本發(fā)明涉及超精密光學(xué)加工，特別是涉及一種用于菲涅爾透鏡、微結(jié)構(gòu)模具等元件制造的線性光柵加工裝置與方法。

背景技術(shù)：

1、線性光柵及線性菲涅爾透鏡廣泛應(yīng)用于聚光光伏、激光整形、立體顯示等光學(xué)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的線性光柵加工多采用刨削或飛刀切削工藝，雖然能加工出高精度的直線溝槽，但其加工效率相對較低，且難以適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需求。

2、為了提高加工效率，利用超精密單點金剛石車床進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削成為一種趨勢。特別是在大口徑轉(zhuǎn)臺上同時裝夾多個工件進(jìn)行并行加工，可以極大地降低單件加工成本。然而，在連續(xù)回轉(zhuǎn)工作臺上進(jìn)行線性光柵的并行加工面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)：

3、1、當(dāng)多個工件離散地分布在轉(zhuǎn)臺的各個工位時，受限于工件本身的厚度公差、夾具的加工精度以及人工裝配的隨機誤差，各工件的上表面高度和空間姿態(tài)（傾斜度）必然存在微米級甚至亞微米級的差異。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)通常基于“理想單一平面”生成加工代碼，若刀具嚴(yán)格按照固定的理想軌跡運動，會導(dǎo)致部分凸出的工件切削深度過大（破壞光柵槽型結(jié)構(gòu)），而部分凹陷的工件切削深度不足甚至出現(xiàn)“切空”現(xiàn)象。

4、2、單純的高度差異尚可通過整體平移來部分緩解，但工件表面的微小傾斜更為致命。在光柵加工中，工件表面的傾斜會導(dǎo)致刀具相對于工件表面的實際切入角度發(fā)生周期性變化，造成光柵槽深漸變或槽型不對稱（如閃耀角偏差），這將嚴(yán)重降低菲涅爾透鏡的衍射效率或聚焦性能。

5、3、在工作臺高速旋轉(zhuǎn)的工況下，刀具從一個工件過渡到下一個工件的時間窗口極短（通常為毫秒級）。現(xiàn)有的機床伺服系統(tǒng)難以在如此短的時間內(nèi)感知并響應(yīng)這種階躍式的誤差變化，導(dǎo)致無法對每一個獨立工件進(jìn)行精準(zhǔn)的誤差補償。

6、因此，亟需研發(fā)一種能夠在線感知各工位上工件的形貌差異，并具備高頻動態(tài)調(diào)整能力的線性光柵并行加工裝置及方法，以解決上述技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種線性光柵加工裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)在連續(xù)回轉(zhuǎn)的工作臺上進(jìn)行多工件并行加工時，因各工件之間存在的裝夾高度差及傾斜誤差而導(dǎo)致加工一致性差、良品率低的技術(shù)問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的線性光柵加工裝置，包括：

3、工作臺，其被配置為能夠繞豎直方向的中心軸線進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)，其臺面上沿圓周方向設(shè)有多個用于安裝工件的工位；

4、刀具模組，懸置于工作臺上方，包括用于安裝刀具的刀座以及驅(qū)動所述刀座的多軸驅(qū)動機構(gòu)；所述多軸驅(qū)動機構(gòu)被配置為賦予所述刀座相對于所述工作臺的多維運動自由度，所述多維運動自由度至少包括沿垂直于工作臺臺面方向的升降運動自由度以及調(diào)節(jié)刀具姿態(tài)的擺動運動自由度；

5、測量單元，設(shè)置于所述工作臺上方，用于在加工前或加工過程中掃描各工位上工件的表面形貌；

6、控制系統(tǒng)，與工作臺、刀具模組和測量單元信號連接；

7、其中，所述控制系統(tǒng)被配置為執(zhí)行以下控制邏輯：

8、基于工作臺臺面的圓周分度，建立工作臺旋轉(zhuǎn)角度與各工位上工件的空間坐標(biāo)映射關(guān)系；

9、接收來自測量單元的表面形貌數(shù)據(jù)，并解算得到每一個工件相對于理想加工平面的高度偏差值及傾斜角度值，生成分時分區(qū)誤差補償模型；

10、在工作臺進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)的加工過程中，根據(jù)工作臺的實時角度反饋識別當(dāng)前進(jìn)入加工區(qū)域的工件身份，并從所述分時分區(qū)誤差補償模型中調(diào)取對應(yīng)的誤差數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為動態(tài)補償指令并實時疊加至所述多軸驅(qū)動機構(gòu)的運動控制中，從而驅(qū)動刀座執(zhí)行對應(yīng)的升降及擺動補償運動，以針對每一個工件獨立消除裝夾高度差及傾斜誤差。

