基于圖像處理反求法的微結(jié)構(gòu)FTS超精密加工

石廣豐，薛常喜，史國權(quán),2

（1.長春理工大學(xué)，長春 103322；2.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州 215163）

基于圖像處理反求法的微結(jié)構(gòu)FTS超精密加工

石廣豐1，薛常喜1，史國權(quán)1,2

（1.長春理工大學(xué)，長春 103322；2.中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州 215163）

微結(jié)構(gòu)的超精密加工技術(shù)是一項前沿先進制造技術(shù)。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和數(shù)控化編程對于創(chuàng)成設(shè)計加工來說是必要的，但是反求法復(fù)制加工更有現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。通過將圖片上的彩色（黑白）圖像進行識別處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和設(shè)定即可實現(xiàn)圖片圖像上所反映的微結(jié)構(gòu)信息，并轉(zhuǎn)化成數(shù)控加工程序從而輸入到超精密機床的數(shù)控加工系統(tǒng)并過FTS單點金剛石車削加工實現(xiàn)光學(xué)級別的微結(jié)構(gòu)加工。最后在Precitech超精密車削機床上進行了?；瘴⒔Y(jié)構(gòu)的典型加工驗證，證明了該方法的可行性和有效性。

圖像處理；微結(jié)構(gòu)；FTS；超精密車削

0 引言

近年來，高陡度的復(fù)雜面形/結(jié)構(gòu)零件的廣泛應(yīng)用促進了超精密加工技術(shù)的快速發(fā)展。而采用天然金剛石為刀具的超精密快速伺服車削加工可一次性獲得超精密面形，具有精度高、效率高、能加工復(fù)雜微結(jié)構(gòu)甚至是自由曲面的眾多優(yōu)點，因此受到了研究者和應(yīng)用者的廣泛關(guān)注[1]?？焖俚毒咚欧‵ast Tool Servo，簡稱FTS）的金剛石車削加工技術(shù)是相對應(yīng)慢速刀具伺服（STS）金剛石車削加工技術(shù)來說的，是基于刀具的高頻移動來實現(xiàn)超精密車削加工的[2]。FTS的原型首先出現(xiàn)在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已取得了很大的研究進展。由于國外發(fā)達國家在高端制造裝備領(lǐng)域?qū)χ袊慕\和技術(shù)封鎖，國內(nèi)已有的自研的超精密機床和FTS裝置雖然也取得了很大發(fā)展[3]，但還很難進行商業(yè)應(yīng)用，和國外的先進設(shè)備相比在性能方面也存在不小的差距。2012年長春理工大學(xué)引進了國內(nèi)首臺加工口徑達700mm的美國Precitech 700Ultral超精密機床，所配備的FTS性能先進，可以實現(xiàn)光學(xué)級微結(jié)構(gòu)的加工制造。

超高頻響FTS用于加工微結(jié)構(gòu)曲面時，可以獲得滿意的加工效率和表面質(zhì)量，但是需要對所要加工的曲面進行數(shù)學(xué)分解，并選擇適當(dāng)?shù)牡毒呗窂胶蛙壽E跟蹤控制算法，再通過FTS超精密加工來實現(xiàn)。而曲面分解算法來源于曲面設(shè)計。對于被動地想要加工出理想的微結(jié)構(gòu)表面，還可以采用其他方法來實現(xiàn)。本文采用具有色位圖片的轉(zhuǎn)換，將通過圖片色位和像素對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸信息，設(shè)定峰谷值映射比例關(guān)系，并轉(zhuǎn)化為數(shù)控加工代碼進行FTS超精密加工，從而通過圖像處理反求法實現(xiàn)了圖片所對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)加工。

1 FTS加工原理與控制

FTS模塊是一個裝有金剛石刀具和裝載到車床Z軸導(dǎo)軌上的短行程執(zhí)行機構(gòu)，是獨立于超精密機床數(shù)控系統(tǒng)之外的一套附加裝置。它由壓電堆或帶有閉環(huán)位置反饋的直線電機所驅(qū)動。FTS與超精密機床數(shù)控系統(tǒng)之間沒有雙向的通訊關(guān)系，它使用專用的數(shù)字信號處理器，不需要對機床主軸進行伺服控制，只需跟蹤主軸轉(zhuǎn)角和X軸位置的變化，因此FTS的輸出信號由主軸的角位置和X軸的刀具位置來決定。當(dāng)輸出信號發(fā)送到FTS控制器，控制器將關(guān)閉伺服回路并適當(dāng)?shù)仳?qū)動FTS模塊上的金剛石工具做Z向快速運動?？斓端欧﨔TS控制器提供刀具位置命令的更新率高達數(shù)千赫茲。位置命令（包括工具補償）實時計算，沒有插值，利用現(xiàn)有的編碼器輸入到機床軸上。

