CN114770224B - 一种超精密加工刀痕在位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超精密加工领域，公开一种超精密加工刀痕在位检测方法。该检测方法包括以下步骤：步骤一，加工表面形貌，对设置于机床主轴上的工件的加工表面进行超精密单点金刚石加工；步骤二，测量反射光谱，设置反射光谱仪，并使反射光谱仪发射的光束垂直射入加工表面，以获得反射光谱；步骤三，拟合判断，根据反射光谱，拟合计算出加工表面刀痕的几何信息，并根据几何信息判断加工表面是否满足加工需求。该检测方法无需取下工件，即可对工件进行检测，且属于非接触式检测，有效避免了加工表面损伤。另外，该检测方法直接从光学效果出发，建立反射光谱与表面刀痕的耦合关系，并进行解耦分析刀痕几何参数，普遍适用于工件表面的刀痕检测。

Description

一种超精密加工刀痕在位检测方法

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，特别是涉及一种超精密加工刀痕在位检测方法。

背景技术

超精密单点金刚石加工由于加工效率高，加工精度容易控制，已被广泛用于加工光学表面中。光学零件对工件表面质量具有极高的要求，工件表面微小的瑕疵就会对光学性能产生极大的影响。在加工过程中，加工刀具在工件表面留下的加工痕迹不可忽视。以车削加工为例，假设金刚石车刀刀刃为理想的圆弧刃，在连续加工中，会在工件表面产生一圈圈的刀痕，刀痕的形状与刀具几何参数、加工工艺参数和被加工材料属性有关，刀痕的存在会降低工件的表面质量，影响工件的光学性能。

目前对于刀痕的检测方法主要是采用轮廓仪获取工件表面形貌，之后再通过滤波的方式，滤除高频和低频信号，得到工件表面刀痕信息，实现刀痕的检测。该检测方法存在的缺陷如下：

第一，只能离线测量，在加工完成后将工件取下再使用轮廓仪进行测量，该流程极大地降低了工作效率；

第二，不同的加工方式在工件表面留下的刀痕具有不同的几何分布特点，滤波往往需要结合加工方式来选择截止频率，这使得该检测方法不具有普适性；

第三，轮廓仪为接触式测量，易对工件的表面形貌造成损伤。

因此，如何提供一种无需取下工件，即可对工件进行检测，具有普适性，且不易对工件表面造成损失的刀痕检测方法成为本领域技术人员目前所亟待解决的问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种无需取下工件，即可对工件进行检测，具有普适性，且不易对工件表面造成损失的超精密加工刀痕在位检测方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种超精密加工刀痕在位检测方法，包括以下步骤：

步骤一，加工表面形貌，对设置于所述机床主轴上的工件的加工表面进行超精密单点金刚石加工；

步骤二，测量反射光谱，设置反射光谱仪，并使所述反射光谱仪发射的光束垂直射入所述加工表面，以获得所述反射光谱；

步骤三，拟合判断，根据所述反射光谱，拟合计算出所述加工表面刀痕的几何信息，并根据所述几何信息判断所述加工表面是否满足加工需求。

优选地，所述步骤一中，所述工件吸附于机床主轴的真空吸盘上。

优选地，所述步骤一中，对所述加工表面进行微纳加工。

优选地，所述步骤二中，所述反射光谱仪设置于所述机床上。

优选地，在所述步骤一之前还包括以下步骤：

准备工作，将所述工件设置于所述机床主轴上。

优选地，在所述步骤三之后还包括以下步骤：

若不满足所述加工需求，则重复所述步骤一、步骤二和步骤三，直至满足所述加工需求。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

第一，本发明提供的超精密加工刀痕在位检测方法能够对工件进行在位检测，在工件的加工表面进行超精密单点金刚石加工完成后，无需将工件自机床上拆除即可完成刀痕检测，操作简单，且由于省去了移位操作，检测效率大大提高；

第二，本发明提供的超精密加工刀痕在位检测方法属于非接触式检测，与接触式检测相比，非接触式检测有效避免了加工表面损伤；

第三，本发明提供的超精密加工刀痕在位检测方法直接从光学效果出发，建立反射光谱与表面刀痕的耦合关系，并进行解耦分析刀痕几何参数，普遍适用于工件表面的刀痕检测，具有普适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中反射光谱仪与工件的配合方式示意图；

图2为理论光学模型示意图；

图3为加工表面光滑时的反射光谱曲线；

图4为加工表面具有2种不同尺寸的刀痕时的反射光谱曲线。

图1-图4附图标记说明：1、反射光谱仪；101、光束；2、刀痕；3、刀痕层；4、主轴；5、工件；501、加工表面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种无需取下工件，即可对工件进行检测，具有普适性，且不易对工件表面造成损失的超精密加工刀痕在位检测方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1所示，本实施例提供的超精密加工刀痕在位检测方法，包括以下步骤：

步骤一，加工表面501形貌，对设置于机床主轴4上的工件5的加工表面501(需要进行加工的表面)进行超精密单点金刚石加工；

步骤二，测量反射光谱，在对工件5的加工表面501进行超精密单点金刚石加工完成后，设置反射光谱仪1，并使反射光谱仪1发射的光束101垂直射入加工表面501，以获得反射光谱；

