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《精密和超精密加工技术》
课 程 报 告

题目：精密超精密加工技术综述

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2015年 12 月

摘要
论述精密超精密加工的技术内涵和范畴，分析影响精密超精密加工的主要因素。介绍了波面激光干涉仪的测量原理及使用技巧，重点阐述了如何在超精密加工的多个环节，如工件检测、精密对刀、误差补偿中发挥波面激光干涉仪的作用。

关键词:超精密加工技术 波面激光干涉仪 测量 误差补偿

1 引言
现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，它和精密超精密加工技术相辅相成，为精密超精密加工提供了评价和检测手段；精密超精密加工水平的提高又为精密测量提供了有利的仪器保障。在进行亚微米级超精密加工时，测量是必不可少的关键技术，加工精度越高，测量技术就越重要。波面激光干涉仪作为一种高精度的非接触式面形测量仪器，十分适合于在超精密加工中应用。本文将介绍WYKO数字波面激光干涉仪，在实际大型超精密非球面立式车床的样件加工中的应用。

2 波面激光干涉仪原理
波面激光干涉仪是利用干涉原理测量光程之差从而测定光学元件的面形、光学镜头的波面像差以及光学材料均匀性等的一种精密光学仪器。两束相干光程差的任何变化都会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定了测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变个波长（约m）,所以干涉仪是以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度一般为/10/100(为检测用光源的波长)，精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。
图 1 泰曼干涉仪和斐索干涉仪原理示意图
常用的波面激光干涉仪有泰曼干涉仪和斐索干涉仪，两者干涉光路有所不同，如图1所示。
泰曼干涉仪由两个准直透镜、分束器。标准平板一级标准球面镜所组成。单色光经小孔、光源准直透镜后被分束器分解为参考光束和检测光束。两者分别由标准平面和检测系统自准返回后，在经分束器，通过观测准直透镜重合，形成等厚干涉条纹。根据条纹的形状来判断被测件的光学质量。用泰曼干涉仪检测平板或棱镜的表面面形及其均匀性，和检测无限或有限共轭距镜头的波面像差，只需在检测光路中，用一标准的平面或球面反射镜，或再附加一负透镜组，以形成平面的自准检测光束即可。
斐索干涉仪有平面的和球面的两种，前者由分束、有限共轭距物镜和标准球面所组成。单色光束在标准平面或标准球面上，部分反射为参考光束;部分透射并通过被测件的，为检测光束。检测光束自准返回，与参考光束重合，形成等厚干涉条纹。用斐索平面干涉仪可以检测平板或棱镜的表面面形及其均匀性。用斐索球面干涉仪可以检测球面面形和其曲率半径，后者的测量精度与1m；也可以检测无限。有限共轭距镜头的波面像差。
除了上述的两种常用的干涉仪外，还有横向、径向剪切干涉仪，这两种干涉仪没有参考波面。横向剪切干涉仪把被测光束分解为两个相同的，但相互横移的相干光束。径向剪切干涉仪则是把被测光束分解为波面面形相似，但横截面大小不相同的两相干光束。干涉出现在两相干光束的重叠区域内。横向剪切干涉仪不能直接测得波面像差；径向剪切干涉仪系统误差稍大。因此该两种干涉仪不如前两种常见。
波面激光干涉图的分析，可用目视或照相，也可以在波面激光干涉仪上，配备光电探测器件和微处理机及终端系统，扫描、采样和分析干涉花样。称这种波面激光干涉仪为数字波面激光干涉仪。
3 波面激光干涉仪用于工件检测
本文的应用对象是一台大型超精密非球面金刚石立式车床，可加工金属非球面光学镜面。通过数字波面激光干涉仪的投入使用，可以判定最终产品的面形精度是否符合设计要求，有效提高了质检能力。此外，波面激光干涉仪的工件检测功能也是后面介绍的精密对刀和误差补偿功能的基础。本文使用的数字波面激光干涉仪为WYKO RT16100型，该仪器采用斐索干涉原理可用于测量光学玻璃和金属（铜、铝合金等），光学警惕（锗、硅、硒化锌等）材料平面、球面表面的面形精度，并且配有计算机通过软件进行数据处理。图2所示
超精密车床加工的主要种类有平面（包括环形平面）、凸球面、凹球面以及抛物面等光学面形。根据被测工件的形状变化，测量的光路、工件安装位置、调整方式、镜头都有所不同。下面分别介绍不同工件使用波面激光干涉仪的区别。
3.1 平面测量
平面测量配置用于测量反射平面镜、透镜和窗片。因为干涉仪镜头使用的是平面镜，所以光路是哦明星的。右面的被测平面必须放在专用夹具上以便于对被测面进行倾斜调整，此时用两维调整架放置和调整样品就可满足要求。
3.2 凹球面测量
把干涉仪镜头换成球面标准镜，可以将干涉仪输出平面波变成球面波，用于球面样品和透镜的测量。测量时，被测样品凹面的曲面中心必须与球面标准镜的焦点精确重合。需要三维样品调整架用于调节被测样品。
3.3 凸球面测量
测量凸面样品的面形时，选择合适的球面标准镜必须满足以下条件：首先，被测凸球面的曲率半径必须小于球面标准镜的后焦距，与测量凹球面相反的是被测凸球面放在焦距位置内;其次，被测样品的曲率半径与通光孔径的比值（R/number）必须小于等于球面标准镜的F/number。也需要三维调整架用来调整被测样品的空间位置。
3.4 其他非球面测量
当使用波面干涉仪测量其他非球面，比如抛物面、椭球面和双曲面等时，需要额外的补偿镜，其原则就是可以让光路返回干涉仪内部，满足发生干涉的要求。
当光路设置好后，调整镜头和被测工件调整装置，使得反射回去的激光位置居中，并且干涉条纹尽量的稀疏，惦记遥控器上的测量按钮，或者在PC端软件上的新建测量按钮，干涉仪内部的电机将驱动光学机构微动，PC端软件根据变化的干涉条纹计算出被测工件的实际面形误差，并用图形方式给出直观的测量结果。
4 波面激光干涉仪用于精密对刀
车床加工的精度除了与车床本身的设计、制造精度有关外，还和加工工艺和对刀精度等有很大的关系。与理论道具位置的误差将会完全在加工出的工件面形上反映出来。对刀的本质是确定程序原点在机床坐标系中的位置。

