本發(fā)明屬于光學(xué)加工，具體涉及紅外薄壁光學(xué)元件確定性切削補償加工方法。

背景技術(shù)：

1、紅外薄壁曲面光學(xué)元件廣泛應(yīng)用于高端光學(xué)儀器、紅外探測系統(tǒng)等領(lǐng)域。這些元件的面形精度和表面質(zhì)量直接影響其光學(xué)性能，因此對其制造精度要求極高。通常，紅外薄壁光學(xué)元件的表面粗糙度要求達到納米量級，面形精度需控制在微米甚至亞微米范圍內(nèi)。加工過程中，任何由于切削、裝夾等過程引入的微小誤差都會影響最終的光學(xué)性能。此外，制造過程中不能引入任何雜質(zhì)、裂紋或紋波，以保證光學(xué)系統(tǒng)的精確度和長期穩(wěn)定性。

2、目前，超精密單點金剛石切削技術(shù)是制造紅外薄壁光學(xué)元件的主要手段。然而，在薄壁結(jié)構(gòu)的加工過程中，面形誤差的來源不僅包括常規(guī)的加工誤差，還包括加工殘余應(yīng)力和裝夾引起的彈性變形。亟需提出一種紅外薄壁光學(xué)元件非均勻切削補償加工技術(shù)進行面形誤差補償，以提高加工精度，滿足微米乃至亞微米級別的制造要求。該技術(shù)旨在解決紅外薄壁光學(xué)元件在超精密切削過程中由于殘余應(yīng)力和裝夾應(yīng)力引起的面形誤差，最終實現(xiàn)面形精度控制與補償。

3、殘余應(yīng)力對面形誤差的影響：殘余應(yīng)力是加工過程中的內(nèi)應(yīng)力，它通常會在材料去除后由于不均勻變形而影響元件的面形。盡管通過優(yōu)化加工參數(shù)可以在一定程度上減小殘余應(yīng)力的幅值，但完全消除殘余應(yīng)力幾乎不可能。在超精密切削中，殘余應(yīng)力引起的微小變形可能會導(dǎo)致面形誤差，特別是在薄壁光學(xué)元件中表現(xiàn)尤為顯著。當(dāng)前，研究主要集中在通過工藝優(yōu)化降低殘余應(yīng)力，但隨著面形控制精度要求不斷提高，這種方法的局限性日益明顯。

4、裝夾應(yīng)力對面形誤差的影響：在薄壁元件的加工過程中，裝夾應(yīng)力是另一重要的誤差來源?，F(xiàn)有的控制裝夾應(yīng)力的方法通常通過優(yōu)化夾具支撐結(jié)構(gòu)、減少夾具夾緊力的分布不均等方式來減小面形誤差。然而，裝夾過程中不可避免的應(yīng)力集中會引發(fā)彈性變形，導(dǎo)致加工過程中元件的面形發(fā)生變化。盡管可以采用靈活支撐的夾具設(shè)計來減小這種影響，但仍然無法徹底消除裝夾應(yīng)力對面形誤差的影響。

5、在高精度紅外光學(xué)元件制造中，特別是薄壁結(jié)構(gòu)元件，如何有效地補償加工過程中引入的殘余應(yīng)力和裝夾應(yīng)力是當(dāng)前行業(yè)亟待解決的技術(shù)瓶頸。這種面形誤差的產(chǎn)生極大地限制了元件的加工精度，阻礙了紅外光學(xué)系統(tǒng)的性能提升。因此，提出一種能夠精準(zhǔn)補償這些誤差的技術(shù)方案具有重要的理論價值和實際應(yīng)用意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決上述問題，提供一種通過對加工過程中殘余應(yīng)力和裝夾應(yīng)力的全面分析和預(yù)測，建立對應(yīng)的補償模型，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)和有限元仿真技術(shù)，實現(xiàn)對面形誤差精準(zhǔn)控制的紅外薄壁光學(xué)元件確定性切削補償加工方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：紅外薄壁光學(xué)元件確定性切削補償加工方法，包括以下步驟：

3、s1、工件初始面形獲?。?/p>

4、通過超精密機床在位測量技術(shù)，對待加工的薄壁光學(xué)元件初始面形進行測量，獲取其面形輪廓ρ(x,y)，依據(jù)設(shè)計面形輪廓z(x,y)，并計算各坐標(biāo)位置處的材料去除量δz(x,y)，

