光學(xué)非球面超精密切削的在位測(cè)量及補(bǔ)償加工＊

張 亮，郭曦鵬，王定文，徐 聞，劉 堅(jiān)，黃 帥，尹韶輝

（湖南大學(xué),國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410082）

非球面等光學(xué)元件具有良好的光學(xué)特性，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、航空航天、電子、民用通訊、信息、天文及激光等尖端領(lǐng)域的儀器與系統(tǒng)中[1-3]。高精度的非球面光學(xué)元件的超精密加工離不開(kāi)在位測(cè)量和補(bǔ)償加工，國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了大量研究。閆如忠等[4]搭建了一個(gè)軸對(duì)稱非球面接觸式在位測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，采用多項(xiàng)式擬合算法對(duì)分離后的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并與理想曲面對(duì)比，計(jì)算得出面形誤差；CHEN 等[5]提出了一種基于集成快速工具伺服系統(tǒng)的力傳感器的金剛石刀具刃口磨損的在位測(cè)量方法；YIN 等[6]針對(duì)探頭間距偏差大等問(wèn)題，提出了一種基于共焦傳感器和多探頭測(cè)量方法的單探針剪切在位掃描方法；WANG等[7]基于在位非接觸式激光位移傳感器和小波分解技術(shù)，提出了雙錐面輪廓誤差補(bǔ)償方法，用于抑制光柵磨削加工的雙錐面光學(xué)最終輪廓誤差；陳逢軍等[8]研究了一種接觸式測(cè)頭與激光干涉位移傳感器相結(jié)合的在位測(cè)量裝置，對(duì)磨削后的工件表面進(jìn)行在位形狀誤差測(cè)量，結(jié)果表明：所使用的激光位移傳感器具有直線度好的優(yōu)良特性，但激光的產(chǎn)生裝置比較復(fù)雜且體積較大，應(yīng)用范圍較為嚴(yán)苛且精度不高；張祥朝等[9]結(jié)合單點(diǎn)金剛石切削機(jī)床，設(shè)計(jì)了一種基于偏折技術(shù)的在位測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)果表明：在位測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性好、測(cè)量效率高，但測(cè)量精度不高，且受幾何標(biāo)定可靠性的影響很大；朱吳樂(lè)[10]開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量微納結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)與電容傳感器測(cè)頭結(jié)合的在位測(cè)量系統(tǒng)，并采用螺旋路徑測(cè)量，提高了測(cè)量效率，但探針的可互換性和對(duì)中效率不高。

總的來(lái)說(shuō)，滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，性能又穩(wěn)定的高精度、低成本的非球面在位測(cè)量方法及裝置很少。按照測(cè)頭是否與被測(cè)工件表面接觸的方法，在位測(cè)量可分為非接觸式和接觸式測(cè)量。非接觸式測(cè)量無(wú)接觸應(yīng)力，測(cè)量速度快，但測(cè)量精度不高，且易受環(huán)境因素影響；接觸式測(cè)量測(cè)量準(zhǔn)確且數(shù)據(jù)可靠，但測(cè)頭與工件表面直接接觸產(chǎn)生的接觸應(yīng)力可能導(dǎo)致工件表面劃傷。因此，開(kāi)發(fā)出高分辨率、低接觸應(yīng)力的接觸式測(cè)頭很有必要，而采用空氣軸承的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的測(cè)頭可有效降低與工件表面的接觸應(yīng)力[11]。

為進(jìn)一步提高非球面等光學(xué)元件的超精密加工、測(cè)量及補(bǔ)償加工精度，同時(shí)克服現(xiàn)有在位測(cè)量方式存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)以紅寶石測(cè)頭及C-LVDT 空氣軸承為主要組成的接觸式在位測(cè)量裝置及測(cè)量補(bǔ)償加工軟件。以C3604 黃銅為試驗(yàn)材料進(jìn)行球面、非球面在位測(cè)量及補(bǔ)償加工試驗(yàn)研究，驗(yàn)證開(kāi)發(fā)的在位測(cè)量裝置及測(cè)量軟件的精確性和補(bǔ)償加工的有效性。

1 在位測(cè)量裝置及加工試驗(yàn)平臺(tái)

