[发明专利]一种微透镜阵列模具车削加工中的反射焦距在位检测方法

摘要

本发明提出了一种微透镜阵列模具的表面测量方法。通过机床加工系统、反射焦距测量系统和上位机系统实现，其中上位机系统包括机床轨迹代码生成系统、CCD视觉处理系统和误差分析系统。在完成微透镜阵列模具的加工后，机床加工系统按照机床轨迹代码生成系统生成的测量轨迹进行运动，通过反射焦距测量系统对微透镜阵列模具上各个子单元进行焦距测量，并分析其加工误差。该方法可使用在超精密机床上，实现微透镜阵列模具的反射焦距、加工一致性的在位检测，也可确保模具在注塑时的注塑透镜阵列焦距及一致性。

主权项

1.一种面向微透镜阵列模具超精密车削加工中的模具反射焦距在位检测方法，所述微透镜阵列模具上各子单元为凹面镜形状，实现该在位检测方法的装置包括：一套机床加工系统、一套用于凹面反射镜的反射焦距测量系统和一套上位机系统，所述上位机系统包括机床轨迹代码生成系统、CCD视觉处理系统和误差分析系统；机床加工系统是一种超精密五轴加工机床，配置了XYZBC五个轴，加工时，工件安装在C轴上，既能够随着C轴旋转，又能够随着XY轴在XY平面上移动，刀具安装在B轴转台上，既能够随B轴旋转，又能够随Z轴平移；反射焦距测量系统安装在B轴转台上，用于对加工后的微透镜阵列模具上子单元进行反射成像；CCD视觉处理系统用于接收该反射成像信号，并对成像信号进行分析和处理；其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)进行反射焦距测量系统与机床加工系统的标定工作，选用一个在端面中心加工了凹面镜且加工质量合格的圆柱形工件作为标准标定工件，用于进行所述标定，该圆柱形工件高度为h0，反射焦距为f0，将标准标定工件装夹在机床C轴中心上，调整工件的装夹位置，使得标准标定工件的凹面镜中心轴线与C轴回转中心同轴，将机床B轴旋转，使得反射焦距测量系统基本对准工件；(2)机床轨迹代码生成系统将标定校准代码发送给机床加工系统，机床加工系统运行标定校准代码，其XYZB轴按照该标定校准代码在一定范围内进行移动找准，直到CCD视觉处理系统检测到标准标定工件上凹面镜的反射成像信号，且该凹面镜的反射成像图像的清晰度评价函数达到最大值F0，采用SMD评价函数按照公式(1)对反射图像成像的清晰度进行评价，G1(x,y)＝|I(x,y)‑I(x+1,y)|G2(x,y)＝|I(x,y)‑I(x,y‑1)|其中，(x,y)表示像素点坐标，I是表示该像素点的灰度值，当反射成像图像的清晰度评价函数达到最大值F0时，记录此刻XYZB轴的坐标值(XDT,YDT,ZDT,BDT)；(3)从C轴上取下标准标定工件，安装上待加工工件，将机床B轴旋转，切换到加工模式，刀具回到加工位置，在使用对刀仪完成加工前的对刀工作后，机床加工系统运行加工代码，进行微透镜阵列模具的加工；(4)加工完成后的微透镜阵列模具工件，其基面高度为hw，每个子单元的反射焦距理论值为fw，将B轴旋转，装置切换到在位检测模式，机床的XYZB轴移动到(XDT,YDT,ZDT+hw‑h0+fw‑f0,BDT)，反射焦距测量系统对准工件，以进行微透镜阵列模具反射焦距的在位检测；(5)机床轨迹代码生成系统根据微透镜阵列的尺寸设计参数或加工代码，计算出微透镜阵列模具工件上各个子单元的反射焦点位置在机床坐标系下的坐标值，并规划出相应的测量轨迹，生成机床各轴的测量运动代码，传给机床加工系统中；(6)机床加工系统的XYZB轴按照机床轨迹代码生成系统生成的测量运动代码，移动到各个子单元的反射焦点检测的位置进行检测，CCD视觉处理系统对检测到的图像清晰度值按照公式(2)进行判定，F≥C·F0 (2)其中C＝0.9，表示判定系数，若清晰度值F满足判定公式(2),则认为成像清晰，可直接进行反射焦距测量；当CCD视觉处理系统检测到有子单元成像的清晰度不满足公式(2)时，认为成像不清晰，则由上位机系统调用小范围搜索程序，生成搜索运动代码，驱动机床的XYZB轴进行小范围调整，直到成像清晰度值满足判定公式(2)，再进行反射焦距的测量；若在小范围搜索完成后，成像清晰度仍不满足公式(2)，则判定该子单元加工的粗糙度不达标；结合机床各个轴调整运动的位移和CCD视觉处理系统的测量数据，可计算出各个子单元的焦点位置和反射焦距；(7)误差分析系统作用根据第(6)步中测得的各子单元的反射焦距，分析微透镜阵列模具的加工误差。