平面调制靶的正弦波曲面超精密加工与表征

采用超精密车削技术加工微尺度正弦波调制曲面微结构,解决了尖刃金刚石刀具刃磨和刀具对中等关键技术,研究了进给量、背吃刀量和主轴转速等主要切削参数对铜模板表面粗糙度的影响规律。加工出波长为（20～150）m0.5 m﹑峰谷高度差为（0.2～20）m0.1 m的带正弦波调制曲面。采用原子力显微镜对模板表面轮廓扫描,在20 m20 m的范围内,其表面粗糙度均方根值小于10 nm。将正弦波调制曲面测量结果与理论轮廓进行比较,采用最小二乘寻优算法评定轮廓误差。完成了曲面轮廓的功率谱表征,利用加工的曲面微结构制备了平面调制靶,实现正弦波调制曲面轮廓的精确转移。     

光学自由曲面飞刀加工刀位轨迹的生成算法

基于双三次B样条曲面对光学自由曲面的描述,采用参数变化量控制法进行刀具轨迹的计算。通过分析飞刀加工的特点,推导出单晶金刚石飞刀加工光学自由曲面的刀位点的计算方法,编程实现了该算法。根据走刀路径规划和刀位轨迹计算方法可以生成飞刀加工的数控程序,成功地应用该算法进行了光学自由曲面的加工。     

单点金刚石超精密车削快点火靶丸微孔精度控制北大核心CSCD

研究了单点金刚石超精密车削技术(SPDT)加工靶丸微孔中的精度控制方法,建立了靶丸微孔加工误差的仿真模型,并理论分析了不同误差因素对微孔尺寸误差的影响规律;根据误差分析结果提出了基于刀具阶梯进给运动方式的微孔精度控制方法,用以控制靶丸微孔精度;在单点金刚石超精密车床上进行了辉光放电聚合物(GDP)靶丸微孔的车削实验,实验结果表明:采用该精度控制方法,靶丸微孔尺寸误差和圆度误差分别降低了70.7%和87.5%,实验结果表明了所提出方法的有效性。     

基于变步长自适应滤波器在激光多普勒测量中的去噪研究

提出了一种自适应滤波算法应用于激光多普勒测量中的去噪方法,根据变步长自适应滤波算法的步长调整原则,分析了变步长最小均方算法的步长与误差关系曲线特点.研究表明,通过变步长自适应滤算法可有效地消除激光多普勒测量中由于声光调制、电光调制等引入的多频率噪音干扰.该算法简单、收敛性能强,仿真验证了该算法的优越性.     

基于NURBS曲线直接插补算法的嵌入式数控系统设计与实现

提出了一种结合486SX级别的X86微处理器和可编程逻辑器件CPLD两级控制的嵌入式数控系统设计方案,阐述了该系统的硬件接口电路设计;提出了基于改进S形加减速的NURBS曲线直接插补算法,在满足最大弦高误差、最大法向加速度以及最大进给速度要求的情况下,对插补曲线的加速段和减速段进行速度规划。最后采用基于该插补算法的嵌入式数控系统,在半圆形毛坯上进行了五角星NURBS曲线的实际加工,验证了所设计嵌入式数控系统的可行性和有效性,具有一定的工程应用价值。     

基于FPGA的实时Pythagorean Hodograph曲线运动控制器的设计

提出了一种采用SOPC技术在单个FPGA芯片上构建的新型实时PH曲线运动控制器的架构;该运动控制器在QuartusⅡ9.0中设计,由一个NiosⅡ软核处理器和多个功能模块构成;它通过采用二次插补方式以减少PH曲线插补的计算量;NiosⅡ处理器执行主控程序和PH曲线粗插补算法,FPGA硬件逻辑执行精插补算法并输出两组用于控制执行机构(XY工作台)的控制脉冲;实验数据表明,该运动控制器完成恒进给速度的单次PH曲线插补的平均耗时均小于2ms,终点坐标的定位误差均低于0.0079mm。     

非线性薛定谔方程的多模局部误差计算准则

提出三种求解多模光纤非线性传输方程的误差估计准则—max,sum,ave准则,将多模误差向量转换为误差标量,基于对称分步傅里叶的局部误差法实现多模传输自适应步长统一变化.通过仿真高斯脉冲在渐变折射率多模光纤中的传输,验证了定变步长方法在不同准则下局部误差与全局误差的性能.实验结果表明三种准则的变步长算法都具有收敛性,且利用sum准则计算局部误差控制步长变化,在相同计算量的情况下能得到更高的数值精度,相同全局误差的情况下计算量相对更少,对进一步提高多模非线性传输方程的计算效率有参考意义.     

