基于图像处理反求法的微结构FTS超精密加工

石广丰，薛常喜，史国权,2

（1.长春理工大学，长春 103322；2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，苏州 215163）

基于图像处理反求法的微结构FTS超精密加工

石广丰1，薛常喜1，史国权1,2

（1.长春理工大学，长春 103322；2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，苏州 215163）

微结构的超精密加工技术是一项前沿先进制造技术。复杂的结构设计和数控化编程对于创成设计加工来说是必要的，但是反求法复制加工更有现实意义和应用价值。通过将图片上的彩色（黑白）图像进行识别处理，经过数据转换和设定即可实现图片图像上所反映的微结构信息，并转化成数控加工程序从而输入到超精密机床的数控加工系统并过FTS单点金刚石车削加工实现光学级别的微结构加工。最后在Precitech超精密车削机床上进行了校徽微结构的典型加工验证，证明了该方法的可行性和有效性。

图像处理；微结构；FTS；超精密车削

0 引言

近年来，高陡度的复杂面形/结构零件的广泛应用促进了超精密加工技术的快速发展。而采用天然金刚石为刀具的超精密快速伺服车削加工可一次性获得超精密面形，具有精度高、效率高、能加工复杂微结构甚至是自由曲面的众多优点，因此受到了研究者和应用者的广泛关注[1]。快速刀具伺服（Fast Tool Servo，简称FTS）的金刚石车削加工技术是相对应慢速刀具伺服（STS）金刚石车削加工技术来说的，是基于刀具的高频移动来实现超精密车削加工的[2]。FTS的原型首先出现在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室，经过多年的发展，目前已取得了很大的研究进展。由于国外发达国家在高端制造装备领域对中国的禁运和技术封锁，国内已有的自研的超精密机床和FTS装置虽然也取得了很大发展[3]，但还很难进行商业应用，和国外的先进设备相比在性能方面也存在不小的差距。2012年长春理工大学引进了国内首台加工口径达700mm的美国Precitech 700Ultral超精密机床，所配备的FTS性能先进，可以实现光学级微结构的加工制造。

超高频响FTS用于加工微结构曲面时，可以获得满意的加工效率和表面质量，但是需要对所要加工的曲面进行数学分解，并选择适当的刀具路径和轨迹跟踪控制算法，再通过FTS超精密加工来实现。而曲面分解算法来源于曲面设计。对于被动地想要加工出理想的微结构表面，还可以采用其他方法来实现。本文采用具有色位图片的转换，将通过图片色位和像素对应的微结构结构尺寸信息，设定峰谷值映射比例关系，并转化为数控加工代码进行FTS超精密加工，从而通过图像处理反求法实现了图片所对应的微结构加工。

1 FTS加工原理与控制

FTS模块是一个装有金刚石刀具和装载到车床Z轴导轨上的短行程执行机构，是独立于超精密机床数控系统之外的一套附加装置。它由压电堆或带有闭环位置反馈的直线电机所驱动。FTS与超精密机床数控系统之间没有双向的通讯关系，它使用专用的数字信号处理器，不需要对机床主轴进行伺服控制，只需跟踪主轴转角和X轴位置的变化，因此FTS的输出信号由主轴的角位置和X轴的刀具位置来决定。当输出信号发送到FTS控制器，控制器将关闭伺服回路并适当地驱动FTS模块上的金刚石工具做Z向快速运动。快刀伺服FTS控制器提供刀具位置命令的更新率高达数千赫兹。位置命令（包括工具补偿）实时计算，没有插值，利用现有的编码器输入到机床轴上。

为了避免具有一定陡度的微结构面形与金刚石加工刀具的干涉作用，微结构的超精密加工通常选用较小半径的圆弧刃车刀，圆弧刃可以提高刀具的使用寿命，其圆弧上钝圆半径小于100nm，刀尖圆弧轮廓精度小于50nm，刀具表面的粗糙度一般低于10nm[4,5]，圆弧刃的形状直接复映到工件表面，圆弧刃车刀按照后刀面形状又可分为圆柱形车刀和圆锥形车刀。金刚石刀具的几何参数取决于加工表面的面形形状，对于不同的加工表面，对应的刀具参数也不同。所以应根据微结构具体形状计算并选取刀具几何参数，金刚石刀具参数包括：刀具前角、刀具后角、刀尖圆弧半径和刀尖圆弧包络角，并进行到位点的补偿设置。

