一种非球面超精密单点磨削与形状误差补偿技术

随着各种小型的非球面光学零部件的广泛应用,其成型模具的制造精度要求也日趋提高.针对目前我国尚未完全掌握非球面模具的超精密磨削技术的情况,对超精密单点磨削和形状误差补偿方法进行研究.利用在位接触式的测量系统的测量数据重构实际的磨削轮廓曲线.根据实际磨削轮廓与目标轮廓之间的法向距离,求解出法向残余误差,并提出基于超精密单点斜轴磨削的形状误差补偿方法.利用超精密磨床对口径为6 mm的超硬碳化钨的非球面光学模具进行超精密磨削、在位测量与误差补偿试验,经过两次循环,其形状精度(Peak to valley,PV)从449 nm改善至182 nm.     

非球面模具斜轴磨削工艺参数优化与试验研究

针对纳米加工中碳化钨模具表面波纹度对非球面玻璃成像性能影响的问题,通过对单点斜轴磨削中的磨削刀具振动分析和磨削理论残余误差分析,阐述磨削工艺参数对表面波纹度的影响机理。结合磨削试验对磨削工艺参数进行优化,得到理想的磨削工艺参数：主轴转速40 000～45 000 r/min,工件转速为200 r/min,工作台轴向进给速度为0.1 mm/min,磨削深度为0.1μm以下时,表面波纹度可达到理想的均匀交叉状态且表面波纹度w_z值可控制在30 nm以内。     

小口径非球面斜轴磨削的砂轮磨损及补偿研究

通过对比常用的圆盘砂轮的直交轴磨削方式,提出了小口径非球面斜轴磨削方法,探讨了斜轴磨削小口径非球面时砂轮的磨损测试方式与磨损量的变化规律,研究了砂轮半径误差对工件形状精度的影响。最后利用多轴超精密磨床对口径为6mm的非球面碳化钨模具进行磨削实验,砂轮半径磨损补偿磨削后,模具形状精度由PV 1929nm变为PV 359nm。     

轴对称非球面模具加工中的补偿技术研究

研究精密磨削以及超精研磨轴对称非球面模具中 ,磨削力和速度变化对加工表面精度的影响因素 ,提出一种使用软件技术对加工误差进行补偿控制以提高加工精度的方法。     

光学非球面检测平台误差补偿

根据光学非球面检测平台结构,建立了误差补偿数学模型.用激光干涉仪检测三轴定位误差和直线度误差,采用最小二乘法拟合出多项式系数,得到误差曲线,叠加后实现了误差补偿.测量出3个运动坐标轴两两之间的垂直度误差,采用坐标旋转完成误差补偿.利用机构误差的分析和检定技术,完成非实时误差的补偿.利用标准球做了对比试验.结果表明,经误差补偿后的非球面检测平台精度明显提高.     

X、Y方向非等R值微小非球面模具超精密磨削试验

基于模压成型技术的复杂曲面光学玻璃透镜制造难度较大,主要制约因素是高精度复杂曲面光学模具的加工难度大。文中针对典型的高精度X、Y方向非等R值微小非球面模具,进行斜轴单点CXZB四轴联动超精密磨削试验,通过加工路径规划、磨削补偿、磨削表面测量与评价,验证了加工方法的可行性。研究发现,X、Y方向非等R值微小非球面模具PV值控制在0.38μm以下,表面粗糙度分别为Ra5 nm和Rz39 nm,加工表面呈光学镜面,模具加工质量完全满足后续的玻璃模压成型要求。     

小口径非球面斜轴磨削及磁流变抛光组合加工工艺及装备技术研究

为提高小口径非球面模具加工效率和加工精度,提出一种结合斜轴超精密磨削和斜轴磁流变抛光的组合加工方法,将两种超精密加工方法集成在一台机床上,以缩短装夹时间以及降低装夹误差。研制新型的小口径非球面超精密复合加工机床,对直径Ф6.6 mm的非球面碳化钨模具进行了加工试验。斜轴磨削后加工表面粗糙度达到R_a 6.8 nm,斜轴磁流变抛光后表面粗糙度达到R_a 0.7 nm,面型精度可以达到PV 221 nm。结果表明,所开发的小口径非球面超精密复合加工装备能达到加工要求,可有效提高加工精度和加工效率。     

基于多体系统理论的非球面磨削误差模型与补偿技术

为提高大中型非球面的磨削精度,从而提高非球面的加工效率,研究轴对称非球面磨削过程的误差模型,并对误差进行补偿.运用多体系统理论,基于一阶线性模型,建立非球面磨削成形的统一误差模型,并且推导各种误差对于最终面形误差的传递函数.基于传递函数特征相似误差集中补偿的方法,将所有趋势项误差转化为砂轮对刀误差以及砂轮形状误差进行补偿,并建立实用补偿模型,从而避免求解、校正各项具体误差.试验结果表明,建立的误差模型和辨识模型正确,可以使面形误差收敛到预期范围,从而解决了轴对称非球面磨削中的精度控制问题.     

