基于有限元与正交试验法的机械刻划光栅研究

在有限元软件DEFORM中建立了金刚石弧形刻刀刻划光栅的数值模型,得到了刻划过程的刻划力曲线。通过数值模拟和正交试验方法,对刻划过程的4个主要因素(刃口半径、主刃轮廓半径、方位角、刻划速度)进行了分析,得到了各因数对刻划力的影响次序及显著性。极差分析表明:方位角对x向刻划力影响显著,主刃轮廓半径对y向、z向刻划力影响显著。最后采用综合平衡法进行结果评定,确定了光栅机械刻划的合理方案。     

衍射光栅槽形隆起的数学建模及演变规律

以79g/mm的中阶梯衍射光栅为目标,研究衍射光栅机械刻划过程中铝膜的槽形隆起机制。首先,经过4次坐标变换,建立了光栅槽形的塑流剖面。然后,基于Lee and Shaffer提出的滑移线场模型,在塑流剖面内建立起包含滞留区域的滑移现场模型,并根据Dewhurst and Collins提出的矩阵算法对滑移线场进行求解,最终得到槽形隆起尺寸模型。最后,通过DEFORM软件对槽形隆起尺寸的演变规律进行模拟分析。     

衍射光栅机械刻划成槽过程中的应力拓扑分析

衍射光栅机械刻划属于超精密刻划,其刻划过程是利用金刚石刻刀对铝膜材料进行的多线顺序刻划。由于光栅槽面精度要求较高,而光栅槽面精度与其表面应力分布有很大关系,为此我们以衍射光栅为研究背景,通过CATIA对金刚石尖劈刀进行三维建模并利用缩小比例功能在DERORM-3D中建立衍射光栅机械刻划的有限元仿真模型,以更好地分析衍射光栅机械刻划过程中光栅槽面的应力分布情况,揭示衍射光栅机械刻划过程中槽面的弹塑性变形规律,为提高槽形质量提高依据。     

残余应力与基底效应对光栅厚铝膜纳米压痕耦合影响研究

机刻中阶梯衍射光栅厚铝膜通过真空蒸镀方法获得,其内部存在残余应力,与基底效应耦合作用,增加纳米压入测试与刻划成槽模拟仿真的研究难度。为此,基于材料变形弹塑性接触理论和量纲分析方法,建立具有内部残余应力的光栅厚铝膜模型,研究内部残余应力与基底效应耦合作用对纳米压痕硬度与隆起高度的影响规律。结果显示,随着薄膜内部残余应力变大,铝膜载荷和表面隆起高度减小;受基底效应耦合影响,其二者变化趋势逐渐增大。此研究为机刻衍射光栅厚铝膜力学性能纳米压入测试及刻划成槽研究提供重要参考。     

机械刻划槽形过挤压临界状态分析

衍射光栅是重要的光学元件,机械刻划过程中的过挤压现象在一定程度上会对其槽形质量产生影响。针对刻划过程中的过挤压现象,本文建立了槽形顶角分别为钝角、直角和锐角三种情况下的滑移线场模型,并结合塑性变形体积不变准则确定了槽形过挤压临界点D的位置。得出了在光栅常数、槽形非闪耀角一定的条件下,D点的位置随着刻划深度和刻刀刀尖角度变化的规律。为光栅槽形过挤压现象的抑制以及槽形的控制提供了理论依据。     

主副双刀机械刻划装置的开发与试验研究

超精密机械刻划加工领域中,在金属薄膜表面进行重复刻划(如衍射光栅)是一种罕见的加工方式,而工件材料(如铝膜)的回弹现象直接制约加工精度的进一步提高。本文根据衍射光栅机械刻划原理设计了一种主副双刀机械刻划装置的结构方案,并通过软硬件开发应用到衍射光栅机械刻划工艺的试验过程中,获得了更为精准的理想槽型的衍射光栅。通过扫描电子显微镜检测衍射光栅的槽型,分析得出主副双刀比单刀机械刻划出衍射光栅槽型的闪耀角精度提高了0.05°,进而验证了该装置的可行性,为后续工艺研究和工程应用研究提供了软硬件平台基础。     

