一种中小口径非球面元件数控抛光技术

基于自主设计研制的FSGJ-3型非球面数控加工中心,针对口径φ108 mm凸非球面透镜(曲率半径R＝318 mm,k=－3),研究了非球面粗抛光工艺、精抛光工艺、抛光设备、磨料以及相关工艺参数,提出了规范的中小口径非球面加工的工艺方法和新型轮式抛光技术,实现了中小口径非球面元件的数控快速精密铣磨成型,且保证了光学零件具有较高的面形精度。抛光后元件面形精度达到0.306 λ(PV)、0.028λ(RMS) (λ=0.632 8μm)。满足了在光学系统中使用非球面零件,明显改善像质,提高光学特性,减少光学零件数目,从而简化系统结构,减小系统体积,减轻系统质量的目的。     

ZF6重火石玻璃非球面数控加工技术的研究

由于重火石玻璃的密度很大,材料较软,在数控加工过程中难以控制材料的去除量。现主要针对Ф62mm ZF6非球面凸透镜,对铣磨成型工艺、抛光工艺、抛光设备及抛光液等相关工艺参数进行了研究,采用弹性模预抛光与小抛头修正抛光相结合的两步研抛法对零件表面快速抛光,给出了一套规范的ZF6玻璃非球面的数控加工工艺,同时保证了零件具有较高的面形精度,实现了该非球面元件的快速批量生产。Ф62mm口径非球面最终面形精度达到0．5μm以下,表面光洁度达到Ⅲ级,明显改善成像质量,减少系统中光学零件数目,满足了非球面的使用要求。     

气囊抛光去除函数的数值仿真与试验研究

为提高光学元件的面形精度,提高加工效率,对超精密气囊抛光方法的去除函数进行了理论和试验研究.通过分析气囊抛光的原理,以Preston方程为基础,应用运动学原理推导了气囊抛光"进动"运动的材料去除函数,利用计算机仿真的方法,得到近似高斯分布的去除函数,通过仿真分析几个主要参数对"进动"抛光运动去除特性的影响,总结得到三点气囊抛光工艺过程中重要的结论.通过在一台超精密气囊式智能抛光机上的试验对比,两者吻合很好,并得到面形精度 RMS=0.012 6 μm的超精密的光滑表面,为开展气囊抛光的工艺研究提供了理论依据.     

φ124 mm口径碳化硅质非球面镜面数控研抛技术研究

介绍了碳化硅质光学镜面的光学加工流程和加工手段,分析了碳化硅光学镜面的光学加工过程各个步骤中所应用的磨料和加工方法.利用自主研制的非球面数控加工中心,探索一种新型轮式研磨抛光技术,解决了中小口径非球面元件的数控加工问题,形成比较规范的中小口径碳化硅非球面元件加工方法,并应用到φ124 mm口径两面均为非球面的碳化硅元件的加工中,工件最终加工精度为第一面:0.761 λ(PV)、0.059λ(RMS)(λ=0.632 8μm);第二面:0.834 λ(PV)、0.089 λ(RMS)(λ=0.632 8μm),满足了设计要求.     

Ф124mm口径碳化硅质非球面镜面数控研抛技术研究

介绍了碳化硅质光学镜面的光学加工流程和加工手段，分析了碳化硅光学镜面的光学加工过程各个步骤中所应用的磨料和加工方法。利用自主研制的非球面数控加工中心，探索一种新型轮式研磨抛光技术，解决了中小口径非球面元件的数控加工问题，形成比较规范的中小口径碳化硅非球面元件加工方法，并应用到Ф124mm口径两面均为非球面的碳化硅元件的加工中，工件最终加工精度为第一面：0．761λ（PV）、0．059λ（RMS）（λ=0．6328μm）；第二面：0．834λ（PV）、0．089λ（RMS）（λ=0．6328μm），满足了设计要求。     

