度结果，实线为平滑后的宽度值。
对图5环带采用骨架提取算法提取出中心线，结果如图7所示。中心线近圆形，采取按角度走的加工路径，可使研抛工具沿中心线进行加工，加工路径图如图8所示。
综上所述，本发明的大口径非球面镜的加工方法，针对非球面镜精修过程中出现的面型残差高度值，按比例放大转换为RGB值，依据高点环带与周围面形残差的色差，进行K-Means聚类图像分割，实现环带提取。提取后的环带宽度平滑后可用于确定研抛工具的大小。对环带提取骨干线得到位置信息，生成加工路径。确定研抛工具大小和加工路径后对环带进行研磨抛光。本发明实现了对环带的针对性修正，优化了研抛效果，提高大口径非球面镜研磨抛光阶段加工效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大口径非球面镜的加工方法，其特征在于，加工中先提取大口径非球面镜的环带并对该环带进行单独修正，修正环带后的镜面再继续进行研磨抛光；所述环带的提取和修正方法包括：
步骤1：将面形残差信息映射到彩色空间；
读取面形残差高度信息，依据整体范围按比例放大作为颜色数组索引值，得到对应RGB值，实现面形残差信息到彩色空间映射；
Figure FDA0003594554760000011
其中，min表示取最小值运算，max表示取最大值运算；
步骤2：K-Means聚类分割：将RGB矩阵转换为Lab矩阵，提取Lab矩阵中代表颜色信息的a,b数组作为二维矩阵ab,使用K-Means聚类算法对二维矩阵ab矩阵进行分类，将彩色图按颜色分割；
步骤3：确定研抛工具大小；
在步骤2分割结果选取要处理的颜色部分，按照范围筛选出目标环带，按角度提取环带一圈的宽度，进行平滑后取平均值，作为研抛工具的大小参考；
步骤4：确定加工路径；
将步骤3中得到的环带提取骨架，得到近圆形的环带中心线，沿中心线上网格点的坐标进行加工；
步骤5：正环带；
选择符合步骤3结果的研抛工具，在计算机上设置步骤4得到的加工路径，控制机械臂使用研抛工具对大口径镜面上环带部分进行研抛。
2.根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜的加工方法，其特征在于，步骤1中，残差面形是经过畸变矫正后的数据，环带位置信息与镜面上的实际坐标为确定的对应关系，直接用于指导加工。
3.根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜的加工方法，其特征在于，步骤2中，K-Means聚类标准为欧氏距离，聚类结果为分类的簇，簇的个数不是定值，个数选择结合面形残差彩图及要提取的环带颜色做初步设定，再根据得到的聚类结果进行调整修改；聚类迭代的次数结合要提取的环带和仿真结果进行选择。
4.根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜的加工方法，其特征在于，步骤3中，只需关注研抛工具大小，其他工艺参数保持不变；提取环带后进行针对性修正，选择相近宽度研抛工具进行研磨抛光。
5.根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜的加工方法，其特征在于，步骤4中，加工路径为按照角度行进的近圆形的加工路径，研抛工具沿环带中心线进行加工。
6.根据权利要求1所述的一种大口径非球面镜的加工方法，其特征在于，步骤5中，使用数控小工具技术进行镜面加工，修正环带后的镜面统一继续精细的研磨抛光。
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