图 3 圆弧刃金刚石刀具
如图3所示为本文所使用的超精密车床的圆弧刃单晶金刚石刀具，其刀尖部分的外形从正面看为圆弧，从侧面看为三角形。因此当刀头位置离理论位置在X和Y有正向或负向的位置误差时，车削球面会出现以下情况：在Y方向上有负误差时，工件上有残留的小圆柱；当在Y方向上有正误差时，工件上有残留的小圆锥；当在X方向上有误差时，加工完的工件将偏离圆形，如图4所示。后两种情况较难判断，并且对面形有更大的影响。
图4 对刀误差的影响
因此本文将使用一个小的凸球面辅助件，以对刀误差为零的理论差不轨迹进行加工，然后安装到测量调整机构上，使用数字波面激光干涉仪进行测量。通过对比加工面与标准球面之间的面形误差，并根据误差的分布特征，判断实际对刀位置与理论对刀位置的偏差方向与大概数值，通过刀具调整机构或在NC软件中修改G54代码的偏差，对金刚石刀具的零点进行微调后，在重复上述加工、测量、调整过程，知道凸球面的面形接近理想球面，误差在可接受范围内，则精密对刀环节完成。

图5 对刀辅助件的波面干涉仪测量结果三维图
图5是当金刚石刀具的实际安装与理论位置在X方向上有偏差时，加工出的凸球面辅助件在波面干涉仪上测量结果的三维图形。左侧的是X方向负偏差加工后的结果，中间是X方向正偏差加工后的结果。通过调整最终达到如右侧图形所示径向等高的结果，表明对刀效果较好。
5 波面激光干涉仪用于误差补偿
在精准对刀的基础上，超精密车床对零件实现高精度加工的关键是提高机床本身的精度。总体来说，提高机床精度有两种基本方法：误差控制法和误差补偿法（或称精度补偿法）
误差防止是荣国合理的机床设计、零件加工、机床装配、环境控制和使用来消除或减少可能的误差源，它是保障数控机床加工精度的最根本最有效的手段。误差防止法采用的是“硬技术”，它虽能减少原始误差，但随着加工精度的提高，单纯依靠提高机床制造和安装精度、降低内部热源发热量、严格控制加工环境和使用条件来减少机床加工误差，在技术上变得越来越困难，经济上的代价往往很昂贵。时间和分析表明，在超精密加工中，利用误差防止技术来提高加工精度所发挥的成本按指数规律增长。误差补偿技术是在不改变机床结构和制造精度基础上，在假设误差事可重复的并可以测量的情况下，通过对机床加工过程的误差源分析、建模、测量，计算出加工点的空间位置误差，将该误差量反馈到机床的控制系统中，改变坐标驱动量来实现误差修正，从而提高机床精度。该方法的性价比较高是提高机床精度的较好的方法。
进行误差补偿时，可以根据机床结构和工作状态进行建模，然后通过直接或间接的方法测量出各项分离的误差，将误差带入模型中计算，分局九三结果实时补偿机床位置；也可以对机床试加工出的工件进行测量，根据测量得到的误差对数控加工程序进行修改成为新的加工程序之后输入机床，或者是将测量得到的误差作为误差文件置于数控系统中，由系统在机床运行过程中进行调用达到误差补偿。本文使用很暖和的是后一种补偿方法。
数字波面激光干涉仪对测量数据的处理提供了很大的便利，可以方便的提供被测工件径向剖面的轮廓线误差曲线，并将误差输入域为csv格式，可用文本编辑器或 Excel进行查看，如图6所示。

图6波面激光干涉仪测得的误差信息和补偿数据
在加工前，基于可变步长双圆弧插补技术，用VC编写NC代码自动生成程序，根据给定的光学曲面公式，自动生成加工工件的G代码。使用生成的G代码进行第一次加工后，用数字波面激光干涉仪测量，并导出误差文件。用NC代码自动生成程序读取该误差文件，结合光学曲面公式，生成修正后的加工G代码。使用该G代码进行第二次加工，必要时进行多次迭代反复加工，知道达到精度要求。加工出的工件使用干涉仪进行检测。对多种工件用该方法进行加工，达到了0.30.7m的面形精度，有效提高了机床的加工精度。
6 结论
本文基于波面激光干涉仪能提高精度非接触测量面形误差的特点，将其应在一台大型超精密车床的加工过程中工件测量、精密对刀、误差补偿环节。通过这些应用，加工的样件达到了0.30.7m的面形精度，表明波面激光干涉仪在超精密加工中的应用具有重要意义。

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