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。     

非球面磁性复合流体抛光路径误差分析与仿真

针对光学系统中对非球面元件的精度要求,设计了直线光栅式的抛光轨迹,并用磁性复合流体以这一抛光轨迹抛光非球面。根据抛光轨迹和非球面方程计算出每个抛光点的坐标;根据抛光点坐标和抛光头的抛光姿态计算出对应的抛光头中心点的坐标;建立相邻两抛光点的弓高误差模型,仿真出弓高误差模型并分析弓高误差的变化规律;根据弓高误差变化规律,用等弓高误差变步长控制算法实现弓高误差的一致性,提高加工质量。     

非球面光学零件抛光技术

介绍了各种非球面抛光技术的基本原理及特点,供选择合适的抛光方法和技术时参考,并对此作了前景展望,指出了今后的重点研究方向。     

立、卧式磁性复合流体抛光对比实验研究

针对磁性复合流体(MCF)抛光的两种抛光头,进行MCF抛光特性对比实验研究。开展了黄铜H26的平面抛光实验,调查立式和卧式抛光头分别对工件材料去除率、表面形貌与粗糙度以及MCF水分损耗等抛光特性的影响。实验结果表明,卧式MCF抛光能够较快地降低表面粗糙度,获得较高的材料去除率,MCF水分损失相对较快;立式MCF抛光能够在相对较长时间内获得稳定的材料去除率和表面粗糙度,MCF水分损失也较为平稳。     

硅油基磁性复合流体斜轴抛光特性研究

根据磁流体和磁流变体在流体性能方面各自特点,制备了硅油基磁性复合流体并对不锈钢材料进行了斜轴抛光试验,以研究硅油基磁性复合流体斜轴抛光特性。硅油基磁性复合流体由纳米级的Fe3O4,微米级的金刚石磨粒,微米级的铁粒子和α纤维素以及硅油等组成。测试了磁性复合流体的磁场流变特性,分析了磁性复合流体在磁场作用下形成磁链的质量和长度。在斜轴抛光设备上利用硅油基磁性复合流体进行抛光不锈钢表面试验,并测量了不锈钢表面微观形貌,获得R a0.020μm的表面粗糙度。     

磁性复合流体抛光过程中水分对抛光性能的影响

磁性复合流体(Magnetic Compound Fluid,MCF)具有优异的抛光性能,然而MCF抛光液中的水分在抛光过程中流失,抛光性能随之降低,这将增加抛光成本并严重影响MCF抛光的工程应用。针对磁性复合流体抛光液在抛光过程中水分流失的问题,探究了抛光过程中MCF水分含量对MCF形貌特征、抛光区域温度、正压力与抛光质量的关系,构建MCF中水分对抛光质量的影响机理。首先,分析了抛光过程中不同水分占比抛光液对抛光性能的影响规律,采用工业相机观察MCF抛光液抛光前后的形貌特征。然后,通过总结抛光过程温升-磁流体状态-抛光作用力-抛光质量的内在联系,构建不同水分含量MCF的抛光机理。最后,通过向MCF抛光液中定量补充水分,有效地缓解了MCF抛光液抛光效果降低的问题。实验结果表明：(1)当MCF抛光液水分占比为45%时初始抛光效果较好,抛光10 min内工件的表面粗糙度由0.410μm下降到0.007μm;而使用已持续抛光50 min的MCF加工10 min后工件的表面粗糙度由0.576μm下降到0.173μm。MCF随着抛光时间的增加MCF抛光性能大幅下降;(2)随着抛光液中含水量的降低...     

磁场分布对磁性复合流体抛光材料去除率的影响

针对光学玻璃抛光效率和抛光精度不断提高的需求,提出采用磁性复合流体(Magnetic compound fluid,MCF)抛光轮进行抛光加工的方法,并自行研制出相应的抛光试验装置。运用标量磁位法、矢量叠加原理,建立MCF抛光轮外部空间磁场分布的解析表达式,通过对比分析磁铁磁场强度的解析计算结果和实际测量结果,说明解析表达式能较好地反映抛光轮外部空间磁场的分布规律。以Preston方程为依据,分析磁场产生的磁化压力对被加工工件表面材料去除率的影响规律;在自行研制的试验装置上利用磁性复合流体对熔融石英玻璃进行120 min的往复抛光加工,当两个环形磁铁采用NS-SN和NS-NS磁极布置方式时,最大材料去除深度分别为13 m和8 m,而且采用NS-NS磁极布置方式时,在工件中部的材料去除量几乎为零,因此NS-SN磁极布置方式由于其产生的磁场强度较大,从而导致其材料去除率也较大,验证不同磁场分布对熔融石英玻璃材料去除率的影响。     

光学玻璃磁性复合流体抛光应力与材料去除率的实验研究

根据光学玻璃元件超精密加工技术的需求,研究自旋转式和行星旋转式磁性复合流体(MCF)抛光的应力分布和材料去除率。首先,设计可实现自旋转和行星旋转抛光装置,搭建抛光实验平台;然后,进行自旋转式和行星旋转式MCF抛光实验,通过自行设计抛光应力分布测试实验分析了两种抛光方式的应力分布规律;最后,通过定点抛光实验,对抛光前后的工件表面轮廓进行检测,计算并分析两种抛光方式的材料去除率。实验结果表明,立式的两种抛光方式,正应力均明显大于剪切应力,工件外侧受到的剪切应力大于中心受到的剪切应力,行星式抛光的材料去除率明显大于自旋转式抛光的材料去除率。     

