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。     

高精度离轴凸非球面反射镜的加工及检测

为了提高离轴凸非球面反射镜的面形精度和光轴精度,研究了离轴凸非球面反射镜的加工与检测技术。首先,描述了离轴三反消像散(TMA)光学系统以及作为该光学系统次镜的离轴凸非球面反射镜的光学参数和技术指标。然后,介绍了非球面计算机控制光学表面成型(CCOS)技术及FSGJ非球面数控加工设备。最后,给出了非球面研磨阶段检测用的轮廓测量法和离轴凸非球面抛光阶段检测用的背部透射零位补偿检测法,并对背部透射零位补偿检测中离轴凸非球面反射镜光轴精度的控制技术进行了研究。检测结果表明:采用背部透射零位补偿检测法检测得到的离轴凸非球面反射镜的面形精度为0.017λ(均方根值,λ=0.632 8μm);用Leica经纬仪测量反射镜的光轴精度其结果达到9.4″,满足光学设计技术指标要求。     

小型非球面轮廓测量仪的原理及应用

介绍了自行研制的FLY-I非球面轮廓仪的设计以及测量软件数学模型,其实用精度为1～2 μm.光学元件的抛光精度取决于精磨精度,本实验室现有的LOH高精度铣磨机床经过对第1次精磨后的光学元件面形进行修正,2次精磨后其精磨精度可达到2 μm.研究了这一非球面轮廓仪以配合LOH铣磨机床,测量得到1次精磨后的面形误差数据,经过误差反馈进行2次精磨,以保证光学元件的精磨精度.通过多次实验以及数据处理、分析,证明自行设计、装调的非球面轮廓仪达到了设计的精度要求,可满足实验室,光学加工车间对小型非球面精磨阶段面形的检测要求,即精磨面形误差在2 μm以内,同时也可直接用于中低精度非球面光学元件的最终检测.     

Ф420mm高次非球面透镜的加工与检测

介绍了Ф420mm熔石英高次非球面透镜的加工与检测方法。对现有数控加工工艺进行了优化,通过分工序加工方式,依次采用机器人研磨、抛光和离子束修形技术完成了透镜的加工。进行非球面透镜检测时,考虑透镜的凹面为球面,利用球面波干涉仪对其面形进行了直接检测,剔除干涉仪标准镜镜头参考面误差后,透镜凹面的精度达到0.011λ-RMS;针对透镜的凸面为高次非球面,采用基于背后反射自准法的零位补偿技术对其进行面形检测,其精度达到0.013λ-RMS。最后,采用一块高精度标准球面镜对加工后透镜的透射波前进行了自消球差检测,得到其波前误差为0.013λ-RMS。试验结果表明,非球面透镜各项技术指标均满足设计要求。所述工艺方法亦适用于更大口径的非球面透镜及其他类型非球面光学元件的高精度加工.     

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)。     

微机控制光学非球面加工

光学非球面加工控制系统是由主机IBM-PC与直接控制(单板机)两级组成的分布式控制系统。IBM-PC完成对非球面面形误差的分析与计算进而自动生成加工程序;单板机控制装置控制抛光机,带动抛光模按加工程序要求,在非球面表面运动。本文主要介绍数控装置的实现,系统安全,断电保护措施以及IBM-PC与单板机双机通讯等。 1.系统的组成及工作原理在光学系统中,应用非球面能够校正像差,改善像质,简化光学系统结构,减轻重量。因而在航空航天光学系统,天文观测,红外技术等诸多方面都有广泛的应用价值。但由于非球面加工与检测的困难,使其应用受到阻碍。对高精度的大型非球面,目前国内一般采用普通研磨抛光法,用刀口仪测量根据阴影图来定性判断误差,在抛光机上,由人工修正抛光模,来控制加工精度。     

中等口径光学非球面的高效研抛技术

介绍了一种弹性模抛光与小磨头修正抛光相结合的两步研抛法实现中等口径光学非球面表面的快速抛光。利用弹性模预抛光来保证小工具抛光模型的准确稳定,并采用补偿的方法减小弹性模抛光对面形精度的破坏作用。然后利用优化的小磨头修正残留的表面误差来提高抛光精度。应用上述方法加工非球面,在较短的抛光周期中,获得的面形P-V精度达0.35μm。     

应用旋转法实现大口径非球面反射镜零重力面形加工

为了在地面制造环境下实现大口径空间非球面反射镜的零重力面形加工,建立了基于重力卸载的高精度旋转检测工艺方法。首先对N次等间隔旋转法的基本原理进行了介绍,并结合一块Ф1 290mm ULE材料的非球面反射镜加工实例,分别给出了旋转法实施环节中的旋转角度和偏心误差控制方法,实际角度误差和偏心误差分别优于0.1°和0.1mm。然后,在低精度阶段采用了3次旋转法对检测结果进行处理,主镜面形精度快速收敛至0.029λ-RMS;同时由于应用旋转法而导致镜面上的对称性误差累积放大,进行了针对性去除,面形精度进一步收敛至0.023λ-RMS。最后,采用了6次旋转法对检测结果进行处理并指导光学加工,反射镜6个方向下的实测面形精度为0.012λ-RMS,去除重力变形误差后面形精度达到了0.010λ-RMS,该面形可以认为是卫星入轨后零重力空间环境下的反射镜面形。文中所述加工工艺方法不仅适用于米级口径,还适用于更大口径空间非球面反射镜零重力面形的高精度加工。     

