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。     

大口径空间反射镜大容差支撑结构设计与优化

针对传统反射镜无法消除加工及装配应力,长期使用后面形精度下降不能满足使用要求的问题,提出了一种高稳定性空间反射镜支撑结构的解决方案,进行了具有大容差特性的1.5m口径高精度空间反射镜工程化研究和创制。依据经验和理论,完成了初始反射镜组件构型,反射镜的材料选用RB-SiC,采用三角形背部半开口反射镜轻量化形式和背部三点膜片型柔性支撑结构。以装配误差0.01mm的9种工况下反射镜的面形RMS变化量最小为目标,利用isight软件对反射镜支撑结构的主要尺寸进行了优化设计。最终完成了轻量化率为82.1%,组件质量为170.23kg的反射镜的研制。试验结果表明:反射镜在1 g重力作用下,面形精度RMS优于0.016λ(λ=632.8nm);加入0.02mm强迫位移模拟装配误差,面形RMS仍然为0.016λ;在20℃±5℃温变环境下,面形RMS变化量在0.002λ范围内;组件一阶固有频率为101.3Hz。反射镜组件静态刚度、动态刚度、面形精度以及环境适应性满足空间工程应用要求。     

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.     

矩形离轴非球面反射镜的数控加工

针对离轴TMA结构空间相机中使用的两块离轴非球面反射镜的加工过程,提出了一种新型的矩形离轴非球面的最接近球面半径的求解及其优化方法,并且开发了基于计算机虚拟加工技术的CCOS工艺参数计算方法.被加工工件分别为165mm×100mm的矩形凸面离轴非球面和770mm×200mm的矩形轻量化凹面离轴非球面,设计精度分别为任意100mm,200mm子孔径面形精度优于0.025λRMS(λ=632.8nm).经检验,工件的加工精度满足了设计要求,分别达到了0.023λRMS和0.013λRMS.     

大口径非球面反射镜误差分离组合加工技术

为了解决大口径非球面反射镜材料去除效率与面形收敛效率之间的矛盾,提出了基于高低阶面形误差分离的组合加工技术。首先,分析了不同尺寸磨头对不同周期面形误差的控制能力。然后,比较了不同磨头的收敛效率与加工时间之间的关系。最后,根据大口径非球面反射镜加工过程中面形误差的特点,将大口径非球面反射镜的面形误差分离为低阶面形误差与高阶面形误差,使用不同加工方式分别对高、低阶面形误差驻留时间进行求解。通过多种加工方式组合加工的方法建立了具有针对性的加工策略,有效提高加工效率。结合工程实例,对一块口径为2.04m的非球面SiC反射镜进行了加工试验,单个组合加工周期内面形收敛效率达到61.2%。结果表明,高阶与低阶面形误差均得到较好的去除。材料去除效率与面形收敛效率均得到提高,达到了良好的效果,满足加工需求。     

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。     

反应连接230mm口径RB-SiC反射镜

针对传统工艺难以制备口径大于1.2m的整块反射镜的问题,提出了反应连接制备大口径RB-SiC反射镜的工艺。该工艺在素坯阶段实现连接,一次反应烧结完成坯体的致密化和镜体的连接。采用该工艺制备了230mm口径的RB-SiC反射镜,并使用FSGJ-2光学数控机床对反射镜进行了研磨、粗抛光和精抛光加工,其镜面面形精度RMS值达到了λ/50(λ=632.8nm)。在环境温度(20±3)℃检测了连接反射镜,其面形变化RMS值小于λ/300,热循环试验前后连接反射镜面形没有明显变化;连接镜体表面在焊缝处粗糙度Ra<3.3nm,连接层与基体的显微结构基本相似,热性能相匹配。研究结果表明,用新型反应连接技术制成的RB-SiC反射镜可以满足空间光学应用要求。     