11、作為優(yōu)選，所述多軸驅(qū)動機構(gòu)包括：

12、第一線性驅(qū)動單元，被配置為驅(qū)動所述刀座沿平行于所述工作臺臺面的徑向進(jìn)行移動；

13、第二線性驅(qū)動單元，被配置為執(zhí)行所述升降運動自由度；

14、擺動驅(qū)動單元,被配置為執(zhí)行所述擺動運動自由度，且所述擺動驅(qū)動單元的旋轉(zhuǎn)軸線平行于所述第二線性驅(qū)動單元的運動方向；

15、其中，所述擺動驅(qū)動單元的運動控制策略被配置為：根據(jù)所述刀座在第一線性驅(qū)動單元上的實時位置，計算當(dāng)前刀具切削軌跡的切線方向，并實時調(diào)整所述刀座的擺動角度，使所述刀具的前刀面始終與當(dāng)前切削軌跡的切線方向保持預(yù)定的恒定夾角。

16、作為優(yōu)選，所述多軸驅(qū)動機構(gòu)中的第二線性驅(qū)動單元包括提供大行程運動的粗動模組、以及串聯(lián)于所述粗動模組末端并連接所述刀座的高頻微動臺；

17、所述控制系統(tǒng)被配置為將動態(tài)補償指令分解為低頻分量和高頻分量，將所述低頻分量分配給所述粗動模組執(zhí)行，并將所述高頻分量分配給所述高頻微動臺執(zhí)行，以協(xié)同實現(xiàn)大行程與微米級高頻響應(yīng)的疊加控制。

18、作為優(yōu)選，所述測量單元為光譜共焦傳感器或激光位移傳感器；

19、所述控制系統(tǒng)被配置為利用所述工作臺的回轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖信號作為硬觸發(fā)源，控制所述測量單元以等角度間隔采集各工位上工件的表面形貌數(shù)據(jù)，從而使得所采集的表面形貌數(shù)據(jù)與工作臺的旋轉(zhuǎn)角度位置建立對應(yīng)關(guān)系。

20、作為優(yōu)選，所述控制系統(tǒng)生成分時分區(qū)誤差補償模型的方法包括：

21、利用最小二乘法對所述測量單元采集的離散點云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，構(gòu)建每一個工件加工表面的最佳擬合平面；

22、基于所述最佳擬合平面，計算工件加工表面的幾何中心相對于理想加工平面的高度差作為高度補償量，并計算所述最佳擬合平面的法線向量相對于理想加工平面法線的夾角作為傾斜補償量。

23、作為優(yōu)選，所述控制系統(tǒng)還被配置為執(zhí)行恒線速度切削控制：

24、隨著所述刀座沿工作臺的徑向移動使得所述刀具相對于所述中心軸線的切削半徑變化，所述控制系統(tǒng)實時調(diào)整所述工作臺的旋轉(zhuǎn)角速度，以保持所述刀具的切削點相對于工件加工表面的線速度恒定；

25、同時，所述分時分區(qū)誤差補償模型的調(diào)用頻率隨所述工作臺旋轉(zhuǎn)角速度的變化而自動同步調(diào)整，以使得動態(tài)補償指令以所述工作臺的等旋轉(zhuǎn)角度間隔輸出。

26、作為優(yōu)選，所述測量單元被配置為在加工間隙掃描所述刀具的刃口輪廓；當(dāng)檢測到刀具的刃口磨損量時，所述控制系統(tǒng)將該磨損量疊加至所述升降運動自由度的控制指令中，以維持刀具切削深度的恒定。