光学非球面零件凹面的机器人柔性抛光

在光学系统中,非球面零件起到非常大的作用,但是如何得到合格的光学非球面零件是重点和难点。使用工业机器人替代传统手工抛光方式对光学非球面零件凹面进行加工的基本思想是在机器人末端连接1个抛光盘,抛光盘要比光学工件的最大面形直径小得多,在工件表面上沿设计好的轨迹运动,使工件面形误差收敛在可接受的范围内。结合实际工作内容,研制了用于光学非球面零件凹面抛光加工的机器人柔性抛光系统,采用主动式的力控制方式来应对机器人与接触环境间的接触力,并对精密铣磨成型后的光学非球面镜零件凹面进行快速确定性抛光加工试验,得到了较好的试验结果。试验结果证明了使用机器人可以为光学非球面零件凹面做柔性抛光。     

Ф50mm石英非球面零件批量化生产数控研抛技术的应用研究

非球面光学元件的加工技术在近些年有了一定的发展,如计算机数控单点金刚石车削技术、光学玻璃透镜模压成型技术、光学塑料成型技术、计算机数控研磨和抛光技术、环氧树脂复制技术、电铸成型技术以及传统的研磨抛光技术等。目前,世界先进国家均开展了光学非球面的数控铣磨和抛光技术的研究,如美国的Rochester大学和以德国Satisloh、Optotech、LOH公司等为代表,利用计算机自动控制技术,实现非球面元件的快速精密铣磨成型,并且能够保证光学零件具有较高的面形精度。国内的凤凰、中光学、舜宇等企业均已将发展非球面镜技术和产品作为企业发展和新产品开发的重要方向。     

Research on the error analysis and compensation for the precision grinding of large aspheric mirror surface

The purpose of this paper is to propose a compensation grinding method for large aspheric mirror surface. Because the tradition grinding is not suitable for large aspheric mirror surface, in this paper, a grate parallel grinding in 3-axis and an on-machine measurement system are applied. Based on that, it presents the errors that mainly affect the form accuracy and technology of compensation grinding. An experiment of compensation grinding was carried out for large aspheric mirror surface. With the separation of decentering, wheel arc, and residual grinding system error, the PV value further decreased comparing to tradition compensation. These results indicated that this compensation can improve the form accuracy significantly in large aspheric mirror surface grinding.     

F-Theta自由曲面透镜的精密与镜面磨削

针对光学玻璃的F-Theta自由曲面透镜加工困难等问题,提出将金刚石砂轮的椭圆环面代替圆环面,进行F-Theta自由曲面磨削加工,研究形状误差的补偿磨削方法和光学玻璃的镜面磨削工艺。根据F-Theta透镜的自由曲面建立砂轮与工件相切的刀具轨迹法向算法。采用#46粗金刚石砂轮修整成椭圆环面,提出自由曲面磨削的法向误差补偿加工模式。最后,采用#3000超细金刚石砂轮的椭圆环面进行轴向磨削试验。试验结果表明:传统的垂直误差补偿磨削可减小面形误差45.9%及其PV值11.6%;而新提出的法向误差补偿磨削可减小面形误差47.9%及其PV值41.5%。此外,超细砂轮磨削可使得自由曲面的粗糙度达到28 nm,其镜面磨削工艺有别于较粗砂轮磨削工艺。因此,椭圆环面砂轮的法向补偿磨削是提高自由曲面加工精度的有效方法,而且,无需研磨抛光就可以实现光学玻璃的自由曲面镜面磨削。     

支持挤出平模头自动化研磨的测量技术

针对目前国内尚无快速、经济、有效的解决挤出平模头自动化研磨平模头直线度检测的现状,通过对测量对象的深入研究,建立了测量数学模型,提出了挤出平模头直线度测量方法。该方法通过计算机对一条假设的正弦波曲线进行测量精度模拟验证,并考虑定位误差等影响最终结果的误差;对得到的目标曲线按照形位公差国家标准,使用最小条件的原则进行直线度评定。通过几组实验的数据总结,从而验证此测量方法的可行性。     

采用单位激励影响矩阵数值计算的瑞奇-康芒检测技术

在影响矩阵法瑞奇-康芒检验中,恢复被测面形的关键在于构建被检平面面形误差与系统波像差之间的Zernike系数影响矩阵。为了提高瑞奇-康芒法的检测精度,研究了采用单位激励法来精确计算影响矩阵的方法。分别重构平面镜仅包含某一种Zernike波像差下的系统波像差分布,经Zernike拟合得到该种Zernike像差的影响系数向量;由各Zernike像差的影响系数向量组成影响矩阵,然后用最小二乘拟合出被检平面面形。对口径为90mm的平面镜进行实际检验,在瑞奇角为26.5°与40.6°的情况下进行波前恢复,得到被检平面镜PV值为0.141 3λ,RMS为0.019 4λ。与直接采用平面参考镜检测相比,瑞奇-康芒法检测误差PV值为0.082 8λ,RMS为0.010 9λ。该方法能够精确生成影响矩阵,抑制了影响矩阵法中对大F数的依赖,可用于精确恢复平面镜面形。     

