基于节点渐进式的大口径KDP晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法

基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法
技术领域
1.本发明涉及光学工程技术领域，具体而言，涉及基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法。


背景技术：

2.kdp晶体元件因其具备独特的光学性能而成为现阶段激光核聚变装置中必不可少的核心元件，且需求量巨大。然而在加工kdp晶体元件时，由于加工振动、工艺参数、材料特性等各种因素的影响，其加工获得的表面极易引入为微米量级的缺陷。若不对这些缺陷点加以处理，其在后续强激光辐照下会急剧扩展，以致整块光学元件发生报废。为此，加大对大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复技术研究显得尤为重要。
3.目前大口径kdp晶体元件表面微缺陷修复方式主要采用基于球头铣刀高速微铣削的微机械修复方法，经过该方法修复后，可将修复后元件的激光损伤阈值恢复到无缺陷表面的85％以上水平，在该种修工艺过程中，球头微铣刀的自动对刀过程是保证大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复效率的关键。现有的对刀方法主要是基于“倒影法”自动对刀方法，进给过程根据刀具到对刀表面的距离变化，采用不同进给速度进给刀具直至识别到对刀完成标志(出现微小切屑)，完成对刀，整个过程需要时间140s。该自动对刀过程中对不同进给参数的进给过程判别不准确，如果中间某一步进给过程偏差过大，且不对其进行修正，会对下面对刀过程安全性造成危害，此外，该自动对刀方法还存在自动对刀阶段的划分的准确性不高，缺少安全判据，自动对刀过程的效率不高等缺点。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：
5.现有对刀工艺规划方法存在对对刀阶段的划分准确性不高、缺少安全判据导致不同进给参数的进给过程判别不准确、自动对刀过程的效率不高的问题。
6.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
7.本发明提供了基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，包括如下步骤：
8.步骤1.安装大口径kdp晶体，组装并调整修复显微镜系统与扫描显微镜系统，晶体修复机床系统各轴自动回零；
9.步骤2.采用扫描显微镜系统对晶体口径外三点标定的方法，建立晶体待修复表面的拟合平面方程，基于所述拟合平面方程并考虑重力变形对对刀位置的影响，确定划分粗对刀阶段与精对刀阶段的关键点位置坐标；
10.步骤3.确定粗对刀阶段进给参数，粗对刀阶段采用节点式渐进式进刀策略，通过修复显微镜系统采用“倒影法”计算出刀具距离晶体待修复表面的距离，在刀具处于不同节点之间时，采用不同的进给参数，实现快速进给对刀；
11.步骤4.粗对刀阶段中通过修复显微镜系统辅助测距，对刀尖到晶体待修复表面运动过程的距离进行修正，增设安全判据，从而实现不同进给参数下的安全进给；
12.步骤5.确定精对刀阶段的进给参数，采用恒定步距进给策略，对比每次进给前后扫描显微镜采集到的图像并进行处理，以视野中出现对刀凹坑作为对刀成功标志。
13.进一步地，步骤1中所述的晶体修复机床包括扫描显微镜系统用于晶体表面缺陷点的快速搜寻和采集修复加工过程晶体对刀表面的实时图像信息、缺陷修复系统用于缺陷点的三轴联动加工去除、修复显微镜系统用于采集对刀图像信息并计算刀具距离晶体对刀表面的距离，对刀过程为刀具向上进给至晶体下表面的过程。
14.进一步地，晶体修复机床采用的扫描显微镜为jai的bm-500ge型ccd，分辨率为2456
×