為了避免具有一定陡度的微結(jié)構(gòu)面形與金剛石加工刀具的干涉作用，微結(jié)構(gòu)的超精密加工通常選用較小半徑的圓弧刃車刀，圓弧刃可以提高刀具的使用壽命，其圓弧上鈍圓半徑小于100nm，刀尖圓弧輪廓精度小于50nm，刀具表面的粗糙度一般低于10nm[4,5]，圓弧刃的形狀直接復(fù)映到工件表面，圓弧刃車刀按照后刀面形狀又可分為圓柱形車刀和圓錐形車刀。金剛石刀具的幾何參數(shù)取決于加工表面的面形形狀，對于不同的加工表面，對應(yīng)的刀具參數(shù)也不同。所以應(yīng)根據(jù)微結(jié)構(gòu)具體形狀計算并選取刀具幾何參數(shù)，金剛石刀具參數(shù)包括：刀具前角、刀具后角、刀尖圓弧半徑和刀尖圓弧包絡(luò)角，并進行到位點的補償設(shè)置。

圖1 超精密加工原理圖

2 圖像的識別與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

基于圖像處理反求法開展微結(jié)構(gòu)超精密加工的出發(fā)點是：由于圖像上的像素顏色信息和對應(yīng)像素點相對圖片圖像中的位置信息都可以通過圖像處理算法識別出來，因此只要將兩種信息和數(shù)控加工程序建立關(guān)系，就可通過程序控制實現(xiàn)對應(yīng)加工。

位圖（bitmap）是一種沒有經(jīng)過壓縮的點陣圖像，而像JPG、GIF等等后綴格式的圖像都是經(jīng)過壓縮的。位圖是Microsoft公司制定的，能夠運行于許多不同的操作系統(tǒng)。位圖由像素點構(gòu)成，與圖像的分辨率（每英寸包含的像素點的數(shù)量）相關(guān)。如果對于黑白位圖，則位圖像素有顏色深度為 1 位二進制，即只有兩種顏色—黑（1）白（0）。而對于彩色圖像來說，一個像素點由R、B、G三種顏色表示，一種顏色由8位（一個字節(jié)）構(gòu)成，共24位。

因此，根據(jù)位圖的相關(guān)特點，基于圖像處理反求法開展微結(jié)構(gòu)超精密加工的基本方法和程序如下：1）在Precitech開發(fā)的UPXTM超精密機床加工系統(tǒng)中，從桌面使用功能里面打開位圖格式的目標圖片；2）將目標圖片保存為特定的色位和像素（如256色、500×500像素），保持原圖像尺寸大小不變；3）將出現(xiàn)在桌面系統(tǒng)中特定格式（“.c”和“.h”）的文件移至系統(tǒng)軟件可以識別的指定文件夾內(nèi)，同時處理前的圖片也要放到相同的文件夾內(nèi)，然后保存；4）通過加工系統(tǒng)打開指定文件夾內(nèi)特定格式的已處理文件，設(shè)定體現(xiàn)微結(jié)構(gòu)深淺的峰谷值比例映射關(guān)系（有精度要求的可以進行準確標定進行）；5）提交DIFFSYS數(shù)控加工軟件，設(shè)置刀具等基本參數(shù)，生成FTS加工目標面形的數(shù)控程序；6）裝卡工件，對刀檢測并進行加工，最后實現(xiàn)圖片上對于圖像的微結(jié)構(gòu)FTS超精密加工。

3 ?；瘴⒔Y(jié)構(gòu)的加工實驗

以長春理工大學(xué)的?；諡槔x取一張?；請D片如圖2所示。圖片以藍白相間的顏色搭配為主，但是藍色色調(diào)并不一樣。經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)超精密機床的控制系統(tǒng)的設(shè)定和數(shù)據(jù)提取，其中微結(jié)構(gòu)深度方向上的峰谷值分別為5.019608微米和-4.291188微米，?；盏膱D像格式如圖3所示。用超精密機床在口徑為76mm的金屬鋁棒料端面上粗車后，找到FTS微結(jié)構(gòu)加工的基準，利用上述圖像處理反求方法將按照特定要求編制的程序輸出。

圖2 長春理工大學(xué)?；請D片

圖3 加工系統(tǒng)環(huán)境下的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

最后采用FTS進行?；瘴⒔Y(jié)構(gòu)的加工，加工過程如圖4所示，加工后得到?；盏奈⒔Y(jié)構(gòu)樣件，樣件表面十分光亮（如圖5所示）。通過輪廓儀的檢測分析可以發(fā)現(xiàn)該微結(jié)構(gòu)表面的粗糙度達到納米級別。此外，還可以實現(xiàn)在凸球面、凹球面甚至是非球面基面上的?；瘴⒔Y(jié)構(gòu)加工。

圖4 ?；瘴⒔Y(jié)構(gòu)的FTS超精密車削加工

圖5 加工出的鏡面級 ?；瘴⒔Y(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

提出了基于圖像處理反求法的微結(jié)構(gòu)FTS超精密加工方法，并以?；請D片的圖像為例進行了FTS超精密車削試驗，實現(xiàn)了圖像上像素的顏色、像素點的位置，圖像微結(jié)構(gòu)尺寸和數(shù)控加工程序等信息的有機結(jié)合，對于微結(jié)構(gòu)超精密加工技術(shù)的發(fā)展來說具有重要意義。

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FTS ultra precision machining of micro structure based on a reverse method of image processing

SHI Guang-feng1, XUE Chang-xi1, SHI Guo-quan1,2

TG51

A

1009-0134(2017)04-0035-02

2017-01-16

吉林省科技廳計劃項目（20150204004GX，20150204059GX，20170101124JC）

石廣豐（1981 -），男，遼寧人，副教授，博士，主要從事超精密加工技術(shù)相關(guān)方面研究。