一种光学自由曲面磨削成型方法技术

本发明专利技术公开了一种光学自由曲面磨削成型方法，采用数控磨削加工中心与球形砂轮进行磨削成型，S1：将设计的目标曲面采用点云矩阵进行描述，得点云设计矩阵Mdesign；S2：依据所述点云设计矩阵Mdesign对待加工曲面进行磨削工作，并对磨削后所得曲面进行检测，得点云检测矩阵Mmeasure；S3：将所述点云检测矩阵Mmeasure与所述点云设计矩阵Mdesign进行比较，获得点云误差矩阵Merr；S4：依据所述点云误差矩阵Merr对磨削后曲面进行补偿磨削加工。该成型方法可以有效提高数控磨削中心的磨削精度，具有适用范围广，加工成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学加工领域，特别提供了一种光学自由曲面磨削成型方法。
技术介绍
将自由曲面引入光学系统中，可极大提高光学系统的成像质量和能量的传输效率。现代光学系统中自由曲面的应用，可以针对系统的特殊像差设计特定的自由曲面，补偿系统像差，提高系统成像质量。由于自由曲面的多自由度特性，通常可以在保证光学系统成像质量的条件下，进一步减少光学系统中的元件数量，减小光学系统的尺寸，因此被越发广泛的应用于医疗，军事，航天等领域。先进数控超精密制造技术加工自由曲面光学元件，可有效解决自由曲面光学元件加工的技术瓶颈，但一般的自由曲面磨削成型方法所涉及使用的数控磨削加工中心直接影响光学自由曲面的加工质量，提高加工精度往往意味着更高的加工成本，例如引进超精密的液压或气浮加工中心，其对使用环境，加工材料均有很大的限制。因此，如何解决上述问题，成为人们亟待解决的问题。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种光学自由曲面磨削成型方法，以解决以往在进行自由曲面加工时，需要使用超精密的数控中心，对于使用环境和加工材料均由很大限制，而且加工成本高等问题。本专利技术提供的技术方案，具体为，一种光学自由曲面磨削成型方法，采用数控磨削加工中心与球形砂轮进行磨削成型，其特征在于：S1：将设计的目标曲面采用点云矩阵进行描述，得点云设计矩阵Mdesign；S2：依据所述点云设计矩阵Mdesign对待加工曲面进行磨削工作，并对磨削后所得曲面进行检测，得点云检测矩阵Mmeasure；S3：将所述点云检测矩阵Mmeasure与所述点云设计矩阵Mdesign进行比较，获得点云误差矩阵Merr；S4：依据所述点云误差矩阵Merr对磨削后曲面进行补偿磨削加工。优选，所述步骤S4包括：S401：将所述点云误差矩阵Merr与阈值进行比较；S402：当所述点云误差矩阵Merr大于阈值时，依据所述点云误差矩阵Merr，计算获得点云修正矩阵Mdesign_1；S403：依据所述点云修正矩阵Mdesign_1对磨削后曲面进行补偿磨削加工，对补偿磨削后曲面进行点云检测，并将检测所得的点云检测矩阵与点云设计矩阵Mdesign比较，再次获得点云误差矩阵Merr；S404：重复步骤S401～S403，直至点云误差矩阵Merr小于等于阈值。进一步优选，所述步骤S402中，依据所述点云误差矩阵Merr，计算获得点云修正矩阵Mdesign_1的公式为：Mdesign_1＝Mdesign+Merr。进一步优选，步骤S2中检测磨削后所得曲面的方法为接触式检测；步骤S403中检测补偿磨削后曲面的方法为接触式检测。进一步优选，步骤S2和步骤S403中的检测点位置与目标曲面的点云设计矩阵采样点位置相同。进一步优选，所述点云设计矩阵Mdesign和所述点云检测矩阵Mmeasure中均包括曲面在X、Y、Z三维坐标数据。本专利技术提供的光学自由曲面磨削成型方法，采用点云的方式对于自由曲面进行评价与测量，计算得到点云误差矩阵，以点云误差矩阵进行补偿加工，以修正加工结果，使用该磨削成型方法进行磨削工作，可以有效提高数控磨削中心的磨削精度，无需引用超精密的数控中心，降低加工成本，有利于自由曲面光学元件的制造与应用。本专利技术提供的光学自由曲面磨削成型方法，具有以下优点：1、通过点云的方式进行曲面设计与检测描述，可适用于大部分自由曲面光学元件，有效扩展其适用范围；2、通过补偿加工的柔性加工方式，降低了对加工中心的要求，可有效降低自由曲面光学元件的制造成本。附图说明图1为球形砂轮的结构示意图；图2为自由曲面光学元件的磨削成型加工示意图。具体实施方式下面结合具体的实施方案，对本专利技术进行进一步解释，但是并不用于限制本专利技术的保护范围。