高精密光学元件磨床的加工与检测系统的开发

高精密光学元件磨床的加工与检测系统的开发 高精密光学元件磨床的加工与检测系统的 开发 第5O卷第3期 2011年5月 厦门大学(自然科学版) JournalofXiamenUniversity(NaturalScience) Vo1.5oNO.3 MaY2011 高精密光学元件磨床的加工与检测系统的开发 柯晓龙,郭隐彪,张世汉,黄浩 (1.厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005; 2.成都精密光学工程研究中心,四川成都610041) 摘要:高精密平面磨床是加工光学非球面元件的一种重要途径.出于通用性和效率的考虑,开发一套面向光学非球面 元件的高精密平面磨床的加工与检测系统,以此来实现光学非球面元件的精密加工.以自行开发研制的四轴数控高精密 平面磨床为研究基础,采用模块化设计,选用Delphi7为开发语言,运用Delphi7和Matlab混合编程技术,搭建了加工 与测量系统,实现了光学非球面元件的磨削加工,面形测量,磨削补偿以及环境检测等.实验结果表明,该系统可以满足 光学元件的精密加工及检测,并具有较高的工作效率. 关键词:光学非球面元件;精密平面磨床;加工;检测;系统 中图分类号:TP273.5文献标志码:A文章编号:0438—0479(2011)03—0559—04 由于金刚石砂轮可以用来实现硬脆材料的磨削加 工,并且具有较高的加工效率和加工精度n],因此装备 有金刚石砂轮的高精密平面磨床是一种用来2nq--光学 非球面元件,尤其是大尺寸光学非球面元件的重要手 段.然而,由于平面磨床本身的制造精度误差,如几何 误差,运动误差等,以及金刚石砂轮的半径误差,加工 过程引进的磨损误差等,从而导致光学非球面元件产 生一定的加工误差[2].为此,本文开发了一套面向光学 非球面元件的高精密平面磨床的加工及检测系统,用 来辅助实现自行研制的数控精密平面磨床的磨削加 工,并对加工结果进行在位检测,进而进行相应的磨削 补偿加工,从而实现光学非球面元件的精密加工. 1光学非球面元件磨削加工原理 图1为自主开发的高精度平面磨床(MGK7160), 可实现800mmx600mm的大尺寸光学非球面元件 的磨削加工.该平面磨床为x,,三轴联动,各轴配 有分辨率为0.1p.m的高精度光栅尺实现闭环反馈, 系统采用FANUC0i-MD的数控系统. 平面磨床加工光学非球面元件时,一般采用光栅 进给式的加工方式.图2为其加工时的运动轨迹.对于 轴对称非球面工件而言,该加工方式只使用三轴中的 收稿日期:2010—04—23 基金项目:国家高技术研究发展计划(863)重点项目(2008AA042501) *通信作者:guoyb@xmH.edu.cn 图l自主开发的高精度平面磨床 Fig.1High-precisionsurfacegrindingmachineof selfdeveloped 图2光学非球面加工的运动轨迹 Fig.2Tool-pathofopticalasphericlens 两轴联动插补,可减少引入的数控系统插补误差.当用 来加工平面元件时,也常采用斜线包络式等其它多种 加工方式,以均化其平面度加工误差. 2磨削加工及补偿 按照加工过程,光学非球面元件,尤其是大尺寸光 学非球面元件的加工可分成2个步骤:1)使用金刚石 砂轮对其进行磨削加工,以确保其形状精度;2)通过 厦门大学(自然科学版)2011生 研磨,抛光加工,最终实现粗糙度更小,光洁度更高的 非球面元件[3].而由于平面磨床运动定位精度的限制, 以及金刚石砂轮损耗,加工环境等因素的影响,磨削加 工精度通常不能一次加工到位,因此,精密磨削可分为 3个步骤组成:磨削加工,在位测量以及磨削补偿. 2.I磨削加工[] 在本文搭建的加工及检测系统中,磨削加工模块 是用来选择加工工件的加工类型,如平面,斜面,轴对 称非球面或楔形非球面,确定磨削加工的进给方式,如 光栅进给式或斜线包络式,并设置初始磨削加工的参 数,如工件尺寸,进给速度,砂轮转速等,进而生成初始 磨削加工的数控G代码,从而导人磨床系统中进行磨 削加工. 图3为光学元件在自主开发研制的平面磨床上的 磨削加工.图4为自主开发的加工及检测系统的主界 面,其中包括了磨削加工,面形测量,磨削补偿,面形拟 合,串口通讯和环境监测6大模块.点击界面中的"磨 削加工"按钮,可根据向导进入磨削加工子模块,并进 行相应的参数设置和G代码生成. 2.2在位测量 所谓的在位测量,是指工件加工完毕后,在机床上 图3光学元件的磨削加工 Fig.3Grindingmanufactureofopticallens 图4加工及检测系统的主界面 Fig.4Mainpageofmachiningandmeasuringsystem 不卸下工件的情况下进行检测IS-s].在位检测系统通过 将测量传感器固定在机床上,以此实现对光学元件面 形的在位测量,并且在测量结束后立即对工件进行补 偿加工,因此可以消除由于工件重复定位引入的误差. 所以,在位测量是补偿加工的一种重要的检测方式. 图5为光学元件的在位检测实物图,其中采用的 测量传感器为KEYENCE公司的LK—G10高精度激 光测量传感器,分辨率达到0.1m.为了实现在线测 量的数据采集及处理,本文开发的加工及检测系统包 括了相应的在位测量软件.该在位测量软件基于Del— phi7开发,可实现在位测量数据的实时采集,并将采 集到的数据显示和保存.当工件测量完毕后,通过最小 二乘法实现工件的面形拟合和评价.图6为在位测量 软件的主界面. 2.3磨削补偿 在位检测完毕之后,必须将面形拟合得到的拟合 残差数据转化为数控加工G代码,用以实现磨削加工 的误差补偿.为此;本文的加工及检测系统也包含了相 应的磨削加工误差补偿软件. 图7为磨床加工参数的设置界面,用来设置如砂 轮转速,加工起始位置坐标,加工停止位置坐标,工件 图5光学元件的在位检测 Fig.5On-positionmeasm'eforopticallens 图6在位测量软件主界面 Fig.6Mainpageofon—positionmeasurementsoftware 第3期柯晓龙等:高精密光学元件磨床的加工与检测系统的开发?561? 