2058，最大帧速度可达15fps，像素尺寸为3.45μm
×
3.45μm；采用的修复显微镜维视图像的mv-vd200sc型工业ccd，分辨率为1600
×
1200，最大帧速度可达12fps，其驱动程序可提供以wdmiat3.0为接口的c++语言标准库函数。
15.进一步地，步骤2中采用有限元仿真的方法获得晶体元件的重力变形。
16.进一步地，步骤3中粗对刀阶段分为四个过程，粗对刀过程工艺规划具体为：
17.3-1选用500μm处为安全平面，基于节点式渐进进刀策略，当刀具距离待修复表面距离大于500μm时，以500μm/s的进给速度运动至500μm处；
18.3-2当刀具到待修复表面距离小于500μm时，刀具进入视野，将进给速度调整为100μm/s；
19.3-3当刀具到待修复表面距离至小于100μm时，将进给速度调整为10μm/s；
20.3-4当刀具到待修复表面距离至小于50μm时，将进给速度调整为5μm/s，直至距离达到25μm。
21.进一步地，步骤4中通过修复显微镜系统采用倒影法”计算刀尖距离晶体待修复表面距离d，根据d的数值对刀具位置进行修正：
22.(1)当d≥500μm时，绝对运动至z-100μm处；
23.(2)当d＜500μm时，相对当前位置运动d-100μm的距离；
24.同时，为保证粗对刀阶段进给过程的安全性，在运动过程中始终取修正运动量和原运动量的较小值。
25.进一步地，针对精对刀阶段增设两个安全判据，针对可能出现的情况：
26.(1)未触发对刀凹坑的刀具运动停止条件，导致晶体待修复表面出现严重过切；
27.(2)精对刀阶段进给距离超出预计距离，超出表面预测范围；
28.为避免以上两种情况对精对刀阶段的安全性产生损害，增设两个安全判据为：
29.(1)当扫描显微镜系统的视野中出现2800～3200像素、优选大于30000像素的高灰度区域时，认为未触发凹坑停止条件且在晶体待修复表面发生严重过切现象，同时产生了大量的切屑；
30.(2)精对刀阶段的进给距离为40～60μm、优选超过50μm时，超出了晶体待修复下表面的预测范围。
31.进一步地，步骤5中当扫描显微镜采集到的图像出现变化，采用“作差取圆”的图像处理方法对图像进行处理，首先，将每次对刀进给前后的图像做差并二值化，然后，对对刀产生晶体表面凹坑区域的高灰度区域做膨胀、腐蚀形态学处理，进行降噪和特征增强，最
后，利用findcontours函数寻找图像外部轮廓，计算对刀轮廓最小外接圆，当对刀凹坑的最小外接圆像素半径达到预设阈值时，作为对刀成功标志。
32.进一步地，步骤5中对刀凹坑的最小外接圆像素半径阈值的确定方法为：根据扫描显微镜变倍环倍数，计算单个像素的代表长度的理论大小参数c，取晶体元件表面微缺陷自动对刀深度为0.5μm时，根据球头微铣刀的直径计算出对应对刀凹坑半径，进一步计算其对应的像素半径，即为对刀凹坑的最小外接圆的像素半径阈值。
33.相较于现有技术，本发明的有益效果是：
34.本发明基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，根据扫描显微镜系统口径外三点标定的方法拟合晶体待修复平面方程，综合考虑晶体倾斜度与重力变形对对刀位置的影响，确定划分粗对刀阶段与精对刀阶段；根据修复显微镜系统采用“倒影法”获得对刀过程刀尖到晶体待修复表面的距离来对自动对刀过程进行规划；考虑自动对刀过程的效率，对各个对刀过程的进给参数进行设计；为保证粗对刀阶段过程的安全性，增加刀具在各个过程中到晶体待修复表面距离的安全判别，确保后续的进给安全性；同时为保证精对刀阶段的安全性，加设两个安全判断条件，即对视野中的灰度区域和对刀运动距离考虑，来确保对刀第二阶段的安全性。
附图说明
35.图1为本发明实施例中大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划及缺陷修复过程流程图；
36.图2为本发明实施例中大口径kdp晶体表面微缺陷快速搜寻与微铣削修复装置；
