CN117124483B - 基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，属于光学器件制造及超精密加工技术领域，包括通过光学探针系统在线检测并加工自由曲面棱镜毛坯的各个平面，采用测角仪和三坐标测量系统离线检测自由曲面棱镜的角度、位置度和面形误差，由实测数据构建棱镜模型并补偿加工出初始面，最后再通过光学探针系统在线检测并补偿加工曲面面形。本发明通过上述结构，解决了加工中的自由曲面棱镜各面之间的角度误差、位置误差和面形误差难以量化测量，导致自由曲面棱镜加工质量与实际理论值偏差较大、成像质量较低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件制造及超精密加工技术领域，尤其是涉及基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法。
背景技术
自由曲面棱镜是一个集多个自由曲面于一体的光学元件，拥有高自由度、大视场、体积小、成像质量更优、并且省去了装配环节等优势，因此采用自由曲面棱镜作为光学系统。但自由曲面棱镜在加工装配过程中，不仅要面临自由曲面棱镜各面之间的角度精度、位置精度和面形精度问题；还要面临加工装调过程中的误差耦合。为了使角度误差、位置误差和面形误差达到要求范围内，需对自由曲面棱镜进行反复的装调和检测，因此会对加工精度产生极大的影响。这对自由曲面棱镜的制造提出了挑战，增加了自由曲面棱镜加工和检测的难度。
专利CN201610969003.5公开的一种自由曲面棱镜加工方法，由于车削和加工过程中，需要对自由曲面棱镜和夹具多次拆卸装调，会使自由曲面棱镜的位置误差多次耦合，加工程序变得繁琐，导致加工效率和质量较低。现有技术CN201910827905.9公开的一种超精密车削自由曲面棱镜的方法，研究自由曲面棱镜一次性装盘就完成所有待加工面的车削加工，减少反复装调自由曲面棱镜所造成的加工位置误差问题，但仍存在忽略加工自由曲面棱镜各面的角度误差的问题，导致自由曲面棱镜加工质量与实际理论值偏差较大，成像质量较低。因此，有必要提供基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，解决加工中的自由曲面棱镜各面之间的角度误差、位置误差和面形误差难以量化测量，导致自由曲面棱镜加工质量与实际理论值偏差较大，成像质量较低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，该方法通过光学探针系统在线检测并加工自由曲面棱镜毛坯的各个平面，采用测角仪和三坐标测量系统离线检测自由曲面棱镜的角度、位置度和面形误差，由实测数据构建棱镜模型并补偿加工出初始曲面，最后再通过光学探针系统在线检测并补偿加工曲面面形。
优选的，具体操作步骤如下：
步骤1：单点车削加工自由曲面棱镜毛坯的两侧壁；使两侧壁间的距离达到理论值，并保证两侧壁互相平行；
步骤2：根据自由曲面棱镜毛坯的结构制造棱镜夹具；
步骤3：将自由曲面棱镜毛坯和棱镜夹具组装并置于机床上；
步骤4：在机床坐标系XYZ中，对自由曲面棱镜毛坯各待加工的相邻面的夹角进行在线精确测量；相邻面的夹角由两个自由度R1和R2确定：自由度R1是自由曲面棱镜毛坯沿着Z轴方向转动的角度，自由度R2是自由曲面毛坯；棱镜相邻两面的夹角；架上光学探针系统，通过规划探针和机床联动，调整预加工自由曲面棱镜毛坯的车削姿态，并确定R1和R2；
步骤5：安装上车刀系统，根据车削姿态对自由曲面棱镜毛坯的一个面进行平面单点车削得到第一车削面；若车削后的第一车削面是理想面，则以第一车削面为基准进行剩余面的单点车削；
步骤6：重复执行步骤4和步骤5，直至完成自由曲面棱镜毛坯所有面的平面车削，得到平面棱镜；
步骤7：首次将车削完成的平面棱镜从机床上拆卸下来，使用测角仪快速离线检测平面棱镜各个面的角度误差；判断角度误差是否满足要求，若否，则返回步骤4，对平面棱镜各面再次平面车削；若是，则执行步骤8；
