非球面磨削圓弧金剛石砂輪三維形狀誤差在位精密測量方法與流程

本發(fā)明涉及非球面光學(xué)元件超精密磨削加工領(lǐng)域，具體涉及非球面磨削過程中使用的圓弧金剛石砂輪三維形狀誤差的精密測量方法。

背景技術(shù)：

非球面鏡能夠消除球面元件在光束傳遞過程中產(chǎn)生的球差、慧差、像差等不利影響，在光束聚焦時(shí)能減少光能損失，提高聚焦和校準(zhǔn)精度，在大型高功率光學(xué)系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。采用超精密磨削加工的方法，可批量獲得高精度大口徑非球面鏡片，目前國際上已被多項(xiàng)大型光學(xué)系統(tǒng)(如nif、keck、tmt、gmt、euro50、owl等)作為光學(xué)元器件制造的主工藝使用。超精密磨削加工基于高精度和高剛度的磨削機(jī)床，通過對運(yùn)動坐標(biāo)的精確插補(bǔ)計(jì)算，利用砂輪的運(yùn)動復(fù)印原理獲得成形表面，因此砂輪的幾何形狀誤差會完全復(fù)印到元件表面，影響最終元件的成形加工精度。對砂輪形狀誤差的精確測量，是實(shí)現(xiàn)數(shù)控磨床運(yùn)動坐標(biāo)精確插補(bǔ)計(jì)算的前提，是進(jìn)行高精度非球面超精密磨削加工必須首先解決的問題。

cn102840839a公開了一種砂輪截形精確測量和誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ摲椒ɡ酶叻直媛蕯?shù)碼設(shè)備對待測砂輪進(jìn)行圖像采集，提取截形并獲得待測砂輪輪廓數(shù)據(jù)，然后與標(biāo)準(zhǔn)砂輪截形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，獲得待測砂輪的截形誤差。該種方法可以用于各種類型的砂輪截形的檢測，并且獲得的數(shù)據(jù)是衡量砂輪修整器性能的重要指標(biāo)。但對于光學(xué)加工微米級別的精度要求，該種方法的測量精度受限于數(shù)碼設(shè)備的分辨率而不能滿足光學(xué)加工的實(shí)際應(yīng)用，并且對于圓弧砂輪的多個(gè)形狀誤差評價(jià)參數(shù)，如：圓弧中心偏差、砂輪徑向跳動誤差、砂輪基礎(chǔ)部分半徑等，無法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算獲得。

cn105234820a公開了一種非接觸式金屬基砂輪圓度誤差及磨損量在線檢測方法及其裝置，利用固定電渦流傳感器實(shí)現(xiàn)對金屬基砂輪圓弧誤差的精確測量，結(jié)合光電碼盤對砂輪相位的精確定位，測量磨損前后砂輪同一位置處的半徑變化獲得砂輪的磨損量。該方法能夠以非接觸的方式在線精確獲得金屬基砂輪的圓度誤差，但同樣無法準(zhǔn)確獲取圓弧砂輪例如圓弧半徑、圓弧中心偏差、圓弧度誤差等參數(shù)，并且對于陶瓷基、樹脂基等不導(dǎo)電的砂輪無法進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

目前公開的砂輪形狀誤差檢測技術(shù)中，多數(shù)利用工業(yè)相機(jī)對砂輪進(jìn)行圖像采集與處理，以及利用傳感器對表征形狀誤差的極個(gè)別參數(shù)進(jìn)行檢測，對于高精度的復(fù)雜非球面加工領(lǐng)域的復(fù)雜曲面砂輪，其形狀誤差需要進(jìn)行多參數(shù)精確測量與評價(jià)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于大口徑非球面光學(xué)元件精密磨削圓弧金剛石砂輪三維形狀誤差的在位精密測量方法。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：非球面磨削圓弧金剛石砂輪三維形狀誤差在位精密測量方法，該方法包含以下步驟：

1)將位移傳感器安裝于金剛石砂輪下方，勻速旋轉(zhuǎn)金剛石砂輪，同時(shí)位移傳感器沿金剛石砂輪軸向勻速平動，測量點(diǎn)在金剛石砂輪表面進(jìn)行螺旋式連續(xù)掃描，同時(shí)記錄位移傳感器測得的數(shù)據(jù)z(t)；

2)對數(shù)據(jù)z(t)進(jìn)行勻滑濾波處理，并截取中央部分有效數(shù)據(jù)，按螺旋軌跡模型進(jìn)行插值擬合處理，得到金剛石砂輪表面三維幾何形貌矩陣m0；