图7磨床加工参数设置界面 Fig.7Setupinterfaceofgrindingparameters 坐标系等参数.图8为误差补偿界面,用来生成误差补 偿数据,并将面形拟合得到的补偿数据转换为数据加 工G代码.该子模块采用了Delphi7和Matlab混合 编程的方式实现.其中,Delphi7用来完成框架的搭建 和界面的开发,Matlab则实现面形拟合和算法设计. 两者之间通过Delphi7调用Matlab生成的COM组 件来完成接口通讯. 3环境监测 环境监测是磨削加工的一个重要环节L7].外部环 境,如振动,温度,湿度对磨削加工精度有着重要的影 响.因此,精密磨削加工不仅要处在一个恒温,隔振的 洁净环境,而且应该对加工环境进行实时监测. 本文自主搭建的高精度平面磨床采用恒温洁净室 的加工环境,利用油冷却系统和水冷却系统实现液压 油和冷却液的恒温冷却,选用隔振地基阻隔磨床外的 振源,同时以动平衡仪来平衡主轴的振动.因此,可以 保证该磨床磨削加工的加工环境处于一个相对良好的 工作状态,相关检测界面见图9. 4数据通讯 本文搭建的加工及检测系统中的磨削加工和磨削 补偿模块生成的G代码只有导人到数控系统中,才能 实现磨削加工和磨削补偿作业.而常用的数据传递方 式有通过存储卡传输数据和通过串口通讯传输,显然 后者是更为实时快捷的方式., 加工及检测系统中,磨床加工的数据通讯的原理 为:首先判断串口是否打开;确定串口打开后,发出发 送请求或接收请求;当CNC系统同意接收或发送数 据时,IPC端开始发送或接收数据;完成数据传输后, 图8误差补偿软件界面 Fig.8Interfaceoferrorcompensationsoftware 图9磨削加工的振动监测界面 Fig.9Mainpageofvibrationmonitorforgrinding manufacture 关闭串口. 5实验 为了验证加工误差补偿技术在磨削加工中的有效 性和可靠性,本文做了一组磨削补偿加工实验.图lO 和11为误差补偿前后工件面形的拟合残差对比.从图 可见,工件拟合偏差(PV)值由补偿前的4.1236?m 改善至2.9213/,m,补偿加工的PV值改善比例达到 了29;均方根(RMS)值由0.5282m改善至0.445 97/xm,且整体的表面误差形貌得到了有效的改善. 6结论 本文开发了一套面向光学非球面元件的高精密平 面磨床的加工及检测系统,并以此实现了光学非球面 元件的磨削加工,在位测量,磨削补偿,环境监测及数 据通讯等工作.研究结果表明,该加工及检测系统有效 地提高了光学非球面元件的磨削加工精度.下一步的 ? 562?厦门大学(自然科学版)201i越 2 量 童o? 薹I1 - 2 . 3 PV=4.1236gm,RMS=0.5282pm. 图1O误差补偿前的工件面形 Fig.10Surfaceshapefittingbeforeerrorcompensation 要. 善-1 .2 O PV2.92t3gm,RMS0.44597岬. 图11误差补偿后的工件面形 Fig.11Surfaceshapefittingaftererrorcompensation 工作目标为:1)分析不同加工轨迹对磨削加工及磨削 补偿的影响,以便优化加工轨迹,进而进一步完善加工 及检测系统.2)进一步研究砂轮磨损对补偿加工的影 响,并在误差补偿中引入砂轮磨损补偿,以改善补偿加 工精度. 参考文献: [1]杨小瑶.郭隐彪.超精密非球面磨削加工微振动实验系统 研究[J].福州大学:自然科学版,2005,8(33):491— 495. 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StudyonMachiningandMeasuringSysteminHigh-.precision GrindingMachineforOpticalAsphericLens KEXiao—long,GUOYin—biao?,ZHANGShi—han,HUANGHap (1.SchoolofPhysicsandMechanical&ElectricalEngineering,XiamenUniversity,Xiamen361005,China; 2.ChengduFineOpticalEngineeringResearchCenter,Chengdu610041,China) Abstract:Nowadays.high-precisionsurfacegrindingmachineisanimportantapproachtOprocessingopticalasphericlens.Taking highgeneralityandefficiencyintoaccount.thispaperdevelopsamachiningandmeasuringsysteminhigh—precisionsurfacegrinding maehineforopticalasphericlens,toachievehigh— precisionmachiningforallkindsofopticalasphericlens.Themachiningandmeasur- ingsystembuiltinthispaperadoptsmodulardesign,usesDelphi7asdeve1opmenttool,adoptsmixedprogrammingofDelphi7and Matlab,finallyachievesgrindingmanufacture,on-positionmeasurement,errorcompensationandenvironmentalmonitoringforoptical asphericlens.Theexperimentresultsindicatethatthemachiningandmeasuringsystemcanmeetthedemandofprecisionmachining andmeasurement,andhasflhighefficiency. Keywords:opticalasphericlens;grindingmachine;machining;measurement;system