主动抛光盘面形测试技术的研究

主动抛光盘技术是新发展起来的一种能够根据需要将抛光盘面实时地主动变形成离轴非球面来磨制深非球度高精度天文镜面的磨制技术。简单介绍了抛光盘变形控制结构和面形检测机构，对深非球面度面形变形进行了精度分析，探讨了主动抛光盘的动态响应和校正，并对抛光盘的改造提出了一些建议。     

抛光工艺参数对熔石英元件低频面形精度的影响

根据工件与抛光盘的相对运动关系及熔石英元件抛光加工材料去除模型,系统分析了转速比和偏心距等参数对材料去除函数的影响。通过理论分析和抛光加工实验,研究了不同工艺参数对低频段面形精度的影响规律。利用高分辨率检测仪器对熔石英元件低频面形误差进行了检测,优选出较佳的抛光工艺参数组合,并进行了相应的实验验证,提出了提高光学元件抛光加工低频面形质量的相应措施。     

对主动抛光盘在加工、测量状态下盘面的变形及提升的数学分析*

用主动抛光盘磨制非球面是一个动态的过程,必须保证在计算机控制下,主轴的移动、旋转。和抛光盘的旋转、倾斜、变形及升降,以及主镜的旋转都步调一致。推导出在模式中诸要点的位置、速度、加速度和时间的关系,并根据所加工的口径φ910mm,焦比为F／2的抛物面主镜参量和所用主动抛光盘的参量分析：1)主动抛光盘基板的变形特性。即它的变形量、变形的速度和加速度。以及近似公式与精确公式之间的差异;2)主动抛光盘背面的三个提升点运动规律。即它的升降量、升降的速度和加速度;3)主动抛光盘的变形量和它在差分变压器式线性微位移传感器(LVDT)测试架上所测得的测量量之间的关系;4)分析主动抛光盘的变形与提升的速度与加速度和抛光盘沿横梁的运动速度V1以及抛光盘自身的转速V2之间的关系和特性。此分析是主动抛光盘的数学基础,它为主动抛光盘的机械和电控设计提供了技术依据,为实现计算机控制下的6轴联动提供了保证。     

基于PZT的非球面能动抛光盘设计优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。为优化设计基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,利用有限元分析方法,计算各驱动器的影响函数,计算非球面能动抛光盘的输出面形,与理论面形比较得到剩余残差。以优化设计驱动器排布方式和极头直径为例,当非球面能动抛光盘中心到非球面工件中心的距离L为120mm,分别计算比较,极头直径为Φ10mm时,19单元PZT圆形排布与21单元PZT方形排布的剩余残差;以及19单元PZT圆形排布时,极头直径为Φ10mm与Φ14mm的剩余残差。结果表明,非球面能动抛光盘产生变形后的剩余残差RMS相应分别为0.303μm、0.367μm、0.328μm。因此,基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘确定选用19单元PZT圆形排布且极头直径Φ10mm。     

平转动运动方式下环形抛光盘的去除函数研究

为保证加工精度和提高抛光效率,推导了盘式动压抛光所用的环形抛光盘在平转动运动方式下的去除函数。在平转动运动方式下,与应用最为广泛的圆形抛光盘相比较,环形抛光盘的最大趋近因子提高了10.25%,更加趋近脉冲函数的特性,减少光学元件表面的中高频误差。给定初始面形误差,以相同的参数采用脉冲迭代法计算驻留时间和残留误差,经过50次迭代,仿真加工结果表明,环形抛光盘相比于圆形抛光盘的表面残留误差降低了3.65%,提高了抛光去除效率。     

双轴式研磨抛光中抛光盘相对位置对去除量的影响研究

为了了解在抛光过程中抛光盘位置对光学元件面形的影响,对一种双轴式平面研磨抛光运动过程进行了分析。从Preston方程出发,推导了去除函数的表达式,研究了抛光盘的摆幅及偏心距离对元件的去除量分布的影响。通过定量计算得知,在加工转速不变的情况下,增大抛光盘的摆幅,元件不同圆周上的去除量也不同。增大偏心距,元件的去除量增大,不论抛光盘相对元件的位置如何改变,回转中心的去除量总是最大。     

