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。     

基于环摆式双面抛光法加工预测模型的去除均匀性研究

针对环摆式双面抛光难以建立稳定去除函数并进行加工面型预测这一问题,提出了基于磨粒运动学的环摆式双面抛光加工预测模型,并通过预测模型分析不同参数影响下元件表面去除均匀性,针对不同特征面型给出优化策略以指导加工实验。首先,根据环摆式双面抛光机理,探究了环摆式双面抛光中影响去除均匀性的主要因素,提出了元件上、下表面磨粒运动学模型,结合Preston方程给出了基于磨粒运动学的环摆式双面抛光去除均匀性预测模型。根据实际加工工况,分析了不同抛光均匀性影响因素下的磨粒轨迹分布与抛光去除非均匀性,最后通过加工实验验证环摆式双面抛光加工预测模型。实验结果表明：环摆式双面抛光加工预测模型的预测结果与实际加工结果基本吻合,其面型去除特征相同。元件上表面是元件去除非均匀性的主要来源,通过改变中心偏心距、径向摆动距离等参数能改变元件上表面的去除非均匀性,从而影响元件整体面型特征,并实现基于预测模型指导下元件表面面型的快速收敛。     

400 mm口径平面窗口元件中频误差控制技术

针对高功率激光装置所需的大口径光学元件,进行了小工具数控抛光中频误差控制工艺研究。对数控加工过程中卷积效应对中频误差的影响进行分析,并建立了残余误差分析模型,对卷积效应所引入的残余误差进行定量分析。利用该模型对中频误差修正工艺参数进行了仿真分析,并进行了修正工艺参数实验验证,确定了全面匀滑最优化参数。在最优化工艺参数的基础上,针对大口径光学元件开展了数控抛光中频误差控制工艺实验验证,使400 mm口径平面窗口元件加工精度达到透射波前PV值为0.27,透射波前PSD1 RMS值为1.67 nm。该实验结果表明,通过400 mm口径平面窗口元件的中频PSD1控制技术研究,使窗口元件能够达到高功率激光装置对中频PSD1的指标要求。     

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%。     

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。     

空间光学元件超精密气囊抛光的去除特性研究

为得到空间光学元件超光滑表面,对超精密气囊抛光方法的去除特性进行了理论和实验研究.以Preston方程为基础,应用运动学原理建立了气囊抛光"进动"运动的材料去除模型,针对抛光气囊工具的物理特性,按照Hertz接触理论对去除模型进行了修正;利用计算机仿真的方法,分析了几个主要工艺参数对"进动"抛光运动去除特性的影响规律,并在超精密光学数控抛光机上进行了正交实验;仿真和实验结果吻合较好,总结得到4点气囊抛光方法中重要的结论,给出了"进动"角与压缩量的取值范围,以此得到了面型精度RMS值为0.024λ(λ=0.6328 μm)的超光滑表面,为开展光学元件气囊抛光工艺研究提供依据.     

平面和曲面光学零件气囊抛光材料去除的比较研究

气囊数控抛光是近年来一种新兴的先进光学制造技术,采用柔性的气囊作为抛光工具并以进动的方式进行加工。首先简要阐述了气囊抛光的抛光原理,然后针对平面和曲面光学零件,在自行研制的气囊抛光实验样机上进行了抛光实验。被抛光光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。研究了进动角、气囊压缩量、气囊内部压力、气囊转速、抛光时间以及工件的曲率半径几种重要的工艺参数对平面工件和球面工件抛光接触区大小和形状影响情况的异同。在此基础上,总结了气囊抛光材料去除的影响规律。给出了几种重要工艺参数在平面工件和球面工件上取值范围。     

小工具数控抛光对元件表面中频误差的匀滑研究

数控抛光已被广泛应用于光学元器件的加工制造,而抑制元件表面中频误差是加工过程中一项十分重要的内容。基于Presston方程对数控小工具抛光盘去除函数进行了建模,得到了理论化的去除函数表达式。结合去除函数,在参数化匀滑模型基础上通过建立多参数的时变理论模型,表明元件表面中频误差是随抛光过程呈指数型收敛的,其收敛效率取决于材料参数、体积去除率等抛光工艺参数。对理论模型的匀滑曲线进行了模拟分析,实现了不同工艺条件下的匀滑效率的对比。结果表明:在不同抛光盘材料的匀滑过程中,材料系数越大,其整体匀滑效率越高。同样,抛光盘体积去除率越大,对表面误差的匀滑效率也会越高。进行了一组空间周期分别为3,5,7 mm的波纹误差的匀滑实验,其结果表明,在相同的抛光参数下,具有较大空间频率的波纹匀滑效率会更高,收敛曲线下降得更快。最后对比了不同材料抛光盘匀滑效率,从实验上证实了沥青盘在波纹匀滑效率上远高于聚氨酯材料的抛光盘。     

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。     

光学元件精密加工中的磁流变抛光技术工艺参数

为了充分掌握磁流变抛光中磁场强度、浸入深度、抛光轮转速、磁流变液水分含量等工艺参数对抛光结果的影响规律,以期提高元件的面形精度和表面的质量,在研究了磁流变抛光材料的去除数学模型的基础上,结合实验室的PKC100-P1型抛光设备,对上述的关键工艺参数分别进行了研究,设置了一系列的实验参数,进行了详细的实验探索,分析了单因素条件下材料的去除量以及元件表面质量同关键工艺参数的内在联系,得出了相应影响关系曲线。从关系曲线表明:工艺参数对抛光斑的去除效率以及被加工元件表面质量存在着明显的影响规律,掌握这些影响关系就能用于分析和优化磁流变加工的结果,为高精度光学表面的加工提供可靠的保障,同时实验的结果也很好地验证了磁流变抛光材料去除理论的正确性。     