3)將三維幾何形貌矩陣m0按金剛石砂輪軸向取向量，逐一進(jìn)行最小二乘圓弧擬合，得到金剛石砂輪不同相位處的圓弧半徑r(α)以及圓弧中心坐標(biāo)y(α)和z(α)；

4)根據(jù)平均圓弧半徑和圓弧中心坐標(biāo)，建立金剛石砂輪表面的平均三維幾何形貌矩陣mave，并與步驟2)得到的形貌矩陣m0相減，得到金剛石砂輪(1)表面三維誤差分布矩陣merror、圓弧度誤差和徑向跳動誤差；

5)將位移傳感器沿x向勻速平動，并記錄位移傳感器位移數(shù)據(jù)和機(jī)床坐標(biāo)，通過最小二乘圓弧擬合，得到金剛石砂輪基礎(chǔ)部分半徑rb。

進(jìn)一步的，步驟1)所述金剛石砂輪安裝在超精密磨床主軸上，所述位移傳感器固定在金剛石砂輪正下方，測量光線豎直向上照射于金剛石砂輪表面最低點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對金剛石砂輪表面形貌的連續(xù)掃描測量。

進(jìn)一步的，步驟1)所述在對金剛石砂輪(1)表面形貌連續(xù)掃描測量過程中，金剛石砂輪(1)勻速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)位移傳感器(2)沿軸向平動，被測光點(diǎn)沿金剛石砂輪(1)表面做均勻螺旋線掃描，掃描軌跡數(shù)學(xué)模型為：

進(jìn)一步的，步驟2)所述對數(shù)據(jù)勻滑濾波處理為：移動平均比較限幅濾波，將濾波器窗口中除被濾波點(diǎn)外的其余各點(diǎn)進(jìn)行算術(shù)平均，并與被濾波點(diǎn)進(jìn)行比較，超出設(shè)定的閾值時(shí)被濾波點(diǎn)替換為均值，移動濾波器窗口遍歷所有數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)中噪聲點(diǎn)的勻滑去除。

進(jìn)一步的，步驟2)所述插值方式為三次樣條插值。

進(jìn)一步的，步驟5)所述為：將金剛石砂輪靜止于某一相位，使位移傳感器沿金剛石砂輪方向連續(xù)掃描測量，獲得金剛石砂輪最大外圓輪廓數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圓弧擬合，得到金剛石砂輪基礎(chǔ)部分半徑rb。

本發(fā)明的有益效果是：采用非接觸式位移傳感器，避免接觸式測頭長期測量造成磨損而引入測量誤差，并且適于不同材質(zhì)的被測表面，測量精度達(dá)到微米級別；測量過程中經(jīng)過2次輪廓掃描測量，并通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，即可得到砂輪復(fù)雜曲面的精確三維幾何形貌和所有重要幾何尺寸參數(shù)信息及其相對誤差，測量過程簡單，測量效率高。在大口徑非球面光學(xué)元件超精密磨削過程中采用該方法測量金剛石砂輪，將測量得到的幾何參數(shù)進(jìn)行砂輪運(yùn)動控制點(diǎn)坐標(biāo)的插補(bǔ)計(jì)算，并進(jìn)行元件磨削加工，最終元件的形狀誤差峰谷值在5μm以內(nèi)。本發(fā)明對大口徑非球面光學(xué)元件的超精密成形磨削加工具有重要的意義。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的測量原理圖。

圖2是本發(fā)明的測量數(shù)據(jù)處理流程圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例螺旋掃描測量得到的原始數(shù)據(jù)。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例不同相位處砂輪圓弧半徑。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例不同相位處圓弧中心偏差。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例砂輪三維形貌誤差分布圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例不同位置處的圓弧度誤差。

圖8是本發(fā)明實(shí)施例不同位置處的徑向跳動誤差。

圖9是本發(fā)明實(shí)施例砂輪基礎(chǔ)部分半徑。

具體實(shí)施方式

如圖1和圖2所示，本發(fā)明方法包括以下步驟：

1)將位移傳感器2安裝于金剛石砂輪1下方，并調(diào)節(jié)傳感器2與砂輪1之間的空間位置，使被測光點(diǎn)位于砂輪1表面x向最低點(diǎn)，調(diào)節(jié)砂輪z向高度，保證砂輪沿y向(軸向)的整個(gè)截面輪廓均在傳感器的量程內(nèi)；

位移傳感器2發(fā)射出激光(光斑大小約50μm)于被測表面后，經(jīng)被測表面漫反射，再傳輸至位移傳感器2的接收部件，實(shí)現(xiàn)對被測表面形貌的非接觸測量。將位移傳感器2測頭安裝于機(jī)床工作臺面上，光線豎直向上照射于砂輪1表面，為保證所測量的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反映砂輪1外圓輪廓，測量光線必須與砂輪1軸線垂直相交，為此需調(diào)節(jié)測頭與砂輪1之間x方向的相對位置，即保證被測光點(diǎn)位于砂輪x方向的最低位置處。