大型环抛面形实时监测与控制

为解决大型激光驱动器建设中的关键工艺大型精密环形抛光技术一直存在着的控制困难、精度收敛不稳定的难题,分析了环形抛光加工中面形调整控制机理和本质,找到了传统调节控制和判断方法中的缺陷,提出了一种对环抛机面形变化基本实时的离线监测方法。这种监测方法具有结构简单、检测判断时间短和面形变化反应直观的优点。通过建立实验监测装置和实际加工验证,获得了较好的面形趋势判断和实时控制效果。     

几何结构标定误差对偏折术的影响

偏折术中的几何结构标定误差是制约低阶面形测量精度的主要因素。从数学模型、理论模拟和实验三个方面分析了几何结构标定误差与低阶面形测量误差之间的关系。给出了表示几何结构标定误差与面形测量误差之间关系的数学模型,并通过模拟和实验对其进行了验证。结果表明,几何结构标定中坐标平移误差会导致倾斜和离焦面形测量误差;被测面分别与相机和显示器之间的距离越大,几何结构标定的误差对低阶面形测量的影响越小。研究结果可以帮助设计合适的偏折术测量系统结构和提高低阶面形测量精度。     

无损伤超光滑LBO晶体表面抛光方法研究

传统的抛光LBO晶体的方法是选用金刚石抛光粉在沥青抛光盘上抛光。沥青盘易于变形不容易修整,金刚石粉特别硬容易损伤抛光晶体表面。抛光过程中,抛光盘和抛光粉的选择是非常重要的,直接影响到抛光效率和最终的表面质量。新的抛光LBO晶体的方法,其抛光过程是一个化学机械过程,抛光盘、抛光粉和抛光材料相互作用。选用两种抛光盘(培纶和聚氨酯盘),三种较软的抛光磨料(CeO2,Al2O3和SiO2胶体),并在LBO晶体的(001)面进行抛光实验。用原子力显微镜测量和分析了表面粗糙度。结果表明,使用聚氨酯盘和SiO2胶体能够获得无损伤超光滑的LBO晶体表面,其表面粗糙度的RMS为0.3nm。     

薄镜面面形主动校正技术研究

采用12个主动支撑点对口径400 mm薄实验镜进行面形主动校正,使用Zygo干涉仪测量面形误差,主动支撑点的力促动器由位移促动器和力传感器组成。分别测量单个促动器的响应函数,由各促动器的响应函数组成刚度矩阵,然后用阻尼最小二乘法计算各支撑点的校正力。实验中分析主动支撑结构对各项Zernike形式像差的校正能力,并选择了7项像差进行校正。经过5次校正,使初始状态下1.16λ(λ=0.632 8μm)RMS面形精度达到0.13 RMS,接近镜面抛光后的精度。     

主动抛光盘磨制非球面的工艺与面形检测

主动抛光盘技术特别适用于磨制焦比大的深度非球面,能够根据需要对抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制非球面镜面。它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。用计算机控制磨制,可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了用国内首次研制成功的主动抛光盘对加工直径910mm、焦比F/2的抛物面镜的工艺方法的初步探讨,并给出了抛物面镜的检验方案和检测结果。     

Compare study between smoothing efficiencies of epicyclic motion and orbital motion

The smoothing efficiencies of epicyclic motion and orbital motion in CCOS (computer controlled optical surfacing) were compared. CCOS polishing can smooth out mid-to-high spatial frequency errors which are smaller than tool size on optical mirrors due to the rigidity of polishing tools. The smoothing efficiencies of epicyclic motion and orbital motion with pitch lap and RC lap were compared and the result proved pitch lap with epicyclic motion smoothed ∼1.6 times faster than pitch lap with orbital motion while RC lap with epicyclic motion smoothed ∼1.85 times faster than RC lap with orbital motion.     

