一种小工具数控抛光机床及其智能工作方法与流程

本发明涉及光学精密加工装备，具体涉及一种能实现在位修整与去除函数自动校准的小工具数控抛光机床及其智能工作方法、存储介质，用于光学元件数控抛光过程中抛光工具的在位表面修整和去除函数的全自动标定与更新。

背景技术：

1、五轴小工具数控抛光的工艺确定性，核心依赖加工过程中去除函数的稳定性。去除函数的峰值去除率、半高全宽、体积去除率三大关键参数，分别决定材料去除速度、加工轨迹平滑效果与整体加工效率。任意参数发生漂移，均会引发驻留时间解算偏差，造成元件面形收敛停滞，直接降低抛光加工精度。

2、抛光工具在连续加工中的物理、化学退化是去除函数失稳的主要诱因，主要包括三类确定性退化机制。其一为釉化退化，抛光工具上的聚氨酯抛光垫在5~15℃接触温升、3~50n法向压力及0.1~1.5mpa应力作用下产生塑性蠕变，其表面5~20μm孔径、30%~50%孔隙率的微孔被碾压闭合，造成材料去除率衰减，每累计加工60分钟，去除率下降5%~15%。其二为堵塞退化，加工产生的0.5~10μm粒径、莫氏硬度5.5~6.5的玻璃磨屑，以及1~3μm一次颗粒经范德华力团聚形成的10至50微米氧化铈团聚体，会嵌入垫面微孔，使去除函数由标准高斯形态畸变为不规则形态，破坏工艺稳定性。其三为磨损退化，0.03~0.75mpa的加工剪切力会造成垫面逐层损耗，磨损速率为每小时0.5~2μm，长期磨损会使垫面形变凹凸，彻底丧失去除函数对称性。

3、目前行业主流三类修整标定方法主要包括离线拆装搭配专用修整机与独立干涉仪的标定方式，工业相机视觉监测配合手动修整的方式，移植自半导体平坦化工艺的在线修整方法。但是均存在固有技术缺陷，无法满足高精度光学元件加工需求。离线拆装搭配专用修整机与独立干涉仪的标定方式，存在多重系统误差，拆装带来累积对刀误差、标定样件与实际工件参数不匹配，叠加人工判断偏差与坐标系隔离问题，最终导致加工精度严重不达标。工业相机视觉监测配合手动修整的方式，仅可识别抛光工具宏观缺陷，无法检测纳米级釉化损耗与效率衰减问题，且无闭环联动机制，人工判定主观性强、加工一致性差。移植自半导体平坦化工艺的在线修整方法，与小工具抛光的工况、技术目标和加工尺度适配性极差，不仅在线修整模式无法适配精密抛光场景，还会引发二次釉化缺陷，难以满足精密加工要求。

4、综上，现有抛光修整标定工艺普遍存在精度稳定性不足、自动化程度低、工况适配性差等技术瓶颈，无法解决抛光工具退化导致的去除函数漂移、面形收敛失效等核心问题。因此，现阶段亟需研发一款修整、标定在位集成的定量闭环自动化抛光系统，突破现有工艺局限，满足高精度光学元件的精密抛光加工需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种小工具数控抛光机床，能实现抛光工具在位修整与去除函数自动校准一体化。

2、本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种小工具数控抛光机床的智能工作方法，能实现抛光工具在位修整与去除函数自动校准，提高抛光精度度提高抛光自动化程度。

3、本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种小工具数控抛光机床，包括

4、机体；

5、抛光工具；

6、驱动机构，设置在机体上且通过主轴与抛光工具驱动连接；

7、修整单元，设置在机体上，用于对抛光工具进行在线修整；

8、标准试件，靠近修整单元而设置在机体上，所述标准试件采用与待加工光学元件工件相同或等同的材料制成；

9、干涉仪，设置在机体上，用于采集标准试件的斑点沦落数据；

10、数控模块，设置在机体内，所述数控模块与驱动机构、修整单元、干涉仪电信号连接，所述数控模块控制修整单元对抛光工具进行修整工作，并在抛光工具完成修整后对标准试件进行试抛，再基于干涉仪采集的试抛后的标准试件三维轮廓数据计在线算更新去除函数，进而进行后续的补偿抛光工作。

11、作为改进，所述修整单元包括底座、超声换能器以及修整盘，所述超声换能器集成设置在修整盘内，所述修整盘固定在底座上。

12、作为改进，所述修整盘的上表面上具有金刚石磨粒层，所述超声换能器为朗之万型压电超声换能器。

13、作为改进，所述修整盘的直径为 40~80mm，平面度大于等于2μm，金刚石磨粒层的金刚石粒度为 15~30μm；所述超声换能器的谐振频率为 40khz±1khz，功率在50~200w范围内可调。

14、作为改进，所述机体上对应于标准试件的安装位置设置有定位销，所述标准试件的底部设置有与定位销过盈配合的定位孔。

15、作为改进，所述定位销与定位孔的配合间隙为2~5μm。

16、作为改进，所述标准试件横截面呈圆形，所述标准试件为直径为20~40mm、厚度为10mm的圆柱形样件。

17、本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种如前述的小工具数控抛光机床的智能工作方法，包括以下步骤：

18、s1、数控模块根据预设触发条件自动启动在位抛光工具修整工作与去除函数校准工作，所述触发条件包括累计抛光时间超过预设时间阈值，和/或去除函数在线漂移监测指示偏移量超过预设的偏移量阈值；

19、s2、驱动机构驱动抛光工具移至修整单元，并利用修整单元对抛光工具按照设定的修整参数进行在线修整；

20、s3、驱动机构驱动抛光工具移至标准试件上方，进而对标准试件按照预设的试抛参数执行标准化试抛工作，在标准试件表面形成单点试抛斑点；

21、s4、控制干涉仪采集单点试抛斑点的三维轮廓数据，数控模块对三维轮廓数据进行二维高斯拟合，提取去除函数的峰值去除率、半高全宽和体积去除率三个特征参数，并将提取的特征参数与标定基准值进行比较计算而获取偏移量，根据偏移量执行分级响应决策并自动更新去除函数特征参数；

22、s5、将更新后的去除函数特征参数写入驻留时间解算器参数表，进入后续的补偿抛光工作。

23、作为改进，步骤 s4 中，所述分级响应决策为：偏移量小于10%时自动微调preston 系数；偏移量为 10%~30%时触发复修整工作并自动延长修整时间 50%，复修整工作完成后重新执行步骤 s3 至 s4；偏移量大于 30%时提示更换抛光工具。

24、作为改进，步骤 s1 中所述累计抛光时间的预设阈值为 30~120 分钟；

25、步骤 s2 中的修整参数为：修整压力为5~15n，修整转速为200~1000rpm，修整时间为10~60 秒，超声换能器的功率为50~200w，超声换能器的振动频率为40khz；

26、步骤 s3 中的试抛参数为：试抛压力为5~20n，抛光工具转速为1000rpm，驻留时间为5~30 秒。

27、与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的小工具数控抛光机床及其智能工作方法，改变了现有小工具抛光领域去除函数必须由操作者在专用离线设备上手动标定的技术偏见，本发明中利用修整单元在线对抛光工具进行修整，并利用修整后的抛光工具对标准试件进行试抛，进而将修整效果以去除函数参数偏移量的定量数据形式实时进行标定，使修整参数根据标定结果自动调整，形成了一个从未在光学表面成形领域实现过的定量闭环，一体实现了抛光工具在位修整与去除函数自动校准，提高抛光精度度提高抛光自动化程度。