光学非球面零件机器人抛光工具的研究

以高硼玻璃零件为研究对象,自主研制设计了一种光学抛光加工的工具,可抛光非球面凹面光学零件;分析了机器人抛光工具的构成以及进动运动方式和抛光加工的原理。根据实际生产情况,抛光工具结合机器人对非球面零件凹面进行抛光加工,得到了较好的实验结果。表明这套抛光工具是一种实用的、经济的,可以用于光学非球面的高精度抛光,为应用机器人做光学非球面零件柔性抛光提供了一种有效的途径。     

Ni-P镀层的磁性混合流体抛光

采用磁性混合流体(Magnetic compound fluid,MCF)对光学镜头模具的镍-磷(Nickel phosphorus,Ni-P)镀层表面进行抛光研究。试验中使用两种构成成分的MCF:常用的BASF制HQ铁粉(Carbonyl-iron-particles,CIPs)和Al2O3磨粒基MCF1以及新型的表面ZrO2磨粒(50~100 nm)涂层铁粉基MCF2。两种成分的MCF都消除了Ni-P镀层表面单晶金刚石车削残留的螺旋状切削痕。但使用MCF1,由于Al2O3磨粒相对于ZrO2磨粒较大且较硬,易引入抛光痕及铁粉粒子的嵌入,难以进一步改善Ni-P镀层的表面质量。采用新型ZrO2磨粒涂层铁粉基MCF2,则没有引入抛光痕及粒子的嵌入,实现Ni-P镀层表面粗糙度方均根值(Root mean square,RMS)和Ra的改善。通过在x轴和y轴方向设计抛光路径,使粒子均具有相对运动速度,同时改善了Ni-P镀层的表面粗糙度及平坦度。初步证明了磁性混合流体抛光亦可用于较软的磁性材料表面的纳米级光整加工。     

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.     

回转对称非球面气囊抛光控制算法研究

介绍一种新型的非球面光学零件抛光方法———气囊抛光,这种方法可以得到高质量的光学表面。针对气囊抛光加工回转对称非球面的特点,进行抛光路径规划,对去除函数进行降维处理,提出抛光驻留时间的计算方法。最后,给出抛光算法的实现框图,并按照实现框图指导实际的玻璃非球面加工,取得满意结果,验证了算法的有效性。     

平行于电场的磁场对磁力电解复合抛光的影响

在传统的磁力电解复合抛光中,外加磁场的方向与电场方向垂直。通过给电解抛光外加一个平行于电场的磁场,对带电离子的运动状况进行分析,建立了带电离子运动的数学模型。并求出了带电粒子的速度方程和轨迹方程,分析了磁场在磁力电解复合抛光中的作用。由于所加磁场的作用,减小了电化学反应的浓差极化,加速了电化学反应速度和效率。通过实验,验证了该模型的合理性和对磁场功能分析的正确性。     

Parameters optimization on surface roughness improvement of Zerodur optical glass using an innovative rotary abrasive fluid multi-jet polishing process

With the advance of contemporary technology, high precision surface finishing techniques for optical glasses are of great concern and developing to meet the requirements of the effective industrialized processes. Not only the used tools but also process parameters have great influence on the surface roughness improvements. In this paper, surface roughness improvement of Zerodur optical glass using an innovative rotary abrasive fluid multi-jet polishing process has been presented. For the same purpose, a tool for executing ultra precision polishing was designed and manufactured. Taguchi's experimental approach, an L₁₈ orthogonal array was employed to obtain the optimal process parameters. ANOVA analysis has also been carried out to determine the significant factors. It was observed that about a 98.33% improvement on surface roughness from (R_a) 0.360 μm to (R_a) 0.006 μm has been achieved. The experimental results show that a surface finished achieved can satisfy the requirements for optical-quality surface (R_a < 12 nm). In addition, the influence of significant factors on surface roughness improvement has been discussed in this study.     

剪切阀式磁流变液减振器磁路设计方法

激流变液减振器是新型的智能化减振装置，在汽车、机械以及土木工程减振领域具有广泛的应用前景。设计磁路是设计此类减振器一个关键技术。这里研究了在土木及汽车减振领域最具应用潜力的剪切阀式磁流变液减振器的磁路设计计算方法。发现了磁路最小断面面积是影响磁场强度的的关键因素之一，进而提出了磁路设计中应该注意的几个基本问题。     

基于灰色预测控制的磁流变抛光液循环控制系统

保证磁流变液成分的稳定,即保证磁流变液零磁场粘度的稳定,进而保证抛光过程中材料去除模型的稳定, 是磁流变抛光技术实现确定性加工的必要条件。讨论了研制的磁流变液循环控制系统,通过检测磁流变液在喷嘴中的沿程压力损失来测量磁流变液零磁场粘度,并针对其粘度控制是大时延系统的特点,采用灰色预测控制算法,实现了磁流变液零磁场粘度的闭环控制,较好地解决了磁流变液的成分稳定控制问题。     

模拟复合正交神经网络在轴向磁轴承中的控制研究

由于磁轴承的动态性能主要取决于所采用的控制规律,控制器是磁轴承系统的关键.在数字复合正交神经网络(NN)的基础上,提出了一种模拟复合正交神经网络,并用于轴向磁轴承的控制中.控制器采用模拟复合正交神经网络与PID的并行控制方法,对带有负载干扰的轴向磁轴承控制系统作了PID控制与NN PID控制的仿真实验.仿真结果表明,相对于常规PID控制器,该并行控制法具有较高的抗干扰与自适应能力-控制效果理想.