旋转对称非球面自动加工控制算法研究

介绍了计算机控制光学表面成型（ＣＣＯＳ） 技术的基本原理,对双旋转磨头的去除函数进行研究,研究了不同形状的磨头的去除函数特性,并在多次实验的基础上得到了最优的加工参数,在去除函数的基础上提出了模板函数的概念及算法。根据加工旋转对称非球面光学表面的特点,结合模板函数提出了一种基于同心圆磨头运动轨迹的控制算法。运用该算法对神光Ⅲ号打靶非球面透镜的一种工艺试样（ Φ３００ｍ ｍ ,Ｆ５－９ ,最大非球面度为４６μｍ） 进行自动加工,面型精度达到１λ（ＲＭＳ,λ＝ ６３２－８ｎｍ）,取得了满意的结果。     

计算机控制光学表面成形驻留时间算法研究

光学非球面的使用可以提高光学系统的性能、简化系统结构、减小系统体积,减轻系统重量,计算机控制光学表面成形（ＣＣＯＳ）方法是加工光学非球面的重要方法。介绍了ＣＣＯＳ原理,给出了ＣＣＯＳ中关键技术驻留时间计算的三种算法———基于加工仿真的算法、基于傅立叶变换的算法和基于滑动平均与傅立叶变换的算法。基于加工仿真的驻留时间算法需要做大量的卷积计算,计算时间较长,残余误差较大;基于傅立叶变换的驻留时间算法与基于滑动平均和傅立叶变换的驻留时间算法计算时间短,计算后的残余误差小。磨头单位去除函数形状与磨头大小对误差的去除也有明显的影响,小的磨头和陡峭的单位去除函数对于去除局部误差更为有利,但是加工时间较长     

大数值孔径、高次非球面透镜的加工与检验

通过一空间相机光学系统中某透镜的高次非球面表面加工过程,提出了一种基于小磨头数控光学表面成型技术(CCOS,Computercontrolopticalsurfacing)和非球面轮廓检验、零位补偿检验技术的中等口径高次非球面光学表面的加工、检测方法,并且给出了补偿器实际光学设计结果。文中采用这种方法加工的高次非球面表面,最终精度优于1λP V(λ=632.8nm),满足了设计要求。对这种技术的适用范围进行了简明的讨论。     

计算机控制非球面加工精磨阶段的检测技术

讨论了计算机控制非球面加工（ＣＣＯＳ）过程中精磨阶段的面形误差数字化技术。提出了线性插值法代替惯用的泽尼克多项式拟合用于表面的精磨。并给出应用实例，验证了该方法的有效性。     

双胶合透镜法检测大相对孔径凸非球面透镜

大相对孔径凸非球面的检测一直是非球面制造的难点.本文结合两片大相对孔径凸椭球面透镜的检测,提出采用同种材料胶合的检测方法,并基于该检测方法加工得到了相对孔径分别为2.7和2的两块凸椭球面透镜.经检测,两块非球面透镜检测系统的最终波像差均方根值都优于1/30λ(λ=632.8nm),在实际光学系统应用中,系统的分辨率和弥散斑大小均满足系统的指标要求.产品的使用情况验证了本文采用的同种材料胶合的检测方法在理论和实践上是可行的,与传统的光学补偿法检测大非球面度、高陡度非球面相比,本文采用的胶合透镜法极大地简化了检测系统结构,降低了系统的装调难度,是一种有效的高准确度凸非球面检测方法.     

非球面复制成型技术的研究

光学非球面复制成型技术是一种通过面形转移的方法成型光学非球面的技术,即将高精度非球面光学元件(母模)的表面利用脱模膜和胶粘剂转移到球面光学元件(基体)的表面上,并保持原非球面光学元件的光学品质,使球面变成非球面。介绍了该技术的基本原理以及所进行的工艺实验(镀膜、脱模、胶合等),给出了母模和复制件的面形图,证明了该技术用于中小口径非球面光学元件的制造具有较高的精度。     

多功能非球面光学加工机床的设计与改装

本文介绍了精化设计改装的多功能非球面光学加工机床的结构原理、技术参数、各种非球面光学零件的成型与抛光方法。该机床可加工球面、平面、回转二次非球面、圆柱面、椭圆柱面、超环面以及简形非球面等多种光学零件。文章从工艺角度出发进行了机构运动学分析,并介绍了超光滑非球面加工的应用实例,指出了现有机床的优缺点和进一步探讨的方向。     