Shack-Hartmann波前传感器检测大口径圆对称非球面反射镜

针对大口径非球面反射镜在研磨阶段后期其面形与理想面形存在较大偏差,且表面粗糙度较大、反射率较低,采用轮廓仪和普通干涉仪检测无法满足测试要求等问题,提出采用动态范围大且精度高的Shack-Hartmann波前传感器来检测大口径非球面反射镜.研究分析了Shack-Hartmann波前传感器检测系统的原理及系统误差并编写了相应的数据处理软件.为了验证该方法的可行性,对已经加工完成的350 mm口径旋转对称双曲面面形进行了检测,测量得到的面形误差PV值、RMS值分别为0.388λ、0.043λ(λ=632.8 nm);与干涉测量的标准结果进行了对比,得到的面形偏差PV值、RMS值分别为0.014λ和0.001λ.对比结果表明,Shack-Hartmann波前传感器的测量结果正确可靠,从而验证了Shack-Hartmann波前传感器检测大口径非球面反射镜的可行性.     

大口径SiC离轴非球面的高效磨削加工

研究了空间遥感器用大口径SiC离轴非球面的超声复合磨削加工工艺。分别对磨削原理、金刚石砂轮结合剂选择、机床选取、磨削参数设定等进行了分析,并设计和规划了磨削工艺流程。基于逆向工程原理建立了高精度离轴非球面模型,创立了激光跟踪仪精磨阶段在线测量大口径离轴非球面的工艺。结合工程实践对一口径为700mm×700mm的SiC高次离轴非球面元件进行了逆向工程建模和超声磨削加工试验,并利用激光跟踪仪进行了在线检测。经过3个周期(每个周期4h)的修磨,其面形精度PV值和RMS值分别由45.986μm和7.949μm收敛至12.181μm和2.131μm;与三坐标测试结果进行对比,其PV值和RMS值的偏差分别为0.892 3μm和0.312 8μm。实验显示,提出的磨削工艺实现了大口径SiC离轴非球面的快速精确磨削,其加工精度、效率以及表面质量都有了很大的提高。     

A swing-arm on-machine inspection method for profile measurement of large optical surface in lapping process

Generally, the optical components are fabricated by grinding, lapping, and polishing.And, those processes take long time to obtain such a high surface quality. Therefore, in the case of large optical component, the on-machine inspection (OMI) is essential. Because, the work piece is fragile and difficult to set up for fabricating and measuring. This paper is concerned about a swing-arm method for measuring surface profile oflarge optical concave mirror. The measuring accuracy and uncertainty for suggested method are studied. The experimental results show that this method is useful specially in lapping process with the accuracy of 3–5 μm. Those inspection data are provided for correcting the residual figuring error in lapping or polishing processes.     

冲压模具零件的成形磨削工艺分析与设计

根据冲压模具零件图纸及技术要求进行工艺分析,通过模具工艺方案设计得出平面磨床成形磨削的加工方法和砂轮修整方法以及工艺尺寸计算,拟订平面磨形磨削工艺。同时,提出工件磨削步骤及注意事项,并对成形磨削工件进行精度检验及误差分析。实践证明:成形磨削工艺分析计算准确,公差分配合理,精度检验及误差分析有效,制造精度高。     

曲轴非圆磨削运动中动态误差及补偿

动态误差是影响曲轴非圆磨削加工精度的主要因素,动态误差补偿可实时修正磨削过程的各种误差,保证补加工工件的加工精度.通过分析曲轴非圆磨削过程中动态误差产生的原因,对非圆磨削中数控系统的伺服滞后误差进行了定量分析,并对以恒线速度为基础的运动模型进行了仿真计算,计算结果表明,伺服滞后误差严重影响加工精度,且数控系统的调整只能减少伺服滞后误差,不能消除伺服滞后误差.提出了采用神经网络预测曲轴非圆磨削过程的误差,并对补偿数据进行必要的延迟处理后进行相应的补偿,以解决在线测量的角度偏差.通过离线测量加工试验表明,采用径向基函数网络较好地解决了曲轴非圆磨削过程中的误差补偿.     

用单纯形法优化盆状砂轮的几何参数

指状砂轮磨削双偏置式球笼等速万向节的钟形壳椭圆沟道的理论误差大约在0.004 mm左右,为减少理论误差,提出了一种用来磨削等速万向节椭圆沟道的盆状砂轮.避免了指状砂轮头部的干涉,其参数优化的有效性和精确性得到了提高,能最大限度地保证加工截面的形状和精度.建立了盆状砂轮加工的数学模型,采用单纯形法对盆状砂轮的参数进行了优化,对其加工原理进行了详细的理论研究,并对加工误差进行了分析.仿真结果表明,用盆状砂轮磨削的椭圆沟道的理论误差可以减少到0.631mm.