27、本發(fā)明還提供了一種線性光柵加工方法，包括以下步驟：

28、s1、將多個工件分別安裝于工作臺的各個工位，驅(qū)動工作臺旋轉(zhuǎn)并利用測量單元遍歷掃描各工位上工件的表面形貌，控制系統(tǒng)解算并建立包含各工位上工件的高度及傾斜偏置量的分時分區(qū)誤差補償模型；

29、s2、驅(qū)動工作臺以工作轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，控制刀座沿工作臺的徑向進(jìn)給；在此過程中，控制系統(tǒng)根據(jù)工作臺的實時角度反饋，識別刀具當(dāng)前切削點所屬的工件身份，并從所述分時分區(qū)誤差補償模型中調(diào)取對應(yīng)的偏置量；

30、s3、控制系統(tǒng)將所述偏置量實時轉(zhuǎn)化為驅(qū)動指令，驅(qū)動所述多軸驅(qū)動機構(gòu)對所述刀座進(jìn)行高頻的升降和擺動修正，使所述刀具在連續(xù)切削過程中自動適應(yīng)每一個工件的獨立位姿誤差。

31、本發(fā)明中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：

32、1、與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)基于單一理想平面進(jìn)行控制不同，本發(fā)明的控制系統(tǒng)利用測量單元建立的分時分區(qū)誤差補償模型，能夠精準(zhǔn)描述每一個工件相對于理想加工平面的高度偏差值及傾斜角度值。在加工過程中，系統(tǒng)實時識別工件身份，并驅(qū)動刀座執(zhí)行高頻的升降及擺動補償運動。這有效消除了因工件厚度公差或夾具安裝誤差引起的共面性差異，防止了部分凸出工件的“過切”和凹陷工件的“切空”現(xiàn)象，使得在一次裝夾中批量生產(chǎn)的所有工件均能達(dá)到單件超精密加工的精度水平。

33、2、針對線性光柵加工中切削方向隨軌跡時刻變化的特點，本發(fā)明的擺動驅(qū)動單元能夠根據(jù)刀座的徑向位置實時調(diào)整刀具的擺動角度，配合傾斜角度值的補償，實現(xiàn)了兩方面的效果：一是確保刀具的前刀面始終與當(dāng)前切削軌跡的切線保持預(yù)定的恒定夾角，避免了前角波動；二是修正了工件表面傾斜引起的切入角偏差。這從根本上解決了因切削姿態(tài)不準(zhǔn)導(dǎo)致的光柵槽型不對稱及閃耀角偏差問題，保障了菲涅爾透鏡等光學(xué)元件的衍射效率。

34、3、針對刀具在不同工件間快速切換時面臨的階躍式誤差跳變，本發(fā)明將動態(tài)補償指令分解為低頻分量和高頻分量。粗動模組負(fù)責(zé)大行程的輪廓運動，而高頻微動臺（如壓電陶瓷）負(fù)責(zé)執(zhí)行高頻微幅的誤差補償。這種頻域分流設(shè)計賦予了第二線性驅(qū)動單元極高的動態(tài)響應(yīng)帶寬，使其能夠無滯后地跟隨毫秒級時間窗口內(nèi)的形貌變化，克服了傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)工況下響應(yīng)遲鈍的技術(shù)瓶頸。

35、4、本發(fā)明利用工作臺的回轉(zhuǎn)編碼器脈沖作為硬觸發(fā)源，強制測量單元執(zhí)行等角度間隔采集。這一設(shè)計消除了因軟件通訊延遲或系統(tǒng)時鐘漂移帶來的相位錯位。特別是在執(zhí)行恒線速度切削控制導(dǎo)致轉(zhuǎn)速實時變化時，系統(tǒng)能自動同步調(diào)整模型調(diào)用頻率，確保誤差補償指令始終以工作臺的等旋轉(zhuǎn)角度間隔輸出。這保證了無論切削半徑和轉(zhuǎn)速如何變化，誤差補償?shù)目臻g分辨率始終恒定，進(jìn)一步保障了全口徑范圍內(nèi)的加工精度。