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。     

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。     

自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制方法验证

自由曲面光学元件因其优越的光学性能得到越来越广泛的应用,当前已提出一些自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制方法。针对这些进动运动控制方法进行实验加工验证,首先介绍了较为主流的进动运动控制理论,并总结了实验加工操作方法,根据已有的进动运动控制方法计算出气囊抛光机器人两虚拟轴的转角,并将转角值输入到气囊抛光机床进行实验加工。最终加工的工件表面质量符合要求,证明了已有的自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制方法的正确性。     

高陡度非球面光学元件加工技术研究

高陡度非球面光学元件因形状特点,其毛坯成形、研磨和抛光等加工技术难度远高于传统的球面元件.其加工过程中根据不同材料和不同加工阶段分别应用化学气相沉积(CVD)精密复制方法、单点金刚石车削(DPT)、金刚石磨削、确定性微研磨(DMG)、磁流变抛光(MRF)和射流抛光等先进制造技术.分析高陡度非球面光学元件的形状特征,重点讨论高陡度非球面光学元件的加工技术及关键工艺,针对凹面抛光加工等技术难点做出工艺分析.     

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。     

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.     

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)。     

自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制技术

针对自由曲面光学元件的加工特点,研究气囊抛光自由曲面光学元件进动运动控制技术,用于求出气囊工具进动过程中两虚拟轴的转角,实现对气囊自转轴空间位置的控制.以气囊自转轴为研究对象,由于自由曲面光学元件上每个点的法线三维坐标都不相同且气囊进动抛光过程中气囊自转轴与工件加工点局部法线夹角不变,提出建立基坐标系和抛光点对应三维空间坐标系的方法,得到抛光过程中气囊自转轴的空间位置变化情况,而后利用旋转坐标变换得到气囊抛光进动运动控制模型;在所建立的自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型中加入控制算法,求出抛光自由曲面光学元件各点时气囊工具两个虚拟旋转轴的转角.利用Matlab对自由曲面光学元件不同方向截面进行仿真抛光试验,得到自由曲面各方向上气囊抛光进动运动曲线以及仿真进动角曲线,结果证明了自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型及控制算法的正确性.     

气囊抛光过程的运动精度控制

针对用于球面、非球面光学元件超精密光学加工的气囊抛光技术,提出了一套控制抛光过程中气囊运动精度的方法。该方法通过控制加工单元的温度,保证抛光过程中设备运动精度达到50μm;使用坐标传递法,使检测数据二维方向对准不确定度达到0.30~0.70mm。另外,基于磨头去除量估计与反馈修正法,提高精抛过程面形误差收敛效率。最后,通过磨头探测校准法,将磨头与加工工件法向位置精度提高至10μm。实际抛光实验显示:使用运动精度控制法在280mm口径的平面精密抛光中获得的面形加工精度为0.8nm(RMS),在160mm口径的凹球面精密抛光中获得的面形加工结果为1.1nm(RMS),实现了超高精度面形修正的目的,为超高精度球面、非球面光学元件加工提供了一套行之有效的方法。该方法同样适用于其他接触式小磨头数控抛光方法。     

Investigation on the polishing of aspheric surfaces with a doughnut-shaped magnetic compound fluid (MCF) tool using an industrial robot

Aspheric elements have become essential optical surfaces for modifying optical systems due to their abilities to enhance the imaging quality. In this work, a novel method employing a doughnut-shaped magnetic compound fluid (MCF) polishing tool, and an industrial robot was proposed for polishing aspheric surfaces. Firstly, investigations on the MCF tool, including the formation process and geometry, were conducted to form an appropriate polishing tool. The distribution of abrasive particles was observed using SEM and EDX mapping. Thereafter, a conic workpiece constructed from 6061-aluminum alloy was selected as the workpiece, which was used to discover the effects of the parameters on the polishing ability of aspheric surfaces. Finally, a polishing experiment was conducted with an aspheric element under the optimized conditions. The obtained results are shown as follows. (1) A relatively regular MCF tool was obtained when the eccentricity (r), amount of MCF slurry supplied (V), revolution speed of the MCF carrier and magnet (n_c and n_m, respectively) were given at appropriate values. (2) Abrasive particles entrapped in or attached to the clusters were observed abundantly on the MCF tool sample. (3) The surface profile of the conic workpiece after 60 min of polishing indicated that material was removed evenly, and an annular polishing area was attained. Meanwhile, a higher material removal rate and better surface roughness were achieved with a smaller working gap (h) and larger volume of the MCF slurry supplied (V). (4) The roughness (Ra) of the aspheric surface decreased from 49.81 to 10.77 nm after 60 min of polishing. The shape retention obtained a Pearson correlation coefficient (Pcc) of 0.9981, which demonstrated that this novel method is appropriate for polishing aspheric elements.     

