石廣豐，薛常喜，史國(guó)權(quán),2

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春 103322；2.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州 215163）

基于圖像處理反求法的微結(jié)構(gòu)FTS超精密加工

石廣豐1，薛常喜1，史國(guó)權(quán)1,2

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春 103322；2.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所，蘇州 215163）

微結(jié)構(gòu)的超精密加工技術(shù)是一項(xiàng)前沿先進(jìn)制造技術(shù)。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)控化編程對(duì)于創(chuàng)成設(shè)計(jì)加工來(lái)說(shuō)是必要的，但是反求法復(fù)制加工更有現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)將圖片上的彩色（黑白）圖像進(jìn)行識(shí)別處理，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和設(shè)定即可實(shí)現(xiàn)圖片圖像上所反映的微結(jié)構(gòu)信息，并轉(zhuǎn)化成數(shù)控加工程序從而輸入到超精密機(jī)床的數(shù)控加工系統(tǒng)并過(guò)FTS單點(diǎn)金剛石車(chē)削加工實(shí)現(xiàn)光學(xué)級(jí)別的微結(jié)構(gòu)加工。最后在Precitech超精密車(chē)削機(jī)床上進(jìn)行了校徽微結(jié)構(gòu)的典型加工驗(yàn)證，證明了該方法的可行性和有效性。

圖像處理；微結(jié)構(gòu)；FTS；超精密車(chē)削

0 引言

近年來(lái)，高陡度的復(fù)雜面形/結(jié)構(gòu)零件的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了超精密加工技術(shù)的快速發(fā)展。而采用天然金剛石為刀具的超精密快速伺服車(chē)削加工可一次性獲得超精密面形，具有精度高、效率高、能加工復(fù)雜微結(jié)構(gòu)甚至是自由曲面的眾多優(yōu)點(diǎn)，因此受到了研究者和應(yīng)用者的廣泛關(guān)注[1]。快速刀具伺服（Fast Tool Servo，簡(jiǎn)稱FTS）的金剛石車(chē)削加工技術(shù)是相對(duì)應(yīng)慢速刀具伺服（STS）金剛石車(chē)削加工技術(shù)來(lái)說(shuō)的，是基于刀具的高頻移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)超精密車(chē)削加工的[2]。FTS的原型首先出現(xiàn)在美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前已取得了很大的研究進(jìn)展。由于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在高端制造裝備領(lǐng)域?qū)χ袊?guó)的禁運(yùn)和技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)已有的自研的超精密機(jī)床和FTS裝置雖然也取得了很大發(fā)展[3]，但還很難進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用，和國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備相比在性能方面也存在不小的差距。2012年長(zhǎng)春理工大學(xué)引進(jìn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)加工口徑達(dá)700mm的美國(guó)Precitech 700Ultral超精密機(jī)床，所配備的FTS性能先進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)級(jí)微結(jié)構(gòu)的加工制造。

超高頻響FTS用于加工微結(jié)構(gòu)曲面時(shí)，可以獲得滿意的加工效率和表面質(zhì)量，但是需要對(duì)所要加工的曲面進(jìn)行數(shù)學(xué)分解，并選擇適當(dāng)?shù)牡毒呗窂胶蛙壽E跟蹤控制算法，再通過(guò)FTS超精密加工來(lái)實(shí)現(xiàn)。而曲面分解算法來(lái)源于曲面設(shè)計(jì)。對(duì)于被動(dòng)地想要加工出理想的微結(jié)構(gòu)表面，還可以采用其他方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文采用具有色位圖片的轉(zhuǎn)換，將通過(guò)圖片色位和像素對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸信息，設(shè)定峰谷值映射比例關(guān)系，并轉(zhuǎn)化為數(shù)控加工代碼進(jìn)行FTS超精密加工，從而通過(guò)圖像處理反求法實(shí)現(xiàn)了圖片所對(duì)應(yīng)的微結(jié)構(gòu)加工。