无结合剂碳化钨非球面模具的超精密磨削加工

针对无结合剂碳化钨材料,进行非球面模具的法向磨削试验研究。分析法向磨削非球面时的砂轮对刀误差对磨削精度的影响,研究无结合剂碳化钨非球面模具的磨削表面形貌特征和最终表面质量,优化误差补偿工艺,并利用聚焦离子束对磨削后的非球面亚表层损伤进行成像分析。研究结果表明利用推导的砂轮对刀误差方程,可以在磨削加工前对砂轮的初始位置进行精确调整,提高磨削加工精度。磨削后无结合剂碳化钨非球面模具不同区域的表面质量不同,距非球面中心越近,磨削质量越好,距中心越远,磨削质量越差。经过3次误差补偿磨削加工后,最终的无结合剂碳化钨非球面模具的面形精度误差均小于0.3μm(PV值),表面粗糙度平均值小于8 nm(Ra值),亚表层没有明显的裂纹产生。     

非轴对称非球面平行磨削误差补偿技术研究

针对非轴对称非球面的成形加工法柔性不足及球形砂轮加工法对工具和机械的要求太高的缺点,提出采用普通圆弧金刚石砂轮加工的平行磨削法。对于新方法加工中存在的加工误差问题,提出在非轴对称非球面加工中使用带倾角圆弧修整器及对主轴半径和副轴半径误差采用离线补偿的加工技术。通过理论分析和试验表明此方法可达到提高非轴对称非球面的加工精度的效果。     

基于大口径光学非球面精密磨削过程的检测技术研究

中大口径非球面光学元件的铣磨-精密磨削-快速抛光-超精密抛光的高精度、高效加工工艺技术是目前国内外学者研究的重点,精密磨削加工中的光学元件磨削面形在位检测技术是保证加工-检测-补偿、再加工-再检测-再补偿的关健技术。本文通过分析精密磨削的在位检测原理、方案、检测路径规划,提出了一种适合轴对称非球面精密磨削的电感式在位接触检测装置和自适应卡尔曼滤波数据处理方法,可有效剔除奇异项,给出数据预平滑处理的路径,通过Gauss-Newton非线性最小二乘法和NUEBS曲线法进行曲线拟合试验,给出了更利于补偿加工的曲线拟合方法,取得数控补偿合理参数,实现加工快速收敛,最大限度逼近实际加工面形。实验结果表明基于在位检测的随机误差标准差,经滤波后减少了1/3,验证了其在位检测技术结果的可行性,提高了磨削加工中的测量效率与测量精度。     

磁流变斜轴抛光及其路径控制

为解决磁流变抛光较小曲率半径(φ8 mm以下)非球面光学零件困难和抛光效率不高等问题,以四轴超精密机床为平台,开发出一种基于磁场辅助的磁流变斜轴抛光工艺,采用微小磁性工具头斜轴抛光方式,通过X轴、Y轴、Z轴、B轴四轴联动,控制抛光路径,防止干涉,实现微小非球面的超精密抛光.并对微小磁性斜轴抛光工具头的抛光路径轨迹进行了分析计算,采用驻留时间修正方法对误差进行修正,在此基础上开发出适用于微小非球面斜轴抛光的数控加工与修正软件.     

超精密非球面镜面模具直轴磨削的研究

研究了非球面镜面模具直轴超精密磨削技术,给出了非球面镜面模具超精密加工机理、算法原理、软硬件结构、系统实现、工艺分析及实例应用,开发了小型超精密非球面镜面加工系统SGTCAM1.0.研究结果表明,系统原理正确,加工出的非球面光学零部件形状误差在100 nm以下,表面粗糙度在5 nm以下,达到纳米级加工精度.开发的系统使用方便,成本低.     

