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.     

磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法

针对非球面光学元件连续变曲率的特点,提出了一种基于平面抛光斑演变获取非球面磁流变抛光去除函数的技术思路。通过分析磁流变抛光机理,建立了磁流变抛光多因素耦合作用模型。基于该模型提出磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法,实现对抛光斑形成机制中的几何因素解耦,发现当工艺条件变化较小时,在空间中的特定点处,去除效率的变化量与工件浸入深度的改变量呈线性关系。实验观测的20个点中,有17处决定系数在90%以上,另外3处在80%以上,峰值去除率和体积去除率演变的决定系数分别达到92%和94%,实验验证了这一结论。     

磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法

针对非球面光学元件连续变曲率的特点,提出了一种基于平面抛光斑演变获取非球面磁流变抛光去除函数的技术思路。通过分析磁流变抛光机理,建立了磁流变抛光多因素耦合作用模型。基于该模型提出磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法,实现对抛光斑形成机制中的几何因素解耦,发现当工艺条件变化较小时,在空间中的特定点处,去除效率的变化量与工件浸入深度的改变量呈线性关系。实验观测的20个点中,有17处决定系数在90%以上,另外3处在80%以上,峰值去除率和体积去除率演变的决定系数分别达到92%和94%,实验验证了这一结论。     

一种新型非球面数控抛光方法的研究

介绍了一种新型的非球面抛光方法———进动抛光,这种方法有着其它方法所不具备的优点———抛光头与非球面很好的接触,因而使仿真结果与实际更接近。对进动抛光原理进行了详细的论述,用数学建模的方法计算了非球面抛光过程中的非球面度、去除函数及驻留函数,通过计算机模拟出了相应的特性曲线。     

磁流变抛光去除函数形状动态预测方法

提出了一种磁流变抛光去除函数形状的动态预测方法。建立了去除函数形状的演变机制,并根据实际的磁流变抛光应用范围,通过数值计算分析得到了较简单的去除函数形状的演变方法。分析表明,对于实际抛光过程,去除函数长度和宽度的改变量与浸入深度的改变量有很好的线性关系,其决定系数均在95%以上。与实验结果对比,对去除函数的49次预测中,长度预测的相对误差在-4.52%~5.51%之间,宽度预测的相对误差在-7.20%~6.63%之间。     

磁流变抛光去除函数形状动态预测方法

提出了一种磁流变抛光去除函数形状的动态预测方法。建立了去除函数形状的演变机制,并根据实际的磁流变抛光应用范围,通过数值计算分析得到了较简单的去除函数形状的演变方法。分析表明,对于实际抛光过程,去除函数长度和宽度的改变量与浸入深度的改变量有很好的线性关系,其决定系数均在95%以上。与实验结果对比,对去除函数的49次预测中,长度预测的相对误差在-4.52%~5.51%之间,宽度预测的相对误差在-7.20%~6.63%之间。     

机器人气囊抛光去除函数稳定性分析

基于气囊抛光技术和工业机器人平台开发光学元件精密抛光系统,既能满足光学元件快速抛光环节的高效率和高精度的要求,又可以降低开发成本,是极具潜力的抛光设备开发方案。气囊抛光具有稳定的且确定的材料去除特性,通常要求抛光斑稳定性在90%左右。针对机器人气囊抛光系统在多步离散进动抛光过程中机器人末端刚度对气囊抛光稳定性的影响展开研究,通过建立机器人末端刚度矩阵,获得机器人末端变形;基于Preston理论,建立含变形误差的气囊抛光去除函数。最后设计4步离散定点抛光实验验证机器人气囊抛光系统稳定性。根据结果可知抛光斑在XY截面轮廓线上皆呈类高斯形状,且XY截面轮廓线基本一致,具有比较好的重合度;对比不同抛光位置的截面轮廓线,其相对误差小于5%,由此可验证机器人气囊抛光系统在离散进动抛光时具有较好的稳定性。     

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。     

磁流变抛光材料去除的研究

磁流变抛光是近十年来的一种新兴的先进光学制造技术 ,它利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有粘塑行为的柔性“小磨头”进行抛光。被抛光光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。首先简要阐述了磁流变抛光的抛光机理 ,然后利用标准磁流变抛光液进行抛光实验。研究了磁流变抛光中几种主要工艺参数对抛光区的大小和形状以及材料去除率的影响情况。最后给出了磁流变抛光材料去除的规律。     

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。     

平面元件数控加工技术研究

利用从俄罗斯引进的ＡＤ １０００ 数控研磨抛光机对Φ３３０ｍｍ ×３５ｍ ｍ 、２３０ｍ ｍ ×２３０ｍ ｍ ×４０ｍ ｍ 两块Ｋ９材料平面光学元件进行计算机控制抛光工艺研究。通过工艺研究全面熟悉了设备的技术特性和工艺软件特性,验证了ＡＤ １０００ 数控研磨抛光机在加工高精度光学元件基板方面Ｐ Ｖ、ＲＭＳ值收敛效果明显,较传统加工方法在效率上有极大提高。     