2)根據(jù)具體測量的需要，設(shè)置砂輪旋轉(zhuǎn)速度nw和傳感器沿y向平動速度vy，如公式(1)和公式(2)所示，式中dc為砂輪相鄰兩離散數(shù)據(jù)點(diǎn)沿圓周方向的距離，dt為傳感器采樣周期，dy為相鄰兩螺旋掃描軌跡沿y方向的距離；

vy＝nw·dy(2)

3)將被測光點(diǎn)沿y向移出砂輪表面，勻速旋轉(zhuǎn)砂輪，再使傳感器沿y向勻速平動，被測光點(diǎn)沿砂輪表面螺旋分布，記錄傳感器測得的數(shù)據(jù)，即砂輪表面螺旋掃描軌跡的z向位移數(shù)據(jù)z(t)；

4)將步驟3)得到的數(shù)據(jù)z(t)截取中央部分的有效數(shù)據(jù)，并進(jìn)行勻滑濾波處理，得到數(shù)據(jù)z1(t)，對數(shù)據(jù)勻滑濾波處理方式為移動平均比較限幅濾波，將濾波器窗口中除被濾波點(diǎn)外的其余各點(diǎn)進(jìn)行算術(shù)平均，并與被濾波點(diǎn)進(jìn)行比較，超出設(shè)定的閾值時(shí)被濾波點(diǎn)替換為均值，移動濾波器窗口遍歷所有數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)中噪聲點(diǎn)的勻滑去除；

5)將數(shù)據(jù)按圓周方向展開，建立螺旋掃描軌跡數(shù)學(xué)模型如公式(3)所示，式中c為離散采樣點(diǎn)序列沿圓周方向的坐標(biāo)向量，y為離散采樣點(diǎn)序列y軸方向的坐標(biāo)向量，z為在對應(yīng)的(c,y)位置處測量得到的位移數(shù)據(jù)，nw為砂輪旋轉(zhuǎn)速度，k為測量光點(diǎn)在砂輪表面的掃描圈數(shù)，w為砂輪測量寬度，n為所有測量數(shù)據(jù)序列的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，dt為傳感器的數(shù)據(jù)采樣周期，v為軸向測量速度，zi為測量傳感器獲得的數(shù)據(jù)序列，t為測量光點(diǎn)在砂輪表面掃描時(shí)間；

6)將數(shù)據(jù)z1(t)按螺旋掃描軌跡模型進(jìn)行插值擬合處理，插值方式為三次插值(cubic)，得到砂輪表面三維幾何形貌矩陣m0；

7)將砂輪表面三維幾何形貌矩陣m0按y向取向量逐一進(jìn)行最小二乘圓弧擬合，得到砂輪表面不同相位處的圓弧半徑r(α)、圓弧中心y、z向坐標(biāo)y(α)和z(α)，并計(jì)算其算術(shù)平均值rave，yave和zave；

8)根據(jù)平均圓弧半徑rave和平均圓弧中心坐標(biāo)(yave，zave)，重構(gòu)建立砂輪表面的平均三維幾何形貌矩陣mave，并與步驟6)得到的形貌矩陣m0相減，得到整個(gè)金剛石砂輪(1)表面的三維誤差分布矩陣merror，其中，三維誤差分布矩陣merror沿y向取向量即為不同相位處的圓弧度誤差，三維誤差分布矩陣merror沿圓周方向取向量即為不同位置處的徑向跳動誤差；

8)調(diào)節(jié)傳感器與砂輪之間的空間位置關(guān)系，使被測光點(diǎn)位于砂輪表面y向最和x向低點(diǎn)，沿x向左右平動傳感器，平動范圍為±l，保證在±l范圍內(nèi)砂輪表面被測量點(diǎn)均在傳感器量程內(nèi)；

9)靜止砂輪與某一相位處，將傳感器沿x向從-l位置處向+l位置處勻速平動，并記錄傳感器位移數(shù)據(jù)和機(jī)床坐標(biāo)，得到砂輪徑向最大外圓輪廓，通過最小二乘圓弧擬合，得到砂輪徑向最大外圓半徑，即砂輪基礎(chǔ)部分半徑。

上述圓弧金剛石砂輪三維形狀誤差在位精密測量與分析方法中，所述金剛石砂輪安裝于超精密機(jī)床主軸上，機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)誤差與測量范圍內(nèi)直線運(yùn)動軸的直線度誤差均小于1μm。

