应力抛光技术加工抛物面的实验研究

大口径非球面加工技术一直是先进光学制造领域研究的前沿课题,本文开展了以大型非球面应力抛光技术(SMP)为核心的相关先进光学制造技术的研究.研究了应力抛光技术的原理及算法,以加工一块口径为φ314mm,F/7的抛物面镜为例,验证应力抛光技术的合理性和有效性.采用干涉仪检测抛光结束的抛物面其峰值(PV)为3.317λ,均方根(rms)为0.489λ.结果表明,应力抛光技术能够以较高精度、快速地形成旋转对称的抛物面,其面形误差满足或接近于非球面面形的精度要求.     

光学元件检测技术的研究

介绍了光学非球面加工精磨阶段和抛光阶段的检测技术、柱面镜面形的测量方法、超高精度球面面形的测量方法和光学元件参数的高精度测量技术。     

基于立体相位测量偏折术的预应力薄镜面形检测

应力抛光技术通过在镜面上施加预定载荷,将包括自由曲面在内的非球面转化为球面进行加工,对加工镜面的形变进行精准检测是实现高精度应力抛光的关键。利用立体相位测量偏折术对预应力薄镜进行镜面面形和形变检测,获得被测镜表面的连续相位分布,结合表面法线唯一性与梯度分布积分,最终得到被测镜的高度分布和面形。模拟了系统误差成分,同时采用旋转平均法对系统误差进行标定去除,保证和提高了测量精度。对一块口径320 mm,球面半径5200 mm的预应力薄镜面形和变形量进行测量,静态测量结果与三坐标机测量结果对比,动态应变测量结果与有限元仿真结果对比,分别一致吻合,表明本文方法具备微米级的测量精度,相比于干涉仪和三坐标机更适用于大面形变化的预应力薄镜检测。     

光学加工技术的新发展

对于光学系统要求更好的性能,所以,不断努力寻求更有效的光学加工途径。派肯—爱尔姆在发展非球面和平面加工新技术方面已经得到三种新办法:(1)计算机控制非球面抛光,(2)平面的连续抛光,(3)借助精密表面铣磨机用单颗金刚石工具加工球面及平面。已经加工了口径大于20叶、不平度优于λ/8的光学平板。精密面形铣磨机已成功地用于铝、铜(或铜合金)金属反射镜的加工。     

工业机器人轮式抛光技术研究

本文结合机器人控制和轮式抛光技术的优点,开展了轮式技术研究。运用数值仿真模拟其抛光加工,论证了轮式抛光工具在精密元件抛光过程中的可行性;设计了可在机器人末端安装的轮式抛光工具,分析机器人轮式抛光控制逻辑和控制框架,建立基于轨迹和驻留时间的机器人抛光控制模型;开展机器人轮式抛光单点去除特性和环带去除特性性能测试实验,确定机器人轮式抛光工艺参数,实现样件表面整体自动研抛加工,面形误差由初始值PV：2.357λ,RMS：0.565λ,收敛到PV：1.431λ,RMS：0.242λ,初步达到预期的去除效果。研究表明,工业机器人轮式抛光方法是一种有效的表面抛光方法,在中高精度飞非球面元件的抛光中具有很大的潜力。     

小口径非球面的超精密车削和抛光组合加工

针对目前小口径非球面零件在超精密加工中存在的加工效率和加工精度等问题,分析了现今小口径非球面超精密加工方法及其特点,提出了一种超精密金刚石车削和斜轴磁流变抛光超精密组合加工方法．其中小口径非球面斜轴磁流变抛光方法的特点是抛光主轴采用倾斜安装,并且抛光头由外部旋转抛光体和内部励磁装置两部分构成．通过开发新型的小口径非球面超精密复合加工装备,对小口径单晶硅非球面进行了超精密组合加工实验．实验结果表明工件的表面粗糙度R。由车削后的9．1nm下降到抛光后的3．2mm,证明了该组合加工工艺是提高小口径非球面加工效率和精度的一种有效加工方法．     

超轻超薄反射镜制造过程中的变形控制研究

针对超轻超薄反射镜(超薄镜)径厚比大,自身刚度小、单独加工难度大的问题,采用基底支撑方式对超薄镜进行加工.我们研究了在加工过程中粘接,温度、应力等因素所导致的超薄镜变形的控制手段并对变形控制效果提出了评判方法.通过195 mm口径超薄铣工艺实验对控制变形的工艺进行改进,用改进后的加工工艺进行了340 mm口径的超薄镜制造,得到了比较理想的面形,下盘后PV值5.74λ,RMS值1.02λ(λ=632.8 nm).这表明在超薄镜制造过程中变形控制的技术方案可行,工艺改进方向正确.同时,实验结果表明,超薄镜制造过程中的变形最终表现为镜面出现非重力因素引起的像散.     

一种新的气囊式抛光方法的研究

针对气囊式小磨头抛光方法的缺陷,提出了一种新的气囊式抛光方法。本文对该气囊式抛光法的原理和抛光气囊的结构、运动方式等进行了阐述。在此基础上,结合装置开展了实验,给出了去除量、压力、粗糙度与时间的关系。研究结果表明,利用该气囊式抛光方法对非球面光学零件进行抛光,效果良好,表面粗糙度可达2nm,该方法能满足中高等精度的加工要求;该方法适合平面、球面、非球面、甚至任意曲面的抛光。     

Φ1.07 m,F/1.5非球面反射主镜在位检测塔的设计与应用

大型非球面反射主镜的检测,国内通常采用离线的卧式检测.由于气流、温度变化以及地基振动等环境因素,容易影响检测的可靠性和重复性.国外在大型非球面反射主镜的检测中普遍采用在位或离线的立式检测塔.本文针对Φ1.07 m,F/1.5非球面反射主镜在加工中的检测,在有限的加工环境中设计了一套分体式立式在位检测塔,由一个四维工作台调节平面反射镜来转折光路、一个五维工作台调节补偿器和一个五维工作台调节干涉仪以满足测量中自由度的调节需要.用有限元分析软件ANSYS对立式塔进行了应力和应变的设计分析以检验其刚性、重心位置和变形情况,以及避免与工件转台产生共振的模态分析.该检测塔在Φ1.07 m,F/1.5非球面反射主镜加工过程中得以用于检测测量,获得了稳定的干涉图和良好的重复性,工件接近完工时的检测结果为PV=0.3133λ.RMS=0.0243..     

计算机控制抛光大口径高陡度非球面技术研究

报告了计算机控制应力变形抛光盘加工大口径高陡度非球面技术的发展精况,讨论了这一方法的理论基础;给出了应力变形抛光盘的数学力学原理与结构特点;研究了机床的整体机械设计与电学系统设计原则;探讨了应力变形盘与抛光磨头轴的连接方式;最后讨论了发展这项新技术的若干初步考虑。