具有復(fù)雜自由曲面的超精密光學(xué)越來越多地應(yīng)用于航空、航天、生物、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。優(yōu)異的輪廓精度和表面光潔度是自由曲面光學(xué)成像性能的重要保證，同時(shí)這也給制造帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，限制了其廣泛的應(yīng)用。砂輪的幾何誤差、安裝誤差、輪廓誤差等重要誤差源都會對加工表面的輪廓精度產(chǎn)生影響。利用在線測量的方法對輪廓線誤差進(jìn)行補(bǔ)償是提高輪廓線精度的有效途徑，另一方面自由曲面光學(xué)系統(tǒng)的測量在不能損傷被加工表面的同時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)亞微米精度。

來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Qingliang Zhao團(tuán)隊(duì)采用非接觸和在線測量的方法對已加工表面輪廓線誤差進(jìn)行測量和評價(jià)，建立基于誤差源與被測輪廓線誤差對應(yīng)關(guān)系的刀具誤差模型，對自由曲面光學(xué)磨削輪廓線誤差補(bǔ)償開展研究。

圖1. 超精密磨床及在位測量系統(tǒng):(a)系統(tǒng)實(shí)物圖;(b)原理圖。

如圖1所示，在機(jī)測量系統(tǒng)安裝在大理石底座上，靠近磨削主軸，使用激光位移傳感器測量基底輪廓誤差。補(bǔ)償過程中的參數(shù)設(shè)置為進(jìn)給速度為120 mm/min，采樣頻率為2 kHz。高精度激光位移傳感器的測量數(shù)據(jù)需要濾除粗糙度等帶來的中-高頻率的空間信息，提取出有效的低頻輪廓誤差。

圖2. 自由曲面輪廓誤差示意圖

輪廓誤差的高精度測量和評定是自由曲面光學(xué)精密補(bǔ)償加工的重要保證。自由曲面輪廓線誤差一般以實(shí)際測量點(diǎn)與理想理論點(diǎn)之間的距離來計(jì)算。通過點(diǎn)掃描獲取光學(xué)自由曲面的高精度低頻輪廓誤差信息。激光位移傳感器測量的輪廓誤差示意圖如圖2所示。通過工件目標(biāo)幾何參數(shù)生成的測量路徑對磨削表面進(jìn)行掃描。激光位移傳感器的探頭掃描工件表面，獲得磨削表面的誤差信息，由高精度數(shù)據(jù)采集控制器采集被測輪廓誤差數(shù)據(jù)。然后對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，得到加工表面，并與理想理論表面進(jìn)行比較，計(jì)算輪廓誤差。

研究團(tuán)隊(duì)并通過小波分解技術(shù)，將用于補(bǔ)償處理的低頻輪廓誤差從重構(gòu)誤差面中有效分離出來。最終實(shí)現(xiàn)沿工件長度(220 mm)和工件高度(105 mm)的輪廓誤差分別從15.425 μm減小到1.678 μm和18.6 μm減小到1.6948 μm。在220m × 105mm測量范圍內(nèi)，經(jīng)輪廓誤差補(bǔ)償后的加工面pv值由21.6 μm降至1.5486 μm。驗(yàn)證了所提輪廓誤差補(bǔ)償方法對雙二次曲面的有效性。