37.图3为本发明实施例中自动对刀粗对刀阶段流程示意图；
38.图4为本发明实施例中晶体待修复表面高度计算模块图；
39.图5为本发明实施例中重力变形云图；
40.图6为本发明实施例中对刀凹坑识别过程图；
41.图7为本发明实施例中自动对刀时间频次分布图。
具体实施方式
42.在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
44.具体实施方式一、本发明提供基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，如图1所示，包括如下步骤：
45.步骤1.安装大口径kdp晶体，组装并调整修复显微镜系统与扫描显微镜系统，晶体修复机床系统各轴自动回零；
46.步骤2.采用扫描显微镜系统对晶体口径外三点标定的方法，建立晶体待修复表面的拟合平面方程，基于所述拟合平面方程并考虑重力变形对对刀位置的影响，确定划分粗
对刀阶段与精对刀阶段的关键点位置坐标；
47.步骤3.确定粗对刀阶段进给参数，粗对刀阶段采用节点式渐进式进刀策略，通过修复显微镜系统采用“倒影法”计算出刀具距离晶体待修复表面的距离，在刀具处于不同节点之间时，采用不同的进给参数，实现快速进给对刀；
48.步骤4.粗对刀阶段中通过修复显微镜系统辅助测距，对刀尖到晶体待修复表面运动过程的距离进行修正，增设安全判据，从而实现不同进给参数下的安全进给；
49.步骤5.确定精对刀阶段的进给参数，采用恒定步距进给策略，对比每次进给前后扫描显微镜采集到的图像并进行处理，以视野中出现对刀凹坑作为对刀成功标志。
50.如图2所示，步骤1中所述的晶体修复机床为自行研制的大口径kdp晶体表面微缺陷快速搜寻与微铣削修复装置(申请号：201310744691.1)，该修复机床包括扫描显微镜系统(x1,y1,z1轴)用于晶体表面缺陷点的快速搜寻和采集修复加工过程晶体对刀表面的实时图像信息、缺陷修复系统(x2,y2,z2轴)用于缺陷点的三轴联动加工去除、修复显微镜系统(x3,y3,z3轴)用于采集对刀图像信息并计算刀具距离晶体对刀表面的距离，修复过程中刀具轴与水平面设计成45
°
夹角，对刀显微镜光轴与水平面成15
°
夹角对刀过程为刀具向上进给至晶体下表面的过程。
51.该修复机床采用的扫描显微镜为jai的bm-500ge型ccd，分辨率为2456
×
2058，最大帧速度可达15fps，像素尺寸为3.45μm
×
3.45μm，扫描显微镜有变倍环(0.58x～7x)、手动调整变倍环倍数来改变显微镜放大倍数；采用的修复显微镜为维视图像的mv-vd200sc型工业ccd，分辨率为1600
×
1200，最大帧速度可达12fps，其驱动程序可提供以wdmiat3.0为接口的c++语言标准库函数，封装37个类和17个全局函数、4个结构类型、25个变量类型可实现实时图像采集、简单图像处理、视频流处理等功能。
52.步骤2中采用有限元仿真的方法获得晶体元件的重力变形。
53.步骤2中，由于在将大口径kdp晶体安装在修复机床上时不能保证晶体待修复表面与扫描运动平面完全平行，由于安装因素导致的倾斜问题会对自动对刀中的精对刀过程的安全性产生损害，三点标定方法则是通过对扫描显微镜系统口径外三个点的坐标进行采集，以此确定晶体待修复平面的拟合平面方程，消除晶体安装时的倾斜度的影响，通过有限元仿真的方法获得晶体元件的重力变形，从而确定不同缺陷点修复时自动对刀阶段关键点的位置参数，及基于该平面拟合方程可用于估算不同位置处缺陷修复时刀具与待修复表面间的距离。
54.如图3所示，步骤3中粗对刀阶段分为四个过程，粗对刀过程工艺规划具体为：
55.3-1选用500μm处为安全平面，基于节点式渐进进刀策略，当刀具距离待修复表面距离大于500μm时，以500μm/s的进给速度运动至500μm处；
56.3-2当刀具到待修复表面距离小于500μm时，刀具进入视野，将进给速度调整为100μm/s；