中等口径光学非球面的高效研抛技术

介绍了一种弹性模抛光与小磨头修正抛光相结合的两步研抛法实现中等口径光学非球面表面的快速抛光。利用弹性模预抛光来保证小工具抛光模型的准确稳定,并采用补偿的方法减小弹性模抛光对面形精度的破坏作用。然后利用优化的小磨头修正残留的表面误差来提高抛光精度。应用上述方法加工非球面,在较短的抛光周期中,获得的面形P-V精度达0.35μm。     

环形气囊抛光技术的研究

气囊式抛光是一种极具发展潜力的抛光方法,在精密光学元件的加工领域具有广阔的应用前景.针对现有气囊式抛光磨头加工方法的不足,提出了一种环形气囊抛光技术,设计了气囊式环形抛光磨头的机械结构.基于环形气囊抛光实验平台,利用气囊式环形抛光磨头进行了工艺试验.实验结果表明,此种抛光技术能够实现光学零件高精度表面质量的加工.     

应用多模式组合加工技术修正大口径非球面环带误差

为了满足大口径非球面光学元件加工的需求,提出了用多模式组合加工(MCM)技术修正大口径非球面反射镜环带误差的方法。本文讨论的MCM技术以经典加工工艺为基础,采用抛光盘的多工位加工和抛光模式的组合完成光学元件的抛光,实现对光学表面中低频段误差的有效控制。介绍了MCM技术的重要组成部分JP-01抛光机械手的工作原理,分析了MCM的工作模式。采用MCM技术对Φ1230mm的非球面反射镜进行环带误差的修正,给出了镜面面形检测结果。实验结果表明,MCM技术可以有效地控制光学表面的中低频误差,使光学表面误差得到有效收敛,从而显著提高抛光效率。目前,采用MCM技术加工1～2m口径的同轴非球面,其精度可以达到30nm(RMS)。     

磁流变抛光去除模型及驻留时间算法研究

建立了磁流变抛光球形光学元件的去除模型，分析了影响磁流变抛光的因素，提出了驻留时间算法，用其仿真加工球形工件，结果表明该算法是收敛的，并用磁流变抛光加工了R41.3mm、口径20mm的K9光学玻璃球面工件，获得了Rms8．441nm、PV57．911nm的面形精度。     

高精度光学表面磁流变修形技术研究

作为一种确定性子孔径的光学加工方法,磁流变抛光具有高精度、高效率、高表面质量以及无亚表面损伤的特点,有能力对各种形状的光学零件进行加工。本文系统的介绍了磁流变抛光高精度光学表面的关键技术,并采用自研的KDMRF－1000磁流变抛光机床和KDMRW-1水基磁流变抛光液对直径100mm的K4材料平面反射镜和直径200mm的K9材料球面反射镜进行加工实验。样件一面形收敛到PV值55.3nm,面形RMS值5.5nm;样件二面形收敛到PV值40.5nm,面形RMS值5nm。样件的表面粗糙度均有显著改善。     

数控非接触式超光滑光学元件加工机床的设计

基于数控技术,提出了一种非接触式光学元件表面超光滑液体抛光方法.通过磨头中心孔为抛光表面提供抛光液,抛光液在磨头自转的带动下与光学元件表面相互作用,实现光学元件表面材料的微量去除,利用计算机控制抛光磨头的运动轨迹完成对光学元件表面的抛光.根据上述原理,设计和研制了数控非接触表面超光滑光学元件加工机床样机,样机直线运动轴最低进给速度为0.000 1 m/s,定位精度为0.008 mm;摆动轴最低转速为0.002 8 r/min,定位精度为15″.抛光实验结果表明,经过20 min的超光滑加工,熔石英材质光学元件上两点的表面粗糙度Ra值分别由加工前的1.03 nm和0.92 nm提高到加工后的0.48 nm和0.44 nm,显著提高了加工精度.     

