虚拟加工的磁流变抛光面形预测

为了精确高效地预测磁流变抛光面形误差,提出一种基于虚拟加工的预测算法。针对实际抛光的特点,建立磁流变抛光面形预测的理论模型,提出面形预测质量的评价方法,并结合工程实际阐述该算法的实现方法。通过修正去除函数、重定义驻留时间和优化Preston系数等方法,得到与实际加工一致性较好的预测结果。实验表明,该方法有较高的精度、计算效率和稳定性。     

磁流变抛光系统去除函数的原点位置标定

为了实现磁流变抛光的确定性加工,对磁流变抛光去除函数的原点位置进行了标定。分析了磁流变抛光去除函数的产生过程及其去除率分布。利用标准圆柱,建立了抛光轮最低点与数控加工中心测头的相对位置坐标变换关系,实现了光学元件在机床坐标系中的精确对准。通过在光学元件的特征点上进行去除函数实验测试,实现了抛光轮最低点对应的去除函数原点位置标定,对标定误差进行了分析。选择圆形平面光学元件,应用以金刚石颗粒为抛光粉的水基磁流液,对抛光轮直径为360mm的磁流变抛光系统进行去除函数原点标定,单次标定精度达到0.030mm。实验结果表明:本文提出的去除函数原点标定方法简单可靠,能够满足磁流变抛光技术的修形需求,可为磁流变抛光在光学制造中的应用提供有力支持。     

光学玻璃磁流变抛光液的研究与材料去除实验

根据磁流变抛光液的评价标准,合理选取了磁流变液的各成分,配制了三种型号磁流变抛光液。用配制的抛光液对K9玻璃进行了定点抛光实验,证明了该磁流变液性能良好,达到了预期的材料去除效果。得到了材料去除率曲线规律,以及单位时间材料去除深度微观空间形貌,为建立磁流变抛光材料去除函数模型提供了依据。     

机器人气囊抛光位置误差建模及补偿

针对机器人气囊抛光中抛光压力波动的问题,分析影响抛光压力稳定的因素,提出误差补偿法来降低抛光压力波动对加工面形的影响。首先,分析气囊抛光的运动过程,根据Preston方程建立材料去除函数模型,使用MATLAB对去除函数进行仿真分析。然后针对由机器人末端位置波动引入的系统误差,提出网格式误差补偿法,根据误差数据模型对加工点位进行即时修正,从而降低由机器人引入的抛光压力波动误差。实验数据表明：补偿后机器人末端位置X,Y方向误差波动值分别下降了86.2%,67.6%,机器人末端位置精度明显提高,最终加工面形精度的RMS为0.118λ。证明了该方法能够有效的减小抛光压力的波动,改善加工面形质量。     

多模式组合抛光技术在光学加工中的应用

介绍了将经典抛光方法与数控加工技术有机结合的多模式组合抛光技术.描述了多模式组合抛光的关键技术之一,材料去除率仿真模型的建立方法.通过设置抛光盘因子和元件因子,多模式组合抛光的材料去除模型不仅包含抛光模式、速度等加工参数,还将抛光模形状、边角效应、元件面形误差等因素对材料去除的影响一并考虑入内,可以根据抛光阶段的不同,...     

进动气囊抛光的驻留时间优化

提出了一种新的进动气囊抛光驻留时间算法,用于实现高精度的光学玻璃零件的加工。首先,通过抛光工艺试验确定抛光去除率函数;在矩阵迭代算法的基础上,给定一个合适的驻留时间初值函数。然后,采用分层阈值去除法进行驻留时间的优化求解,并加上残余误差方差最小的判定条件,从而得到完整的驻留时间函数。该算法适用于非球面、自由曲面等光学玻璃元件的抛光加工。用MATLAB对残余面形误差进行了仿真,仿真结果表明残余误差精度PV值可以收敛到0.1μm左右。最后,对光学玻璃平面进行了抛光。实际抛光后,该玻璃表面粗糙度Ra从抛光前的0.159μm减小到0.024μm,面形精度PV值由抛光前的0.756μm减小到0.158μm。得到的结果验证了提出驻留时间算法的合理性,表明该算法可为以后进行复杂面形工件的气囊抛光研究提供理论基础。     