大口径SiC轻量化反射镜柔性带式支撑静摩擦影响

采用柔性带式支撑方式的大口径光学反射镜与支撑带之间的静摩擦力对反射镜面形精度影响较大,而且该影响难于直接定量测量。针对这一实际情况,考虑到温度变化将引起静摩擦力状态变化这一规律,建立了温度—静摩擦力间的关系表达式;接着,以反射镜所受静摩擦力与环境温度关系为基础,通过测量不同温度下的反射镜面形精度,间接推算出静摩擦力对反射镜面形精度的影响;以1.2米SiC轻量化反射镜为研究对象,利用干涉仪检测其柔性带式支撑机构在不同温度下的面形精度,并利用实测数据推导出温度—静摩擦关系的相应系数;最后借助ANSYS软件,对带式支撑机构的受力情况进行仿真分析。实测结果与仿真分析结果一致性较好,说明该研究方法可较为准确地推导出静摩擦力对大口径SiC轻量化反射镜面形影响。     

1.5m口径空间相机主镜组件的结构设计

研究了1.5m口径空间相机反射镜组件的结构,设计了主镜组件结构系统。采用RB-SiC作为反射镜镜坯材料,分析并优化了反射镜支撑形式和镜体的结构参数,得到了重131.9kg,轻量化率达到81%的反射镜结构。在主镜基本构型确定的基础上,设计了主镜支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了主镜结构系统的力、热环境适应性和抗振性要求。最后,利用有限元法综合分析了主镜组件的性能。试验结果表明:主镜在1g重力作用下的面形精度RMS达到0.025λ(λ=632.8nm),(20±4)℃温变环境中主镜面形变化量在RMS 0.01λ范围内,主镜组件一阶固有频率为95.8Hz,有限元分析结果的误差为4%。得到的结果表明主镜组件的静态刚度、动态刚度及热环境适应性完全满足设计指标要求。     

大口径碳化硅材料凸非球面反射镜的检验

为了实现某大口径碳化硅材料凸非球面反射镜检验,研究了无像差点法以及补偿检验法方案.经过比较优选,确定选用补偿检验方案并专门设计了高精度大口径非球面补偿器,设计精度为PV:0.008 2λ,RMS:0.002 9λ(λ=632.8nm).采用会聚光束,使用大口径数字干涉仪进行凸非球面正面检测,最终检测结果为0.022λ(RMS).所述补偿器的设计方法和要求具有普遍性,设计结果也可用于同类型大口径凸非球面检验用补偿器的设计.采用该方法提高了凸非球面检测精度,并且在凸非球面镜的材料选择、结构设计、支撑方式等方面提供了更多的优化空间,为新型光学材料在凸非球面反射镜的应用奠定了基础.     

环境对大口径SiC轻量化主镜视宁度的影响

由于地基大口径望远镜主镜视宁度与望远镜系统成像质量相关,本文研究了环境对主镜视宁度的影响。理论分析了影响主镜视宁度大小的因素,得出主镜视宁度会随主镜表面和环境之间温差的增大而增大的结论。利用有限元法分析了自然对流和吹风条件下主镜的温度变化和温度分布;最后通过相应工况条件下2mSiC轻量化主镜的温度测试实验对仿真分析结果进行了验证。实验结果显示:在初始温差为6℃的无风自然对流情况下,主镜与环境达到温度平衡约需4h;而在初始温差为8℃的吹风情况下,主镜与环境达到热平衡仅需1.5h。分析和实验结果表明:采用强迫对流热控措施可快速而有效地将主镜视宁度控制在合理的范围内,可获得更多的望远镜观测时间,同时保证大口径望远镜系统的成像质量。     

Manufacturing of Lightweight Mirror

Fabrication of the lightweight mirror is one of the key techniques for many large optical systems. CAD, CAM and CNC technologies are adopted in designing and manufacturing such mirrors in CIOMP. Better working efficiency and higher lightweight grade have been achieved. The results show that mirrors up to 70% weight reduction and 0.02λ,(rms.) surface accuracy or better can be obtained.     

