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。     

机器人光学自由曲面气囊抛光工具的位姿研究

为了更好实现光学自由曲面的有效加工,根据计算机控制光学表面成型技术原理,将工业机器人与气囊抛光技术相结合,提出一种光学自由曲面加工的新方法。本文首先建立了机器人抛光系统,分析了气囊抛光工具与工件表面的抛光位姿关系,然后根据气囊抛光工具与工件表面的数学关系,提出一种气囊抛光工具的位姿求取算法。在此基础上,以六轴工业机器人为实验平台,对确定的自由曲面进行计算验证,规划出抛光路径,推导了气囊抛光工具姿态控制算法。结果表明,该位姿求取算法满足机器人气囊抛光技术的要求,能够实现理想的抛光工具姿态控制。     

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。     

环形气囊抛光技术的研究

气囊式抛光是一种极具发展潜力的抛光方法,在精密光学元件的加工领域具有广阔的应用前景.针对现有气囊式抛光磨头加工方法的不足,提出了一种环形气囊抛光技术,设计了气囊式环形抛光磨头的机械结构.基于环形气囊抛光实验平台,利用气囊式环形抛光磨头进行了工艺试验.实验结果表明,此种抛光技术能够实现光学零件高精度表面质量的加工.     

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。     

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。     

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。     

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)。     

气囊抛光工艺中接触面积的计算与仿真分析

针对气囊抛光非球面工件时,气囊为了适应工件表面而使得自身形状发生改变,其接触边界复杂多变难以确定以及接触面积难以计算的问题,对气囊研抛头抛光大型椭圆非球面的研抛过程进行了分析及适当的假设,建立了研抛头与非球面接触区域的数学模型,提出了一种以几何方法建立的接触面边界求解参数模型,并借助有限元软件ABAQUS和ADAMS对接触边界进行了仿真计算.研究结果表明,采用该算法得到的参数模型计算结果和三维实体接触软件模拟计算结果接近,说明该算法可用于气囊抛光工艺中接触边界和面积的求解.     

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。     

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。     

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。     

基于PZT非球面能动抛光盘的变形优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。一个口径100mm、含19个PZT驱动器的非球面能动抛光磨盘已经试制完毕,用于一个口径350mm、k＝－1.112155、顶点半径R=840mm双曲面镜的加工实验。为研究PZT压电陶瓷驱动器迟滞效应对非球面能动抛光盘输出面形的影响,实测各PZT压电陶瓷驱动器的电压位移特性曲线,用基于径向基函数的神经网络算法建立各PZT压电陶瓷驱动器位移输出特性的数学模型并实施补偿,实测各PZT压电陶瓷驱动器迟滞补偿前后的位移输出值。最后利用有限元分析方法,得到迟滞补偿前后非球面能动抛光盘的输出面形,以及剩余残差RMS相应分别为1.910um、0.342um。通过补偿各PZT压电陶瓷驱动器的迟滞效应,非球面能动抛光盘输出面形精度得到了提高,剩余残差RMS减少了82%。     

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。     

表面改性非球面碳化硅反射镜的加工

为了获得高质量光学表面的非球面碳化硅(SiC)反射镜,对碳化硅反射镜表面改性技术以及离子束辅助沉积(IBAD)Si改性后的非球面碳化硅反射镜的加工技术进行研究。首先,简要介绍了碳化硅反射镜表面改性技术以及本文所采用的离子束辅助沉积(IBAD)Si的改性方法。然后,通过采用氧化铈、氧化铝以及二氧化硅等各种抛光液对离子束辅助沉积(IBAD)Si的碳化硅样片进行抛光试验。试验结果表明氧化铈抛光液的抛光效率较高,使用二氧化硅抛光液抛光后的样片表面质量最好。最后,在上述实验的基础上,采用计算机控制光学表面成型（CCOS）技术对尺寸为650mm×200mm的表面改性离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜进行加工,最终的检测结果表明离轴非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）优于λ/50（λ=0.6328μm）,表面粗糙度优于1nm（Rq值）,满足设计技术指标的要求。     

Study on the manufacturing process controlling for aspheric surface ballonet polishing

Ballonet polishing tools, soft gasbags filled with compressed gas, have already been one of the most reliable tools in curved surface polishing due to their adaptability to change their shape to fit the worked surfaces with the same contact stress everywhere. When the internal pressure of the gasbag is adjusted on-line, the contact stress could be controlled as you want. But, because of the tensile stress of the gasbag's material, the internal pressure could not identify the real contact condition anymore. In this paper, the contact force is used to identify the real contact condition for workpieces of aspheric surfaces which is indispensable to the polishing process control. Based on the measured internal pressure of the gasbag and the on-line-controlled contact force in the normal direction, this paper studies the arithmetic of the contact area for aspheric surfaces, finds a way to eliminate the great difference of machining speed, and advances an arithmetic of the machining time for material removal controlling in the process of aspheric surface ballonet polishing. A real ballonet polishing system is developed for aspheric surfaces, and experiments show that it is a better way by controlling the contact force rather than by controlling the internal pressure in the process of aspheric surface ballonet polishing.     

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。     

小型非球面数控抛光技术的研究

用计算机控制抛光的方法对小型非球面数控抛光技术进行了研究。对计算机控制小磨头抛光的材料去除作用进行了计算机模拟;依据计算机模拟结果,调整驻留时间函数,进行抛光补偿;最后,在自行研制的三轴联动非球面数控抛光原理样机上高效地完成了70 mm左右非球面的抛光,各项指标达到了中等精度要求,表面粗糙度为2.687 nm,面形精度为0.45 μm,且重复精度良好。结果表明,该技术有效提高了小型非球面光学零件的批量生产效率。