阅读说明：本技术 一种基于表面微观三维形貌的最小加工余量预测方法 (Minimum machining allowance prediction method based on surface microscopic three-dimensional morphology ) 是由 闫宁 陆静 赵延军 徐西鹏 姜峰 王宁昌 徐帅 吴晓磊 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于表面微观三维形貌的最小加工余量预测方法,首先将需要加工的样品在提前设定好参数的白光干涉仪上进行三维形貌的检测,得到三维形貌检测图和测量数据,对每个测量区域得到的测量数据均进行表面重构并分别计算重构后每个测量区域表面最高点和最低点之间的材料体积V,取所有测量区域的材料体积的平均值,作为需要去除的材料余量体积V<Sub>1</Sub>,根据测量区域的面积以及需要去除的材料余量体积V<Sub>1</Sub>计算得到整个加工区域需要去除的材料体积。本发明提供的预测方法能对精密超精密加工中下一道材料需要去除的材料体积进行预测,还能用于光电、半导体材料加工流程中研磨、磨削等工序加工量的预估,应用范围广。(The invention discloses a minimum machining allowance prediction method based on surface microscopic three-dimensional topography, which comprises the steps of firstly, detecting the three-dimensional topography of a sample to be machined on a white light interferometer with preset parameters to obtain a three-dimensional topography detection graph and measurement data, carrying out surface reconstruction on the measurement data obtained in each measurement area, respectively calculating the material volume V between the highest point and the lowest point of the surface of each measurement area after reconstruction, and taking the average value of the material volumes of all the measurement areas as the material allowance volume V to be removed 1 According to the area of the measuring area and the residual volume V of the material to be removed 1 Calculating to obtain the material body to be removed in the whole processing areaAnd (4) accumulating. The prediction method provided by the invention can predict the volume of the material to be removed in the next material in the precise ultra-precision machining, can also be used for predicting the machining amount of grinding, grinding and other procedures in the photoelectric and semiconductor material machining processes, and has wide application range.)

一种基于表面微观三维形貌的最小加工余量预测方法

技术领域

本发明涉及加工余量预测技术领域，尤其涉及一种基于表面微观三维形貌的最小加工余量预测方法。

背景技术

零件加工过程是从毛坯去除材料的过程，去除材料的总量成为总加工余量。由于加工精度的要求越来越高，工序阶段被严格地划分，总加工余量被分配到各个工序中。每个工序的加工余量被严格的控制，既要去除上一道工序的加工缺陷层，又要保证本道工序产生较小的缺陷，这样就有了最小加工余量的要求。

专利CN201410454345.4公开了一种曲轴轴向加工余量自动分配方法，此专利利用加工中心的测量系统，对零件的宏观几何尺寸进行实际测量，与零件加工要求的轮廓进行对比，从而计算出每一道工序的加工余量。这是一种基于宏观几何形状的加工余量预测方法，未考虑表面微观三维形貌对加工余量的影响。然而在现有的很多加工场合尤其是精密超精密加工的场合，如半导体加工的场合，加工余量是特别小的，利用宏观的方法检测不能准确得到最小加工余量，误差较大，且在加工时材料去除比较高，加工时间长。

现有的技术未见与精密加工最小加工余量相关的专利。在实际加工中最小加工余量主要靠查表法或经验法确定，对超精密加工过程中最小加工余量的精准确定十分困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表面微观三维形貌的最小加工余量预测方法，能够对精密及超精密加工中需要去除的材料体积进行预测，使最小加工余量的确定更加精准，从而减少加工时间，缩小成本，并能用于光电、半导体材料加工流程中线切割、研磨、磨削等加工工序余量的预估，应用范围广。

