光学加工中高频误差对环围能量比的影响

以大型光学系统主镜为研究对象,根据光学镜面面形误差近似为高斯平稳随机过程特征,根据全频段面形误差对光强分布和环围能量比FEE的影响,建立了光学镜面中高频误差与FEE之间的数学关系模型,进行了仿真分析并利用实际面形误差数据进行了验证。研究表明,环围能量比FEE随着中高频误差GRMS的增加近似呈指数规律衰减,同时各频段误差将无误差时对应的光强分布边缘部分能量转移到光强分布的中心以及更宽范围,并且随着中高频误差的增大,能量转移曲线出现反复振荡。在特定光学口径下,中高频误差GRMS值分别小于12nm/mm以及30nm/mm时,可使得中高频误差对FEE的影响均小于5%,能够用于控制中高频误差对FEE的影响,为中高频误差的进一步修形提供理论支持。     

光学加工中高频误差对散射损失比的影响

以大型光学系统主镜为研究对象,根据光学镜面面形误差近似高斯平稳随机过程特征,结合Harvey-Shack散射理论以及统计光学理论,建立了光学镜面中高频误差RMS与散射损失比RSL之间的数学关系模型,利用实际加工数据进行了仿真验证。研究表明,散射损失比RSL随着中高频误差RMS的增加近似呈指数规律增加,同时在聚焦范围内,理论分析与仿真计算结果非常吻合。在中频误差和高频误差RMS值分别小于λ/63时,对RSL的影响均小于1%,为光学镜面的进一步修形提供理论支持。     

误差分离技术在平面镜瑞奇-康芒法检测中的应用

为了提高瑞奇-康芒法检测平面镜面形误差的精度,提出了利用检测系统光瞳面与被检平面镜表面的坐标映射关系插值拟合平面镜面形的方法。结合最小二乘法分析,解算了由光路调整引入的离焦误差,获得了更为真实的平面镜面形误差。理论仿真分析显示,此方法的平面镜测量误差可控制在λ/100(λ=632.8nm)量级。对口径为40mm的小口径平面镜进行了实际检测,检测过程中通过多角度旋转被测平面镜,利用坐标映射关系和幅值转换关系对测试波前进行恢复,在分离系统离焦误差后得到被检平面镜面形RMS值为0.018 6λ,与干涉仪直接检测得到的RMS值0.021λ相比,残差为0.002 4λ。实验结果证明了此种误差分离技术在瑞奇-康芒法对平面镜面形检测时的有效性与准确性。     

静压导轨几何误差对运动直线度影响研究

为了提高机床的加工精度,研究液体静压导轨几何误差对运动直线度的影响规律。根据静压导轨对置油垫刚度和承载力的计算特征,建立导轨面形方程,对导轨进行运动误差分析,推导立柱运动直线度误差模型。以生产中常见的,因制造误差导致工作表面为凸型的闭式液体静压导轨为例,运用数学软件MATLAB对导轨运动误差进行曲线仿真,分析发现导轨的几何误差,如面形误差、立柱长度、导轨行程、及油垫对数对导轨运动的直线度有显著影响。最后通过实验所测的直线度曲线图和仿真进行对比,证明理论推导的正确性。     

超精密陶瓷关节球磨削中砂轮与工件位置误差对面形精度的影响

分析了陶瓷关节球在超精密磨削加工中产生面形精度误差的原因,论述了砂轮位置误差与轴跳动误差对关节球面形精度的影响,通过建立三维空间磨削模型,推导出了位置误差与面形精度的数学关系,计算出了存在位置误差时球面上各点到理想球心的距离,得到了精确的实际球面面形,为磨削过程中提高面形精度提供了理论支持。并在自行研制的超精密磨削机床上进行了磨削陶瓷球面的试验,得到了面形精度PV值为4.8μm的陶瓷关节球,满足了人工关节替代生物骨的需求。     