步骤8：使用三坐标测量系统离线检测平面棱镜各面之间的位置误差，由实测数据构建棱镜模型，计算得到各个面的面形车削余量；
步骤9：将离线检测后的平面棱镜再次装夹并固定于机床上，采用光学探针系统在线定位平面棱镜的姿态，随后，根据车削余量对平面棱镜的第一车削面进行面形车削，以第一车削面为基准、以面形车削余量为目标，依次对平面棱镜各面进行面形车削，直至完成平面棱镜所有面的面形的加工，得到自由曲面棱镜；
步骤10：采用光学探针系统在线检测所加工曲面的面形误差，并补偿加工残余的曲面面形误差；
步骤11：将精加工后的自由曲面棱镜从机床上拆卸下来，重复步骤8，离线检测自由曲面棱镜的位置误差和面形误差检测；判断位置精度和面形精度是否均满足要求，若否，则返回步骤9进行面的再补偿加工；若是，则完成在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿车削加工。
优选的，所述机床为四轴联动机床，所述光学探针系统配有旋转台。
优选的，所述步骤4和所述步骤5中，将组装完成的光学探针系统和车刀系统置入机床时，使光学探针系统和车刀系统在竖直方向上与机床的Y轴重合。
优选的，所述步骤1-11中涉及到的加工路径均是从中心向外散开的螺旋线轨迹。
优选的，所述棱镜夹具与所述机床通过耳轴转动连接。
优选的，所述步骤11中的要求具体为：自由曲面棱镜的角度误差小于15″，位置精度在3μm以内，面形精度在0.3μm以内。
因此，本发明采用上述的基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，具备以下有益效果：
(1)提高加工效率：本发明通过棱镜夹具的辅助与机床相互配合，完成自由曲面棱镜的在线旋转和调试，减少反复拆卸自由曲面棱镜的步骤，提高加工效率。
(2)提高加工精度：基于在线与离线的检测实现高精度自由曲面棱镜的车削。通过规划探针与机床联动，使用测角仪快速离线检测自由曲面棱镜各个面的角度误差并补偿加工，可控制自由曲面棱镜的加工角度误差在15″内。使用三坐标测量系统离线检测自由曲面棱镜各面的位置误差，量化加工曲面的位置误差，可保证自由曲面棱镜的位置精度控制在3μm以内。使用光学探针系统在线检测自由曲面棱镜加工后的各个曲面面形误差，并在线补偿加工面形，可保证面形精度优于0.3μm。利用上述的在线与离线检测手段辅助加工，从而实现自由曲面棱镜的角度误差、位置误差和面形误差的高精度加工。
(3)使用范围广：在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，适用于光学塑料、红外材料设计的自由曲面毛坯棱镜的车削加工，使用范围广，适应性强。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法示意图；
图2为本发明基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法的流程图；
图3为本发明基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法的自由曲面棱镜示意图；
图4为本发明基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法的沿Z轴旋转自由曲面棱镜以调整棱镜的侧棱AA’与Y轴夹角(自由R1)的示意图；
图5为本发明基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法的第一车削面示意图及沿Y轴旋转自由曲面棱镜以调整第一车削面和第二车削面的夹角(自由R2)的过程示意图；
图6为本发明基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法的第二车削面示意图及沿Y轴旋转自由曲面棱镜以调整第一车削面和第二车削面的夹角(自由R2)的过程示意图；
图7为本发明基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法的测角仪示意图；