为了解决以往在进行自由曲面光学元件加工时，需要使用超精密的加工中心，对于使用环境和加工材料均有很多的限制，而且成本高的问题，本实施方案提供一种光学自由曲面磨削成型方法，其可以适用于普通的数控中心，能够提高普通数控中心的加工精度，进而可以采用普通数控磨削加工中心和球形砂轮进行光学自由曲面的加工，降低了自由曲面加工的成本，而且对于使用环境和加工材料均无苛刻的要求。下面以一个具体的实施方案对本专利技术进行详细说明：采用数控磨削加工中心与球形砂轮，通过单点磨削的方式进行自由曲面z＝a1x2+a2y2+a3x3+a4y3磨削成型，该光学元件的口径为D，由于该自由曲面的方程中包括了三次项，因此为一个非回转对称的自由曲面。其中，球形砂轮的结构可参见图1，包括圆柱形砂轮刀柄1，与圆柱形砂轮刀柄1固定连接的圆柱形砂轮基体2，在砂轮基体2的外周设置有砂轮磨料层3，砂轮磨料层3的磨削工作面为圆弧性，且其曲率变径为砂轮口径，即砂轮基体2与砂轮磨料层3可看作是球体的一个截片。这样的优势在于实际磨削过程是砂轮磨料层3的圆弧形磨削工作面进行磨削，可提高表面的光洁度与加工效率，由于实际砂轮接触位置是球形的一部分，因此在一定程度上可以弥补加工中心运动精度与动态特性对于实际加工的影响。其中球形砂轮的口径小于被加工自由曲面最佳拟合球的曲率半径。将自由曲面z＝a1x2+a2y2+a3x3+a4y3口径D内曲面离散化，设采样间隔为d，可以得到该曲面面形点云设计矩阵MdesignMdesign=x1y1z1x2y2z2x3y3z3.........xnynzn]]>其中，点云设计矩阵中包括X，Y，Z三维坐标数据；依据点云设计矩阵Mdesign与上述球形砂轮的具体参数，选择合适的加工路径，生成加工程序导入数控磨削加工中心进行加工，加工示意图如图2所示，其中，A为球形砂轮，B为待加工曲面，加工完成后使用接触式检测方法，检测点位置与自由曲面点云采样点位置相同，检测后得到点云测量矩阵Mmeasure；Mmeasure=x1y1z′1x2y2z′2x3y3z′3.........xnynz′n]]>分析点云测量矩阵Mmeasure与点云设计矩阵Mdesign的偏差，得到点云误差矩阵Merr，Merr=x1y1Δz1x2y2Δz2x3y3Δz3.........xnynΔzn]]>这个误差可认为包括加工中心性能，加工参数，加工环境，砂轮磨损等因素综合引起的加工误差，因此若能补偿这个误差即可有效降低加工误差本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学自由曲面磨削成型方法，采用数控磨削加工中心与球形砂轮进行磨削成型，其特征在于：S1：将设计的目标曲面采用点云矩阵进行描述，得点云设计矩阵Mdesign；S2：依据所述点云设计矩阵Mdesign对待加工曲面进行磨削工作，并对磨削后所得曲面进行检测，得点云检测矩阵Mmeasure；S3：将所述点云检测矩阵Mmeasure与所述点云设计矩阵Mdesign进行比较，获得点云误差矩阵Merr；S4：依据所述点云误差矩阵Merr对磨削后曲面进行补偿磨削加工。

【技术特征摘要】
1.一种光学自由曲面磨削成型方法，采用数控磨削加工中心与球形砂
轮进行磨削成型，其特征在于：
S1：将设计的目标曲面采用点云矩阵进行描述，得点云设计矩阵
Mdesign；
S2：依据所述点云设计矩阵Mdesign对待加工曲面进行磨削工作，并对
磨削后所得曲面进行检测，得点云检测矩阵Mmeasure；
S3：将所述点云检测矩阵Mmeasure与所述点云设计矩阵Mdesign进行比较，
获得点云误差矩阵Merr；
S4：依据所述点云误差矩阵Merr对磨削后曲面进行补偿磨削加工。
2.按照权利要求1所述光学自由曲面磨削成型方法，其特征在于，所
述步骤S4包括：
S401：将所述点云误差矩阵Merr与阈值进行比较；
S402：当所述点云误差矩阵Merr大于阈值时，依据所述点云误差矩阵
Merr，计算获得点云修正矩阵Mdesign_1；
S403：依据所述点云修正矩阵Mdesign_1对磨削后曲面进行补偿磨削加
工，对补偿磨削后曲面进行点云检测，并将检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：代雷，崔庆龙，徐乐，隋永新，杨怀江，闫丰，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22