Ф124mm口径碳化硅质非球面镜面数控研抛技术研究

介绍了碳化硅质光学镜面的光学加工流程和加工手段，分析了碳化硅光学镜面的光学加工过程各个步骤中所应用的磨料和加工方法。利用自主研制的非球面数控加工中心，探索一种新型轮式研磨抛光技术，解决了中小口径非球面元件的数控加工问题，形成比较规范的中小口径碳化硅非球面元件加工方法，并应用到Ф124mm口径两面均为非球面的碳化硅元件的加工中，工件最终加工精度为第一面：0．761λ（PV）、0．059λ（RMS）（λ=0．6328μm）；第二面：0．834λ（PV）、0．089λ（RMS）（λ=0．6328μm），满足了设计要求。     

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。     

大口径非球面光学研抛压力控制系统

根据大口径非球面光学元件研抛工艺的需求,基于行星式研抛装置设计了一种新型的双路气压平衡研抛压力控制系统。该系统利用低摩擦气缸,压力传感器和两个电气比例阀构建研抛气压闭环回路。分析了系统工作原理,建立了压力控制系统的非线性模型。为了实现恒压控制,运用前馈控制及双模态PID控制算法设计了复合控制器。实验结果表明,该系统能实现研抛压力的平缓过渡,可完成研抛压力的无级调节和柔性控制,输出研抛压力在0到350N可调,稳态压力波动小于1N,对气缸活塞位移波动干扰有较强的鲁棒性。该系统基本满足研抛系统对研抛压力稳定性和精确度的要求。     

φ124 mm口径碳化硅质非球面镜面数控研抛技术研究

介绍了碳化硅质光学镜面的光学加工流程和加工手段,分析了碳化硅光学镜面的光学加工过程各个步骤中所应用的磨料和加工方法.利用自主研制的非球面数控加工中心,探索一种新型轮式研磨抛光技术,解决了中小口径非球面元件的数控加工问题,形成比较规范的中小口径碳化硅非球面元件加工方法,并应用到φ124 mm口径两面均为非球面的碳化硅元件的加工中,工件最终加工精度为第一面:0.761 λ(PV)、0.059λ(RMS)(λ=0.632 8μm);第二面:0.834 λ(PV)、0.089 λ(RMS)(λ=0.632 8μm),满足了设计要求.     

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。     

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。     

双转子研抛模去除函数的研究

以Preston假设为基础，运用运动学理论推导了自研双转子机构的去除函数。在此基础上进行了计算机仿真和试验，给出了相应的去除特性曲线；验证了去除函数的正确性；分析了具有代表性的试验现象；提出了适合加工的去除函数特性。     

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。     

非球面数控气囊研抛技术研究

针对目前气囊研抛方法中研抛力控制精度不高的问题,提出一种新的非球面精密气囊数控研抛方法,由磁流变力矩伺服器(MRTS)对气囊与非球面之间的研抛力进行独立控制,由数控车床对气囊研抛工具进行位移伺服控制。基于这一技术,介绍了气囊数控研抛系统的组成,阐明了基于MRTS的研抛原理,分析了气囊研抛工具与非球面工件之间的接触力,建立了研抛力模型,对气囊研抛工具的研抛路径进行了规划,在此基础上,进行了实验研究。实验结果表明,提出的方法可以实时有效控制气囊研抛过程中的研抛力,得到表面粗糙度Ra≤0.03μm的非球面镜面表面,实现了非球面精密、超精密加工。     

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。     

回转对称非球面气囊抛光控制算法研究

介绍一种新型的非球面光学零件抛光方法———气囊抛光,这种方法可以得到高质量的光学表面。针对气囊抛光加工回转对称非球面的特点,进行抛光路径规划,对去除函数进行降维处理,提出抛光驻留时间的计算方法。最后,给出抛光算法的实现框图,并按照实现框图指导实际的玻璃非球面加工,取得满意结果,验证了算法的有效性。     

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。     

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。     

大口径高次、离轴非球面干涉测量中投影畸变的标定方法

提出了运用干涉仪的Fiducial功能确定干涉仪CCD的测量坐标系与非球面镜面坐标系的对应关系,然后对两者关系进行正交化拟合,从而标定出非球面干涉检验中的投影畸变,并用于某高次、离轴非球面进行干涉检验中的投影畸变标定,拟合精度为1.964 53μm.根据标定结果对干涉测量面形图重构,进行了数控抛光实验,最终面形精度达到均方根值λ/20(λ=0.632 8 μm),证明拟合精度完全满足数控抛光的要求.     

磁流变抛光回转对称非球面工件精确自定位

为解决磁流变抛光中回转对称非球面工件的高效率精确自定位问题,提出了基于迭代最近点的改进两级定位方法。根据磁流变抛光特性和恒浸深控制要求,确定了磁流变抛光工件非调平自定位原理。针对经典迭代最近点算法应用于回转对称非球面工件定位存在解不唯一及计算效率低的问题,构建初始迭代矩阵实现了位姿唯一的指定性匹配,并提出了空间垂直映射方法,减小匹配点云的规模,提高了计算效率。以此为基础,提出了改进后的两级迭代最近点精确定位方法。最后,以Φ100 mm凹形抛物面熔石英工件为对象进行了抛光实验。实验结果表明:改进两级精确定位方法满足磁流变抛光的定位要求,定位精度在多次实验中均优于9μm,平均定位时间为7.3 min,在保证定位精度的同时提高了工件的定位效率。     

Effect of interfacial friction force on material removal in full aperture continuous polishing process

Full aperture continuous polishing using pitch lap is a key process of finishing large flat optical workpiece. The friction force of the workpiece and pitch lap interface significantly affects material removal. In this work, the friction force was determined by a measurement system that uses force transducers to support the workpiece. Experimental and theoretical analyses have been carried out to investigate the evolution of friction force with polishing time and its effect on material removal. Our results show that the friction coefficient of the workpiece/lap interface decreases during polishing, which is due to surface smoothing of the viscoelastic pitch lap by loading conditioner. In addition, the spatial average and uniformity of material removal rate (removal coefficient) increases with the increase of friction coefficient, which is due to rough lap surface, provides more sharp asperities to charge the polishing particles.     

行星运动方式下不同形状磨头的去除函数

为了在光学元件的加工中获取更加接近高斯型的去除函数,本文基于传统行星运动抛光理论,提出了用自转去除函数公转轨迹积分较方便地求取各种复杂形状磨头去除函数的方法。当转速比大于10时,新方法与传统方法得到的实心圆盘去除函数曲线非常接近,从而验证了提出方法的正确性。采用新方法推导了不同形状磨头的去除函数,并通过计算机进行了仿真实验。实验显示:磨头形状为Ⅱ型花瓣,偏心率为0.4时,可以获得非常接近高斯型的去除函数。针对Ⅱ型花瓣磨头进行了抛光试验,结果表明,当偏心率为0.4、转速比为10时,试验结果与仿真结果非常吻合,且都非常接近高斯型去除函数。实验结果再次验证了新方法的正确性。