图8为本发明基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法的三坐标测量系统示意图。
附图说明
1、棱镜；2、棱镜夹具；3、机床；4、光学探针系统；5、车刀系统；6、测角仪；7、三坐标测量系统；8、耳轴；9、第一车削面；10、第二车削面；11、第一棱镜侧壁；12、第二棱镜侧壁。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如说明书附图1-8，本发明公开了基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，需要注意的是，随着加工步骤的深入处理，棱镜1有不同的形态：我们将其初始时的形态称为自由曲面棱镜毛坯，在步骤6完成后称其为平面棱镜，在步骤9完成后称其为自由曲面棱镜。
该方法通过光学探针系统4在线检测并加工自由曲面棱镜毛坯的各个平面，采用测角仪6和三坐标测量系统7离线检测自由曲面棱镜1的角度、位置度和面形误差，由实测数据构建棱镜模型并补偿加工出初始曲面，最后再通过光学探针系统4在线检测并补偿加工曲面面形。其中，每个步骤中棱镜1所处的形态详见以下具体操作步骤描述。
具体操作步骤如下：
步骤1：单点车削加工自由曲面棱镜毛坯的两侧壁，使两侧壁的距离达到理论值，并保证两侧壁互相平行；
步骤2：根据自由曲面棱镜毛坯的结构制造棱镜夹具2；
步骤3：将自由曲面棱镜毛坯和棱镜夹具2组装并置于机床3上；
步骤4：在机床3坐标系XYZ中，对自由曲面棱镜毛坯各待加工的相邻面的夹角进行在线精确测量；相邻面的夹角由两个自由度R1和R2确定：自由度R1是自由曲面棱镜毛坯沿着Z轴方向转动的角度，自由度R2是相邻两面的夹角；架上光学探针系统4，通过规划探针和机床3联动，调整预加工自由曲面棱镜毛坯的车削姿态，并确定R1和R2；
步骤5：安装上车刀系统5，根据车削姿态对自由曲面棱镜毛坯的一个面进行平面单点车削得到第一车削面；若车削后的第一车削面9是理想面，则以第一车削面9为基准进行剩余面的单点车削；
步骤6：重复执行步骤4和步骤5，直至完成自由曲面棱镜毛坯1所有面的平面车削，得到平面棱镜；
步骤7：首次将车削完成的平面棱镜从机床3上拆卸下来，使用测角仪6快速离线检测平面棱镜各个面的角度误差；判断角度误差是否满足要求，若否，则返回步骤4，对平面棱镜各面再次平面车削；若是，则执行步骤8；
步骤8：使用三坐标测量系统7离线检测平面棱镜各面之间的位置误差，由实测数据构建棱镜模型，计算得到各个面的面形车削余量；
步骤9：将离线检测后的平面棱镜再次装夹并固定于机床3上，采用光学探针系统4在线定位平面棱镜的姿态，随后，根据车削余量对平面棱镜的第一车削面9进行面形车削，以第一车削面9为基准、以曲面面形车削余量为目标，依次对平面棱镜各面进行面形车削，直至完成平面棱镜所有面的面形加工，得到自由曲面棱镜；
步骤10：采用光学探针系统4在线检测所加工曲面的面形误差，并补偿加工残余的曲面面形误差；
步骤11：将精加工后的自由曲面棱镜从机床3上拆卸下来，重复步骤8，离线检测自由曲面棱镜的位置误差和面形误差检测；判断位置精度和面形精度是否均满足要求，若否，则返回步骤9进行面的再补偿加工；若是，则完成在线与离线检测的自由曲面棱镜的高精度补偿车削加工。
详细的，机床3为四轴联动机床，光学探针系统4配有旋转台；步骤4和步骤5中，将组装完成的光学探针系统4和车刀系统5置入机床3时，使光学探针系统4和车刀系统5在竖直方向上与机床3的Y轴重合；步骤1-11中涉及到的加工路径均是从中心向外散开的螺旋线轨迹；棱镜夹具2与机床3通过耳轴8转动连接；步骤11中的要求为自由曲面棱镜1的角度误差小于15″，位置误差在3μm以内，面形精度在0.3μm以内。