上述圓弧金剛石砂輪三維形狀誤差在位精密測量與分析方法中，所述位移傳感器為非接觸式激光位移傳感器，測量精度為1μm，分辨率為0.01μm，測量范圍±3mm，可實(shí)現(xiàn)金屬、陶瓷、樹脂等任意結(jié)合劑的金剛石砂輪形狀誤差精密測量。

實(shí)施例：

本實(shí)施例的測量對象為尺寸為φ400mm×w20mm的圓弧金剛石砂輪。將金剛石砂輪安裝在超精密磨床主軸上，使用修整器對砂輪進(jìn)行修形。本實(shí)施例的在位精密測量方法的步驟如下：

1)將非接觸式位移傳感器固定在機(jī)床磁臺表面，測量光束方向豎直向上，移動機(jī)床坐標(biāo)軸調(diào)節(jié)傳感器測頭與砂輪之間的空間位置，使測頭照射到砂輪表面的光點(diǎn)位于砂輪x方向的最低點(diǎn)，同時(shí)保證砂輪沿y向的整個(gè)輪廓均在傳感器的測量量程之內(nèi)；

2)沿y向移動測頭使被測光點(diǎn)位于砂輪外，設(shè)置測量參數(shù)，砂輪轉(zhuǎn)速為nw＝500r/min，沿y向平動速度vy＝100mm/min，傳感器采樣周期為100μs，待砂輪轉(zhuǎn)速和平動速度均勻后，開始采集測量數(shù)據(jù)，原始測量數(shù)據(jù)如圖3所示；

3)裁減去除兩端存在毛刺與突變的數(shù)據(jù)區(qū)域(該數(shù)據(jù)畸變是由砂輪邊緣存在倒邊、崩邊引起)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行勻滑處理，通過計(jì)算得到砂輪旋轉(zhuǎn)一圈傳感器采樣點(diǎn)數(shù)n＝1200個(gè)，將裁減后的數(shù)據(jù)按圖2所示按圓周方向展開；

4)根據(jù)公式(3)建立螺旋掃描測量軌跡數(shù)學(xué)模型(c,y,z)，本實(shí)施例中向量c為(僅部分?jǐn)?shù)據(jù))：

本實(shí)施例中向量y為(僅部分?jǐn)?shù)據(jù))：

本實(shí)施例中向量z為(僅部分?jǐn)?shù)據(jù))：

5)按螺旋軌跡模型進(jìn)行插值擬合處理，插值方式為三次插值(cubic)，得到砂輪表面三維幾何形貌矩陣m0；

6)將實(shí)施例步驟5)中得到的砂輪表面三維幾何形貌矩陣m0，按y方向取列向量，即為不同相位處砂輪的截面圓弧輪廓(yi,zi)，逐一進(jìn)行最小二乘圓弧擬合，得到砂輪表面不同相位處的圓弧半徑r(α)及平均圓弧半徑rave，如圖4所示，不同相位處圓弧中心y、z向坐標(biāo)(y(α),z(α))、平均圓弧中心y、z向坐標(biāo)(yave,zave)，如圖5所示,不同相位處圓弧中心y向、z向坐標(biāo)的峰谷值(p-v)即為圓弧中心偏差；

7)根據(jù)平均圓弧半徑rave和平均圓弧中心坐標(biāo)(yave，zave)，重構(gòu)建立砂輪表面的平均三維幾何形貌矩陣mave，并與步驟5)得到的砂輪實(shí)際三維幾何形貌矩陣m0相減，得到三維誤差分布矩陣merror，三維誤差分布如圖6所示，三維誤差分布矩陣沿y向取向量即為不同位置處的圓弧度誤差如圖7所示，沿圓周c方向取向量即為不同位置處的徑向跳動誤差如圖8所示；

8)調(diào)節(jié)傳感器與砂輪之間的空間位置關(guān)系，使被測光點(diǎn)位于砂輪表面y向和x向低點(diǎn)，沿x向左右平動傳感器，平動范圍為±40mm，在該范圍內(nèi)砂輪表面被測量點(diǎn)均在傳感器量程內(nèi)；

9)旋轉(zhuǎn)砂輪分別靜止與三處不同的位置，將傳感器沿x向從-40mm位置處向+40mm位置處勻速平動，并記錄傳感器位移數(shù)據(jù)和機(jī)床坐標(biāo)，得到砂輪徑向最大外圓的輪廓。由于機(jī)床啟停時(shí)產(chǎn)生振動沖擊會導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，因此將每個(gè)測得的數(shù)據(jù)兩端各裁掉5mm長度的數(shù)據(jù)后，通過最小二乘圓弧擬合，得到砂輪徑向最大外圓的半徑，即砂輪基礎(chǔ)部分半徑，如圖9所示。