57.3-3当刀具到待修复表面距离至小于100μm时，将进给速度调整为10μm/s；
58.3-4当刀具到待修复表面距离至小于50μm时，将进给速度调整为5μm/s，直至距离达到25μm。
59.步骤4中通过修复显微镜系统采用倒影法”计算刀尖距离晶体待修复表面距离d，根据d的数值对刀具位置进行修正：
60.(1)当d≥500μm时，绝对运动至z-100μm处；
61.(2)当d＜500μm时，相对当前位置运动d-100μm的距离；
62.同时，为保证粗对刀阶段进给过程的安全性，在运动过程中始终取修正运动量和原运动量的较小值。
63.经过修正后的运动有两个标准，一个是以计算的下表面的高度为标准进行运动，一个是以修复显微镜系统测得的距离作为标准进行运动。由于修复显微镜系统所测得的距离一般大于实际距离，因此一般判断为以晶体待修复表面标定的高度z做基准进行运动，修复显微镜系统辅助测距，保证了粗对刀阶段的安全性。
64.步骤5中的精对刀采用恒定步距进给策略，首先获取当前位置所对应的扫描显微镜系统图像并进给1μm，再次获取图像，对两张图像进行处理，识别对刀凹坑是否出现，如对刀凹坑出现，则认为自动对刀完成，如未出现对刀凹坑，则重复上述步骤，直至出现对刀凹坑完成对刀。
65.针对精对刀阶段增设两个安全判据，针对可能出现的情况：
66.(1)未触发对刀凹坑的刀具运动停止条件，导致晶体待修复表面出现严重过切；
67.(2)精对刀阶段进给距离超出预计距离，超出表面预测范围；
68.为避免以上两种情况对精对刀阶段的安全性产生损害，增设两个安全判据为：
69.(1)当扫描显微镜系统的视野中出现2800～3200像素、优选大于30000像素的高灰度区域时，认为未触发凹坑停止条件且在晶体待修复表面发生严重过切现象，同时产生了大量的切屑；
70.(2)精对刀阶段的进给距离为40～60μm、优选超过50μm时，超出了晶体待修复下表面的预测范围。
71.步骤5中当扫描显微镜采集到的图像出现变化，采用“作差取圆”的图像处理方法对图像进行处理，首先，将每次对刀进给前后的图像做差并二值化，然后，对对刀产生晶体表面凹坑区域的高灰度区域做膨胀、腐蚀形态学处理，进行降噪和特征增强，最后，利用findcontours函数寻找图像外部轮廓，计算对刀轮廓最小外接圆，当对刀凹坑的最小外接圆像素半径达到预设阈值时，作为对刀成功标志。
72.步骤5中对刀凹坑的最小外接圆像素半径阈值的确定方法为：根据扫描显微镜变倍环倍数，计算单个像素的代表长度的理论大小参数c，取晶体元件表面微缺陷自动对刀深度为0.5μm时，根据球头微铣刀的直径计算出对应对刀凹坑半径，进一步计算其对应的像素半径，即为对刀凹坑的最小外接圆的像素半径阈值。
73.由于本发明基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法涉及多个工艺流程，为保证方案的可行性和缺陷检测效果，按照上述步骤对自动对刀工艺方法进行试验时，需要具体实现对刀阶段划分关键点位置，考虑晶体安装时的倾斜度、晶体重力变形的影响，及对刀成功标志的确定、待修复表面对刀凹坑的识别等问题：
74.1)晶体安装时的倾斜度
75.大口径kdp晶体安装在修复机床的夹具上时，不能保证晶体待修复表面与扫描运动平面完全平行，故需要对其安装时存在的平面的倾斜度考虑，可通过建立平方方程来确定。本发明采用口径外三点标定的方法拟合晶体待修复下表面的平面方程。在晶体元件的
口径外选择三点，并记录口径外三标：(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)，则平面方程由下式求得，其中a，b，c，d分别为方程系数。
[0076][0077]
图4为所编写的晶体待修复下表面标定模块，在通过口径外手动对刀三点，点集标定可以获取当前扫描运动系统的x，y值和修复运动系统的z值，且标定完成后计算求出晶体待修复表面的平面拟合方程，在大口径kdp晶体修复过程中，当某个缺陷处于待修复状态时，可以计算出当前缺陷的位置坐标所对应的晶体下表面高度值。