大口径非球面反射镜误差分离组合加工技术

为了解决大口径非球面反射镜材料去除效率与面形收敛效率之间的矛盾,提出了基于高低阶面形误差分离的组合加工技术。首先,分析了不同尺寸磨头对不同周期面形误差的控制能力。然后,比较了不同磨头的收敛效率与加工时间之间的关系。最后,根据大口径非球面反射镜加工过程中面形误差的特点,将大口径非球面反射镜的面形误差分离为低阶面形误差与高阶面形误差,使用不同加工方式分别对高、低阶面形误差驻留时间进行求解。通过多种加工方式组合加工的方法建立了具有针对性的加工策略,有效提高加工效率。结合工程实例,对一块口径为2.04m的非球面SiC反射镜进行了加工试验,单个组合加工周期内面形收敛效率达到61.2%。结果表明,高阶与低阶面形误差均得到较好的去除。材料去除效率与面形收敛效率均得到提高,达到了良好的效果,满足加工需求。     

大口径离轴长条形反射镜的检测支撑机构

针对大口径离轴长条形反射镜光轴水平向检测的需要,设计了一套检测支撑结构。优化了结构参数,实现了由支撑结构引起的镜面面形误差最小化。通过比较长条形反射镜光轴水平向检测支撑的级联多点支撑结构,选择了结构简单、扩展性和调整性优良的两点单层固定支撑结构。利用集成仿真与优化方法,分析计算反射镜镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势,确定了最优支撑间隔。最后,利用干涉仪结合补偿器的检测方式,对不同支撑间隔工况下镜面面形进行检测,验证了仿真分析的可靠性。结果表明:在支撑间隔为564mm时,由检测支撑引起的镜面面形误差最小(RMS=8.26nm),干涉检测得到的镜面面形误差随支撑间隔的变化趋势与仿真得到的趋势相符,仿真结果可靠性高。提出的方法可实施性好,可推广到其他大口径离轴长条形反射镜的设计和检测中,为离轴三反(TMA)相机的设计提供技术基础。     

基于三轴测量机拓扑结构的单项几何误差模型

基于刚体模型和小角度假设,传统的几何误差模型采用传递矩阵建立几何误差与测量机空间误差的关系。但通过传递矩阵建立的几何误差模型难以清晰揭示各单项几何误差对空间误差的影响关系。为了更清楚地表达单项几何误差对空间误差的影响关系,基于三轴测量机拓扑结构建立了各单项几何误差模型,分析了测量机各项阿贝误差产生机制。利用所建立的单项几何误差模型分析各单项几何误差的影响权重,对自研测量机高权重几何误差进行辨识与补偿,结果表明,补偿后测量机测量直径150 mm平面与直径60 mm凹球面的PV值分别达到344.32 nm和161.74 nm,面形误差与波面干涉仪测量结果基本一致。单项几何误差模型有助于了解阿贝误差的产生机理;提出的几何误差权重计算方法有助于实现对测量机敏感误差的精确控制,指导高精度测量机结构设计与测量精度的提升。     

基于Daubechies小波和工件面形误差的机床导轨误差相关性分析

提出一种基于Daubechies小波和车削面形误差的导轨误差辨识的新方法,根据检测结果的特征分析结果,识别出引起此特征的机床误差源。为了了解小波分析的误差,对工件面形检测信号用不同紧支集的Daubechies小波族在1～9尺度下进行分解和重构,对比重构信号和原始信号发现,紧支集为[0,1]的Db1小波用于工件面形信号分解时误差最小。误差源对加工结果影响的仿真结果与实际加工工件的面形检测结果对比,分离出的表面形貌的单尺度上的信息与原信息除了会有相位时移外,还有很多特征相关性。利用小波的变焦特性,采用特征相关性分析方法,从检测结果中确定出引起加工结果的机床误差源。     