本发明采用的技术方案为：一种基于表面微观三维形貌的最小加工余量预测方法，包括如下步骤：

a.将需要加工的样品放置在白光干涉仪上，根据样品的粗糙度选择倍数和分辨率，选择的倍数和分辨率要求能够获得样品的表面粗糙度和波纹度信息，然后进入下一步骤；

b.根据选择的特定倍数和分辨率下的测试视野的面积以及样品的大小选择取样面积，作为测量区域，然后进入下一步骤；

c.若测量区域的面积未超过特定的倍数和分辨率下的测试视野的面积，进入步骤e，若测量区域的面积超过了特定的倍数和分辨率下的测试视野的面积，进入步骤d；

d.选择拼接模式检测，在进行拼接模式检测前要根据拼接的面积选择拼接重叠比例和需要拼接的测量区域的块数，进入步骤e；

e.对测量区域进行三维形貌的检测，并对每个测量区域进行不少于5次的检测，得到三维形貌检测图和测量数据，进入步骤f；

f.对每个测量区域得到的测量数据均进行表面重构，然后进入下一步骤；

g.分别计算重构后每个测量区域表面最高点和最低点之间的材料体积V，然后进入下一步骤；

h.取所有测量区域的材料体积的平均值，作为需要去除的材料余量体积V₁，然后进入下一步骤；

i.根据测量区域的面积以及需要去除的材料余量体积V₁计算得到整个加工区域需要去除的材料体积V₂。

优选的，在所述步骤a中，白光干涉仪采用Wyko NT9300光学轮廓仪，用于测量样品表面的三维高度信息。

优选的，在所述步骤b中，取样面积的形状为方形，方形的边长要不小于5倍样品表面波纹度的周期，也就是包含至少5个波峰和波谷。

优选的，在所述步骤c中，选择的拼接重叠比例为5-30％，选择的重叠比例不能影响拼接后的数据质量。

优选的，在所述步骤f中，表面重构的步骤包括去噪、滤波和填充。

优选的，所述去噪具体为，去掉样品表面的杂质信息，所述杂质信息包括毛刺和检测时由于像素缺失造成的尖峰。

优选的，所述滤波具体为，去除样品的其他信息，只保留样品的粗糙度信息。

优选的，所述填充具体为，将去噪和滤波后样品中的缺失数据点补全，使样品的高度信息连续。

本发明的有益效果是：本发明首先在需要加工的样品的表面选择测量区域，然后通过白光干涉仪对选取的所有测量区域的表面依次进行三维检测，获得三维形貌测量数据之后需要对其进行表面重构，然后得到加工表面的相应区域的三维高度信息，并分别计算每个测量区域表面重构后所选取的测量区域内材料最高点和最低点之间材料体积V，并取平均值作为需要去除的材料余量体积V₁，然后根据测量区域面积与样品的面积的比值最终预测得到整个样品需要去除的材料体积V₂。本发明提供的最小加工余量预测方法，是通过检测样品表面的微观三维形貌来计算得到的，从而使最小加工余量的确定更加精准，提高加工质量，减少加工时间，还能用于光电、半导体材料加工流程中研磨、磨削等工序加工量的预估，提高了应用的范围。

附图说明

图1为本发明测量区域的位置示意图；

图2为本发明所述金刚石衬底片去噪前的表面三维形貌示意图；

图3为本发明所述金刚石衬底片去噪前的表面高度分布示意图；

图4为本发明所述金刚石衬底片去噪后的表面三维形貌示意图；

图5为本发明所述金刚石衬底片去噪后的表面高度分布示意图；

图6为本发明所述截止频率的确定曲线图；

图7为本发明所述金刚石衬底片表面重构后的表面三维形貌示意图；

图8为本发明所述金刚石衬底片表面重构后的表面高度分布示意图；

图9为本发明所述金刚石衬底片的表面轮廓示意图；

图10为本发明所述材料体积V与金刚石衬底片相对高度的关系曲线示意图；

图11为本发明所述金刚石衬底片加工余量估计值与进给速度的关系曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于表面微观三维形貌的最小加工余量预测方法，包括如下步骤：

a.将需要加工的样品放置在白光干涉仪上，所述白光干涉仪用于测量样品表面的三维高度信息，能够采用Wyko NT9300光学轮廓仪，根据样品的粗糙度选择倍数和分辨率，确定选择的倍数和分辨率要求能够获得样品的表面粗糙度和波纹度信息，然后进入下一步骤；

b.根据选择的特定倍数和分辨率下的测试视野的面积以及样品的大小选择取样面积，作为测量区域，取样面积的形状为方形，方形的边长要不小于5倍样品表面波纹度的周期，也就是包含至少5个波峰和波谷，测量区域的数量根据样品的形状和面积设定一定的间隔比例，该比例为测量区域形状边长的5-30倍，然后进入下一步骤；

c.若测量区域的面积未超过特定的倍数和分辨率下的测试视野的面积，进入步骤e，若测量区域的面积超过了特定的倍数和分辨率下的测试视野的面积，进入步骤d；

d.选择拼接模式检测，在进行拼接模式检测前要根据拼接的面积选择拼接重叠比例和需要拼接的测量区域的块数，选择的拼接重叠比例为5-30％，选择的重叠比例不能影响拼接后的数据质量，进入步骤e；

e.对测量区域进行三维形貌的检测，并对每个测量区域进行不少于5次的检测，得到三维形貌检测图和测量数据，进入步骤f；

f.对每个测量区域得到的测量数据均进行表面重构，所述表面重构的步骤包括去噪、滤波和填充，所述去噪具体为，去掉样品表面的杂质信息，所述杂质信息包括毛刺和检测时由于像素缺失造成的尖峰，所述滤波具体为，去除样品的其他信息，只保留样品的粗糙度信息，所述填充具体为，将去噪和滤波后样品中的缺失数据点补全，使样品的高度信息连续，然后进入下一步骤；