[0078]
2)晶体重力变形
[0079]
常用大口径kdp晶体根据其晶面的不同，其类型主要有三种，即(001)、typeⅰ、typeⅱ，考虑重力变形时进行仿真，需要输入材料参数即泊松比与弹性模量。由于kdp晶体的各向异性，材料的弹性模量获得较困难。为满足仿真的要求，获得材料参数，采用刚度矩阵的方法，(001)晶体类型的刚度矩阵如表1所示为kdp晶体(001)面刚度矩阵。同时不同晶体存在几何角度差异，通过变换刚度矩阵，可以求出typeⅰ、typeⅱ晶体类型的刚度矩阵，在workbench进行有限元仿真，得到如图5所示的重力变形云图。
[0080]
表1
[0081][0082]
根据得到的重力变形云图可以看出，晶体的各向异性对晶体的重力变形产生的影响较小，(001)、typeⅰ、typeⅱ晶体类型的最大变形分别为1.77μm、6.34μm和2.53μm。
[0083]
根据已有的自动对刀数据可以得出，不同位置对刀高度之间的安装倾斜差距可达700μm，将数据拟合为平面后(拟合优度r2＝0.9989，则认为拟合有效)，不同对刀位置的高度距离拟合平面的距离z1仅为14μm，可以有效预测对刀高度，根据图5b)，晶体重力变形引起的最大变形z2为6.34μm。实际修复过程中工件平台在机床上水平移动，当晶体处于不同位置时，晶体同一点的高度并不相同，由此对于第i个缺陷点，不同对刀位置距离拟合平面方程的最大距离差因此，当刀具距离晶体待修复表面的距离为25μm时进入精对刀阶段，可以提高对刀效率，且保证自动对刀阶段的安全性。
[0084]
3)对刀成功标志的确定
[0085]
扫描显微镜的变倍环倍数范围是0.58～7x，自动对刀过程要保证精确采集到图像中对刀凹坑对应的像素半径，因此自动对刀过程的变倍环倍数选用7x。当扫描显微镜变倍
环倍数为7x时对其进行像素标定，即可得到平均像素标定值为0.335μm/pixel，相比于理论像素标定值0.328μm/pixel，其标定误差为0.2％，由此可知像素标定引起的误差可以忽略。此外，在对待修复表面采集的图像进行处理时，通过图像处理得到的对刀凹坑轮廓半径一般小于实际对刀轮廓，该现象主要是由于对刀凹坑边缘处的灰度降低而被过滤，该过程的最大误差为3.8μm，进行平均化处理后可到对刀凹坑轮廓半径误差约为2.11μm；之后再对对刀凹坑深度测量时，由于对刀过程中刀具振动不可避免，白光干涉仪所测得的对刀凹坑深度会大于图像处理得到的凹坑深度，且其最大误差为0.309μm，对误差结果进行平均化处理可得对刀凹坑深度误差约为0.126μm。
[0086]
根据上述对对刀凹坑轮廓半径与凹坑深度的误差分析，与凹坑轮廓外接圆半径来计算对刀凹坑的深度与白光形貌轮廓干涉仪实际测得的对刀凹坑深度进行对比，其最大误差为0.512μm，对数据进行平均化处理可以得到平均误差为0.178μm。考虑到球面的曲率半径，随着对刀凹坑的深度增加，凹坑的半径变换越小，误差对结果的影响越大。因此，通过对扫面显微镜中出现对刀凹坑，且对刀凹坑轮廓外接圆像素半径为50pixel，可以有效作为对刀完成的标志。
[0087]
4)待修复表面对刀凹坑识别算法的开发
[0088]
以扫描显微镜视野中对刀凹坑作为对刀成功的标志，必须精确地从扫描显微镜视野中识别出对刀凹坑。kdp晶体元件表面全域微缺陷检测为暗场检测，背景灰度较低、对刀凹坑灰度较高，然而由于高速旋转的微铣刀的反光会辐照对刀凹坑。使得对刀凹坑附近区域会形成更大的高灰度值区域，由此干扰凹坑的精确识别。针对以上问题，开发了基于opencv的“作差取圆”图像处理算法，具体计算过程如下：
[0089]
step1：精对刀阶段每进给运动完成后获取对刀表面图像，进给前后的图像如图6a)和图6b)所示，将两张图像作差并二值化，可获得不受刀具和其他未修复损伤点干扰的、清晰对刀凹坑轮廓图片，如图6c)所示；
[0090]
step2：对对刀凹坑区域的高灰度图形做膨胀、腐蚀形态学处理，如图6e)所示，达到消除噪声、增强对象特征的目的；