计算机控制光学表面成形技术的驻留时间算法

为了提高镜片的加工精度与效率,利用计算机控制光学表面成形技术(CCOS)的抛光方法对光学镜片进行抛光全过程动态仿真。根据Preston方程建立材料去除函数模型,对抛光过程中压力、转速以及工件与抛光磨头相对半径比对抛光去除速率的影响进行分析。为建立球面镜片的动态全过程仿真,结合卷积原理,推导加工残余误差与去除函数和驻留时间三者间的线性关系,根据镜片的对称性,将元素个数从2m+1点简化为m+1点,以提高运算效率。最后为获得仿真最小残余误差,采用非负最小二乘法求解驻留时间。结果表明,材料去除速率函数类似于高斯分布,抛光后能使镜片面形误差收敛,对模拟表面进行仿真,半径为100mm的镜片其初始表面形貌粗糙度的均方根值从0.467μm收敛到0.028μm,轮廓最大高度从6.12μm收敛到1.48μm。对实测表面进行加工仿真同样令其表面形貌粗糙度的均方根值从3.007μm收敛到0.107μm,轮廓最大高度从160.73μm收敛到13.76μm,因此提出的驻留时间求解方法对于球面镜片抛光全过程动态仿真有一定的可行性。     

介电泳效应平面抛光的电极同层布置方式数值仿真与实验

针对化学机械平面抛光（CMPP）过程中,抛光液受抛光盘旋转离心力作用,抛光液有效利用率低、在抛光盘表面分布不均,从而影响平面抛光效率和质量的问题,提出了一种电极同层布置方式的介电泳平面抛光方法（SLAE-DEPP）。采用COMSOL Multiphysics对电极同层布置方式下封闭式圆环电极和非封闭式圆环电极的电势变化和电场强度平方梯度变化进行仿真,仿真结果表明,非封闭式圆环电极方式的电场强度平方梯度在半径ρ方向和角度θ方向都存在变化,在开口处最大电场强度平方梯度变化约为封闭式电极方式电场强度平方梯度变化的1.5倍。采用非封闭圆环电极同层布置方式制作抛光盘,搭建实验平台进行抛光实验,实验结果表明,与传统CMPP抛光相比,SLAE-DEPP方式抛光直径为76.2 mm硅片,抛光6 h后,工件中心处表面粗糙度Ra从初始690 nm下降到1 nm以下,工件平面度（RMS值）为0.268 μm,工件材料去除率（MRR）提高了近27.3%,工件表面去除均匀达到镜面,抛光效率和抛光质量均优于传统CMPP方式。     

小型非球面数控抛光技术的研究

用计算机控制抛光的方法对小型非球面数控抛光技术进行了研究。对计算机控制小磨头抛光的材料去除作用进行了计算机模拟;依据计算机模拟结果,调整驻留时间函数,进行抛光补偿;最后,在自行研制的三轴联动非球面数控抛光原理样机上高效地完成了70 mm左右非球面的抛光,各项指标达到了中等精度要求,表面粗糙度为2.687 nm,面形精度为0.45 μm,且重复精度良好。结果表明,该技术有效提高了小型非球面光学零件的批量生产效率。     

小口径双非球面硫系玻璃镜片精密热压成形模具制造

将小口径双非球面硫系玻璃镜片精密热压成形过程的有限元分析与模具非球面轮廓预测及补偿相结合,提高热压成形模具的制备效率与精度,满足该类镜片高精度批量制造的需求.根据硫系玻璃热压过程中的热传递、黏弹性、应力松弛行为与结构松弛特性的分析,获得玻璃高温热力学性能参数,建立镜片热压成形的有限元模型;对仿真获得的镜片非球面轮廓曲线...     

Computer Controlled Polishing of the Off-axis Aspheric Mirrors

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｏｏｂｔａｉｎ ｇｏｏｄｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｗｉｄｅＦＯＶ ,ｍａｎｙｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｅｒｓｃｈｏｓｅＴＭＡｏｆｆ -ａｘｉｓａｓ ｐｈｅｒｉｃａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｎｅｘｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｐａｃｅｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓ.Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｈａｖｅｎｏｔｂｅｅｎｍａｄｅａｐｐｌｉｃａｂｌｅｕｎｔｉｌｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓｒｅ ｃｅｎｔｌｙｔｏｏｋｐｌａｃｅｉｎｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ ,ｃ…