基于柔性测头的超精密原位测量装置及超精密加工方法

摘要

本发明属于光学测量和加工技术领域，涉及一种基于柔性测头的超精密原位测量装置，包括柔性测头、传像光纤、耦接镜、高精密转台和光学三维测量系统，所述柔性测头被置于高精密转台上，其中心位于转台的旋转轴的轴线上，柔性测头采集的被测面图像，依次通过传像光纤、耦接镜被传送至光学三维测量系统。本发明同时提供一种利用该测量装置实现的超精密加工方法。本发明的测量装置，可以延长并缩减光学测量系统，并且能够实现大曲率面形的测量和超精密加工补偿。

说明书

技术领域

本发明属于光学测量和加工技术领域，涉及一种适用于超精密加工机床的原位超精密测量装置。

背景技术

纳米级复杂曲面的超精密加工是先进制造技术的前沿领域，是现代高科技产品关键零部件制造的核心支撑技术之一，在航空航天、国防、新能源、通讯、微电子、光电子、医疗等领域中的应用越来越广泛，极大地提高了关键器件的加工效率，成为一个国家国民经济、国防和科学技术综合实力的体现。目前，各类应用领域也对纳米级复杂曲面的加工精度逐渐提出更高要求，因此，高精度纳米级复杂曲面制造是目前超精密加工领域的主要任务。除了从加工方法上考虑面形精度的提高之外，依靠误差补偿技术逐步提高面形精度是必不可少的步骤，其中非常重要的是数据获取的手段，即超精密测量技术。现有测量技术都存在扫描量程小、测量面形相对简单、离线测量的缺点，在加工中会引入二次装夹和定位误差，同时也阻碍了加工、测量和补偿过程的集成自动化，因此，基于超精密机床的纳米精度原位测量系统已成为研究的热点。光学测量方法具有速度快、非损伤的优点，但因光学结构复杂，系统结构不易小型化，难于在超精密机床有限空间中实现原位放置，也是影响其原位化的重要原因。同时受光学系统的数值孔径和视场范围的限制，这种光学非接触式方法不适合大曲率面形的测量。因此，设计可以进行大曲率测量的光学原位测量系统具有很重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提出一种可以辅助光学测量系统进行原位测量的测头结构。本发明通过柔性测头的提出和设计，可以延长并缩减光学测量系统，并且借助测头的柔性控制实现大曲率面形的测量，从而解决光学测量系统原位化和大曲率面形测量难题。本发明采用如下的技术方案：

一种基于柔性测头的超精密原位测量装置，其特征在于，所述测量装置包括柔性测头、传像光纤、耦接镜、高精密转台和光学三维测量系统，所述柔性测头被置于高精密转台上，其中心位于转台的旋转轴的轴线上，柔性测头采集的被测面图像，依次通过传像光纤、耦接镜被传送至光学三维测量系统。

本发明同时还提供了一种采用所述的测量装置实现的超精密加工方法，包括下列步骤：

(1)建立加工系统的XYZ加工坐标系，使转台旋转轴平行于加工坐标系X轴，并装配柔性测头，使其通过通过传像光纤、耦接镜与光学三维测量系统相连；

(2)标定柔性测头，确定测头端面和旋转轴轴线的距离d；

(3)对所需加工工件进行粗加工和超精密加工；

(4)设由柔性测头的旋转角度为θ，以机床的定位移动确定刀具和测头的X方向偏差ΔX，进行原位测量，由柔性测头直接得到的加工表面的测量数据点为(x₁，y，z₁)，则该点在加工系统的XYZ坐标系中绝对加工坐标为(dcosθ+x1+ΔX，y，dsinθ+z₁)；

(5)将加工表面的绝对加工坐标点直接和所加工工件的面形模型数据进行比较，得到其加工面形误差数据；

(6)依据面形误差数据进行加工路径修正和补偿加工，通过反复的原位测量和补偿加工，实现工件可控面形的超精密加工。

作为优选实施方式，第(1)步中提到的柔性测头的装配步骤为：

(1)设计耦接镜，连接传像光纤和测量系统，在光纤另一端固定物镜，以作为柔性测头；

(2)将高精密转台固定于一刚性平台上，将刚性平台固定于加工机床上，并将高精密转台和加工刀架及刀具平行放置；

(3)将柔性测头通过夹具固定于高精密转台，调整使其中心位于转台旋转轴的轴线上；

(4)以加工机床的加工平面作为基准平面，调整刀具和柔性测头的位置在加工坐标系Y方向和Z方向上的对正。

此外，第(2)步中的柔性测头标定步骤为：采用装配好的柔性测头对标准凹球冠的横向中心线进行测量，则所有由柔性测头直接得到的所有测量点(x₁，z₁)均与轴线方向、旋转角度θ及机床对应坐标(x₀，z₀)相关，且满足球面方程，利用测量点建立的球面方程组，借助最优化计算方法确定测头端面和旋转轴轴线的距离d。

本发明具有以下特点：(1)柔性测头可以将原有测量系统延长，并小型化，易于实现原位测量，同时保证原有测量系统的离线测量能力；(2)柔性测头可以借助旋转控制实现大曲率面形的测量，突破光学测量系统面形曲率测量限制；(3)柔性测头不局限于超精密车床上使用，还可以应用于其他超精密加工方法中；(4)柔性测头也不局限于某一光学测量方法，凡是基于光学测量的方法均可以借助该想法实现柔性测头的应用；(5)柔性测头可以应用于其他精度的加工系统原位测量中，也可以应用于其他需要小型化测量系统，但本身测量系统却难以小型化的其他应用中。

