年6月机械工程学报

机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERING第46卷第11期2010年6月Vol.46No.11Jun.2010DOI：10.3901/JME.2010.11.137自由曲面光学元件的设计、加工及面形测量的集成制造技术*李荣彬张志辉杜雪孔令豹蒋金波(香港理工大学工业及系统工程学系香港00852)摘要：针对自由曲面光学组件的超精密制造这门崭新技术，开发出从自由曲面光学设计、CAD连续数据转化、自由曲面模型重构、多轴加工仿真与切削优化、加工误差补偿到自由曲面面形测量的集成制造信息平台。所开发的集成技术，能有效减少在同类多轴机床编写复杂数控程序的时间，优化加工条件与切削策略，针对不同类型的自由曲面光学零件的主工艺，进行数字化仿真，避免昂贵的反复试切试验，以及提高产品的面形精度。并通过一系列的试验来验证该集成平台的稳定性和有效性。关键词：自由曲面光学元件超精密加工自由曲面测量数字化仿真中图分类号：TB249IntegratedManufacturingTechnologyforDesign,MachiningandMeasurementofFreeformOpticsLEEWingbunCHEUNGChifaiTOSuetKONGLingbaoJIANGJinbo(DepartmentofIndustrial&SystemsEngineering,TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKong00852)Abstract：Ultra-precisionmachiningtechnologyplaysanimportantroleinthemanufactureofadvancedfreeformoptics.Anintegratedmanufacturingplatformisdevelopedtocoverfreeformopticsdesign,CADcontinuousdatatransform,freeformmodelre-construction,simulationandcuttingoptimizationofmulti-axismachining,compensationofmachiningerrors,andthemeasurementandcharacterizationoffreeformsurfaces.TheadoptionoftheplatformtechnologyshortensthetimetodevelopcomplexNCprogramsfordifferentmulti-axismachinetoolstomanufacturedifferenttypesoffreeformoptics.Thissystemhelpstoavoidexpensiverepeatedcuttingtests,aswellastoimprovethesurfacequalityoffreeformproducts.Thestabilityandeffectivenessoftheproposedintegratedplatformareverifiedthroughaseriesoftests.Keywords：FreeformopticsUltra-precisionmachiningFreeformmeasurementDigitalsimulation0前言*自由曲面光学元件设计及其制造是一门崭新的技术，它突破传统光学成像的概念，将复杂的自由曲面组合成光学系统，优化了产品的结构与性能，各种高附加值的光电产品，已经转向具有微结构特点的、非回转对称的复杂自由曲面光学元件，它们是光电信息技术和光通信技术中不可缺少的关键元件。目前一些成像系统和照明系统，如数码摄像镜*中国香港特区研究资助局资助项目(PolyU5140/05E)。20090625收到初稿，20091217收到修改稿头、激光打印机扫描仪镜头、衍射光学器件、宽带光纤耦合器、背投电视的后反射镜、车灯的反射镜和灯罩、平面显示器的导光板等，已经广泛使用了自由曲面，其市场需求十分巨大，并且在迅猛增长中，预测2010年全球光电市场价值将由2002年的2520亿美元增加到5200亿美元。本文在自由曲面光学设计、多轴超精密自由曲面加工、刀具轨迹生成、工艺流程仿真及工艺优化、自由曲面的面形测量与光学性能评定等方面均作了大量的研发工作，通过大量的算法研究获得最佳的光学设计、加工优化及面形精度测量结果，从而无须再花费大量的时间编写程序及进行昂贵的试切试机械工程学报第46卷第11期期138验，例如一个F-theta透镜，从设计到完成，以往需时一个多月，而采用所开发的集成平台只需数天，大大缩短了产品开发周期。成功开发出拥有自主知识产权的数字化集成制造系统，填补了我国在自由曲面光学制造技术上的空白，使我国的自由曲面光学在光电通信产品、航天及国防中的应用达到世界先进水平。目前国内用于光电及通信产品的关键零部件，大量依赖国外进口。光学自由曲面通常是一类非轴对称、不规则、随意构造的曲面，其形状比较复杂，精度要求很高。高精度自由曲面光学关键元件的成功制造，不单单依赖数控机床的精度，更有赖于先进光学设计、加工工艺、自由曲面测量技术的综合考虑以及庞大复杂的数据演算和大量试验数据验证，才得以提高自曲面光学的加工及检测质量。现有的国内外设备生产商均无法提供相关制造技术的整体方案。(1)自由曲面光学设计方面。国内外设计自由曲面光学元件通常用的方法是采用现有的商用光学软件如CodeV、Zemax等，在成像设计软件中设置自由曲面参数，如双锥度曲面、非对称变形非球面，首先设置离轴参数及边界限制条件，再通过最小二乘法或全局遗传算法来优化完成自由曲面的设计。在非成像光学系统方面，虽然美国的光学研究协会公司(Opticalresearchassociates，ORA)最近开发的非成像光学分析软件LightTools6.0具有初步的自由曲面优化的功能，但优化出来的曲面往往不尽人意。