[0091]
step3：采用findcontours函数寻找图像外部轮廓，如图6f)所示，计算出轮廓的最小外接圆，如图6g)所示，其中最大的外接圆即认定是所识别到的对刀凹坑轮廓，当像素半径大于50pixel时，对刀运动停止，根据像素半径数计算当前对刀深度。
[0092]
上述步骤使用本发明的工艺流程，实现了基于双显微镜协同的大口径精密光学晶体表面全域微缺陷修复时的自动对刀功能。通过实验验证，采用白光形貌轮廓干涉仪测量自动对刀凹坑的深度，做出如图7所示自动对刀切深频次分布图。
[0093]
可以看出最大对刀深度不超过2.5μm，平均切深为1.4μm。根据上述分析得到扫描显微镜计算得到的对刀凹坑深度与真实对刀凹坑深度相比误差不超过0.512μm。在对刀完成后添加退刀运动，将刀具退至计算元件表面，可以使得刀具与元件表面之间的实际距离不超过0.5μm，即对刀精度优于0.5μm，既达到了大口径晶体元件表面微缺陷修复时自动对刀准确性，又大幅度提高自动对刀的精度。
[0094]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1.安装大口径kdp晶体，组装并调整修复显微镜系统与扫描显微镜系统，晶体修复机床系统各轴自动回零；步骤2.采用扫描显微镜系统对晶体口径外三点标定的方法，建立晶体待修复表面的拟合平面方程，基于所述拟合平面方程并考虑重力变形对对刀位置的影响，确定划分粗对刀阶段与精对刀阶段的关键点位置坐标；步骤3.确定粗对刀阶段进给参数，粗对刀阶段采用节点式渐进式进刀策略，通过修复显微镜系统采用“倒影法”计算出刀具距离晶体待修复表面的距离，在刀具处于不同节点之间时，采用不同的进给参数，实现快速进给对刀；步骤4.粗对刀阶段中通过修复显微镜系统辅助测距，对刀尖到晶体待修复表面运动过程的距离进行修正，增设安全判据，从而实现不同进给参数下的安全进给；步骤5.确定精对刀阶段的进给参数，采用恒定步距进给策略，对比每次进给前后扫描显微镜采集到的图像并进行处理，以视野中出现对刀凹坑作为对刀成功标志。2.根据权利要求1所述的基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，其特征在于，步骤1中所述的晶体修复机床包括扫描显微镜系统用于晶体表面缺陷点的快速搜寻和采集修复加工过程晶体对刀表面的实时图像信息、缺陷修复系统用于缺陷点的三轴联动加工去除、修复显微镜系统用于采集对刀图像信息并计算刀具距离晶体对刀表面的距离，对刀过程为刀具向上进给至晶体下表面的过程。3.根据权利要求2所述的基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，其特征在于，晶体修复机床采用的扫描显微镜为jai的bm-500ge型ccd，分辨率为2456
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2058，最大帧速度可达15fps，像素尺寸为3.45μm
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3.45μm；采用的修复显微镜维视图像的mv-vd200sc型工业ccd，分辨率为1600
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1200，最大帧速度可达12fps，其驱动程序可提供以wdmiat3.0为接口的c++语言标准库函数。4.根据权利要求1所述的基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，其特征在于，步骤2中采用有限元仿真的方法获得晶体元件的重力变形。5.