基于UG二次开发的叶轮刀位轨迹生成

整体叶轮型面的复杂性,导致造型和数控编程都有一定的难度.基于UG基础开发平台,根据全局干涉刀位修正原理,编制了无干涉刀位轨迹算法,开发出干涉较严重的微型叶轮类零件的5坐标加工程序.通过实验证明,无干涉刀位轨迹算法是可行的,且基于UG平台开发的算法计算速度快,操作方便,精度易于控制.     

使用用户宏编制大螺距螺纹加工程序

目前,在数控车床上加工大螺距、高精度的螺纹时,用现有的三个螺纹切削命令,由于螺纹车刀切削深度大,刀刃磨损较快,从而造成螺纹中径产生误差或牙形精度较差。而使用用户宏开发通用的螺纹加工程序,将直进式切削方法和斜进式切削方法优点综合起来可以较好地解决此类问题。     

面向AP238的刀具路径生成器研究

为使STEP-NC程序能被CNC所识别,对基于STEP-NC解释器和PMAC卡两大核心模块的AP238刀具路径生成系统进行了深入探究。通过VC高级语言,利用STEP-NC解释器,编辑PMAC提供的计算机底层驱动程序和接口函数,将上位机STEP-NC解释器生成的数据与PMAC卡伺服驱动器建立关联,生成加工程序中工步定义的各种加工特征的刀具运动轨迹来驱动机床的刀具运动。STEP-NC解释器读取STEP-NC加工程序,过滤出刀具的类型、直径、坐标等数据信息存储到指定的刀具路径生成器中,生成加工程序中工步定义的各种加工特征的刀具运动轨迹,并利用AP238刀具路径生成器生成零件的刀具轨迹。面向AP238的刀具路径生成器具有良好的模块化特性,通用性强,效率高。它将STEP-NC加工程序释译成数控机床可识别的刀具轨迹信息,并生成每一加工特征的刀具轨迹,为STEP-NC加工程序能被CNC系统识别提供可靠保证。     

Micro circular path measurement of two-axis stage using a machine vision system and the application

Usually, verifying the 2D positioning accuracy of a multi-axes stage is not easy. This is because there is little such a device to measure the 2D path directly in micron accuracy. This paper studies on a measuring method for a micro circular 2D path precisely. A machine vision technique is used to trace the moving path of two-axis stage. This method is compared with the ball-bar system, which is commonly using in CNC machine tool companies for inspecting the performance of circular motion movement. However, it is not common to measure a small circular moving path as less than 0.1?mm diameter. The machine vision system is used to trace a target on the two-axis stage moving. To improve the target imaging quality and resolution, a zoom lens is used in this test. The accuracy of this method depends on the CCD resolution and the lens optics. This technique will be useful to trace a small object in the 2D micropath in real time accurately. Also, this method can be one of those that measure the positioning error vector in the working volume of CNC machine tool.     

VB语言在数控工具磨床中的应用

针对数控工具磨床适用于多品种刀具加工的特点。介绍了利用VB语言进行界面创建、刀具参数输入及生成数控系统可执行的加工程序的控制软件。它特别适合于经常更换加工品种。有一定加工批量的场合应用。     

基于UGCAM华中数控系统后处理器研究

后处理技术是进行数控自动编程加工的关键环节,主要功能是将CAM软件生成的刀路文件转换成数控机床系统可识别的代码文件。本文研究了UGCAM后处理构造器的特点,基于UG/Post Builder开发出了适合华中世纪星21/22M数控系统的优化后置处理程序,应用于垫片模下模镶件加工过程,实践表明:该后置处理文件优化生成的NC代码,能直接应用于华中数控系统,加工效率高。通过修改代码,也可以设计适合FANUC、广州数控等多种数控系统的后处理器,应用范围广。     

管体车丝机工具系统分析

深入讨论了石油套管加工重点设备———471型管体车丝机工具系统的工作原理,以安全圆为例系统阐述工具、机床和程序的工作过程。