1 FTS加工原理與控制

FTS模塊是一個(gè)裝有金剛石刀具和裝載到車(chē)床Z軸導(dǎo)軌上的短行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是獨(dú)立于超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)之外的一套附加裝置。它由壓電堆或帶有閉環(huán)位置反饋的直線電機(jī)所驅(qū)動(dòng)。FTS與超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)之間沒(méi)有雙向的通訊關(guān)系，它使用專用的數(shù)字信號(hào)處理器，不需要對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行伺服控制，只需跟蹤主軸轉(zhuǎn)角和X軸位置的變化，因此FTS的輸出信號(hào)由主軸的角位置和X軸的刀具位置來(lái)決定。當(dāng)輸出信號(hào)發(fā)送到FTS控制器，控制器將關(guān)閉伺服回路并適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)FTS模塊上的金剛石工具做Z向快速運(yùn)動(dòng)?？斓端欧﨔TS控制器提供刀具位置命令的更新率高達(dá)數(shù)千赫茲。位置命令（包括工具補(bǔ)償）實(shí)時(shí)計(jì)算，沒(méi)有插值，利用現(xiàn)有的編碼器輸入到機(jī)床軸上。

為了避免具有一定陡度的微結(jié)構(gòu)面形與金剛石加工刀具的干涉作用，微結(jié)構(gòu)的超精密加工通常選用較小半徑的圓弧刃車(chē)刀，圓弧刃可以提高刀具的使用壽命，其圓弧上鈍圓半徑小于100nm，刀尖圓弧輪廓精度小于50nm，刀具表面的粗糙度一般低于10nm[4,5]，圓弧刃的形狀直接復(fù)映到工件表面，圓弧刃車(chē)刀按照后刀面形狀又可分為圓柱形車(chē)刀和圓錐形車(chē)刀。金剛石刀具的幾何參數(shù)取決于加工表面的面形形狀，對(duì)于不同的加工表面，對(duì)應(yīng)的刀具參數(shù)也不同。所以應(yīng)根據(jù)微結(jié)構(gòu)具體形狀計(jì)算并選取刀具幾何參數(shù)，金剛石刀具參數(shù)包括：刀具前角、刀具后角、刀尖圓弧半徑和刀尖圓弧包絡(luò)角，并進(jìn)行到位點(diǎn)的補(bǔ)償設(shè)置。

圖1 超精密加工原理圖

2 圖像的識(shí)別與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

基于圖像處理反求法開(kāi)展微結(jié)構(gòu)超精密加工的出發(fā)點(diǎn)是：由于圖像上的像素顏色信息和對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)相對(duì)圖片圖像中的位置信息都可以通過(guò)圖像處理算法識(shí)別出來(lái)，因此只要將兩種信息和數(shù)控加工程序建立關(guān)系，就可通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)加工。

位圖（bitmap）是一種沒(méi)有經(jīng)過(guò)壓縮的點(diǎn)陣圖像，而像JPG、GIF等等后綴格式的圖像都是經(jīng)過(guò)壓縮的。位圖是Microsoft公司制定的，能夠運(yùn)行于許多不同的操作系統(tǒng)。位圖由像素點(diǎn)構(gòu)成，與圖像的分辨率（每英寸包含的像素點(diǎn)的數(shù)量）相關(guān)。如果對(duì)于黑白位圖，則位圖像素有顏色深度為 1 位二進(jìn)制，即只有兩種顏色—黑（1）白（0）。而對(duì)于彩色圖像來(lái)說(shuō)，一個(gè)像素點(diǎn)由R、B、G三種顏色表示，一種顏色由8位（一個(gè)字節(jié)）構(gòu)成，共24位。