一种大口径大非球面度天文镜面磨制新技术

主动抛光盘技术是近年来因天文望远镜的口径越来越大,焦比越来越快而发展起来的一种能够根据需要将抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制大口径非球面度高精度天文镜面的磨制技术。非球面表面的曲率不仅各点不一致,而且同一点的径向与切向曲率也不相同,所以经典的大的抛光盘不可能使其表面形状始终与所接触的非球面表面形状相吻合;常用的小磨盘抛光的致命缺点是解决不了高频切带,抛光效率也低。而主动抛光盘技术正好解决这些难题。与传统方法相比,它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。这是一种用计算机控制的磨镜技术,通过它可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了我国成功研制的主动抛光盘以及它在直径910mm,焦比F／2抛物面镜加工中的成功应用和加工的结果,以及此项技术将在2m以上直径天文镜面,特别是30m巨型天文光学／红外望远镜的分块子镜磨制中的应用前景。     

板条Nd:YAG晶体的合成盘抛光技术

针对高功率板条激光器核心工作器件——板条Nd:YAG晶体的超精密加工开展研究,分析了具有特殊构型的板条Nd:YAG晶体元件的加工性能及工艺难点,提出了一种新的基于合成盘抛光的板条Nd:YAG晶体加工工艺,并对规格为100mm×30mm×3mm的板条Nd:YAG晶体进行了加工实验。实验结果表明,合成盘抛光可以很好地控制元件的塌边现象;通过磨料的优化选择,在合成盘抛光工艺中匹配合适粒度的Al2O3磨料能够实现元件的低缺陷加工,元件下盘后的全反射面平面度达0.217λ(1λ=632.8nm),端面平面度达到0.06λ,表面粗糙度达0.55nm(RMS),端面楔角精度可达2″。     

大型轻质反射镜加工支撑状态的有限元分析研究

根据大型轻质镜加工过程中的受力情况 ,用有限元对镜子进行静力学分析和计算。分别计算了镜子的自重、磨盘正压力、磨盘剪切力等对镜面变形的影响情况。根据镜面变形规律设计了一系列支撑结构 ,最终确定了符合面形质量要求的支撑结构。     

大型非球面反射镜的柔性光学制造技术

提出了柔性光学制造技术 (FOMT)的概念。介绍了计算机控制小工具抛光 (CCOS)和计算机控制应力盘(CCSL)抛光的技术特点 ;讨论了CCOS在抛光过程中的工艺技术优化方案 ;给出了应力盘变形的数学物理模型及在周边 12个驱动器的作用下应力盘全口径和 80 %口径范围内的变形仿真结果 ;研究了在全口径 φ5 0 0mm盘上的工程实现途径及应力盘与机床CNC的通讯关系以及抛光工艺研究 ;分析了CCOS、应力盘抛光和经典法抛光技术的综合运用 ;探讨了柔性光学制造技术发展的必然趋势。     

能动抛光磨盘的变形实验研究

 能动抛光磨盘实时产生不同的表面变形，在对大口径非球面光学元件进行精磨和抛光时实现与工件表面良好的大尺寸吻合，可以消除传统光学加工采用小尺寸磨头时带来的高频残余误差并提高加工效率。以加工直径1.3m左右，F/2的抛物面光学元件为例，对能动磨盘在不同离轴度时能够产生的变形进行了计算和实验。结果表明，能动磨盘能够以较高精度产生旋转对称或非对称的抛物面形状。对能动磨盘产生变形后的残余误差进行了分析。     

基于CMAC神经网络的能动磨盘智能控制实验研究

 针对能动磨盘面形控制系统的非线性和多变量特点，提出了基于CMAC神经网络的能动磨盘面形智能控制方法，以CMAC神经网络来映射磨盘面型和控制脉冲之间复杂的关系。为验证上述智能控制方法，搭建了由有效变形口径为420 mm能动磨盘和60路微位移阵列传感器组成的3单元能动磨盘面形检测实验平台，在该实验平台上进行了多组实验，利用微位移阵列传感器分别检测出能动磨盘在1单元、2单元和3单元驱动器作用下实验面形相对于理论面形的偏差，其中峰谷值分别为0.99，2.34和2.68 mm，均方根值分别为0.19，0.59和0.57 mm，实验结果验证了能动磨盘CMAC神经网络智能控制的可行性。     

能动磨盘变形检测中的各误差因素分析

针对现有f530 mm能动磨盘的检测系统（有效检测口径f420 mm）,系统分析了检测过程中的球头误差、传感器安装角度误差和坐标定位误差,并给出了各项误差对检测精度的影响。同时,还针对检测基座不完全水平的问题建立模型,应用最小二乘法实现了检测数据的去倾斜处理。给出了实测数据去倾斜前后和误差补偿前后的检测精度对比情况,结果表明去倾斜算法能较好地还原实测数据,补偿检测中的系统误差有助于提高检测精度。