5、δz(x,y)＝ρ(x,y)-z(x,y)；

6、s2、裝夾應(yīng)力的彈性變形預(yù)測；

7、基于有限元仿真模型，對加工過程中的裝夾力分布進行三維空間數(shù)值分布模擬，并預(yù)測由于裝夾應(yīng)力引起的元件彈性變形ε(x,y)；將這一彈性變形量與初始材料去除量進行綜合，得到新的材料去除量z′(x,y)，從而消除裝夾應(yīng)力對元件加工面形誤差影響，并為下一步的補償計算提供依據(jù)：

8、z′(x,y)＝δz(x,y)+ε(x,y)；

9、s3、加工殘余應(yīng)力元件變形預(yù)測；

10、s4、非均勻材料去除補償軌跡的生成；

11、s5、基于慢刀伺服的非均勻切削補償加工。

12、進一步地，所述步驟s3包括以下分步驟：

13、s31、構(gòu)建超精密切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)，與殘余應(yīng)力之間的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫τ；切削參數(shù)包括切削線速度、切削深度、進給量，刀具幾何參數(shù)包括刀鼻半徑、前角、后角；

14、s32、基于工藝參數(shù)-殘余應(yīng)力關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫τ，利用該數(shù)據(jù)庫訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型，以預(yù)測不同工藝參數(shù)下的殘余應(yīng)力；

15、s33、使用步驟s32中訓(xùn)練得到的殘余應(yīng)力預(yù)測模型，結(jié)合有限元分析方法，計算在給定的加工參數(shù)條件下，加工殘余應(yīng)力所導(dǎo)致的元件變形δ(x,y)。

16、進一步地，所述s32還包括以下分步驟：

17、s321、數(shù)據(jù)收集與準(zhǔn)備：

18、數(shù)據(jù)庫τ應(yīng)包含與切削工藝相關(guān)的多種參數(shù)，例如切削速度、切削深度、進給量、刀具幾何參數(shù)，刀具幾何參數(shù)包括：刀鼻半徑、前角、后角；通過實驗獲取在這些加工條件下材料的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，或通過理論模型計算得到這些參數(shù)與殘余應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系；

19、s322、深度學(xué)習(xí)模型的選擇：

20、選擇一種適合非線性映射關(guān)系的深度學(xué)習(xí)模型，如多層感知器(mlp)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(cnn)或長短時記憶網(wǎng)絡(luò)(lstm)，具體取決于數(shù)據(jù)的復(fù)雜性；模型輸入層對應(yīng)工藝參數(shù)，例如切削速度、切削深度、進給量，輸出層為預(yù)測的殘余應(yīng)力；

21、s333、模型訓(xùn)練：

22、使用數(shù)據(jù)庫τ中的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，需要先將數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括歸一化和標(biāo)準(zhǔn)化操作，以提高模型的訓(xùn)練效率；選擇損失函數(shù)，如均方誤差(mse)，并使用反向傳播算法，如adam或rmsprop，來優(yōu)化模型；訓(xùn)練過程需要采用交叉驗證技術(shù)來防止過擬合，并可以通過調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)率、層數(shù)、神經(jīng)元數(shù)量等超參數(shù)優(yōu)化模型的預(yù)測性能；

23、s334、模型驗證：

24、利用未參與訓(xùn)練的數(shù)據(jù)對模型進行驗證，確保模型對殘余應(yīng)力預(yù)測的準(zhǔn)確性和魯棒性；通過計算預(yù)測值與實際殘余應(yīng)力值的誤差，如均方誤差或平均絕對誤差，評估模型的性能。

25、進一步地，所述步驟s334中計算預(yù)測值與實際殘余應(yīng)力值的誤差具體為：

26、假設(shè)訓(xùn)練后的深度學(xué)習(xí)模型表示為fθ，其中θ為模型的參數(shù)(權(quán)重和偏差)，那么對于給定的加工參數(shù)集合(p1,p2,...,pn)(如切削速度、切削深度)，模型的殘余應(yīng)力預(yù)測可以表示為：

27、

28、其中，為預(yù)測的殘余應(yīng)力；

29、訓(xùn)練過程中優(yōu)化的目標(biāo)是最小化損失函數(shù)l，該損失函數(shù)通常為預(yù)測值和實際殘余應(yīng)力值的均方誤差(mse)：