根据权利要求1所述的基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，其特征在于，步骤3中粗对刀阶段分为四个过程，粗对刀过程工艺规划具体为：3-1选用500μm处为安全平面，基于节点式渐进进刀策略，当刀具距离待修复表面距离大于500μm时，以500μm/s的进给速度运动至500μm处；3-2当刀具到待修复表面距离小于500μm时，刀具进入视野，将进给速度调整为100μm/s；3-3当刀具到待修复表面距离至小于100μm时，将进给速度调整为10μm/s；3-4当刀具到待修复表面距离至小于50μm时，将进给速度调整为5μm/s，直至距离达到25μm。6.根据权利要求1所述的基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，其特征在于，步骤4中通过修复显微镜系统采用倒影法”计算刀
尖距离晶体待修复表面距离d，根据d的数值对刀具位置进行修正：(1)当d≥500μm时，绝对运动至z-100μm处；(2)当d＜500μm时，相对当前位置运动d-100μm的距离；同时，为保证粗对刀阶段进给过程的安全性，在运动过程中始终取修正运动量和原运动量的较小值。7.根据权利要求1所述的基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，其特征在于，针对精对刀阶段增设两个安全判据，针对可能出现的情况：(1)未触发对刀凹坑的刀具运动停止条件，导致晶体待修复表面出现严重过切；(2)精对刀阶段进给距离超出预计距离，超出表面预测范围；为避免以上两种情况对精对刀阶段的安全性产生损害，增设两个安全判据为：(1)当扫描显微镜系统的视野中出现2800～3200像素、优选大于30000像素的高灰度区域时，认为未触发凹坑停止条件且在晶体待修复表面发生严重过切现象，同时产生了大量的切屑；(2)精对刀阶段的进给距离为40～60μm、优选超过50μm时，超出了晶体待修复下表面的预测范围。8.根据权利要求1所述的基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，其特征在于，步骤5中当扫描显微镜采集到的图像出现变化，采用“作差取圆”的图像处理方法对图像进行处理，首先，将每次对刀进给前后的图像做差并二值化，然后，对对刀产生晶体表面凹坑区域的高灰度区域做膨胀、腐蚀形态学处理，进行降噪和特征增强，最后，利用findcontours函数寻找图像外部轮廓，计算对刀轮廓最小外接圆，当对刀凹坑的最小外接圆像素半径达到预设阈值时，作为对刀成功标志。9.根据权利要求8所述的基于节点渐进式的大口径kdp晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，其特征在于，步骤5中对刀凹坑的最小外接圆像素半径阈值的确定方法为：根据扫描显微镜变倍环倍数，计算单个像素的代表长度的理论大小参数c，取晶体元件表面微缺陷自动对刀深度为0.5μm时，根据球头微铣刀的直径计算出对应对刀凹坑半径，进一步计算其对应的像素半径，即为对刀凹坑的最小外接圆的像素半径阈值。

技术总结
基于节点渐进式的大口径KDP晶体元件表面全域微缺陷修复用自动对刀工艺规划方法，涉及光学工程技术领域，为解决现有自动对刀方法对对刀阶段的划分准确性不高、缺少安全判据、自动对刀过程的效率不高的问题。本发明采用对晶体口径外三点标定的方法，建立晶体待修复表面的拟合平面方程，并考虑重力变形的影响，划分粗对刀阶段与精对刀阶段；确定粗对刀阶段进给参数和进式进刀策略，通过修复显微镜系统辅助测距，对刀尖到晶体待修复表面运动过程的距离进行修正，增设安全判据；确定精对刀阶段的进给参数和进给策略，对比每次进给前后扫描显微镜采集到的图像并进行处理，以视野中出现对刀凹坑作为对刀成功标志。实现准确、安全和高效的对刀过程。的对刀过程。的对刀过程。


技术研发人员：程健 侯家锟 陈明君 赵林杰 武文强 刘启 王景贺 刘志超 王健 许乔
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/10/8