由于以上的光学软件针对自由曲面的优化设计方法不够成熟，设计一个非对称的自由曲面需要花很多的时间采用手工反复不断地调整和设置操作参数，一个比较复杂的自由曲面往往需要一个月甚至几个月的时间，而且有时所设计光学效率并不理想。算法方面，德国的RIES等[1]在2002年提出了一种采用部分非线性微分方程的方法，但前提是需要将光源设置成点光源，而且对边界条件做了简化，采用这种方法设计的自由曲面系统，设计结果和实际结果往往会不一致。(2)自由曲面加工方面。美国的Precitech公司，仍无自己的自由曲面刀具轨迹自动生成、预报及优化软件，虽然Moore公司目前开发了自由曲面刀具轨迹生成软件，仍未有配套的加工过程和策略优化模型及相应的面形测量软件，并且其软件局限于该公司自己生产的机床，不具通用性。Diffsys开发了自由曲面刀具轨迹生成软件，可是没有考虑切削策略优化及机器系统误差补偿，同时不能提供曲面误差评定功能。英国Zeeko公司开发了自由曲面刀具轨迹生成软件，只适用于抛光机，其切削机理及表面生成过程完全不同于切削加工，不可应用于自由曲面的飞刀铣削过程。(3)自由曲面面形测量方面。测量与分析技术已从传统非球面转移到了自由曲面，目前市场上的商业产品，如Vecco、Taylor-Hobson等公司产品只可分析非球面的面形精度；对于任意自由曲面，上述公司生产的Wyko、TalysufPGI等系列产品虽可获得测量面形的原始数据，但对自由曲面面形精度的分析，目前尚无成熟的技术和方法。Taylor-Hobson公司的软件Talymap目前通过拟合来去除形状从而获得面形误差，但受到测量数据误差的影响，不可能真正实现自由曲面亚微米面形误差的评定，同时缺乏稳健性；即便如此，该套软件售价已100万港币以上。日本Panasonic公司宣称可评定部分自由曲面面形误差，但其可行性及标准性仍待确定，其技术仍处于保密状态。在学术研究中，大量学者提出了不同的方法[2-5]，但仍未解决亚微米面形精度与数据处理的不确定性。1集成制造系统如图1所示，集成系统被划分为4个基本模组，分别为光学设计模组、数据转换模组、加工过程仿真与优化模组、自由曲面测量与评估模组。光学设计模组，根据不同用途的自由曲面，进行设计和光学性能的仿真。光学设计数据可以被转换成CAD文件作进一步处理。超精密自由曲面重建技术采用高精度和稳健的自由曲面表示方法。曲面几何模型由刀具轨迹生成器根据机床参数(如回转半径、刀尖圆弧半径等)产生加工刀具轨迹。该刀具轨迹经过优化选择适当的刀具行进位置，以便获得最好的形状精度。通过自由曲面表面生成的预测和模拟、加工过程仿真与优化模块可以找到优化的切削条件及最佳切削策略。基于多步分层表面匹配和模式识别技术的自由曲面评定方法已被纳入自由曲面的测量与评估模组，用于评估光学自由曲面的表面质量、通过模式识别建立光学性能和几何特征之间的关系。集成系统可提供终端用户交互界面进行光学设计及表面生成预测，并可为设计和加工提供优化参考建议。1.1光学设计模组由于一般的光学软件(如Zemax、CodeV等)针对自由曲面的优化设计方法不够成熟，设计一个非对称的自由曲面需要花很多的时间用手工反复不断地调整和设置操作参数，一个比较复杂的自由曲面的设计往往需要一个月甚至几个月的时间，且所设月2010年6月李荣彬等：自由曲面光学元件的设计、加工及面形测量的集成制造技术139计的光学系统往往不够理想。如图1所示，光学设计模组用于光学设计与光学性能仿真。光学设计数据可以被转换成CAD文件作进一步处理。在构造光学设计模组时，利用边缘光线扩展度守恒的原理[6]创建了一套自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法，可以在极短时间内(一般为几个小时甚至更短)优化出具有最优效率及精确配光的自由曲面光学元件。图1集成系统结构及流程图边缘光线的扩展度守恒原理如图2所示，光源经过光学系统到达目标是个数学映射的关系。通过自由曲面边缘的那部分光线，经过映射后，对应于目标的边缘，自由曲面中间连续的部分，经过映射后，在目标中间形成连续的分布。如果光学系统没有损耗，那么光学系统的光源及目标的扩展度是守恒的。扩展度为光源或目标的面积与光线发散角所形成的立体角的乘积。根据这一原理，可将目标及自由曲面分割成等量的网格(图2中的V&U网格及Y&X网格)，目标的网格节点与自由曲面的网格节点形成一一对应，再根据目标节点的位置及法矢量，就可以对应地精确计算出自由曲面的控制网格的节点法矢量，从而生成所需要的自由曲面。1.2数据转换模组曲面重建的目的是为了根据一定的标准找到一个连续表面来拟合离散点云。关键问题是从光学设计模组获取散乱点。生成的拟合曲面模型是由自由曲面近似理论表面的设计面或参考面，用于后续的刀具轨迹生成和曲面误差评估。参数矢量表示的任意形状自由曲面，包括多项图2边缘光线的扩展度守恒式曲面、贝塞尔曲面(Bezier)、B样条曲面、非均匀有理B样条曲面(NURBS)等。但具有微米至亚微米级形状精度的自由曲面难以精确表达。数据转换模组中，描述光学自由曲面的离散数据点由设计CAD数据生成。超精密自由曲面通过高精稳健自由曲面重构与建模法进行重建。该方法使用优化模型寻找最佳参数(如多项式的阶次，NURBS曲面的阶次、权值等)用以重构连续自由曲面。如图3所示，超精密自由曲面通过高精稳健自由曲面重构与建模法进行重建。该方法使用优化模型寻找最佳参数(如多项式的阶次，NURBS曲面的阶次、权值等)用以重构连续自由曲面。图3高精稳健自由曲面重构与建模法1.3加工仿真与优化模组高质量的自由曲面生成采用了飞刀加工技术(图4)，该技术可直接加工自由曲面获得亚微米级表面形状精度。但是，通过飞刀加工获得高质量的表面需要正确选用切削条件和加工策略，如刀具轨迹规划中可选单向切削或双向切削；切削策略可选水平切削策略或竖直切削策略。如图5所示，切削策略根据进给与飞刀行进方向确定。在水平切削策略中，进给方向是沿x