附图说明

图1基于柔性测头测量装置的结构示意图；

图2柔性测量示意图；

图3旋转控制示意图；

图4系统标定示意图。

附图标记说明如下：1柔性测头；2高精密转台；3传像光纤；4耦接镜；5光学三维测量系统；6超精密车床；7金刚石刀具。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明提出了一种可以直接放置在超精密加工机床上，实现大曲率表面的原位测量的柔性测头。装配了这种柔性测头的测量装置包括：柔性测头、传像光纤、耦接镜、光学三维测量系统、高精密转台。其原位测量应用的结构如图1所示。

测头的光学测量部件借助耦接镜连接传像光纤，通过另一端的物镜实现被测图像采集。光线可以将所需的光源照明传导至被测物表面，同时传送被被测物面形调制的测量图像，测头获取图像，实现和直接进行采集图像的测量。这种结构等效将原有的光学测量系统进行延长，并小型化为光纤的物镜，称为测头。该测头具有体积小的特点，比原有测量系统更易放置于超精密加工机床上，实现原位测量。

由于受到光学测量系统的数值孔径、测量距离等多方面的影响，其测量的范围也受到一定的限制，尤其是很难胜任大曲率面形的测量。这里选择一种柔性光纤，增大测头的自由度，实现面形跟踪测量，进而实现大曲率面形测量。测头可以依据被测面形的曲率进行角度旋转，实现测头测量方向的调整，保持测头大致垂直于被测区域，实现大曲率面形的测量，如图2所示。因为光纤在这个过程中进行柔性控制，因此，本发明称该测头为柔性测头。如图3所示，XYZ坐标系为加工坐标系。柔性测头的角度调整依靠高精密转台来实现，依据被测面可能的曲率方向，需要进行两个方面的旋转控制，即：柔性测头的水平偏摆(旋转轴平行于加工坐标系Y轴)和柔性测头的垂直倾仰(旋转轴平行于加工坐标系X轴)。为了控制方便，在实际柔性控制中仅对其中水平偏摆进行转台控制，由高精密转台完成。而对于垂直倾仰的法向矢量，由于测量距离较近可依靠柔性测头的数值孔径来涵盖到，这样可以避免两个旋转台的调试和控制困难。这种方法的控制转台的法失方向由被测面法失修正为被测面法失在加工坐标系XZ平面的投影法失。

测量时，将本发明的柔性测头应用于超精密车床上，应用的光学测量系统基于激光自动聚焦测量方法，通过螺旋测量路径设计和与机床数控连接，实现柔性测量。通过实验证明该方法实用可行，可以实现光学测量系统的原位测量。具体测量步骤如下：

(1)柔性测头装配。针对所选定的光学三维测量系统的光学特性进行耦接镜的设计，使之连接传像光纤和测量系统的物镜，传像光纤另一端连接测量物镜。耦接镜和光纤物镜的设计需保证测量所需数值孔径和测量距离等条件要求。将精密转台固定于一刚性平台上，并将转台系统整体固定于加工机床上，并和加工刀架及刀具平行放置，如图1所示，根据被加工工件口径大小，转台和刀架的距离进行相应的调整，以保证转台在加工过程中对实际加工造成干涉。将柔性测头的物镜通过特定夹具固定在精密转台上，通过激光干涉仪测试调整使其中心位于转台轴线上。对平面进行切削加工，以平面作为基准平面，调整刀具和柔性测头的位置在加工坐标系Y方向和Z方向上的对正，以机床的定位移动确定刀具和测头的X方向偏差ΔX，以保证加工坐标系和柔性测头测量坐标系的统一。

(2)柔性控制转台标定。在柔性测量的过程中，对测头和转台旋转轴的位置关系的标定是非常重要的步骤，具体来说就是确定测头端面和转台轴线的距离d。在进行柔性测头装配和调整后，图3中转台旋转轴n₁(ΔX，0，d)中的变量可以确定，其中d为未知量，需要借助图4是标定方法进行标定，即对曲率较大的已知凹球冠的两个互相垂直的中心线进行原位测量，球冠的半径为R，球冠面形精度较高，一般PV值在100nm以下(该精度要求可依据所需测量精度进行相应的调整)。仅对凹球冠的横向中心线进行测量可以实现转轴方向标定。对横向轴心线的测量，仅借助旋转台1的旋转及机床本身的x和z向位移可以完成，按照测量原理所有测量点(x₁，z₁)均与轴线方向、旋转角度θ及机床对应坐标(x₀，z₀)相关，可以表示为，

$\left(\begin{array}{c}{x}_0=d\cos \theta +x1\\ z_0=d\sin \theta +z_1\end{array}\right)---\left(1\right)$

所有测量点满足球面方程，通过最优化计算方法可以进行其中未知参数d的求解。

(3)在进行以上设定和标定后，所有系统未知量均已确定，可利用原位测量对所加工表面进行可控面形的超精密加工。其步骤为：先对所需加工工件进行超精密粗加工和精加工，然后按照加工路径进行原位测量。由柔性测头直接得到的测量数据点(x₁，y，z1)，需先经过转台旋转量的计算转为临时测量数据点(dcosθ+x1，y，dsinθ+z₁)，然后依据旋转轴的X向偏移量求取加工表面的绝对加工坐标(dcosθ+x1+ΔX，y，dsinθ+z₁)，该数据已完全转换到加工坐标系，可以直接和所加工工件的面形模型数据进行比较，得到其加工面形误差数据，从而正确地评价面形误差。依据面形评价结果进行加工路径修正和补偿加工，通过反复的原位测量和补偿加工，实现工件可控面形的超精密加工。