机械刻划过程中的材料滞留特征分析

为研究光栅毛胚材料在机械刻划过程中滞留区的产生及分布特征。基于LEE和SHAFFER提出的正交切削滑移线场理论模型,在机械刻划塑流剖面内建立了带有滞留区特征的滑移线场模型,提出量纲一滞留区几何尺寸的计算方法。并结合有限元仿真方法获得了机械刻划三向分力,经拟合得到滞留区几何尺寸的演变规律,揭示了滞留区产生机理及分布特征。最后通过机械刻划试验,验证了槽面滞留区的分布特征及其对光栅槽质量的影响。研究结果表明：在一定的机械刻划加工工艺条件下,光栅槽面形成明显分界线,该线将光栅槽面分为塑性变形区和滞留区。因槽面分区成形机理和槽面质量不同,多道槽机械刻划槽面会发生非线性变形,最终将影响衍射光栅的光学衍射效果。此研究结果为从滞留区角度考虑大负前角刀具机械刻划槽形及槽面质量的控制优化问题提供了理论及试验依据。     

光栅机械刻划摩擦型颤振机理

研究了光栅机械刻划过程中弹性刀架和金刚石刻刀系统的摩擦型颤振机理。建立了光栅机械刻划摩擦型颤振动力学模型,并对颤振系统进行了稳定性分析,提出了系统的稳定性条件和"稳定性阈"。从能量角度对颤振进行了分析,获得了相同的稳定性条件。在刻划工艺试验装置上单一改变刻划速度进行了光栅刻划试验,通过对刻划力的测量和分析,验证了竖直方向刻划力相对于刻划速度具有下降特性,即满足了摩擦型颤振的前提条件。最后,通过对2、6、10和13mm/s 4组不同刻划速度下所刻光栅槽形轮廓的检测,验证了该系统在超过临界刻划速度(在6~10mm/s)的情况下会有颤振发生。验证实验证明了该摩擦型颤振动力学模型的有效性和稳定性阈的存在性,为深入量化分析并抑制颤振的发生奠定了理论基础。     

中阶梯光栅铝膜纳米压痕材料隆起研究

在光栅机械刻划加工过程中,光栅铝膜的隆起对机刻光栅槽形质量影响十分明显。为了研究光栅铝膜的隆起特性,采用了纳米压痕试验的方法,对光栅铝膜的纳米压入过程进行了理论建模和仿真分析,发现在光栅铝膜纳米压痕过程中,材料的隆起高度随着压入深度的增加而呈线性增加,随着摩擦因数的增加而减小;材料的相对隆起量在压入深度范围内基本保持不变。此外,仿真结果与理论计算结果的误差范围随着摩擦因数的增加而增加,当摩擦因数一定时,在最大压深处取得最小值。     

机械刻划长焦距凹面金属光栅的研制

对大曲率半径(即长焦距)金属基底凹面光栅的机械刻划技术做了研究。为了刻制长焦距凹面光栅,设计和研制了弹性顶针式光栅刻划刀刀架,它具有适用于刻划平面光栅和长焦距凹面光栅的双重功能。给出了描述光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径与凹面光栅曲率半径、光栅口径、金刚石刀头横向尺寸之间关系的数学表达式,理论分析了光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径的取值范围,研制了10.6 μm激光系统用曲率半径为30 m的凹面金属光栅。检验结果表明,光栅的槽形质量较好,光栅的衍射效率可达96.8%以上。     

刻划光栅中刻划刀的刃口半径影响研究

刃口半径是金刚石刻划刀的重要参数之一,影响光栅的衍射效率、刻划刀的刻划深度及刻划力。本文利用计算公式分析刃口半径对衍射效率、刻划深度的影响;另外,利用有限元软件模拟光栅的刻划过程,得出不同刃口半径对刻划力的影响曲线,为正确选择刃口半径提供了理论依据。     

一种新的圆光栅偏心参数自标定方法

圆光栅安装偏心误差对圆光栅编码器的角度测量精度有较大影响,对偏心误差进行补偿可以有效提高测量结果的精度。为了对圆光栅的安装偏心参数进行辨识,建立了双读数头的偏心误差模型,推导出了基于双读数头的圆光栅偏心参数的自标定公式。通过实验利用对径安装的两个读数头对圆光栅的偏心参数进行自标定,求解出了相关的偏心参数,并使用正十二面棱体搭建的实验装置,对自标定参数的补偿效果进行了验证。实验结果表明,用双读数头自标定公式标定出的偏心参数对单读数头的测量结果进行偏心误差补偿后,圆光栅的平均误差从补偿前的0.046 4°减小到了0.003 7°。     