非球面检测误差分析和误差补偿策略研究

针对非球面工件检测中的系统误差情况，通过分析各参数对工件形状精度的影响，提出了建立系统误差的数学模型解决测量误差的方案。应用计算机软件技术、误差理论及数据处理技术，完成了测量及数据处理系统软件编制，得到了有效消除工件表面测量误差的方法。对现有非球面工件进行误差测量及补偿的结果表明：所提出的解决测量系统误差的思路可行。     

离轴楔形非球面平行磨削及补偿技术研究

针对精密光学系统中对高精度离轴楔形非球面透镜的加工要求,提出采用由倾角可调三轴摆动式数控夹具系统和精密磨床数控系统(Computer numerical control,CNC)协调完成离轴楔形非球面透镜的高效加工方法。设计三轴摆动式数控夹具机构及控制系统相关程序,完成夹具制造及调整,在数控精密平面磨床上实现对离轴楔形非球面平行磨削加工。倾角可调夹具的设计简化原有的加工工序,提高加工效率。根据平行磨削加工原理对加工插补误差和工件形面误差进行模拟计算,结果表明:夹具旋转误差以及工件的形状尺寸会对加工精度产生较大影响。根据模拟结果和平行磨削方法原理,设计工件加工误差的在位补偿方法。通过平行磨削加工及补偿试验证明:在位补偿方法可以有效提高工件的加工精度。     

非球面光学零件的超精密磨削技术

本文首先介绍了非球面光学零件的作用、硬脆材料的超精密加工的一个热点──延性方式磨削，实现延性方式磨削的条件和应用了延性方式磨削技术的非球面光学零件的超精密磨削加工机床，最后介绍了非球面光学零件的ELID起精密后削技术。     

轴对称非球面加工误差分离及补偿技术

分析轴对称非球面磨削加工中砂轮尺寸精度和形状精度等因素对加工工件精度的影响,提出适用于非球面加工的工件表面误差多参数分步分离的数学模型。新方法解决了原有加工存在的系统误差分离不彻底、补偿加工所需要的各项参数难确定等问题。试验结果表明：该数学模型更接近于理论计算轨迹,可以有效地减小加工误差,进一步提高工件的加工精度。     

确定性抛光非球面光学元件残余误差的评价方法

研究非球面光学元件确定性抛光中表面残余误差的评价方法。对两种非球面残余误差的评价方法,分别为轴向误差法和法向误差法,进行理论研究。指出非球面的残余误差理论上应使用法向误差法来评价,并提出一种基于轴向残余误差求解法向残余误差的方法,继而对二者进行比较发现两者存在一定的偏差,并且差值从非球面的中心向边缘方向逐渐增大。以气囊抛光和数控小磨头抛光为例,通过试验表明使用轴向误差法评价残余误差,进行确定性抛光引入了不同程度的加工误差,引入的加工误差的大小与非球面光学元件的口径和顶点曲率半径的比值(即相对孔径)成正相关,故对于相对孔径较小的非球面光学元件在确定性抛光中可使用轴向误差法替代法向误差法作为残余误差的评价方法,反之,则应使用法向误差法。     

中大口径轴对称光学非球面超精密磨削数控机床的研制

通过系统分析轴对称中大口径方形光学非球面包络法加工原理,提出了非球面磨削加工机床各轴系运动的数学控制模型,设计并研制了非球面精密磨削加工机床及机床速度、位移双闭环控制系统,在研制的加工机床上进行了330×300mm的方形光学非球面镜片磨削试验,并采用数字型电感测微仪设计了非球面在线检测系统,通过对加工后的光学非球面进行在线检测,试验结果表明设计并研制的光学非球面磨削加工机床加工精度满足光学非球面镜片加工面形精度PV值达到4μm的要求,且加工效率高,适用于中大口径非球面磨削加工。     

光学非球面磁性复合流体抛光运动控制及误差分析

针对精密光学系统中对高精度光学非球面元件的加工需求,设计磁性复合流体抛光的直线光栅式运动轨迹,并通过运动轨迹和非球面方程计算出各抛光加工点坐标。根据工件表面形貌和抛光头运动姿态设计了抛光加工路径,建立各抛光加工点间的弓高误差模型,通过模型对工件表面弓高误差变化规律进行仿真分析。仿真结果表明,弓高误差会随着Y轴上步长的增大而增大。这对非球面超精密加工具产生了深远的影响,促进了光学元件超精密高效制造技术的发展。