【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械臂精密超精密加工领域，具体涉及一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法。
技术介绍
1、使用机械臂进行光学元件的抛光加工是一种十分重要且具有研究价值的工艺流程，特别是针对大长度的柱形柱面非球面，其面型精度评价未有统一的评价标准，并且在加工补偿中需要保持一定的精度和一致性，具有很大的困难度。
2、由于机械臂本身的精度限制以及光学元件的高精度要求，该工艺在技术上仍然具有一定的挑战性。目前该领域存在着加工精度低、机械臂控制繁琐、成本高、加工效率低、工艺规划与补偿困难等缺点。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法。
2、本专利技术采用如下技术方案来实现的：
3、一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，包括以下步骤：
4、1)针对机械臂加工的柱面非球面高精度坐标系空间误差补偿
5、通过多个传感器实时采集来获取动态加工信息，并根据该动态加工信息自动调整加工位姿来保持加工状态一致性，最终得到设定精度的柱面非球面元件；
6、2)针对补偿坐标系加工后的柱面非球面，基于轮廓仪和三坐标测量的进一步误差补偿
7、针对轮廓仪测量原理造成的基准不统一问题，基于三坐标测量仪与轮廓仪结合的基准建立模型；其中基于轮廓仪测量结果提出高精度测量分析计算模型，用于补偿高精度面型精度；通过基于轮廓仪初次补偿中补偿位置的偏差来反馈计
8、本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中，针对机械臂加工的柱面非球面高精度坐标系空间误差补偿，包括如下内容：
9、101)为了减少机械臂因位置误差、姿态误差和重复性误差引起的加工误差，采用三维力传感器、加速度计和旋转编码器来记录并反馈机械臂的运动状态，从而设计控制系统来实现高精度的末端控制；
10、102)针对柱面非球面的抛光加工精度评价方法，分为母线方向与柱形方向两部分，母线方向是指垂直于柱面中心轴方向，柱形方向是指沿柱面中心轴方向，具体有：柱面非球面母线面型精度pv值、柱面非球面母线表面质量粗糙度和柱形方向粗糙度与母线一致性；其中，柱面非球面母线面型精度pv值、柱面非球面母线表面质量粗糙度用于评价非球面母线的抛光精度，即母线二维方向上的抛光加工精度，该参数影响非球面的调焦能力、成像畸变与散光效应；柱形方向粗糙度与母线一致性用于评价柱形方向上的抛光加工精度，其中母线一致性是指沿柱面轴方向上的不同母线，其面型精度的一致性与表面形貌特征位置沿母线方向的一致性，该参数影响光学元件的透过率、反射率或吸收率；
11、103)基于高精度多流程机械臂坐标系建立方法，即由粗建坐标系到精建坐标系的误差渐进对刀方法，包含三步：首先运用机械臂末端进行粗建工件坐标系，本步骤由于机械臂的定位精度低，因此存在20-30微米的误差，包括三个方向偏差与三个位置偏差；其次运用千分表进行三个方向偏差的精确测量，将误差控制在微米级别；最终采用激光跟踪仪标定机械臂末端与工件的相对位置，进而得到三个位置偏差；经过三步的渐进标定，从而得到高精度的工件坐标系。
12、本专利技术进一步的改进在于，步骤1)的101)中，三维力传感器设置在机械臂的末端，用于采集抛光力的大小。
13、本专利技术进一步的改进在于，步骤1)的101)中，加速度计设置在机械臂的末端，用于采集末端运动速度。
14、本专利技术进一步的改进在于，步骤1)的101)中，旋转编码器设置在轴关节上，用于采集机械臂轴旋转信息，即姿态信息。
15、本专利技术进一步的改进在于，在多传感器采集方法之后，根据数据设计反馈控制系统，即自适应控制的方法，根据系统动态的多融合数据进行实时的调整，从而达到理想的末端运动精度；其中输入信号有力反馈信号、角度反馈信号与速度反馈信号，采用力控制算法和pid控制器来进行具体的控制实现，具体为根据机械臂已有位姿和抛光头参数，调整机械臂的空间位置来保证抛光压力恒定。
16、本专利技术进一步的改进在于，步骤1)的103)中，机械臂末端的粗建工件坐标系步骤为：将机械臂末端球形抛光头的球心位置用对刀尖替代，分别记录柱面非球面上表面的三个端点来构建坐标系；千分表测量方向偏差的步骤为：在机械臂末端使用磁力座安装千分表，分别在机械臂与装夹工具台的x、y、z移动方向进行打表测量，得到移动距离与千分表示数从而计算得到三个方向偏转角；使用激光跟踪仪测得机械臂刀具末端与工件的相对位置，得到三个位置偏移量；
17、根据测量偏置结果进行坐标点云的偏置计算，设沿x、y、z轴测得的角度偏差分别为α、β、γ，即：
18、
19、式中，δhx、δhy、δhz分别为千分表示数差，dx、dy、dz分别为机械臂沿x、y、z轴走过的距离；则旋转矩阵rxyz为：
20、
21、则补偿后的点云坐标为：
22、
23、本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中，基于轮廓仪和三坐标测量的机械臂抛光柱面非球面的误差补偿方法，包括如下内容：