母线含非圆曲线的超声变幅杆精确加工的研究

介绍在普通数控车床上准确加工母线含非圆曲线的超声变幅杆的两种通用程序的编制方法及应用。方法一以等弦长划分待加工曲线决定节点,以平均曲率半径作为插补圆半径,以C语言编制出加工代码生成软件。方法二采用VB6编程,使用双圆弧法进行插补,伸缩步长法进行误差控制和决定节点,可设定并控制插补误差理论值,运行时生成的NC代码指令条数少,适应任何超声变幅杆的加工,界面友好易用。上述两程序在进行切削加工前,均可全程模拟加工过程。两软件经分别在GSK-928和G-CNC6135A(G)数控车床上应用,效果良好。而第一软件较完善。     

三平动绳牵引并联机器人轨迹预处理算法

研究了一种新型飞行摄像平台,能够实现摄像机在大范围的三维空间内可以沿任意轨迹快速运动的摄像平台;摄像平台的运动由四台伺服电机带动四根缆绳并联拖动;绳牵引并联机器人是一种将电机的运动和力以绳为介质并行地转换为末端执行器运动和力的装置,具有结构简单、工作空间大、惯性小等优点;运动过程中满足轨迹光滑、不能出现停顿、振动,为了获得连续、平稳、无噪声的轨迹,文章采用轨迹预处理的方法,当出现轨迹不光滑,且影响了拍摄质量的情况下,采用三次样条圆弧插补的方法对其进行光滑处理,仿真结果表明该圆弧插补预处理算法能够很好地解决吊舱在高速运行而引起加速度过大的问题,进而达到提高运行效率的目的。     

矩形非球面圆弧半径误差分离及补偿技术

研究了砂轮圆弧半径误差对大口径矩形轴对称非球面加工的影响。采用直线光栅式平行磨削的加工方式,建立了砂轮圆弧半径的误差分离的数学模型,分析影响面形精度的因素,根据加工及测量方式将砂轮圆弧半径误差分离出来,利用分离的砂轮圆弧半径误差更新砂轮圆弧半径,同时采用分离后的误差数据进行补偿加工。实验结果表明:对比不分离的补偿加工结果,粗磨和精磨条件下的分离误差补偿加工后的面形误差分别减小了14%和35%,该误差模型能够有效地分离出砂轮圆弧半径误差,分离误差效果明显,提高了加工的精度。     

衍射光学元件车削补偿技术的研究

超精密单点金刚石车削加工是高精度衍射光学元件制造的重要方法,但是以往的加工方法是直接一次车削加工成型,无法实现具有加工-检测-补偿加工-检测的闭环控制特点的超精密加工,从而导致零件精度较低。针对这种加工技术的缺陷,通过研究衍射光学元件金刚石车削过程和面形状误差补偿,对表面轮廓仪实际测量的轮廓数据进行处理,计算出实际车削曲线与理想曲线之间的法向残余误差,以此获得新的金刚石车削加工轨迹,实现衍射光学元件的超精密闭环控制加工。利用单点金刚石车床对口径78的衍射光学元件进行补偿加工试验,最终使其PV值由10.4 m经过一次补偿加工后降为4.3 m。     

单点金刚石机床及其在光学工程领域的应用

介绍了单点金刚石车床概念,总结回顾了单点金刚石车床在国防和商业领域内的发展状况,给出了目前商用单点金刚石车床的典型产品。对单点金刚石车床的关键零部件和核心技术,如空气静压主轴、液压导轨、直流电机、对刀装置、误差补偿和自适应控制等进行了分析。最后,介绍了适宜单点金刚石车削加工的材料,分析了快刀伺服和慢刀伺服在光学元件中的应用以及所加工的光学元件在国防和商用光电产品中的应用,并以主次镜望远镜系统和精密光学系统无调整装配为例,说明了单点金刚石车削在光电产品中的重要作用。     

单点金刚石机床及其在光学工程领域的应用

介绍了单点金刚石车床概念,总结回顾了单点金刚石车床在国防和商业领域内的发展状况,给出了目前商用单点金刚石车床的典型产品。对单点金刚石车床的关键零部件和核心技术,如空气静压主轴、液压导轨、直流电机、对刀装置、误差补偿和自适应控制等进行了分析。最后,介绍了适宜单点金刚石车削加工的材料,分析了快刀伺服和慢刀伺服在光学元件中的应用以及所加工的光学元件在国防和商用光电产品中的应用,并以主次镜望远镜系统和精密光学系统无调整装配为例,说明了单点金刚石车削在光电产品中的重要作用。     