全闭环数控回转轴定位精度研究

针对全闭环数控回转轴的关键检测元件—圆光栅的安装误差引起回转轴定位精度差的问题,基于圆光栅测量角度的工作原理,分析了圆光栅在安装时由于光栅定位端面的跳动误差对莫尔条纹的影响规律,推导出了相应的数学关系,建立了回转轴定位误差与光栅定位端面的跳动误差之间的数学模型.数值仿真表明当圆光栅出现端面定位安装误差后,回转轴回转一周,输出的莫尔条纹光强变化经历了一个周期,近似为一正弦曲线.针对上述理论分析,在加工中心回转轴C轴上进行了实验研究,结果表明,通过调整圆光栅端面的跳动误差从原来的70 μm到16 μm,利用高精密单频激光干涉仪对回转轴的定位误差进行了检测,两次测量的定位误差曲线均为正弦曲线,且回转轴的定位精度提高了3倍.研究结果表明,减小圆光栅定位端面的轴向跳动误差可有效提高回转轴的定位精度.     

圆光栅精度及均匀性研究

圆光栅已经普遍用于高精度角度仪器作为定位基准，然而要研制得到超高精度圆光栅，必须要精度高，均匀性好，两者缺一不可［1］，本文研究达到二者全优。     

一种基于Labwindows/CVI的关节角度测试系统的研制

研制了一种以MicroE圆光栅作为角度编码器,利用Labwindows/CVI8.1作为测试软件的关节角度测试系统。该方案利用虚拟仪器软件良好的交互性和可编程性,设计了上位机用户界面和数据采集系统,并且针对圆光栅系统存在的偏心误差进行误差修正,实现了对模块化关节角位置的精确测量。经标定后证明测试精度可达4角秒。     

余弦变换三维物体轮廓术的改进

利用余弦变换获取三维物体面形的技术已得到了应用。但该技术在测量高度梯度 (垂直光栅方向 )变化率较大的物体时会产生误差 ,高度梯度变化率大到某一值时 ,将不再合适。为此采用余弦光栅能较好地解决这一问题 ,它可将测量范围扩大到原来的 3倍。从理论上证明了将物体高度变化率大的一面朝光栅放置 ,可以进一步拓宽余弦变换法的测量范围 ,以文中的系统为例 ,其扩大倍数可达到原来的 5 7倍 ,远大于 3倍     

基于非对称全息干涉的倾斜光纤光栅研究

为了突破现存的倾斜布拉格光纤光栅制作方法的局限,提出了采用非对称光路制作倾斜条纹反射式光纤光栅的方法.该方法是通过在全息光路中加入柱面镜,将圆形光斑聚焦成线状激光,线状激光以平行于材料层的方式写入,从而获得不同倾斜角度,条纹间距任意的倾斜光纤光栅.通过写入条件的控制,达到精确控制光栅的反射率和带宽的目的.模拟仿真和分析...     

基准圆光栅偏心检测及测角误差补偿

为了修正关节测试平台中由圆光栅安装偏心所产生的测量误差,建立了圆光栅偏心测角误差补偿模型并对安装偏心检测方法进行研究。首先,根据圆光栅测角与偏心参数间的几何关系,推导出圆光栅测量误差补偿模型。然后,描述了采用双读数头对比接收正弦信号间相位差,检测偏心参数的方法和原理;通过合成信号的李萨茹图形,检测出关节测试平台内圆光栅的偏心距及偏心方向。最后,根据所推导的偏心测角误差补偿公式对测试系统进行修正。对比实验结果表明:修正后的圆光栅测角精度大幅提高,测量精度提高了近5倍,满足关节测试平台的测量精度要求。     

弱辐射光谱编码测量技术的研究

本文将多通道并行检测技术应用于常规的扫描型光谱仪,基于国产WDP500-2A型平面光栅单色仪设计了光谱编码测量系统并进行了实验验证.该系统利用两块多狭缝编码模板分别取代原仪器中的入射狭缝和出射狭缝,既增大了进入仪器的辐射通量,又实现了多个光谱元同时测量的多通道优点,大大提高了仪器分析弱辐射信号的能力.为简化编码运动机构,文中设计了具有循环编码构形的编码模板.模板上的狭缝设计成圆弧状以便有效地补偿衍射光栅的光谱线弯曲,减小测量误差.