子孔径范成法铣磨半球及超半球光学整流罩

为攻克高陡度球面光学零件成型技术，以半球及超半球红外光学整流罩为研究对像，提出了一种子孔径铣磨加工方法。对传统范成法铣磨成型理论进行拓展，将球面离散为一系列子孔径环带，砂轮沿环带“步进”运动，拼接成型得到完整的球面。分析了成型球面与三轴机床位置坐标之间的转换关系，对加工运动轨迹进行仿真，开展半径误差补偿验证实验及变速进给参数优化实验，提出变半径铣磨法解决超半球加工材料过切问题。对长径比分别为0.5（半球）和0.55（超半球）的热压硫化锌、镁铝尖晶石整流罩开展成型工艺试验，加工表面各点矢高差<4μm，表面粗糙度Ra<1.5μm。实验结果表明：该方法为高陡度球面加工提供了有效的解决方案。     

轨迹成型法加工非球面光学零件新技术的研究

为了解决非球面光学零件加工难的问题,提出了一种轨迹成型法加工非球面的新原理,并对新原理的理论、成型机理及机床原理结构进行了研究,在样机上验证了原理的正确性、可行性和实用性,分析了当前数控加工非球面光学零件技术的现状,说明了轨迹成型法加工非球面光学零件的意义和价值。     

非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜，对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测，并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求，其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm），表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

永磁流变抛光纳米精度非球面技术研究

利用永磁流变抛光技术制造高精度光学元件是一项极具前景的超精密制造技术。对一台五轴联动磁流变数控抛光系统的结构特点、功能特色及关键部件的设计进行了阐述。在此基础上,结合装置开展基础试验,对磁流变抛光过程中的主要控制参量如抛光轮下压量、抛光轮速度等对材料去除特性的影响进行了研究。开展了磁流变抛光对提高工件(K9玻璃)表面粗糙度效果的抛光试验,结果证明该套系统具有良好的磁流变抛光特性,抛光23min后工件表面粗糙度降低到0 6739nm。     

磁流变抛光二次非球面工件位置对刀校正

近年来,磁流变抛光作为一种确定性加工方法已成为获得高精度非球面的重要手段。作者以回转对称二次抛物面为例,分析了磁流变抛光中使用抛光轮校正工件位置的理论方法,并通过实验在Φ230 mm熔石英样件上验证对刀理论,分别在X方向和Y方向以少于3次的调整次数校正工件位置,实现了X方向、Y方向偏置量均低于0.009 mm;采用磁流变抛光技术对工件进行了修形实验验证,加工后面形精度RMS由λ/7收敛至λ/40。实验结果表明:作者提出的非球面工件位置对刀校正方法简单、可靠,能够很好地对工件进行精确定位,利于高精度非球面磁流变抛光加工。     

基于压力补偿原理的抛光面形快速收敛技术

 为解决强激光系统中大口径光学元件抛光面形精度收敛困难的问题,提出了一种基于压力补偿原理的抛光面形快速收敛技术。利用独特的抛光垫修整技术,将抛光垫表面修整成特定形状,使工件与抛光垫的接触面产生不均匀的压力分布,并结合精确的抛光转速控制,以加快工件面形精度的收敛速度。实验结果表明,将抛光垫修整成微凸面形,可以有效避免抛光中元件过早塌边问题,能将大口径平面元件的初抛时间从数天缩短到6 h以内,元件面形精度提高到1个波长左右。     

大口径非球面元件可控气囊抛光系统

根据大口径非球面光学元件的实际加工需要,设计并制造可控气囊抛光系统,并对机构进行运动学仿真,仿真结果表明,气囊自转轴的运动空间可以满足大口径非球面光学元件的连续进动加工要求。为了证明所设计系统的可加工性,以直径320 mm的圆形平面光学元件进行加工实验。经过该气囊抛光工具24 h的抛光后,工件达到较好的面型精度,光学元件的表面粗糙度由0.272减小到0.068(＝632.8 nm), PV值从1.671降低到0.905。对光学元件的实际加工实验结果表明:可控气囊抛光系统在加工过程中结构稳定性好,符合设计要求,可有效提高加工工件面型精度。     

