光学镜片等精密光学零部件具有出色的性能,在各个行业得到了广泛应用。精密光学零件及其模具的加工要求亚微米级的形状和尺寸精度,属于超精密加工范畴。超精密车削中,刀具磨损、刀尖圆弧半径测量误差、对刀误差都会对严重影响工件的加工质量。在机测量的光学对刀装置采用机器视觉技术,可以准确地测量刀尖半径,降低对刀误差,同时可以从刀具的图像中观察刀具的磨损情况。为保证加工精度,实际加工中使用对刀装置对刀后,还要用试切法使刀尖精确对心,但试切法操作复杂,不利于提高超精密加工效率。本文设计了一种应用于超精密车床的光学对刀装置,可以准确地检测刀具的磨损情况和刀尖圆弧半径数值,降低对刀误差。然后通过仿真预测存在对刀误差时的工件形貌,以便根据面型精度要求,使用光学对刀装置合理地控制对刀误差,提高对刀效率。主要研究工作如下:首先,综合考虑检测精度要求和刀尖尺寸,选择了合适的工业相机和单筒显微镜,然后针对磨损检测和刀尖圆弧检测设计了不同的照明方式用于图像采集,结合现有条件搭建了实验平台。为实现刀尖的精确对焦,研究了多种图像清晰度评价函数,并通过实验选择出了性能最优的函数。针对显微镜视场小的特点,使用光栅尺进行了相机标定,得到了系统的像素当量。其次,研究算法实现了刀尖磨损检测和刀尖圆弧测量。首先对刀尖图像进行了滤波降噪,在刀尖磨损检测中,对同轴照明下采集的图像进行了对比度拉伸,然后使用基于高斯平滑的阈值分割算法、连通域标记算法得到了分散的二值化图像,最后根据形状和位置特征实现了对磨损区域的准确识别。刀尖圆弧测量中,对背光照明下采集的图像使用阈值分割、形态学处理方法得到了刀尖边缘图像,然后使用边缘检测算法快速提取了刀尖的亚像素边缘,之后通过边缘分割和边缘拟合算法得到了拟合的刀尖圆弧,测得了圆弧半径和圆心坐标。最后编写了光学对刀装置的软件系统,实现了对刀尖图像的实时采集和处理。最后,为根据面型精度要求合理控制对刀误差,进行了车削仿真实现形貌预测。分析了非回转对称表面的成型原理,然后使用多体系统理论对超精密车床进行了几何精度建模,基于机床运动学模型,获得刀尖轨迹。之后根据刀尖轮廓复映原理生成了仿真车削表面,从而预测对刀误差对工件面型精度的影响。最后在Matlab中设计了仿真系统界面,便于进行人机交互。