Novel cavitation fluid jet polishing process based on negative pressure effects

Traditional abrasive fluid jet polishing (FJP) is limited by its high-pressure equipment, unstable material removal rate, and applicability to ultra-smooth surfaces because of the evident air turbulence, fluid expansion, and a large polishing spot in high-pressure FJP. This paper presents a novel cavitation fluid jet polishing (CFJP) method and process based on FJP technology. It can implement high-efficiency polishing on small-scale surfaces in a low-pressure environment. CFJP uses the purposely designed polishing equipment with a sealed chamber, which can generate a cavitation effect in negative pressure environment. Moreover, the collapse of cavitation bubbles can spray out a high-energy microjet and shock wave to enhance the material removal. Its feasibility is verified through researching the flow behavior and the cavitation results of the negative pressure cavitation machining of pure water in reversing suction flow. The mechanism is analyzed through a computational fluid dynamics simulation. Thus, its cavitation and surface removal mechanisms in the vertical CFJP and inclined CFJP are studied. A series of polishing experiments on different materials and polishing parameters are conducted to validate its polishing performance compared with FJP. The maximum removal depth increases, and surface roughness gradually decreases with increasing negative outlet pressures. The surface becomes smooth with the increase of polishing time. The experimental results confirm that the CFJP process can realize a high material removal rate and smooth surface with low energy consumption in the low-pressure environment, together with compatible surface roughness to FJP.     

光学面形的轮带光学抛光方法研究

鉴于光学零件高陡度凹曲面的抛光是光学加工的一个难题,轮带光学确定性抛光方法是解决此类零件抛光的有效方法之一;提出轮带光学抛光技术的原理和方法。研究了轮带光学抛光方法修形的可行性,采用五轴精密数控机床系统对一块直径Ф80 mm的K9玻璃平面样镜进行了修形试验,经过3次迭代修形使其面形精度均方根误差（RMS）由初始的0.109 提高到0.028 ,平均每次收敛率达到1.3。实验结果表明,应用轮带光学抛光技术进行光学镜面修形,面形收敛速度较快,加工精度较高。本实验验证了轮带光学抛光技术的修形能力,为高陡度光学零件的抛光提供了研究基础。     

基于双磨头的磁流变抛光机床与工艺研究

针对传统单磨头磁流变抛光技术的不足,提出了一种新的双磨头磁流变抛光方法,并研制了一台八轴数控双磨头磁流变抛光机,具备了大口径平面、非球面及连续位相板的超精密、高效率加工能力。分别研究了大、小磨头材料去除特性及面形修正能力,不仅获得了稳定、有效的大、小抛光斑,而且获得了超精的大、小平面工艺样件。50 mm小平面经小磨头一次连续抛光,在 45 mm内其面形精度PV由0.21 收敛至0.08 、RMS由0.053 收敛至0.015 ;430 mm430 mm大平面经大磨头3次迭代抛光,在410 mm410 mm内其面形精度PV由0.4 收敛至0.1 、RMS由0.068 收敛至0.013 。由此表明,所研制的双磨头磁流变抛光机床具有较好的材料去除特性和较强的面形修形能力。     

一种新的双足机器人模型设计与相关研究

针对双足机器人最简模型在行走过程中出现摆动腿足部擦地的问题,提出了一种通过摆动腿膝关节弯曲达到摆动腿缩短的新模型。当摆动腿开始摆动时,摆动腿膝关节弯曲锁定,摆动腿缩短;当摆动腿摆动到最大位置时,膝关节解锁,摆动腿伸直再锁定,此后摆动腿回摆,系统变为直腿模型。采用脚后跟冲击控制,在摆动腿落地前,拖后的支撑腿与地面接触处施加一指向髋关节的瞬时冲击力,冲击力可以减小摆动腿着地时能量的损耗,同时驱动被动机器人向前行走。设计了迭代学习控制算法,找到极限环与不动点,实现不同给定期望步长跟踪的冲击力的计算。仿真结果表明,迭代学习控制可以有效的实现不同期望步长的跟踪,可以很快的找到机器人系统的不动点,通过收敛的相平面,得到稳定的极限环,保证了机器人行走过程稳定。     

原子发射光谱分析技术在大气等离子体抛光工艺研究中的应用

大气等离子体抛光是一种非接触式的超精密加工方法,它基于低温等离子体化学反应实现原子级的材料去处,避免了表层和亚表层损伤,特别适合于各种难加工材料的超光滑抛光。该方法首次引入了基于电容耦合原理的射频炬式等离子体源,为测试等离子体特性和进行工艺研究,在加工过程中使用微型光纤光谱仪进行光谱监测和采集,进而运用原子发射光谱分析技术初步讨论了射频功率和气体配比对加工过程的影响,分析结果显示：在一定范围内,射频功率对加工速率有着较明显的促进作用,而气体配比对等离子体区成分和表面生成元素的种类影响较大。电子跃迁轨道分析还揭示了处于不同激发态的活性氟原子对应的不同微观状态,为进一步的微观机理研究奠定了理论基础。基于工艺分析的结果,在单晶硅片上实现了Ra0.6 nm的表面粗糙度和32 mm3·min-1的加工速率。     

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。     

磁流变抛光工艺参数的正交实验分析

对利用自行配制的水基磁流变抛光液和磁流变抛光实验样机进行了以抛光去除效率和表面粗糙度为考核指标的工艺实验。应用正交试验方法分析了磁流变抛光中主要工艺参数(磁场强度、抛光粉浓度、抛光盘的转速、抛光盘与工件间的间隙)对抛光去除效率和表面粗糙度的影响规律,并结合磁流变抛光机理对其进行了分析。根据实验结果对工艺参数进行了优化。