[发明专利]非球面光学元件加工机床导轨形状误差的确定性补偿方法

说明书

本发明公开了非球面光学元件加工机床导轨形状误差的确定性补偿方法，包括以下步骤：仿真分析机床导轨受力变形；实测导轨形状误差；计算加工工况下导轨形状误差分布；根据非球面方程，获取非球面光学元件表面各点坐标，结合非球面平行磨削砂轮运动控制点坐标传递函数模型，获取磨削过程中砂轮运动控制点阵坐标；叠加导轨形状误差，得到具有误差修正的砂轮运动控制点阵坐标；按照修正后的砂轮运动控制点坐标形成的加工轨迹进行磨削加工，实现导轨形状误差的确定性控制。本发明可以实现非球面成形加工过程中对机床导轨形状误差的确定性补偿控制，消除导轨形状误差与磨削力引起导轨变形而对元件最终加工精度的影响，提高元件的成形加工精度。

技术领域

本发明涉及非球面光学元件超精密加工技术领域，更具体的说是涉及非球面光学元件加工机床导轨形状误差的确定性补偿方法。

背景技术

非球面光学元件能够消除球面元件在光束传递过程中产生的球差、慧差、像差等不利影响，在光束聚焦时能减少光能损失，提高聚焦和校准精度，在现代大型光学系统中获得了广泛的应用。非球面表面各点的矢高和曲率半径不相同，采用精密磨削加工的方法，实现非球面光学元件的精密成形，具有材料去除速率快、便于实现自动化等优点，目前已被国内外多项大型光学系统作为非球面光学元件制造的主工艺使用。超精密磨削加工利用高精度、高刚度的超精密磨床，金刚石砂轮在数控系统的精确控制下，按照理论的非球面轨迹进行运行，实现材料的去除，基于运动复印原理获得被加工表面。因此，加工过程中，金刚石砂轮和元件之间的相对位置关系的精确程度，直接影响了元件最终的加工误差。机床直线轴的位置误差和导轨形状误差，是影响砂轮和元件之间相对位置关系的直接因素。直线轴位置误差可以通过光栅尺精确实时测量运动位置，并进行在线误差补偿，实现高精度、确定性控制。但制约最终加工精度的导轨形状误差，无法实现确定性补偿控制。

中国专利CN108803497A公开了一种导轨误差运动部件位姿误差映射模型的建模方法，通过建立滚动体与导轨滚道面和滑块滚道面的弹性接触模型、单滑块的误差传递函数模型、运动部件位姿误差与导轨误差的映射模型，给出均化系数的定义方法。该发明明确滚动导轨副的误差均化机理，确定具体的误差均化比例，在机床正向设计中定量的指导公差分配，降低生产制造成本，有效的控制装配误差，提高装配成功率。中国专利CN104217080A公开了一种滚动直线进给系统运动误差预测模型建立及预测方法，先根据导轨型号分析滚道和滚珠接触状态以及滑块的结构，依据Hertz理论分析滚珠受力与变形之间的关系，构建滚珠的等效非线性弹簧；依据滑块和直线进给系统结构，在有限元分析软件ANSYS中构建有限元模型，完成预测模型建模；实测直线进给系统导轨的水平和竖直方向直线度误差，拟合实测误差，构造误差曲线；将得到的误差曲线代入预测模型中；施加载荷，模拟直线进给系统的自重和受载；通过有限元分析软件ANSYS求解完成直线进给系统五项运动误差的预测。中国专利CN105653842A针对直线滚动导轨作为承载与导向机构的机床进给系统，考虑导轨精度与刚度在外力作用下对进给系统精度的耦合影响，提出一种进给系统力变形误差的建模方法。首先通过等效负载法对导轨接触刚度进行估算，其次建立以滑块作为支撑的工作台受力平衡方程，再次根据工作台的刚性假设确定各滑块几何变形关系，根据变形与力之间的物理关系列补充方程，最后联立求解进给系统的力变形误差，该发明弥补了导轨精度与刚度在外力作用下对进给系统精度的耦合影响的空白，对研究机床力误差有良好的应用前景。

综合上述内容可以看出已公开的专利主要针对于机床直线导轨运动误差的建模、预测，以及受力情况下的变形分析。针对大口径非球面光学元件超精密成形加工过程中对元件形状误差高精度控制的需求，暂无公开的超精密磨削机床导轨形状误差的控制方法。

因此，如何提供一种能有效提高元件的成形加工精度的非球面光学元件加工机床导轨形状误差的确定性补偿方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种非球面光学元件加工机床导轨形状误差的确定性补偿方法，可以实现非球面成形加工过程中对机床导轨形状误差的确定性补偿控制，消除导轨形状误差与磨削力引起导轨变形而对元件最终加工精度的影响，提高元件的成形加工精度。