1.1 在位測(cè)量裝置

圖1為在位測(cè)量裝置。測(cè)量桿由方形空氣氣浮軸承支撐，其前端固定著曲率半徑為0.5 mm 的微小口徑紅寶石測(cè)量頭，后端安裝電容式位移傳感器。電容式位移傳感器可檢測(cè)電容的電特性變化情況，確定被測(cè)工件位移偏移量。傳感器輸出交流電壓，作用在電容式探頭與探頭檢測(cè)目標(biāo)2 個(gè)導(dǎo)體上，2 個(gè)導(dǎo)體之間形成電場(chǎng)，而探頭與檢測(cè)目標(biāo)的大小及材料系數(shù)恒定，電容變化只與探頭與檢測(cè)目標(biāo)之間的距離變化有關(guān)。探頭探測(cè)目標(biāo)與紅寶石測(cè)頭為一體，當(dāng)紅寶石測(cè)頭與被測(cè)工件接觸并進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)頭與被測(cè)工件的偏移會(huì)帶動(dòng)探頭探測(cè)目標(biāo)位置的偏移，從而使探頭與探測(cè)目標(biāo)之間的距離發(fā)生變化，導(dǎo)致電容變化。根據(jù)電容變化，在傳感器內(nèi)部，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的檢測(cè)電子元件形成相應(yīng)的電壓變化，按比例縮放的電壓變化表示距離的特定變化。根據(jù)傳感器靈敏度及相關(guān)計(jì)算，得出探頭與探測(cè)目標(biāo)之間的位移偏移量，即被測(cè)工件的位移偏移量。此在位測(cè)量裝置采用接觸式的微小口徑紅寶石測(cè)頭，其測(cè)量精度高、接觸壓力小。同時(shí)，電容式位移傳感器具有精度高、分辨率高、溫度穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 在位測(cè)量裝置Fig.1 On-machine measurement device

1.2 加工試驗(yàn)平臺(tái)

切削加工試驗(yàn)在超精密五軸復(fù)合加工機(jī)床上進(jìn)行，其具有納米級(jí)別的分辨率，可完成非球面等光學(xué)元件的切削、磨削加工，如圖2所示，吸附工件的真空吸盤后面為工件C軸，支撐C軸的垂直方向的軸為Y軸，支撐Y軸橫向方向的軸為Z軸，固定刀架的軸為旋轉(zhuǎn)B軸，支撐B軸的導(dǎo)軌即為X軸。

圖2 超精密五軸復(fù)合加工機(jī)床Fig.2 Ultra-precision 5-axis compound machining machine

綜合考慮加工對(duì)象、精度、剛度及性能等各方面要求，采用臥式結(jié)構(gòu)機(jī)床。為確保超精密加工機(jī)床的加工精度，提高機(jī)床的熱穩(wěn)定性與剛性和隔振、抗振性能，機(jī)床系統(tǒng)采用T 型結(jié)構(gòu)布局，機(jī)床底座采用機(jī)械穩(wěn)定性高、使用壽命長(zhǎng)的大塊天然黑色花崗巖，整個(gè)花崗巖床身通過(guò)4 個(gè)具有自水平功能的被動(dòng)式空氣氣墊支撐，并且具有單獨(dú)的隔振地基。超精密閉式液體靜壓導(dǎo)軌呈T 形布局，布置在花崗巖床身上，其分別作為機(jī)床的X軸和Z軸，X軸和Z軸采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)和全閉環(huán)反饋控制。工件的主軸C軸架設(shè)在Y軸上，包含空氣靜壓軸承和無(wú)框力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、圓光柵系統(tǒng)，主軸右端附帶真空吸盤，工件吸附在上面。B軸固定在X軸上，刀具、磨削及在位測(cè)量裝置固定在B軸上。

2 球面在位測(cè)量及補(bǔ)償加工試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

加工工件為C3604 黃銅，直徑為30 mm，球面加工口徑為26 mm，曲率半徑為40 mm，加工深度為1.50 mm。車刀為天然金剛石刀具，且刀尖呈圓弧形，圓弧半徑為0.5 mm。加工方式由工件邊緣向中心加工，冷卻方式為油霧混合。粗加工、精加工及補(bǔ)償加工均使用同一把車刀，以避免換刀產(chǎn)生對(duì)刀誤差，繼而影響加工精度。表1為球面車削加工試驗(yàn)條件。

表1 車削加工試驗(yàn)條件Tab.1 Experimental conditions for turning

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

球面的金剛石刀具車削加工分粗加工、精加工和誤差補(bǔ)償加工等3 個(gè)階段。先進(jìn)行粗加工，粗加工后，調(diào)整刀具裝置及在位測(cè)量裝置，對(duì)工件進(jìn)行在位測(cè)量，其形狀誤差如圖3a 所示，面形精度PV 值為720.5 nm。再進(jìn)行精加工，精加工后，通過(guò)在位測(cè)量裝置對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，形狀誤差如圖3b 所示，工件的面形精度PV 值為362.0 nm，工件形狀誤差曲線仍起伏較大，需對(duì)工件進(jìn)行補(bǔ)償加工。補(bǔ)償加工后，通過(guò)在位測(cè)量得到形狀誤差曲線（如圖3c 所示），其面形精度PV 值為231.4 nm，形狀誤差曲線在中心線周圍均勻波動(dòng)，起伏較小，具有較高的加工表面質(zhì)量。

為驗(yàn)證在位測(cè)量裝置及所開(kāi)發(fā)的測(cè)量軟件球面測(cè)量的精確性，補(bǔ)償加工后的工件球面用Form Talysurf PGI 840 進(jìn)行離線測(cè)量，其形狀誤差如圖3d 所示，面形精度PV 值為234.4 nm。分析計(jì)算可知：離線測(cè)量與在位測(cè)量裝置測(cè)得的結(jié)果僅僅相差3.0 nm，相差很小，形狀誤差曲線走勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了在位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的精確性和補(bǔ)償加工的有效性。