图1 超精密加工原理图

2 图像的识别与数据转换

基于图像处理反求法开展微结构超精密加工的出发点是：由于图像上的像素颜色信息和对应像素点相对图片图像中的位置信息都可以通过图像处理算法识别出来，因此只要将两种信息和数控加工程序建立关系，就可通过程序控制实现对应加工。

位图（bitmap）是一种没有经过压缩的点阵图像，而像JPG、GIF等等后缀格式的图像都是经过压缩的。位图是Microsoft公司制定的，能够运行于许多不同的操作系统。位图由像素点构成，与图像的分辨率（每英寸包含的像素点的数量）相关。如果对于黑白位图，则位图像素有颜色深度为 1 位二进制，即只有两种颜色—黑（1）白（0）。而对于彩色图像来说，一个像素点由R、B、G三种颜色表示，一种颜色由8位（一个字节）构成，共24位。

因此，根据位图的相关特点，基于图像处理反求法开展微结构超精密加工的基本方法和程序如下：1）在Precitech开发的UPXTM超精密机床加工系统中，从桌面使用功能里面打开位图格式的目标图片；2）将目标图片保存为特定的色位和像素（如256色、500×500像素），保持原图像尺寸大小不变；3）将出现在桌面系统中特定格式（“.c”和“.h”）的文件移至系统软件可以识别的指定文件夹内，同时处理前的图片也要放到相同的文件夹内，然后保存；4）通过加工系统打开指定文件夹内特定格式的已处理文件，设定体现微结构深浅的峰谷值比例映射关系（有精度要求的可以进行准确标定进行）；5）提交DIFFSYS数控加工软件，设置刀具等基本参数，生成FTS加工目标面形的数控程序；6）装卡工件，对刀检测并进行加工，最后实现图片上对于图像的微结构FTS超精密加工。

3 校徽微结构的加工实验

以长春理工大学的校徽为例，选取一张校徽图片如图2所示。图片以蓝白相间的颜色搭配为主，但是蓝色色调并不一样。经数据转换，经超精密机床的控制系统的设定和数据提取，其中微结构深度方向上的峰谷值分别为5.019608微米和-4.291188微米，校徽的图像格式如图3所示。用超精密机床在口径为76mm的金属铝棒料端面上粗车后，找到FTS微结构加工的基准，利用上述图像处理反求方法将按照特定要求编制的程序输出。

图2 长春理工大学校徽图片

图3 加工系统环境下的图像数据转换

最后采用FTS进行校徽微结构的加工，加工过程如图4所示，加工后得到校徽的微结构样件，样件表面十分光亮（如图5所示）。通过轮廓仪的检测分析可以发现该微结构表面的粗糙度达到纳米级别。此外，还可以实现在凸球面、凹球面甚至是非球面基面上的校徽微结构加工。

图4 校徽微结构的FTS超精密车削加工

图5 加工出的镜面级 校徽微结构

4 结论

提出了基于图像处理反求法的微结构FTS超精密加工方法，并以校徽图片的图像为例进行了FTS超精密车削试验，实现了图像上像素的颜色、像素点的位置，图像微结构尺寸和数控加工程序等信息的有机结合，对于微结构超精密加工技术的发展来说具有重要意义。

[1] 徐兵,王翠,许蓬子.光学自由曲面超精密加工方法综述[J].现代制造工程,2014,(03):140-144.

[2] 万飞,杨帆,杨舜洲,冯宗杰.自由曲面光学零件的慢刀与快刀车削技术分析[J].制造技术与机床,2010,(06):57-60.

[3] 杨帆,戴一帆,王贵林,杨海宽,吴宇列.复杂面形/结构零件的快速伺服车削技术[J].中国机械工程,2009,(21):2591-2593+2608.

[4] DAMES M A,EVANS C J,PATTERSON S R,et al. Application of precision diamond machining to the manufacture of microphotonics components[J].SPIE,2003,5183:94-108.

[5] LUO Xichun,CHENG Kai,WEBB D,et al.Design of ultra precision machine tools with applications to manufacture of miniature and micro components[J].Journal of Materials Processing Technology, 2005,167(2-3):515-528.

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

吉林省科技厅计划项目（20150204004GX，20150204059GX，20170101124JC）

石广丰（1981 -），男，辽宁人，副教授，博士，主要从事超精密加工技术相关方面研究。