基于圖像處理反求法的微結構FTS超精密加工

石廣豐，薛常喜，史國權,2

（1.長春理工大學，長春 103322；2.中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所，蘇州 215163）

基于圖像處理反求法的微結構FTS超精密加工

石廣豐1，薛常喜1，史國權1,2

（1.長春理工大學，長春 103322；2.中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所，蘇州 215163）

微結構的超精密加工技術是一項前沿先進制造技術。復雜的結構設計和數控化編程對于創成設計加工來說是必要的，但是反求法復制加工更有現實意義和應用價值。通過將圖片上的彩色（黑白）圖像進行識別處理，經過數據轉換和設定即可實現圖片圖像上所反映的微結構信息，并轉化成數控加工程序從而輸入到超精密機床的數控加工系統并過FTS單點金剛石車削加工實現光學級別的微結構加工。最后在Precitech超精密車削機床上進行了校徽微結構的典型加工驗證，證明了該方法的可行性和有效性。

圖像處理；微結構；FTS；超精密車削

0 引言

近年來，高陡度的復雜面形/結構零件的廣泛應用促進了超精密加工技術的快速發展。而采用天然金剛石為刀具的超精密快速伺服車削加工可一次性獲得超精密面形，具有精度高、效率高、能加工復雜微結構甚至是自由曲面的眾多優點，因此受到了研究者和應用者的廣泛關注[1]。快速刀具伺服（Fast Tool Servo，簡稱FTS）的金剛石車削加工技術是相對應慢速刀具伺服（STS）金剛石車削加工技術來說的，是基于刀具的高頻移動來實現超精密車削加工的[2]。FTS的原型首先出現在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室，經過多年的發展，目前已取得了很大的研究進展。由于國外發達國家在高端制造裝備領域對中國的禁運和技術封鎖，國內已有的自研的超精密機床和FTS裝置雖然也取得了很大發展[3]，但還很難進行商業應用，和國外的先進設備相比在性能方面也存在不小的差距。2012年長春理工大學引進了國內首臺加工口徑達700mm的美國Precitech 700Ultral超精密機床，所配備的FTS性能先進，可以實現光學級微結構的加工制造。

超高頻響FTS用于加工微結構曲面時，可以獲得滿意的加工效率和表面質量，但是需要對所要加工的曲面進行數學分解，并選擇適當的刀具路徑和軌跡跟蹤控制算法，再通過FTS超精密加工來實現。而曲面分解算法來源于曲面設計。對于被動地想要加工出理想的微結構表面，還可以采用其他方法來實現。本文采用具有色位圖片的轉換，將通過圖片色位和像素對應的微結構結構尺寸信息，設定峰谷值映射比例關系，并轉化為數控加工代碼進行FTS超精密加工，從而通過圖像處理反求法實現了圖片所對應的微結構加工。

1 FTS加工原理與控制

FTS模塊是一個裝有金剛石刀具和裝載到車床Z軸導軌上的短行程執行機構，是獨立于超精密機床數控系統之外的一套附加裝置。它由壓電堆或帶有閉環位置反饋的直線電機所驅動。FTS與超精密機床數控系統之間沒有雙向的通訊關系，它使用專用的數字信號處理器，不需要對機床主軸進行伺服控制，只需跟蹤主軸轉角和X軸位置的變化，因此FTS的輸出信號由主軸的角位置和X軸的刀具位置來決定。當輸出信號發送到FTS控制器，控制器將關閉伺服回路并適當地驅動FTS模塊上的金剛石工具做Z向快速運動。快刀伺服FTS控制器提供刀具位置命令的更新率高達數千赫茲。位置命令（包括工具補償）實時計算，沒有插值，利用現有的編碼器輸入到機床軸上。