g.分别计算重构后每个测量区域表面最高点和最低点之间的材料体积V，然后进入下一步骤；

h.取所有测量区域的材料体积的平均值，作为需要去除的材料余量体积V₁，然后进入下一步骤；

i.根据测量区域的面积以及需要去除的材料余量体积V₁计算得到整个加工区域需要去除的材料体积V₂。

下面结合实施例来具体说明：

选取10mm×10mm大小的金刚石衬底片作为需要加工的样品，将金刚石衬底片放置在Wyko NT9300光学轮廓仪的工作台上，测量金刚石衬底片表面的三维高度信息，首先调节Z轴的高度找到干涉条纹，并调节干涉条纹的宽度，保证测量时能够同时测到视野内干涉条纹的最低点和最高点。

根据金刚石衬底片的粗糙度选择倍数和分辨率，选择的倍数和分辨率要求能够获得金刚石衬底片的表面粗糙度和波纹度信息，操作时先用5倍镜头对金刚石衬底片样品进行预检测，得到样品的粗糙度为1.25μm，此时的分辨率为1.98μm，视野的大小为1.3mm×0.95mm。由此可见，使用5倍的镜头晶体分辨率太低，改用20倍的镜头进行检测，此时的分辨率为493.27μm。

根据选择的特定倍数和分辨率下的测试视野的面积以及金刚石衬底片的大小选择取样面积，作为测量区域。取样面积的形状选择为方形，方形的边长要不小于5倍金刚石衬底片表面波纹度的周期，也就是包含至少5个波峰和波谷，这样选取的取样面积更大，更具有代表性，使得样本的测量面积更加精确，操作时选择5个取样面积作为测量区域，测量区域的数量根据金刚石衬底片的形状和面积设定一定的间隔比例，取该比例为测量区域形状边长的5倍，5个测量区域的选取如图1所示。

为了保证视野的大小同样为1.3mm×0.95mm，需要对测量区域进行拼接，选择默认的拼接重叠比例20％，对样品高度信息以及干涉条纹的宽度进行调节，保证视野大小为1.3mm×0.95mm，对拼接后的测量区域进行三维形貌的检测，并对拼接后的每一个测量区域进行不少于5次的检测，即对每个测量区域均重复测量5次，得到拼接后的三维形貌检测图和测量数据。

对每个测量区域得到的测量数据均进行表面重构，表面重构的步骤包括去噪、滤波和填充。所述去噪具体为，去掉金刚石衬底片表面的杂质信息，所述杂质信息包括毛刺以及检测时由于像素缺失造成的尖峰，所述去噪处理之前的金刚石衬底片的表面三维形貌和柱状图分别如图2和图3所示，所述去噪处理之后的金刚石衬底片的表面三维形貌和柱状图分别如图4和图5所示。所述滤波具体为，去除金刚石衬底片的其他信息，只保留其粗糙度信息，在对测量数据进行滤波处理时，计算得到样品表面的功率谱密度与空间频率的关系曲线，选择数据波动趋于线性的临界位置点作为截止频率，截止频率的确定方式如图6所示，截止频率f_c＝25.8mm^-1。所述填充具体为，将去噪和滤波后样品中的缺失数据点补全，使样品的高度信息连续，填充后的样品不能出现像素点的缺失，也不能出现填充过量而影响测试的效果，填充处理后的金刚石衬底片的表面三维形貌及柱状图分别如图7和图8所示。

分别计算重构后每个测量区域内最高点和最低点之间的材料体积，作为需要去除的材料体积V，材料体积V如图9中的阴影部分所示，材料体积V是通过后处理软件积分的方式获得的视野内材料的体积，即利用Wyko NT9300光学轮廓仪设备Vision4.0软件的reverse积分功能可直接得材料体积V，材料体积V跟金刚石衬底片的相对高度的关系如图10所示。然后取所有测量区域的材料体积V的平均值，作为需要去除的材料余量体积V₁，并根据测量区域的面积以及需要去除的材料体积V₁计算得到整个加工区域需要去除的材料体积V₂，材料体积V₂的计算公式如下：

V₂＝V₁×S₂/S₁

其中，S₁为测试视野的面积，S₂为金刚石衬底片样品的整个加工区域的面积。如图11所示为不同进给速度参数下得到的需要去除的材料体积，即金刚石衬底片的加工余量估计值。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。