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。     

磁流体辅助抛光工件表面粗糙度研究

给出了磁流体辅助抛光的机理,以及依据Preston方程建立的磁流体辅助抛光的数学模型。并通过实验详细研究了磁流体辅助抛光后工件的抛光区形状,以及抛光区内表面粗糙度情况。最终加工出了表面粗糙度为0.76 nm(rms值)的光学元件,其高频表面粗糙度达到0.471 nm(rms值),满足了对一定短波段光学研究的要求。结果表明:磁流体辅助抛光可以用于对光学元件进行超光滑加工;在磁流体辅助抛光过程中,较大粒度的磁流体抛光液有利于工件表面粗糙度快速降低,较小粒度的磁流体抛光液可以获得更加光滑的光学表面。     

随动压力分布下的非球面抛光去除函数

考虑去除函数对数控小工具抛光光学元件精度的影响,提出了如何根据需要加工的非球面参数以及抛光盘参数得到最优去除函数的方法。由于计算非球面上去除函数的核心是准确获得抛光盘与镜面间的动态压力分布,本文提出利用有限元法仿真抛光盘与非球面间的压力分布,并结合经典Preston方程与行星运动模型来得到非球面不同位置处的去除函数。基于随动压力分布模型,分析了沥青盘抛光非球面时在不同抛光位置处去除函数的变化。在曲率半径为1 000mm的球面上进行了去除函数验证实验。结果表明:基于本文理论得到的去除函线型更接近实际情况,皮尔逊系数达到了0.977。本文提出的方法可以方便地调整加工位置来得到相应的压力分布,实现去除函数的优化,对提高加工效率与精度有实际指导意义。     

Effect of the components of Magnetic Compound Fluid (MCF) slurry on polishing characteristics in aspheric-surface finishing with the doughnut-shaped MCF tool

For the aspheric optical surface finished with a doughnut-shaped MCF (magnetic compound fluid) polishing tool, the performance of the polishing tool depends mainly on the properties of the MCF slurry. Therefore, understanding the effect of each MCF slurry component on the polishing characteristics is crucial to developing novel polishing techniques. In this paper, the polishing principle was depicted and the corresponding polishing jig was constructed with a six-degree-of-freedom manipulator. The conical surfaces, which were considered as special aspheric surfaces, were experimentally polished under proper polishing conditions to examine the effects of the carbonyl iron particles (CIPs) concentration and the sizes of the abrasive particles (APs) on the polishing ability to remove material/tool marks and improve work surface qualities. Theoretical analyses were also performed to gain a more comprehensive understanding of the behaviors of CIPs and APs in the magnetic field. The results were shown as follows: (1) The CIPs concentration affected positively the magnetization of the MCF slurry, leading to better performance in the removal rate of material/tool marks when a higher CIPs concentration of was applied. The best surface quality was attained with a CIPs concentration of 45 wt%. (2) Larger APs were beneficial for obtaining higher removal rates of material/tool marks. The APs with 1 μm in diameter were preferred for achieving a better surface quality. (3) Ferric clusters were formed along the magnetic line of force and their orientations changed periodically to stir the APs with the magnet revolution. (4) The Aps, at a given working gap, can squeeze the work-surface. The squeezing action was much more intense when larger APs and the MCF slurry with a higher magnetization were employed. (5) The material removal model suggested that the material was removed due to the APs and the relative motion between the work-surface and APs.     

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。     

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。     

大口径轴对称非球面气囊抛光进动运动建模及控制

研究大口径轴对称非球面气囊抛光进动运动建模及控制。分析气囊抛光机构及大口径轴对称非球面抛光进动工艺特点,确定以气囊自转轴线与气囊交点为研究对象,以气囊球心为原点建立气囊进动基础坐标系,根据大口径轴对称非球面连续进动抛光中各抛光点气囊自转轴与局部法线夹角值(即进动角)不变的原理,在分析每个抛光点时建立与其对应的坐标系,得到抛光该点时气囊自转轴与气囊交点在该点对应坐标系中的值,而后进行坐标变换,将抛光任意点时气囊自转轴线与气囊交点的位置换算至气囊进动基础坐标系中;根据大口径轴对称非球面方程、加工控制模型及前述的坐标变换运算结果,利用矩阵变换得到大口径轴对称非球面抛光的进动运动模型;在上述的运动模型中加入最有效率控制算法后进行运动学仿真,得到大口径轴对称非球面抛光的进动运动曲线,并通过仿真气囊自转轴线跟随加工点法线变化的趋势及比较仿真进动角与实际进动角验证所建立运动模型及控制算法的正确性。