基于表面形貌检测的光学自由曲面加工环境识别技术研究

为实现光学自由曲面的高效与精密加工，须对精密磨削加工中的加工环境因素进行识别与控制。本课题提出基于表面形貌特征参数的加工环境识别科学方法，以实现光学自由曲面精密磨削加工环境的识别。首先，分析影响光学自由曲面精密磨削加工质量的加工环境因素，并研究各因素对精密磨削加工的影响机理；其次，研究精密磨削加工光学自由曲面表面形貌的检测方法与评价体系，以及表面形貌特征参数的提取与分类技术；再次，分析表面形貌特征参数与精密磨削加工环境因素的映射关系，利用反求工程理论，研究基于表面形貌特征参数的加工环境影响因素的识别理论与策略；最后，设定参数进行光学自由曲面精密磨削加工的曲面正交实验，检测表面形貌并识别加工环境影响因素，验证理论的可行性，形成并完善光学自由面精密磨削的加工环境识别技术。本项目的研究成果可为有效预防加工环境因素影响光学自由曲面的高效可控精密磨削加工提供支持，具有巨大的应用潜力和经济价值。

本项目在国家自然科学基金的支持下,以实现光学自由曲面加工质量提升为目标,针对精密磨削阶段影响光学自由曲面加工质量的因素展开研究,提出了基于表面形貌特征参数的加工环境识别方法，目的是在精密磨削加工过程中实现加工影响因素的控制,降低其对加工质量的影响。主要内容如下：.1）根据光学自由曲面的加工方法、工艺、机床硬件等因素，系统分析了精密磨削中影响面形精度的加工因素，针对加工环境等因素研究了各因素对面形精度的影响机理，特别讨论了磨削过程中砂轮振动与工件表面的干涉作用以及光学表面的形成机理。.2）研究了精密磨削加工后光学非球面面形精度的检测方法与评价体系，以及元件面形精度特征参数的提取与分类技术。采用了离线检测和在位检测相结合的方式完成对光学元件表面的测量。在对光学表面的评价体系上，在P-V值和表面粗糙度RMS的基础上，探讨了中频特征的提取技术，并提出了基于EMD的精密光学元件表面各频带误差提取和识别方法。.3）研究了面形精度特征参数与精密磨削加工环境因素的映射关系，在精密磨削中影响元件面形精度的加工环境因素分析的基础上，对主要影响因素的加工过程量进行特征提取和筛选，结合基于小样本的SVR算法，建立了面形精度参数（P-V和Ra）与加工过程量特征参数的映射关系模型。.4）建立了光学自由曲面精密磨削加工环境影响因素识别模型，以面形参数与加工环境影响因素的映射关系模型为基础，以SVR算法为核心，结合加工工艺参数，建立了基于面形精度参数的光学自由曲面精密磨削加工环境影响因素的识别模型，针对声发射、磨削力、磨削振动等多种加工环境因素在加工中的控制提出了指导策略。.5）规划了针对不同加工材料、不同加工工艺参数、不同加工环境影响因素的光学自由曲面精密磨削加工实验；利用在位检测和离线检测手段，实现了光学加工表面面形测量。监测与检测结果验证了理论模型的可行性。.本项目的研究成果可为有效预防加工环境因素影响光学自由曲面的高效可控精密磨削加工提供支持。部分研究成果已撰写成14篇学术论文正式发表或已被相关期刊录用，其中12篇发表于期刊，2篇发表于国际学术会议，其中2篇为SCI收录，10篇为EI收录。部分研究成果已撰写成8项专利正式提交申请，其中3项已经授权，5项已经公开，正在审理过程中。本项目的部分研究成果已撰写成2项软件著作权，其中1项已经授权，1项已经被受理，正在审理过程中。