KDP光学零件超精密车削加工误差的频谱特性与控制

超精密车削技术适于加工KDP(磷酸二氢钾)等频率转换类型的强光光学零件,但车削表面存在明显的加工纹理,导致抗激光损伤阈值降低。以加工表面误差幅值及其频谱分布为对象,分析了KDP光学零件超精密车削的加工特征和误差形态,采用功率谱密度(PSD)评价方法研究了工艺参数与误差频谱的内在关系,结果表明:不同进给速度及主轴转速将使螺旋形刀痕的间距发生变化,进而影响KDP表面误差的频率成分;切削深度虽然对误差频谱影响很小,但会改变PSD的幅值;当主轴转速高于500 r/min、进给速度小于2 mm/min、切削深度小于2 μm时能够加工出rms值优于20 nm的KDP面形。在此基础上,以典型KDP光学零件加工为例,通过超精密补偿车削方法将低频误差的PSD控制在300 nm2·mm以内,中高频误差的PSD控制到国家点火装置(NIF)标准线以下,满足强光系统的工作要求。     

金刚石刀具nm级表面轮廓质量多参数集成测量方法

为有效解决金刚石刀具表面轮廓质量评价指标分散、无法进行全面系统测量的难题,基于原子力显微镜和超精密回转轴系,提出了实现前后刀面粗糙度、刃口锋利度和刃口微豁三个关键指标的集成测量方法。根据金刚石刀具表面轮廓质量的测量要求,以原子力显微镜扫描系统、气浮隔振平台、二维移动平台以及精密回转轴系为基础构建测量系统,精确测量了金刚石刀具刃口附近的表面微观形貌;采用基于MATLAB开发的专用测量软件对原始数据进行处理,得到金刚石刀具前后刀面粗糙度值、刃口锋利度值和刃口微豁范围;并对测量误差进行了分析,提出了控制要求。通过上述自主开发的测量仪器,可以高效、完整地描述金刚石刀具表面轮廓质量,能够实现nm级粗糙度、亚μm级锋利度以及μm级微豁的准确测量。     

基于SVD的超精密工件自寻位加工算法能力评价

为进一步改善超精密表面修形的最终精度、效率与成本,优化超精密自寻位加工的工艺方向与工艺决策过程, 开展了对超精密工件的自寻位加工算法点云融合过程的定量评价研究,提出了基于SVD的自寻位加工算法能力评价方法。首先基于运动学方法建立了点云融合的矩阵表示,分别对平动、转动、复合运动等情况建立了自寻位结果的转换矩阵表示,获得自寻位点云融合转换矩阵;进而对转换矩阵进行奇异值分解得到转换矩阵的奇异值列表;最后将列表中最大奇异值用以表征自寻位加工算法的能力。通过对某型超精密叶片在平动、转动和复合运动、共计1078组自由放置状态进行分析,发现所提出的评价指标在独立平动和独立转动两种任意放置情况下能够正确地表征自寻位加工算法的工艺能力。对于独立平动情况,自寻位加工算法能够正常定位加工,其最大奇异值也与预设偏差较小;对于独立转动情况,当旋转角度小于45°时,均能够正确地进行自寻位加工,最大奇异值差值也趋近于零,旋转角度超过45°时,算法的自寻位加工能力恶化,这一特性能够被所提指标正确捕捉。对于由平动和转动构成的复合运动而言,所提指标显示约35%的情况能够正确进行自寻位加工,其余情况无法进行正确的自寻位加工。结果表明本文所提方法建立的指标能够正确表征自寻位加工算法能力。     

超薄光学元件精密加工关键技术

针对超薄光学元件在加工过程中因重力和磨头产生应力形变的特点,提出了一种高效、先进的超薄光学元件综合加工方法。该方法综合运用了精密铣磨、精密抛光、离子束修形等先进技术进行面形控制。在铣磨阶段采用受力分析和误差补偿的方法降低了元件变形引入的面形误差;在抛光阶段通过气囊抛光和沥青抛光的迭代实现了面形快速收敛;在离子束加工阶段充分利用其非接触、无应力的加工特点实现了高精度面形修正。实验选择径厚比为34(边长152 mm,厚度6.35 mm)的方形融石英材料进行加工实验。结果表明:在铣磨、抛光、修形阶段的各项指标都达到了精密光学元件的加工水平,最终的面形精度为PV=25 nm,RMS=1.5 nm。该加工方法可以广泛应用于超薄光学元件的高精度加工。