因此，根據(jù)位圖的相關(guān)特點(diǎn)，基于圖像處理反求法開(kāi)展微結(jié)構(gòu)超精密加工的基本方法和程序如下：1）在Precitech開(kāi)發(fā)的UPXTM超精密機(jī)床加工系統(tǒng)中，從桌面使用功能里面打開(kāi)位圖格式的目標(biāo)圖片；2）將目標(biāo)圖片保存為特定的色位和像素（如256色、500×500像素），保持原圖像尺寸大小不變；3）將出現(xiàn)在桌面系統(tǒng)中特定格式（“.c”和“.h”）的文件移至系統(tǒng)軟件可以識(shí)別的指定文件夾內(nèi)，同時(shí)處理前的圖片也要放到相同的文件夾內(nèi)，然后保存；4）通過(guò)加工系統(tǒng)打開(kāi)指定文件夾內(nèi)特定格式的已處理文件，設(shè)定體現(xiàn)微結(jié)構(gòu)深淺的峰谷值比例映射關(guān)系（有精度要求的可以進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定進(jìn)行）；5）提交DIFFSYS數(shù)控加工軟件，設(shè)置刀具等基本參數(shù)，生成FTS加工目標(biāo)面形的數(shù)控程序；6）裝卡工件，對(duì)刀檢測(cè)并進(jìn)行加工，最后實(shí)現(xiàn)圖片上對(duì)于圖像的微結(jié)構(gòu)FTS超精密加工。

3 校徽微結(jié)構(gòu)的加工實(shí)驗(yàn)

以長(zhǎng)春理工大學(xué)的?；諡槔x取一張?；?qǐng)D片如圖2所示。圖片以藍(lán)白相間的顏色搭配為主，但是藍(lán)色色調(diào)并不一樣。經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)超精密機(jī)床的控制系統(tǒng)的設(shè)定和數(shù)據(jù)提取，其中微結(jié)構(gòu)深度方向上的峰谷值分別為5.019608微米和-4.291188微米，?；盏膱D像格式如圖3所示。用超精密機(jī)床在口徑為76mm的金屬鋁棒料端面上粗車(chē)后，找到FTS微結(jié)構(gòu)加工的基準(zhǔn)，利用上述圖像處理反求方法將按照特定要求編制的程序輸出。

圖2 長(zhǎng)春理工大學(xué)校徽?qǐng)D片

圖3 加工系統(tǒng)環(huán)境下的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

最后采用FTS進(jìn)行?；瘴⒔Y(jié)構(gòu)的加工，加工過(guò)程如圖4所示，加工后得到校徽的微結(jié)構(gòu)樣件，樣件表面十分光亮（如圖5所示）。通過(guò)輪廓儀的檢測(cè)分析可以發(fā)現(xiàn)該微結(jié)構(gòu)表面的粗糙度達(dá)到納米級(jí)別。此外，還可以實(shí)現(xiàn)在凸球面、凹球面甚至是非球面基面上的?；瘴⒔Y(jié)構(gòu)加工。

圖4 ?；瘴⒔Y(jié)構(gòu)的FTS超精密車(chē)削加工

圖5 加工出的鏡面級(jí) ?；瘴⒔Y(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

提出了基于圖像處理反求法的微結(jié)構(gòu)FTS超精密加工方法，并以?；?qǐng)D片的圖像為例進(jìn)行了FTS超精密車(chē)削試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了圖像上像素的顏色、像素點(diǎn)的位置，圖像微結(jié)構(gòu)尺寸和數(shù)控加工程序等信息的有機(jī)結(jié)合，對(duì)于微結(jié)構(gòu)超精密加工技術(shù)的發(fā)展來(lái)說(shuō)具有重要意義。

[1] 徐兵,王翠,許蓬子.光學(xué)自由曲面超精密加工方法綜述[J].現(xiàn)代制造工程,2014,(03):140-144.

[2] 萬(wàn)飛,楊帆,楊舜洲,馮宗杰.自由曲面光學(xué)零件的慢刀與快刀車(chē)削技術(shù)分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2010,(06):57-60.

[3] 楊帆,戴一帆,王貴林,楊海寬,吳宇列.復(fù)雜面形/結(jié)構(gòu)零件的快速伺服車(chē)削技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2009,(21):2591-2593+2608.

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FTS ultra precision machining of micro structure based on a reverse method of image processing

SHI Guang-feng1, XUE Chang-xi1, SHI Guo-quan1,2

TG51

A

1009-0134(2017)04-0035-02

2017-01-16

吉林省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目（20150204004GX，20150204059GX，20170101124JC）

石廣豐（1981 -），男，遼寧人，副教授，博士，主要從事超精密加工技術(shù)相關(guān)方面研究。