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。     

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。     

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。     

基于PZT的非球面能动抛光盘定位误差分析

摘要：变形抛光盘能够改变面型以用于非球面镜加工。基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光磨盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面型,为中小口径非球面镜加工提供了一种新的工具。非球面能动抛光磨盘在相对非球面工件移动时,根据位置,计算出每个PZT驱动器的变形量。因此定位误差会引起压电陶瓷驱动器的变形误差,从而造成输出的非球面面型误差。本文对定位误差进行了理论分析和计算,根据计算结果,定位误差应该限制在±0.5mm。     

全口径环形抛光的光学元件面形误差影响因素及其控制

全口径环形抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一,其瓶颈问题是元件面形的高效高精度控制。通过研究元件面形的影响因素及其控制方法从而提升其确定性控制水平。围绕影响面形误差的运动速度、抛光盘表面形状误差和钝化状态等关键工艺因素,建立基于运动轨迹有效弧长的环形抛光运动学模型,揭示了抛光盘表面开槽槽型对面形误差的影响规律;提出了采用位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面并通过插值算法生成其形状误差的方法,建立基于小工具的子口径修正方法,实现了抛光盘形状误差的在位定量修正;提出抛光盘表面钝化状态的监测方法,研究了抛光盘表面钝化状态对面形误差的影响规律。结果表明：抛光盘表面开槽采用环形槽时元件表面容易产生环带特征,采用径向槽、方形槽和螺旋槽时元件表面较为匀滑;通过在位定量检测和修正抛光盘形状误差,可显著提升元件的面形精度;随着抛光盘表面的逐渐钝化,元件面形逐渐恶化。在研制的5 m直径大口径环形抛光机床上加工800 mm×400 mm×100mm平面元件的面形PV值优于λ/6（λ=632.8 nm）,提升了元件的面形控制效率和精度。     

对于非球面度较大的非球面光学零件的加工方法

在特种光学加工中，对于非球面度较大的非球面零件加工，无论是铣磨还是抛光。都存在一定难度，特别是在最大非球面度处有较小拐角的非球面零件，铣磨时磨轮由于加工轨迹在拐角处的突变，易撞掉或撞碎零件，而抛光时在具有较小拐角处更难以抛亮，同时也增大了修抛难度。本文针对此问题，以加工非球面Si单晶为例，在保证有效口径情况下，通过在该透镜的最大非球面度处(或附近某点处)作切线至透镜口径处的加工方法，使光洁度得到有效改善，同时进行面形修正补偿，使非球面面形最大偏差(Rt)达到1μm以下。     

大口径光学元件的机械手抛光

为满足大口径光学元件多模式组合加工技术(MCM)的需要,研制了JP-01型数控抛光机械手。该机械手采用柱坐标结构,ρ-θ极坐标运动方式,ρ、θ两轴联动完成MCM加工所需各种运动。运用齐次坐标变换理论和Preston方程,在分析机械手抛光过程中工件表面上任意一点的相对速度、压强及抛光时间的基础上,建立了机械手抛光的材料去除数学模型,同时求解了JP-01型机械手的位姿转换矩阵。运用所建立的数学模型对MCM加工中修正环带误差和局部误差时单个抛光盘常用运动模式的材料去除特性进行了计算机模拟。应用JP-01型机械手对一口径为240 mm,F数为1.5的球面反射镜进行了确定性抛光实验,最终面形精度达到14.6 nm(RMS)。实验表明,所测得数据与理论分析数据吻合,建立的数学模型能真实反映材料去除分布特性,可以指导抛光实现确定性加工,JP-01型机械手能够提供MCM加工所需运动形式。     

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.     

光学非球面磁性复合流体抛光运动控制算法设计

为了实现高精度光学非球面元件超精密抛光加工的需要,设计了光学非球面磁性复合流体抛光运动控制算法。通过分析光学非球面磁性复合流体抛光加工原理,建立抛光头在加工过程中相对非球面表面的位态变换关系,采用D-H法建立抛光试验台运动学模型,求解抛光过程中抛光头位姿量,运用逆向运动学求解方法计算试验台运动量;开展工艺实验,对该运动控制算法进行验证。实验结果表明,所设计的抛光运动控制算法能够准确指导光学非球面元件抛光加工。     

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。     

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.     

小口径非球面碳化钨模具的抛光工艺研究

提出了一种采用具有粘弹性特征的聚酯纤维布包裹小尺寸刚性球头作为抛光工具的抛光方法。该抛光方式所采用的抛光工具可以很好地适应小口径非球面模具的形状变化而不易发生干涉。首先,结合Preston方程推导出该抛光方法下单位时间去除函数模型;然后,将单位时间去除函数应用于小口径回转对称非球面碳化钨模具的面型修正抛光,经过补偿抛光,其面型误差PV值(Peak to valley)从1.414μm改善至0.109μm,表面粗糙度降至4.899 2 nm,验证了该方法用于小口径碳化钨模具面型误差修正抛光的有效性。     

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...     

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.     

微小非球面光学模具单点斜轴误差补偿磨削

针对微小非球面光学透镜模具的纳米单点斜轴误差补偿磨削进行研究。通过分析比较传统的直交轴磨削法,提出微小非曲面光学模具的单点斜轴磨削方式,有效避免微细砂轮在加工微小非球面时发生干涉情况;采用单点恒定磨削方式提高微小非球面磨削的稳定性及精度。通过分析磨削区域内微细砂轮与微小非球面的干涉情况,从而合理计算并选用较高强度的微细砂轮。提出微小非球面误差补偿磨削策略,分析砂轮的对心误差(x轴向和y轴向)对形状精度的影响,采用法向残余误差补偿的方法对加工后的形状误差进行超精密补偿磨削。利用超精密磨床对口径为2 mm的超硬热压模具碳化钨材料的微小非球面进行纳米单点斜轴误差补偿磨削试验,经过三次超精密磨削及误差补偿循环,其形状精度PV从1 034 nm改善至146 nm,表面粗糙度达到Ra2.19 nm。     

并联机构在磁流变抛光装置中的应用

论述了非球面光学元件在现代工业领域中的重要性及其面型修整与抛光中存在的困难,在分析了传统磁流变抛光装置原理的基础上,提出了将Stewart并联机构应用于磁流变抛光装置的方法,该方法对于非球面光学元件的精密抛光具有重要的参考价值.