计算机控制光学表面抛光的磨头运动方式和参数的优化研究

对影响计算机数控抛光表面误差收敛速度的主要因素———磨头工作函数进行了详细的讨论。提出了以趋近因子作为评价磨头参数优化的参量。对目前流行的行星式磨头和平转动磨头分别作优化,给出了最佳参数组合,为提高计算机控制抛光的效率提供了理论依据。     

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     

基于Marangoni界面效应的数控化学抛光去除函数的研究

 利用基于Marangoni界面效应对化学抛光去除函数的理论及实验进行研究,提出采用湿法化学抛光（刻蚀）方法为大口径高精度光学元件的加工提供新的解决途径。介绍了Marangoni界面效应及其验证实验,运用WYKO轮廓仪对熔石英基片局域刻蚀前后的粗糙度进行检测,结果表明,粗糙度基本无变化,刻蚀前后粗糙度分别为0.72 nm和0.71 nm。基于Preston假设, 建立了数控化学抛光理论模型,运用WYKO干涉仪观察实验现象可知,化学抛光刻蚀曲线基本上成平底陡峭的去除函数曲线,小磨头抛光是倒置的仿高斯函数曲线。     

具有公自转运动模式的高效轮式抛光工具设计

为了提高光学加工效率,缩短大口径光学元件制造周期,本文提出了一种具有公自转运动模式的新型高效抛光方式,对其结构、工作原理以及去除特性进行了研究。首先,介绍了公自转抛光装置机械结构及工作原理。接着,根据Hertz接触理论和Preston方程进行了去除函数建模,讨论了不同转速比情况下的去除函数形状。然后,根据理论模型进行了去除函数实验、工艺参数实验以及稳定性实验,研究了压入深度、转速等工艺参数对去除结果的影响。最后,进行了200 mm口径SiC工件的仿真加工。实验结果表明:在2 mm压入深度、200 rpm转速情况下,去除区域直径为19.23 mm,体去除率达到0.197 mm~3/min,去除效率高于同等去除区域大小的传统小磨头加工方式;仿真加工结果表明:SiC仿真镜经过3.7 h加工,面形从3.008λPV,0.553λRMS提高到0.065λPV,0.005λRMS,收敛效率为达到98.18%。     

基于Marangoni界面效应的数控化学抛光去除函数的研究

利用基于Marangoni界面效应对化学抛光去除函数的理论及实验进行研究,提出采用湿法化学抛光（刻蚀）方法为大口径高精度光学元件的加工提供新的解决途径。介绍了Marangoni界面效应及其验证实验,运用WYKO轮廓仪对熔石英基片局域刻蚀前后的粗糙度进行检测,结果表明,粗糙度基本无变化,刻蚀前后粗糙度分别为0.72 nm和0.71 nm。基于Preston假设, 建立了数控化学抛光理论模型,运用WYKO干涉仪观察实验现象可知,化学抛光刻蚀曲线基本上成平底陡峭的去除函数曲线,小磨头抛光是倒置的仿高斯函数曲线。     

铝合金表面的直接光学抛光实验

单点金刚石车削铝合金表面具有较好的表面质量和精度,但车削纹路会产生散射现象,难以满足高品质光学系统要求。对铝合金表面进行直接光学抛光可以去掉表面产生的车削纹路,提高反射表面的光学性能,分析酸性条件下和碱性条件下的铝镜抛光原理,采用新型抛光盘与抛光液对单点金刚石车削后铝合金表面进行抛光实验。实验结果表明:通过合理控制工艺参数,能够消除铝合金表面残留的周期性车削刀纹,并且不会产生新的表面划痕,得到较好的铝镜光学表面质量,测得的铝镜表面粗糙度Ra=2.6 nm。     

计算机控制光学加工技术仿真研究

为实现高精度光学元件的面形修正,介绍了计算机控制光学加工技术的基本理论,通过实验法对其去除函数进行了提取,采用迭代法对驻留时间进行了求解,并采用邻域平均值法对边缘数据进行了平滑延拓。以一口径φ100mm的光学元件面形为例进行了模拟加工,得到了其驻留时间分布和加工后面形,加工1843.3min后其面形由初始的PV值243.132nm、rms值53.154nm降为PV值21nm、rms值1.6nm,面形精度改善明显。结果表明:所得去除函数可以用于高精度面形修正,但加工效率仍需提高,所用驻留时间求解方法精度较高,并且经平滑延拓后边缘效应得到有效控制,为后续的实际高精度面形修正提供了理论依据。