圖3 黃銅球面車削形狀誤差曲線測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measurement results of brass spherical turning form error curve

由上述分析可知：經(jīng)過(guò)補(bǔ)償加工后，工件的加工精度得到明顯提高。最終加工后的C3604 黃銅球面樣品如圖4所示，經(jīng)ZYGO 白光干涉儀測(cè)量所得的工件局部表面微觀形貌如圖5所示，其表面粗糙度Ra為9.276 nm。

圖4 C3604 黃銅球面外觀圖Fig.4 C3604 brass sphere

圖5 表面微觀形貌Fig.5 Surface morphology

3 非球面在位測(cè)量及補(bǔ)償加工試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

加工工件為C3604 黃銅，直徑為30 mm，車削加工凸非球面，凸非球面加工口徑為26 mm，曲率半徑為40 mm，加工深度為2.28 mm。車刀選用天然金剛石刀具，且刀尖為圓弧形，圓弧半徑為0.5 mm。加工方式由工件邊緣向中心加工，冷卻方式為油霧混合。粗加工、精加工及補(bǔ)償加工均使用同一把車刀，以避免換刀產(chǎn)生對(duì)刀誤差，繼而影響加工精度。凸非球面車削加工試驗(yàn)條件如表1所示，非球面系數(shù)如表2所示。

表2 非球面系數(shù)Tab.2 Asphere coefficients

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

在對(duì)非球面進(jìn)行車削加工時(shí)，先進(jìn)行粗加工，粗加工完，對(duì)工件進(jìn)行在位測(cè)量，測(cè)得的形狀誤差如圖6a所示，其面形精度PV 值為930.8 nm。精加工完，通過(guò)在位測(cè)量裝置對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的形狀誤差如圖6b 所示，其面形精度PV 值為315.6 nm，此時(shí)曲線起伏較大，高低不平，中間突起，兩邊下凹，形狀誤差仍然較大，需對(duì)工件進(jìn)行補(bǔ)償加工，進(jìn)一步提高精度。根據(jù)精加工形狀誤差曲線，分析計(jì)算出誤差量，并將其輸入至原加工程序，從而生成新的補(bǔ)償加工程序。然后，對(duì)工件進(jìn)行補(bǔ)償加工。通過(guò)在位測(cè)量裝置，測(cè)得補(bǔ)償加工后的工件形狀誤差曲線如圖6c 所示，其面形精度PV 值為206.3 nm，形狀誤差曲線在中心線周圍均勻波動(dòng)，起伏較小，具有較高的加工表面質(zhì)量。

為驗(yàn)證在位測(cè)量裝置及所開(kāi)發(fā)的非球面測(cè)量軟件的精確性，補(bǔ)償加工后的工件非球面用Form Talysurf PGI 840 進(jìn)行離線測(cè)量，其形狀誤差曲線如圖6d 所示，面形精度PV 值為199.3 nm。分析計(jì)算可知：離線測(cè)量與在位測(cè)量裝置測(cè)得的結(jié)果僅僅相差7.0 nm，相差很小，形狀誤差曲線走勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了在位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的精確性和補(bǔ)償加工的有效性。

圖6 黃銅非球面車削形狀誤差曲線測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measurement results of brass aspheric surface turning form error curve

由上述分析可知：經(jīng)過(guò)補(bǔ)償加工后，工件的加工精度得到了明顯的提高。最終加工后的C3604 黃銅非球面樣品如圖7所示，經(jīng)ZYGO 白光干涉儀測(cè)量所得的工件表面微觀形貌如圖8所示，工件表面粗糙度Ra為11.601 nm。

圖7 C3604 黃銅非球面外觀圖Fig.7 C3604 brass asphere

圖8 表面微觀形貌Fig.8 Surface morphology

4 結(jié)論

（1）球面經(jīng)過(guò)補(bǔ)償加工后，面形精度PV 由補(bǔ)償前的362.0 nm 提高到231.4 nm；非球面經(jīng)過(guò)補(bǔ)償加工后，面形精度PV 由補(bǔ)償前的315.6 nm 提高到206.3 nm，補(bǔ)償加工效果良好。

（2）球面補(bǔ)償加工后獲得的表面粗糙度Ra為9.276 nm，非球面補(bǔ)償加工后獲得的表面粗糙度值Ra為11.601 nm，球面及非球面補(bǔ)償加工都能獲得良好的表面輪廓質(zhì)量。

（3）將離線測(cè)量與在位測(cè)量進(jìn)行比較，球面的離線測(cè)量與在位測(cè)量結(jié)果僅相差3.0 nm，非球面的離線測(cè)量與在位測(cè)量結(jié)果僅相差7.0 nm，相差都很小，且形狀誤差曲線走勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了在位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的精確性和補(bǔ)償加工的有效性。