步骤三，拟合判断，根据反射光谱，拟合计算出加工表面501刀痕的几何信息，并根据几何信息判断加工表面501是否满足加工需求。

本发明提供的超精密加工刀痕在位检测方法具有以下优点：

第一，本发明提供的超精密加工刀痕在位检测方法能够对工件5进行在位检测，在工件5的加工表面501进行超精密单点金刚石加工完成后，无需将工件5自机床上拆除即可完成刀痕检测，操作简单，且由于省去了移位操作，检测效率大大提高；

第四，本发明提供的超精密加工刀痕在位检测方法属于非接触式检测，与接触式检测相比，非接触式检测有效避免了加工表面501损伤；

第三，本发明提供的超精密加工刀痕在位检测方法直接从光学效果出发，建立反射光谱与表面刀痕2的耦合关系，并进行解耦分析刀痕2几何参数，普遍适用于工件5表面的刀痕检测，数据处理精准高效，且不受加工方式的限制，具有普适性。

于本实施例中，步骤一中，工件5吸附于机床主轴4的真空吸盘上。进行超精密单点金刚石加工时，加工方法为车削、铣削或者刨削，但并不仅限于为车削、铣削或者刨削，还可以是其它方法。

于本实施例中，具体地，步骤一中，对加工表面501进行微纳加工。需要说明的是，微纳加工属于超精密单点金刚石加工。

于本实施例中，步骤二中，反射光谱仪1设置于机床上。需要说明的是反射光谱仪11并不仅限于设置于机床上，这里仅举例说明，只要保障反射光谱仪11发生的光束101垂直射入加工表面501即可。

于本实施例中，在步骤一之前还包括以下步骤：

准备工作，将工件5设置于机床主轴4上。

于本实施例中，在步骤三之后还包括以下步骤：

若不满足加工需求，则重复步骤一、步骤二和步骤三，直至满足加工需求。

参考图2-图4所示，本实施例提供的超精密加工刀痕在位检测方法测量原理如下：

当一束光向工件5入射，会在工件5的表面产生反射光，当工件5表面为平面时，反射光谱为一条光滑的曲线；由于刀痕2的存在，产生了光学常数的不连续性，利用等效介质理论将工件5等效为多层材料堆栈结构的理论光学模型，如图2所示，刀痕2所在的材料层可以等效成与基底材料光学常数不同的刀痕层3。

当有刀痕2时，刀痕层3的顶部和底部都反射光，总反射光量是这两部分反射光的叠加。因为光的波动性，这两部分反射光可能干涉相长(强度相加)或干涉相消(强度相减)，这取决于它们的相位关系。而相位关系取决于这两部分反射光的光程差，光程差又是由刀痕层3的深度、光学常数和光波长决定的。当刀痕层3内光程差等于光波长的整数倍时，两组反射光相位相同，因而干涉相长；相反，刀痕层3内光程是波长整数倍加半时，两组反射光相位相反，因而干涉相消，因此刀痕层3引起实际反射光谱具有周期性的波动，谱线的振幅与刀痕2宽度有关，谱线的周期与刀痕2深度有关。根据菲涅尔(Fresnel)公式和光学传递矩阵计算等效光学模型反射光谱可以得到波数与反射率对应的理论反射光谱。将实际反射光谱与理论反射光谱进行拟合，根据误差可获得刀痕2的深度及宽度等几何参数。如图3-图4所示，图3为表面光滑时的反射光谱曲线，图4为表面有2种不同尺寸的刀痕2时的反射光谱曲线。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种超精密加工刀痕在位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，加工表面形貌，对设置于机床主轴上的工件的加工表面进行超精密单点金刚石加工；

步骤二，测量反射光谱，设置反射光谱仪，并使所述反射光谱仪发射的光束垂直射入所述加工表面，以获得所述反射光谱；

步骤三，拟合判断，根据所述反射光谱，拟合计算出所述加工表面刀痕的几何信息，并根据所述几何信息判断所述加工表面是否满足加工需求；

在所述步骤三中，刀痕层引起实际反射光谱具有周期性的波动，谱线的振幅与刀痕宽度有关，谱线的周期与刀痕深度有关，根据菲涅尔公式和光学传递矩阵计算等效光学模型反射光谱得到波数与反射率对应的理论反射光谱，将实际反射光谱与理论反射光谱进行拟合，根据误差获得刀痕的深度及宽度。

2.根据权利要求1所述的超精密加工刀痕在位检测方法，其特征在于，所述步骤一中，所述工件吸附于机床主轴的真空吸盘上。

3.根据权利要求1所述的超精密加工刀痕在位检测方法，其特征在于，所述步骤一中，对所述加工表面进行微纳加工。

4.根据权利要求1所述的超精密加工刀痕在位检测方法，其特征在于，所述步骤二中，所述反射光谱仪设置于所述机床上。

5.根据权利要求1所述的超精密加工刀痕在位检测方法，其特征在于，在所述步骤一之前还包括以下步骤：

准备工作，将所述工件设置于所述机床主轴上。

6.根据权利要求1所述的超精密加工刀痕在位检测方法，其特征在于，在所述步骤三之后还包括以下步骤：

若不满足所述加工需求，则重复所述步骤一、步骤二和步骤三，直至满足所述加工需求。