抛光垫磨损非均匀性研究

抛光垫是化学机械抛光的重要组成部分,其磨损的非均匀性对被加工工件面型精度和抛光垫修整有重要影响。基于直线摆动式抛光方式,研究了抛光过程中抛光垫与工件的相对运动,建立了抛光垫磨损模型,分析了抛光工艺参数对抛光垫磨损及均匀性的影响。研究结果表明,工件与抛光垫的转速比为1.11,正弦偏心直线摆动形式,摆动幅度系数为2,摆动频率系数在0.1~0.2之间,抛光垫表面磨损更均匀,并根据抛光垫表面磨损特性优化了抛光垫形状。优化的抛光垫具有更好的面型保持性,延长了修整间隔,为抛光工艺设计提供理论指导。     

中小口径双非球面数控抛光技术研究

针对口径Φ62 mm双凸非球面透镜,进行了数控研磨和抛光技术研究.提出了规范性的加工工艺流程,实现了中小口径双非球面元件的高效、快速抛光.根据计算机控制光学表面成型技术,采用全口径抛光和小抛头修抛的两步抛光法,在抛光中对其面形误差进行多次反馈补偿,使被加工零件表面的面形精度逐步收敛.最终两面的面形精度均小于0.5 μm,中心偏差小于0.01 mm,满足了光学系统中对非球面元件的精度要求,并且在保证有较高面形精度和较好表面光洁度的同时,解决了双非球面中心偏差和中心厚度难以控制的加工技术难题.     

Effect of the geometry of workpiece on polishing velocity in free annular polishing

Base on Coulomb friction model, the workpieces with different geometry rotating in free annular polishing are simulated. From simulation, the following conclusions are drawn. The angular velocity of workpiece is higher than that of polishing pad if the ring rotates uncontrolled in free annular polishing. The circular workpiece can synchronize with polishing pad through controlling the rotation of ring, which depends on the radii of ring and workpiece, the friction coefficients of polishing pad-workpiece and ring-workpiece,and the angular velocity of polishing pad. The workpiece with sharp corner cannot contact with the ring contiguously, which causes the contact state changing and the angular velocity of workpiece fluctuating ceaselessly, and this type of workpiece should be controlled with clamp to rotate synchronistically with the polishing pad.     

高精度非回转对称非球面加工方法研究

本文提出一种高精度非回转对称非球面加工方法。首先,通过范成法铣磨出非回转对称非球面的最佳拟合球;然后,利用古典抛光修正小磨头确定抛光难以修正的中频误差;最后,利用高精度气囊抛光设备(IRP)精确对位精修面形,在不引入额外中频误差条件下,通过高精度对位检测技术实现非回转对称非球面高精度加工。将该方法应用于定点曲率半径为970.737 mm、k=-1、口径为106 mm三次非球面加工,降低了加工难度,提高了加工精度,面形误差收敛到1/30λ(RMS)。实验结果验证了本文加工方法的正确性和可行性,对高精度非回转对称非球面加工具有一定的指导意义。     

高精度中小11径非球面修抛技术研究

为实现高精度中小口径非球面的加工，介绍了一种非球面修抛技术。基于Preston假设，将抛光过程描述成一个线性方程，计算得到材料的去除量与抛光时间、抛光压力和零件转速之间的函数关系。设计了整体修抛法和环带修抛法两种方法，在数控抛光的基础上，对口径为Ф117mm的凹抛物面和口径为Ф17mm凸双曲面进行修抛，修抛后非球面的面形精度PV值为0．184μm，RMS均小于0．032μm，达到了工程化应用要求，实现了中小口径非球面的高精度加工。     

一种高效率小口径非球面数控抛光方法

自主设计研制的非球面数控抛光机采用气囊式抛光工具,可抛光100mm以下的非球面光学零件,针对口径35mm凹非球面透镜(顶点曲率半径R=-108.14mm的双曲面),研究了非球面的抛光工艺,并确定了相关工艺参数,抛光时间大约为20min,第二次次抛光后元件面形精度达到1.08μm,满足了该零件的使用要求。相对于现有设备美国Precitich公司的Microfinish 300型CNC非球面抛光机,该抛光设备实现了中等精度要求的小口径非球面元件的高效数控抛光。目前该抛光机已经成功地应用于某光学系统非球面零件的批量生产中。