在具体实施过程中，通过光学探针系统4在线检测并加工棱镜1的各个平面，采用测角仪6和三坐标测量系统7离线检测棱镜1的角度、位置度和面形误差，由实测数据构建棱镜模型并补偿加工出初始曲面，最后再通过光学探针系统在4线检测并补偿加工曲面面形，降低了加工与装调过程中产生的多种类误差耦合，有效提高自由曲面棱镜的多面一体化加工的精度。具体步骤如下：
步骤1：对自由曲面棱镜毛坯的两个侧面壁：第一棱镜侧壁11和第二棱镜侧壁12进行单点车削加工，使第一棱镜侧壁11和第二棱镜侧壁12的距离达到理论值并且确保两侧壁互相平行，从而减少车削过程中所引入的误差项；
步骤2：根据自由曲面棱镜毛坯的特殊结构制造棱镜夹具2，使自由曲面棱镜毛坯能够固定在机床3上并实现镜片各面之间的转动，避免自由曲面棱镜毛坯在反复装夹过程中产生的误差；
步骤3：将自由曲面棱镜毛坯1和棱镜夹具2组装并置于机床3上，在线定位自由曲面棱镜毛坯的车削姿态；
步骤4：在机床3坐标系上，在线精确测量自由曲面棱镜毛坯相邻面的夹角，面的夹角是由两个自由度决定。自由度(R1)是自由曲面棱镜毛坯沿着Z轴方向转动的角度，目的是要保证自由曲面棱镜毛坯(如图3)在加工车削前，自由曲面棱镜毛坯的侧棱AA’与Y轴相平行。架上光学探针系统4，使探针在Y轴方向上下移动，探测AA’与Y轴的角度误差(如图4左图)，同时转动机床，使自由曲面棱镜毛坯沿着Z轴转动(如图4左图)，进而调整自由曲面棱镜毛坯角度误差。若AA’与Y轴角度误差控制在15″内(如图4右图)，则确定R1；自由度(R2)是自由曲面棱镜毛坯各相邻面在XOZ面上的夹角，目的是要调整自由曲面棱镜毛坯车削姿态，确保自由曲面棱镜毛坯车削面和相邻面的夹角为β。架上光学探针系统4，使光学探针系统沿Z轴方向上运动(如图5左图)，测量得到正切值，从而确定夹角：
光学探针系统4测量的同时，使自由曲面棱镜毛坯沿着Y轴转动(如图5中图)，直至探针所测得角度θ的补交与两面之间的夹角β的误差范围控制在15″内，则确定R2以及自由曲面棱镜毛坯的车削姿态；
步骤5：确定了自由曲面棱镜毛坯的车削姿态后，架上车刀系统5，根据车削姿态对自由曲面棱镜毛坯的第一车削面9进行平面车削；随后以第一车削面9为基准面对第二车削面10开展在线检测与车削；
步骤6：重复步骤4和步骤5，以第一车削面9为基准依次进行相邻面的车削，直至完成自由曲面棱镜毛坯所有面的平面车削，得到平面棱镜102；
步骤7：首次将平面车削的平面棱镜从机床3上拆卸下来，将平面棱镜固定于测角仪6的工作台上，旋转测角仪6工作台底座从而得到平面棱镜各面夹角的角度参数(如图7)，并与理论值对比得到平面棱镜各相邻面的角度误差。若误差大于15″，返回步骤4，对平面棱镜102进行再次平面车削；反之，则执行步骤8；
步骤8：使用三坐标测量系统7对于平面棱镜的位置误差和面形误差进行离线检测；在三坐标测量系统7中导入平面棱镜数模，并将平面棱镜固定于三坐标测量系统7的工作台上，使用光学探针系统4依次对各面进行接触式的打点测量(如图8)，检测各个面的位置数据，从而得到每个面的面形补偿加工的车削余量；
步骤9：将离线检测后的平面棱镜再次装夹并固定于机床3上，并采用光学探针系统4在线定位平面棱镜的车削姿态，随后，根据车削余量完成对平面棱镜的第一车削面9的面形车削。以第一车削面9为基准、以面形车削余量为目标，依次对平面棱镜各面进行面形车削，直至完成平面棱镜所有表面面形加工，得到自由曲面棱镜；
步骤10：采用光学探针系统4在线检测所加工曲面的面形误差，并补偿加工残余的曲面面形误差；
步骤11：将完成面形车削的自由曲面棱镜从机床3上拆卸下来，对自由曲面棱镜进行离线三坐标测量(如图8)，检测各面的位置精度和表面面形误差。自由曲面棱镜的角度误差小于15″，位置精度要求在3um以内，面形精度要求在0.3um以内，若有其一未达到要求则返回步骤9，根据三坐标测量系统7得到的车削余量进行面形的再补偿加工，若均满足要求，则完成对自由曲面棱镜的在线与离线检测的高精度补偿车削加工。