為了避免具有一定陡度的微結構面形與金剛石加工刀具的干涉作用，微結構的超精密加工通常選用較小半徑的圓弧刃車刀，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映到工件表面，圓弧刃車刀按照后刀面形狀又可分為圓柱形車刀和圓錐形車刀。金剛石刀具的幾何參數取決于加工表面的面形形狀，對于不同的加工表面，對應的刀具參數也不同。所以應根據微結構具體形狀計算并選取刀具幾何參數，金剛石刀具參數包括：刀具前角、刀具后角、刀尖圓弧半徑和刀尖圓弧包絡角，并進行到位點的補償設置。

圖1 超精密加工原理圖

2 圖像的識別與數據轉換

基于圖像處理反求法開展微結構超精密加工的出發點是：由于圖像上的像素顏色信息和對應像素點相對圖片圖像中的位置信息都可以通過圖像處理算法識別出來，因此只要將兩種信息和數控加工程序建立關系，就可通過程序控制實現對應加工。

位圖（bitmap）是一種沒有經過壓縮的點陣圖像，而像JPG、GIF等等后綴格式的圖像都是經過壓縮的。位圖是Microsoft公司制定的，能夠運行于許多不同的操作系統。位圖由像素點構成，與圖像的分辨率（每英寸包含的像素點的數量）相關。如果對于黑白位圖，則位圖像素有顏色深度為 1 位二進制，即只有兩種顏色—黑（1）白（0）。而對于彩色圖像來說，一個像素點由R、B、G三種顏色表示，一種顏色由8位（一個字節）構成，共24位。

因此，根據位圖的相關特點，基于圖像處理反求法開展微結構超精密加工的基本方法和程序如下：1）在Precitech開發的UPXTM超精密機床加工系統中，從桌面使用功能里面打開位圖格式的目標圖片；2）將目標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）將出現在桌面系統中特定格式（“.c”和“.h”）的文件移至系統軟件可以識別的指定文件夾內，同時處理前的圖片也要放到相同的文件夾內，然后保存；4）通過加工系統打開指定文件夾內特定格式的已處理文件，設定體現微結構深淺的峰谷值比例映射關系（有精度要求的可以進行準確標定進行）；5）提交DIFFSYS數控加工軟件，設置刀具等基本參數，生成FTS加工目標面形的數控程序；6）裝卡工件，對刀檢測并進行加工，最后實現圖片上對于圖像的微結構FTS超精密加工。

3 校徽微結構的加工實驗

以長春理工大學的校徽為例，選取一張校徽圖片如圖2所示。圖片以藍白相間的顏色搭配為主，但是藍色色調并不一樣。經數據轉換，經超精密機床的控制系統的設定和數據提取，其中微結構深度方向上的峰谷值分別為5.019608微米和-4.291188微米，校徽的圖像格式如圖3所示。用超精密機床在口徑為76mm的金屬鋁棒料端面上粗車后，找到FTS微結構加工的基準，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 長春理工大學校徽圖片

圖3 加工系統環境下的圖像數據轉換

最后采用FTS進行校徽微結構的加工，加工過程如圖4所示，加工后得到校徽的微結構樣件，樣件表面十分光亮（如圖5所示）。通過輪廓儀的檢測分析可以發現該微結構表面的粗糙度達到納米級別。此外，還可以實現在凸球面、凹球面甚至是非球面基面上的校徽微結構加工。

圖4 校徽微結構的FTS超精密車削加工

圖5 加工出的鏡面級 校徽微結構

4 結論

提出了基于圖像處理反求法的微結構FTS超精密加工方法，并以校徽圖片的圖像為例進行了FTS超精密車削試驗，實現了圖像上像素的顏色、像素點的位置，圖像微結構尺寸和數控加工程序等信息的有機結合，對于微結構超精密加工技術的發展來說具有重要意義。

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

[2] 萬飛,楊帆,楊舜洲,馮宗杰.自由曲面光學零件的慢刀與快刀車削技術分析[J].制造技術與機床,2010,(06):57-60.

[3] 楊帆,戴一帆,王貴林,楊海寬,吳宇列.復雜面形/結構零件的快速伺服車削技術[J].中國機械工程,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

吉林省科技廳計劃項目（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相關方面研究。