软X射线掠入射望远镜的成像质量评价

为了评价软X射线掠入射望远镜的成像质量,提出了一种利用ZEMAX和MATLAB相结合的像质评价方法。根据这种方法编写的像质评价程序不仅考虑了孔径衍射、几何像差和装调误差等因素对成像质量的影响,而且加入了望远镜面形误差和X射线散射效应的影响。利用勒让德-傅里叶多项式和用户自定义表面,在ZEMAX中建立带有面形误差的筒状反射镜表面模型,实现对真实面形的掠入射反射镜的仿真;根据Harvey-Shack散射理论建立了ZEMAX中的BSDF散射模型,实现对X射线散射的仿真。搭建X射线有限远成像实验装置,对像质评价程序进行了验证。实验结果和仿真结果对比表明:实验光斑和仿真光斑的光强分布基本一致,以实验结果为基准,仿真光斑的半高全宽横向和纵向的相对误差分别为14.7%和11.3%。说明像质评价程序的仿真结果基本符合真实情况,对掠入射光学系统的设计和加工具有一定的指导意义。     

Accurate evaluation of free-form surface profile error based on quasi particle swarm optimization algorithm and surface subdivision

Although significant progress has been made in precision machining of free-form surfaces recently, inspection of such surfaces remains a difficult problem. In order to solve the problem that no specific standards for the verification of free-form surface profile are available, the profile parameters of free-form surface are proposed by referring to ISO standards regarding form tolerances and considering its complexity and non-rotational symmetry. Non-uniform rational basis spline(NURBS) for describing free-form surface is formulated. Crucial issues in surface inspection and profile error verification are localization between the design coordinate system(DCS) and measurement coordinate system(MCS) for searching the closest points on the design model corresponding to measured points. A quasi particle swarm optimization(QPSO) is proposed to search the transformation parameters to implement localization between DCS and MCS. Surface subdivide method which does the searching in a recursively reduced range of the parameters u and v of the NURBS design model is developed to find the closest points. In order to verify the effectiveness of the proposed methods, the design model is generated by NURBS and the measurement data of simulation example are generated by transforming the design model to arbitrary position and orientation, and the parts are machined based on the design model and are measured on CMM. The profile errors of simulation example and actual parts are calculated by the proposed method. The results verify that the evaluation precision of freeform surface profile error by the proposed method is higher 10%-22% than that by CMM software. The proposed method deals with the hard problem that it has a lower precision in profile error evaluation of free-form surface.     

凸轮机构的反求设计

介绍了胶印机离合压凸轮机构反求设计时剔除制造误差的数据分析方法.由凸轮实际廓线测得离散数据,根据凸轮设计理论推导出凸轮理论廓线值.应用数值计算方法,计算凸轮从动件的角位移及类加速度值.将类加速度与期望类加速度值进行比较,得出类加速度误差,进而求得角位移误差.剔除角位移误差后的数据更接近原始设计数据.     

二维经验模态分解在工程表面形貌误差评定中的应用

针对目前表面微观形貌面形误差分离方法中存在边界畸变及自适应差等缺点,提出了将具有自适应时频分辨能力的二维经验模态分解算法(bidimensional empirical mode decomposition,BEMD)应用于三维工程表面面型误差分离中,同时用Riesz变换构造单演信号,计算信号整体的频率特征,完成对二维经验模态分解算法的终止准则的改进,使其能严格按照ISO4287所规定的截止波长分离三维表面各频段形貌误差。仿真结果表明,本文新方法相比于国标ISO中高斯滤波以及常用小波滤波,在分离三维工程粗糙表面各面型误差时,所得分离图形效果远优于传统方法所得,且各频段误差对应的三维评定参数误差均小于5%。最后对光学镀膜元件实例进行分析,结果表明该算法能够很好地分离各形貌误差的的空间信息,所得参数评定基准面相对传统方法不存在边界畸变等问题,因此该方法在实际工程表面评定应用中具有可行性。     

基于遗传算法的球度误差评定

首先对球度公差评定问题进行了综述.然后根据圆度公差的数学定义,引申提出球度公差最小区域条件下的评定模型,并给出遗传算法的适应度函数.随后给出算法实现中的中的关键问题.最后用实例对算法进行了检验,计算结果表明基于遗传算法的球度误差优化算法不仅符合最小区域的条件,而且易于理解和实现,能够获得全局最优解,保证了高精度、高效率.     