因此，本发明采用上述结构的基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，解决了加工中的自由曲面棱镜各面之间的角度误差、位置误差和面形误差难以量化测量，导致自由曲面棱镜加工质量与实际理论值偏差较大，成像质量较低的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，其特征在于，该方法通过光学探针系统在线检测并加工自由曲面棱镜毛坯的各个平面，采用测角仪和三坐标测量系统离线检测自由曲面棱镜的角度、位置度和面形误差，由实测数据构建棱镜模型并补偿加工出初始曲面，最后再通过光学探针系统在线检测并补偿加工曲面面形；操作步骤如下：
步骤1：单点车削加工自由曲面棱镜毛坯的两侧壁，使两侧壁间的距离达到理论值，并保证两侧壁互相平行；
步骤2：根据自由曲面棱镜毛坯的结构制造棱镜夹具；
步骤3：将自由曲面棱镜毛坯和棱镜夹具组装并置于机床上；
步骤4：在机床坐标系XYZ中，对自由曲面棱镜毛坯各待加工的相邻面的夹角进行在线精确测量；相邻面的夹角由两个自由度R1和R2确定：自由度R1是自由曲面棱镜毛坯沿着Z轴方向转动的角度，自由度R2是自由曲面棱镜毛坯相邻两面的夹角；架上光学探针系统，通过规划探针和机床联动，调整预加工自由曲面棱镜毛坯的车削姿态，并确定R1和R2；
步骤5：安装上车刀系统，根据车削姿态对自由曲面棱镜毛坯的一个面进行平面单点车削得到第一车削面；若车削后的第一车削面是理想面，则以第一车削面为基准进行剩余面的单点车削；
步骤6：重复执行步骤4和步骤5，直至完成自由曲面棱镜毛坯所有面的平面车削，得到平面棱镜；
步骤7：首次将车削完成的平面棱镜从机床上拆卸下来，使用测角仪快速离线检测平面棱镜各个面的角度误差；判断角度误差是否满足要求，若否，则返回步骤4，对平面棱镜各面再次平面车削；若是，则执行步骤8；
步骤8：使用三坐标测量系统离线检测平面棱镜各面之间的位置误差，由实测数据构建棱镜模型，计算得到各个面的面形车削余量；
步骤9：将离线检测后的平面棱镜再次装夹并固定于机床上，采用光学探针系统在线定位平面棱镜的车削姿态，随后，根据车削余量对平面棱镜的第一车削面进行面形车削，以第一车削面为基准、以面形车削余量为目标，依次对平面棱镜各面进行面形车削，直至完成平面棱镜所有面的面形加工,得到自由曲面棱镜；
步骤10：采用光学探针系统在线检测所加工曲面的面形误差，并补偿加工残余的曲面面形误差；
步骤11：将精加工后的自由曲面棱镜从机床上拆卸下来，重复步骤8，离线检测自由曲面棱镜的位置误差和面形误差检测；判断位置精度和面形精度是否均满足要求，若否，则返回步骤9进行面的再补偿加工；若是，则完成在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿车削加工。
2.根据权利要求1所述的基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，其特征在于，所述机床为四轴联动机床，所述光学探针系统配有旋转台。
3.根据权利要求1所述的基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，其特征在于，所述步骤4和所述步骤5中，将组装完成的光学探针系统和车刀系统置入机床时，使光学探针系统和车刀系统在竖直方向上与机床的Y轴重合。
4.根据权利要求1所述的基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，其特征在于，所述步骤1-11中涉及到的加工路径均是从中心向外散开的螺旋线轨迹。
5.根据权利要求1所述的基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，其特征在于，所述棱镜夹具与所述机床通过耳轴转动连接。
6.根据权利要求1所述的基于在线与离线检测的自由曲面棱镜高精度补偿加工方法，其特征在于，所述步骤11中的要求具体为：自由曲面棱镜的角度误差小于15″，位置精度在3μm以内，面形精度在0.3μm以内。
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