离子束抛光去除函数计算与抛光实验

由于传统的离子抛光工艺采用的确定去除函数的方法操作复杂且成本很高,本文提出了利用法拉第杯对离子束流空间分布进行测量、标定的方法,并计算得到不同离子源工作参数对应的去除函数。首先,基于离子束抛光材料去除原理,研究了离子束抛光过程中束流分布与能量对去除函数的影响,并提出简化的离子束抛光去除函数模型。然后,设计实验并得出离子束流空间分布与去除函数相关参数间的关系,计算得到了不同离子源工作参数产生的离子束流对应的去除函数。对硅和融石英玻璃的相关实验表明:利用法拉第杯扫描结果计算相同材料的去除函数的单位时间体积去除率与实际测量值误差小于2%。结合抛光实验,对Φ800mm碳化硅表面硅改性层平面镜进行抛光,得到的初始面形误差均方根(RMS)值为57.886nm,两次抛光后RMS值为11.837nm,收敛率达到4.89,满足精密光学加工对去除函数的确定性及精度的要求,并大大提升了确定去除函数的效率。     

超声波磁流变复合抛光中几种工艺参数对材料去除率的影响

提出了一种光学抛光的新方法——超声波磁流变复合抛光。介绍了该抛光方法的基本原理和实验装置,进行了超声波磁流变复合抛光实验,采用轮廓仪实测了光学玻璃超声波磁流变抛光材料去除轮廓曲线。通过该项工艺实验,研究了五种工艺参数(磁场强度、超声振幅、抛光工具头与工件的间隙、抛光工具头转速、工件转速)对光学玻璃材料去除率的影响。在一定实验条件下,获得的材料去除率为0.139 μm/min,并获得了超声波磁流变复合抛光工艺参数与材料去除率的关系曲线,得出了光学玻璃超声波磁流变复合抛光的材料去除规律。     

自由曲面磁流变抛光最佳压力场获取方法

针对自由曲面光学元件面形较复杂的特点,文中提出了一种磁流变抛光最佳的压力场获取方法.首先通过对磁流变抛光自由曲面光学元件抛光区域的压力场进行分析,得到压力场影响因素;其次,结合压力场影响因素,基于几何相贯理论建立压力场量化形态学评价方法;然后,基于自由曲面的几何模型,将该方法分别用于平面、不同曲率的球面和自由曲面,进行...     

离子束抛光高陡度离轴非球面的去除函数修正

研究了三轴离子束系统抛光大口径高陡度离轴非球面过程中镜面曲率变化对离子束抛光去除函数的影响。提出了利用修正矩阵修正各驻留点处的去除函数信息,进而实现对高陡度离轴非球面高精度抛光的方法。该方法通过对离轴非球面进行坐标转换来降低陡度变化对去除函数的影响;基于Sigmund溅射理论分析离子束抛光非球面材料的去除率,建立离子束抛光非球面去除函数模型,计算了材料去除率在非球面各驻留点处的变化。最后,根据投影原理计算在各驻留点处去除函数的半宽,得到以驻留点矩阵为基础的去除函数修正矩阵,从而掌握每一个驻留点处的去除函数信息,然后根据计算机控制光学表面成形(CCOS)原理解得加工驻留时间分布。选取口径为900mm×680mm,离轴量为350mm的离轴体育场型非球面镜进行了抛光实验,实验显示抛光后非球面镜面形精度的RMS值由32.041nm达到11.566nm,收敛率达2.77,对实际加工具有指导意义。     

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。     

应用四轴联动磁流变机床加工曲面

以永磁型磁流变抛光机为基础,提出了在光栅式加工轨迹下结合四轴联动机床(不含抛光轮转动轴)和变去除函数实现磁流变抛光技术确定性加工曲面的方法。讨论了曲面上光栅式加工轨迹等面积规划原则和基于矩阵乘积运算的驻留时间求解算法。分析了磁流变四轴联动机床的机械补偿方式,同时以变去除函数模型为基础从算法上实现了机械的剩余补偿。应用以氧化铈为抛光粉的水基磁流液对口径为80mm、曲率半径为800mm的BK7材料凸球面进行了修形验证实验,一次加工(5.5min)后显示:面形误差分布峰谷值(PV)和均方根值(RMS)从117.47nm和22.78nm分别收敛到60.80nm和6.28nm。实验结果表明:结合四轴联动的低自由度机床和变去除函数算法补偿的磁流变加工工艺能够有效地实现球面及低陡度非球面等曲面的高效确定性加工,为磁流变抛光在光学制造中的应用提供了有力的支持。     

时变去除函数在气压砂轮抛光中的应用研究

针对气压砂轮抛光中通过驻留时间控制材料去除量需在模具表面多去除一层材料及抛光效率低等问题,提出了一种基于时变去除函数的抛光材料去除量控制方法。该方法以抛光工具所能达到的最大进给速度在模具表面进行抛光加工,无需多去除材料,通过实时改变抛光工具的去除能力以适应面形误差的变化,极大地缩短了抛光时间;开展了抛光材料去除过程研究,建立了气压砂轮抛光工具进给速度与面形数据和抛光去除函数之间的关系,提出了抛光过程时间的计算方法;针对时变去除能力超出抛光工具最大去除能力的问题,提出了在气压砂轮抛光中对需去除的材料进行分层抛光的思想。最后,通过抛光过程时间对材料去除量控制的两种方法进行了对比分析。研究结果表明,在气压砂轮抛光中采用时变去除函数来控制材料去除量能极大地提高抛光效率。     