24、201)通过轮廓仪与三坐标测量仪相结合进行机械臂的高精度补偿加工的方法；具体的，轮廓仪测量柱面非球面母线方向的面型误差数据，用于指导补偿加工，使用三坐标测量仪测量柱面非球面最高点来校对轮廓仪的测量基准一致性，即根据三坐标测量最高点位置来偏置轮廓仪的母线基准位置，从而来计算母线特征点的位置关系；
25、202基于轮廓仪的柱面非球面高精度空间误差反馈补偿模型；具体的，根据轮廓仪第一次补偿的位置偏差进行反馈补偿计算；设初始点云坐标为(x0，y0，z0)，力控补偿后的实际加工位置点云坐标为(x，y，z)，且沿竖线方向上的偏移对抛光加工没有明显的误差影响，设y、z轴上的偏移误差为δy、δz，该点机械臂位姿倾斜角为k，则根据已知机械臂的位姿、轮廓仪的两个理论点与实际点的坐标以及非球面公式，求得过程参数d，根据三角关系可得：
26、
27、式中d1,d2分别为两个补偿位置的过程参数，k1、k2分别为两个补偿位置机械臂的倾斜角，并且有：
28、
29、203)基于轮廓仪单条母线测量数据的误差补偿计算方法为：进行特征值提取，包括极大值点与最小值点；计算极大值点与最小值点的差值和抛光头的材料去除率进行高精度补偿抛光；使用差分法计算轮廓仪测量数据的二次导数，在二次导数较大的极大值点位置采用去除叠加的补偿抛光方式，即在该极大值点处进行多道路径补偿抛光；路径个数n同样与二次导数有关，从而保证了光学元件的光顺指标；其中二次导数的阈值f″(x0)与抛光头的接触去除面积a、目标补偿误差大小δy0以及材料的光顺要求有关，该极大值点去除叠加补偿范围δx与二次导数的大小有关，即
30、
31、其中n≥1，δx≥0，单点补偿总长度d＝n*δx；k1、k2、k3为参数影本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，步骤1)中，针对机械臂加工的柱面非球面高精度坐标系空间误差补偿，包括如下内容：
3.根据权利要求2所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，步骤1)的101)中，三维力传感器设置在机械臂的末端，用于采集抛光力的大小。
4.根据权利要求3所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，步骤1)的101)中，加速度计设置在机械臂的末端，用于采集末端运动速度。
5.根据权利要求4所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，步骤1)的101)中，旋转编码器设置在轴关节上，用于采集机械臂轴旋转信息，即姿态信息。
6.根据权利要求5所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，在多传感器采集方法之后，根据数据设计反馈控制系统，即自适应控制的方法，根据系统动态的多融合数据进行实时
7.根据权利要求2所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，步骤1)的103)中，机械臂末端的粗建工件坐标系步骤为：将机械臂末端球形抛光头的球心位置用对刀尖替代，分别记录柱面非球面上表面的三个端点来构建坐标系；千分表测量方向偏差的步骤为：在机械臂末端使用磁力座安装千分表，分别在机械臂与装夹工具台的x、y、z移动方向进行打表测量，得到移动距离与千分表示数从而计算得到三个方向偏转角；使用激光跟踪仪测得机械臂刀具末端与工件的相对位置，得到三个位置偏移量；
8.根据权利要求1所述一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，步骤2)中，基于轮廓仪和三坐标测量的机械臂抛光柱面非球面的误差补偿方法，包括如下内容：
...【技术特征摘要】
1.一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，步骤1)中，针对机械臂加工的柱面非球面高精度坐标系空间误差补偿，包括如下内容：
3.根据权利要求2所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，步骤1)的101)中，三维力传感器设置在机械臂的末端，用于采集抛光力的大小。
4.根据权利要求3所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，步骤1)的101)中，加速度计设置在机械臂的末端，用于采集末端运动速度。
5.根据权利要求4所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，步骤1)的101)中，旋转编码器设置在轴关节上，用于采集机械臂轴旋转信息，即姿态信息。
6.根据权利要求5所述的一种基于机械臂的柱面非球面光学元件高精度抛光方法，其特征在于，在多传感器采集方法之后，根据数据设计反馈控制系统，即...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙林，陈兆翔，卢光超，丁建军，李云飞，宋科研，金雨生，孟庆之，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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