Least squares evaluations for form and profile errors of ellipse using coordinate data

To improve the measurement and evaluation of form error of an elliptic section, an evaluation method based on least squares fitting is investigated to analyze the form and profile errors of an ellipse using coordinate data. Two error indicators for defining ellipticity are discussed, namely the form error and the profile error, and the difference between both is considered as the main parameter for evaluating machining quality of surface and profile. Because the form error and the profile error rely on different evaluation benchmarks, the major axis and the foci rather than the centre of an ellipse are used as the evaluation benchmarks and can accurately evaluate a tolerance range with the separated form error and profile error of workpiece. Additionally, an evaluation program based on the LS model is developed to extract the form error and the profile error of the elliptic section, which is well suited for separating the two errors by a standard program. Finally, the evaluation method about the form and profile errors of the ellipse is applied to the measurement of skirt line of the piston, and results indicate the effectiveness of the evaluation. This approach provides the new evaluation indicators for the measurement of form and profile errors of ellipse, which is found to have better accuracy and can thus be used to solve the difficult of the measurement and evaluation of the piston in industrial production.     

圆柱滚子轴承旋转精度数值计算及试验研究

针对圆柱滚子轴承旋转精度,提出了轴承外圈径向跳动数值计算方法,并对外圈滚道形状误差进行了试验研究。根据轴承元件运动及几何关系,建立了轴承外圈径向跳动数值计算模型,分析了外圈滚道圆度误差幅值、圆度误差阶次、滚子个数以及径向游隙对轴承旋转精度的影响规律,并验证了模型的正确性。分析结果表明,外圈滚道圆度误差幅值对轴承旋转精度影响较大;当轴承外圈圆度误差阶次与滚子个数满足特定关系时,轴承旋转精度显著降低;对于外圈滚道圆度误差波形变化较剧烈的圆柱滚子轴承,滚子个数对其旋转精度影响较大。对轴承外圈滚道圆度误差试验研究结果表明,外圈滚道圆度误差服从正态分布;轴承外圈滚道圆度误差幅值随圆度误差阶次呈指数曲线变化;获得了外圈径向跳动与外圈滚道谐波分布参数的函数关系式,可用于外圈径向跳动的预测。     

螺旋锥齿轮数控加工中刀盘误差的补偿

在进行螺旋锥齿轮数控加工过程中,用直廓截形代替盘状铣刀刀刃理论截形所产生的偏差会影响螺旋锥齿轮齿面加工精度。针对该问题,分析了螺旋锥齿轮数控加工原理,并在此基础上建立了从刀刃到形成齿面的数学模型;依据空间啮合理论计算盘状铣刀刀刃实际截形,分析并建立了盘状铣刀刀盘半径偏差与齿面误差的关系;进一步推导出刀具实际截形误差的计算过程;最后根据螺旋锥齿轮的加工原理对刀具的误差进行了补偿计算,并对补偿结果进行了仿真实验验证,证明了该算法的可靠性。     

光栅复制拼接光路中入射光角度对拼接误差的影响

设计了一种基于干涉检验法的复制拼接光栅测量光路。针对光栅复制拼接光路中入射光角度难以精确测量的问题,分析了光栅拼接实验中入射光角度对光栅拼接的影响。建立了光栅拼接误差模型,分析了五维拼接误差的容限要求。按照光栅复制拼接光路的要求,设计了一种干涉仪角度调节装置。根据误差模型和拼接光路分析了500mm×500mm大尺寸中阶梯光栅复制拼接光路中入射光角度误差与拼接误差的关系。结果显示:入射光角度误差为1°,拼接光路中绕x轴,y轴的转动误差Δθx,Δθy和沿z轴的位移误差Δz的计算值与实际值之间分别相差0.002 1μrad,0.003 3μrad和0.348 2nm时,引起波前差为2.590 1nm。根据这一计算结果,给出了干涉仪角度调节装置的设计指标,即设置角度调节分度为0.1°时,可满足大尺寸光栅复制拼接要求。