圆柱型永磁体磁流变抛光头设计及其参数优化

针对传统加工技术存在表面损伤、加工效率低的问题,将极具前景的面接触式超精密磁流变抛光技术应用到3C制造业中。对圆柱型永磁体磁流变抛光头在加工过程中的抛光垫的形貌进行了研究分析,发现圆柱型永磁体磁流变抛光头在加工过程中存在一种"环状效应",利用"环状效应"对圆柱型永磁体磁流变抛光头进行了结构设计,并对其进行了设计理念分析;对圆柱型永磁体抛光头在6061的铝合金工件上进行了单因素抛光实验,通过实验获得了最优参数。研究结果表明:该圆柱型永磁体磁流变抛光头能够实现环状加工区域的高效光滑平坦化加工,工件表面粗糙度达到52 nm,材料去除率达9.1μm/min,大大提高了磁流变抛光的效率,为面形精度在微米级的超光滑平面的制造提供了一种高效的加工方法。     

磁流变效应微砂轮的磨粒半固着机理研究

针对磁流变效应微砂轮抛光工艺,理论分析了磁流变效应磁链对磨粒的有效约束使磨粒处于半固着状态的机理。建立了磨粒受磁链约束的模型,研究了磁流变工作液中磨粒的种类、大小、形状和体积分数等特性对磨粒半固着状态以及所形成的磁流变效应微砂轮性能的影响。进行了磁流变效应微砂轮加工沟槽实验,分析了磨粒特性对材料去除率的影响,实验结果与理论分析相吻合,表明所建立的磁流变效应微砂轮磨粒半固着理论是正确的。     

机器人恒压球形公自转磨头抛光技术研究

采用工业机器人进行大口径光学元件的研抛过程中,机器人自身定位误差会导致研抛压力产生波动,进而影响去除函数稳定性,为此提出了一种机器人恒压球形公自转磨头抛光方法,并对其结构、工作原理、机器人定位特性以及研抛压力输出特性开展了研究。首先,基于Preston理论构建了材料去除模型,对去除函数形状进行了分析,对所设计抛光磨头的机械结构与工作原理进行了介绍。然后,对机器人定位误差以及磨头输出力响应性与稳定性进行了测量,验证了所提方法能够较好地适应机器人研抛压力波动而做出的力响应控制。最后,进行了定点抛光以及粗、精磨抛加工实验。实验结果表明：利用所提方法去除函数的稳定性强,通过10个周期的粗、精抛加工,面形收敛率分别为9095%、7261%,可获得较高的加工精度与面形质量。     

集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明：集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电（1英寸=2.54 cm）集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。     

平面光学元件中频误差的磁流变加工控制

为了利用磁流变加工实现对大口径平面光学元件波前中频误差的控制,研究了磁流变抛光去除函数的频谱误差校正能力和磁流变加工残余误差抑制方法。首先,比较了模拟加工前后元件中频功率谱密度(PSD1)误差和元件PSD曲线的变化,分析了磁流变去除函数的可修正频谱误差范围。然后,利用均匀去除方法分析了加工深度、加工轨迹间距和去除函数尺寸等磁流变加工参数对中频PSD2误差的影响,提出了抑制中频PSD2误差的方法。最后,对一块400mm×400mm口径平面元件的频谱误差进行了磁流变加工控制实验。实验显示:3次迭代加工后,该元件的波前PV由加工前的0.6λ收敛至0.1λ,中频PSD1误差由5.57nm收敛至1.36nm,PSD2由0.95nm变化至0.88nm。结果表明:通过优化磁流变加工参数并合理选择加工策略,可实现磁流变加工对大口径平面光学元件中频误差的收敛控制。     

磁流变抛光的确定量加工模型与影响因素

根据抛光区内的受力分析，建立了磁流变超精密抛光的确定量加工模型，并通过工艺实验予以证明。研究了磁流液在磁场作用下的成核特点，分析了各工艺参数对磁流变抛光的材料去除率及表面粗糙度的影响规律。     

环带旋转式磁流变抛光头设计

在磁流变抛光技术中,磁流变抛光头是实现光学零件表面均匀去除的保证.根据实际磁流变加工要求设计了一种环带旋转式磁流变抛光头,并采用有限元分析软件ANSYS进行仿真了该抛光头,同时分析了其磁场强度分布情况.最后应用该磁流变抛光头进行了工艺实验,实验结果表明采用该抛光头能够实现高精度面形质量的光学零件加工.