30、

31、其中，m為訓(xùn)練樣本數(shù)，r(i)為第i個樣本的實際殘余應(yīng)力。

32、進一步地，所述步驟s33還包括以下分步驟：

33、s331、殘余應(yīng)力預(yù)測：

34、基于s02得到的深度學(xué)習(xí)模型，輸入實際加工過程中使用的切削工藝參數(shù)，得到對應(yīng)的殘余應(yīng)力分布

35、

36、其中，為殘余應(yīng)力在工件位置(x,y)的預(yù)測值；殘余應(yīng)力的分布可能會在工件的各個位置發(fā)生變化，因此需要在不同坐標(biāo)位置(x,y)計算對應(yīng)的殘余應(yīng)力；

37、s332、有限元分析計算：

38、將預(yù)測的殘余應(yīng)力作為邊界條件或載荷條件輸入有限元模型，通過有限元分析計算該殘余應(yīng)力對薄壁光學(xué)元件的變形影響；有限元模型應(yīng)考慮材料屬性(如彈性模量、泊松比等)以及幾何結(jié)構(gòu)，并通過靜力學(xué)分析計算材料的彈性變形；通過以上方法，可以準(zhǔn)確預(yù)測和計算在給定加工參數(shù)條件下，殘余應(yīng)力對元件面形變形的影響，為后續(xù)的補償加工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

39、進一步地，所述有限元模型通過有限元分析，可以得到在不同位置(x,y)由于殘余應(yīng)力引起的變形量δ(x,y)，即材料在加工過程中產(chǎn)生的變形，該過程依賴于有限元分析軟件的結(jié)果，通常表示為：

40、

41、其中，fea代表有限元分析過程，為預(yù)測的殘余應(yīng)力，材料屬性包括彈性模量e和泊松比ν。

42、進一步地，所述步驟s4中非均勻材料去除補償軌跡的生成是結(jié)合前述裝夾應(yīng)力和殘余應(yīng)力的影響，基于遺傳算法迭代優(yōu)化材料去除量，計算出最終補償?shù)牟牧先コ喀膠″(x,y)，使得：

43、δz″(x,y)＝δz′(x,y)+δ(x,y)

44、這一結(jié)果將作為非均勻切削的補償軌跡輸入到加工設(shè)備中，以確保最終面形精度的實現(xiàn)。

45、進一步地，所述步驟s5中的基于慢刀伺服的非均勻切削補償加工是通過慢刀伺服的自由曲面切削技術(shù)，沿著上述計算的補償軌跡進行非均勻切削；慢刀伺服系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確控制刀具的運動軌跡，逐層去除材料，精確實現(xiàn)薄壁光學(xué)元件的面形補償。

46、本發(fā)明的有益效果是：

47、1、本發(fā)明所提供的紅外薄壁光學(xué)元件確定性切削補償加工方法，首先分析了紅外薄壁光學(xué)元件面形誤差的主要來源，包括加工殘余應(yīng)力和裝夾應(yīng)力。通過對面形誤差進行分解，分別對這兩類應(yīng)力進行建模和預(yù)測，作為后續(xù)補償過程的基礎(chǔ)。通過對加工過程中殘余應(yīng)力和裝夾應(yīng)力的全面分析和預(yù)測，建立對應(yīng)的補償模型，并結(jié)合深度學(xué)習(xí)和有限元仿真技術(shù)，實現(xiàn)對面形誤差的精準(zhǔn)控制。

48、2、本發(fā)明通過對殘余應(yīng)力和裝夾應(yīng)力的精準(zhǔn)預(yù)測與補償，本發(fā)明能夠有效減少加工過程中引入的面形誤差，使得紅外薄壁光學(xué)元件的最終面形精度顯著提高，滿足微米甚至亞微米級別的精度要求。

49、3、本發(fā)明通過建立精確的面形誤差補償模型，減少了傳統(tǒng)工藝中對面形誤差反復(fù)測量和修正的工序，極大地提高了加工效率，降低了生產(chǎn)成本。

50、4、本發(fā)明能夠適應(yīng)復(fù)雜面形要求，基于慢刀伺服的補償加工方法能夠適應(yīng)任意復(fù)雜面形的加工需求，不僅適用于規(guī)則曲面，還可以應(yīng)用于自由曲面的超精密加工。

51、5、本發(fā)明成本降低，在實現(xiàn)高精度加工的同時，本發(fā)明減少了材料浪費和多次修正加工的工時，進一步降低了生產(chǎn)成本。

52、6、本發(fā)明能提升產(chǎn)品可靠性，本發(fā)明的補償技術(shù)通過減少殘余應(yīng)力和裝夾應(yīng)力引起的面形變形，使得最終加工出的紅外薄壁光學(xué)元件具備更高的表面質(zhì)量和更穩(wěn)定的光學(xué)性能，適用于高精度光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。