大型非球面能动磨盘精磨技术

计算机控制能动磨盘加工技术是集传统加工技术、能动技术和数控技术为一体的大型非球面光学元件先进制造技术。基于Preston方程，通过对能动磨盘结构的研究，建立了工件的能动磨盘磨削函数；分析了能动磨盘分别位于工件中心孔和外缘处产生的边缘效应，并建立相应的边缘效应函数；由此得到用于描述能动磨盘加工的数学模型。在该模型的指导下完成了Φ1 200 mm（F/1.5）非球面主镜能动磨盘精磨加工，实现了主镜面形误差的均方根值从4.5 μm（峰谷值26.8 μm）收敛到0.36 μm（峰谷值2.8 μm）。     

大口径非球面镜加工建模与控制技术

数控(NC)加工技术是解决非球面镜加工困难的一种方法。针对激光装置所使用的大口径光学玻璃非球面透镜,提出采用超精密磨削技术来实现高效、高精度的成型加工。通过加工实验研究了控制磨削切深和进给速度对表面加工质量的影响,寻找出大切深缓进给的磨削加工方式,改善了元件表面加工质量,有效抑制了加工过程引入的亚表面缺陷。开展了非球面补偿加工技术实验研究,采用等面形误差曲线补偿加工方法,能有效降低元件面形峰谷(PV)值,通过两次补偿加工,330 mm×330 mm非球面镜的磨削面形误差可控制在约3μm,获得较为理想的面形加工精度。     

边缘效应的去除函数模型及实验

计算机控制光学表面技术(CCOS)是加工光学非球面的一项重要技术.在计算机控制小磨头抛光技术中,边缘效应严重制约了CCOS技术的加工精度和加工效率,是亟待解决的技术难点之一.获得磨头在加工工件边缘时的定量去除模型,并通过驻留时间算法进行补偿,是解决该问题的重要途径.采用边缘压强阶跃分布模型,并通过理论推导,得出边缘效应...     

空间同轴三反相机φ520 mm次镜的加工与检测

为了满足空间同轴三反相机对大口径凸非球面高精度的面形质量和精确的几何参数控制要求,提出以计算机控制确定性研抛工艺为核心的多工序组合加工及检测技术。在加工阶段,首先利用超声振动磨削技术对非球面进行面形铣磨,其次应用机器人对非球面面形进行快速研磨和粗抛,最后采用离子束修形技术实现非球面的高精度加工;在检测阶段,首先利用三坐标测量机对铣磨和研磨过程中非球面的面形及几何参数进行控制,进入干涉仪测量范围后,再采用Hindle球法对非球面光学参数进行干涉检测。结合工程实例,对一口径520 mm的凸双曲面次镜进行了加工及检测,其面形精度RMS为0.015（=632.8 nm）,几何参数控制精度△R误差为0.1 mm、△K优于0.1%,满足光学设计技术指标要求。     

大口径导光板抛光及其功率谱密度分析

光学技术对于现代科学尤其是航天科学的发展起着越来越重要的作用。而具有高精度大口径光学元器件的跨尺度加工一直是现代光学技术的难点。超精密气囊抛光技术是基于计算机控制光学表面成形技术。其采用充气的柔性抛光气囊作为抛光工具,解决了传统数控抛光方法中抛光头不能很好地和工件吻合的缺点。以Preston方程为基础,研究了超精密气囊抛光的理论材料去除特性,建立了气囊抛光中进动运动方式下的材料去除模型,并针对气囊抛光工具的物理特性,按照Hertz接触理论对去除模型进行了修正。在理论分析的基础上完成了一块口径为570 mm的平面楔形工件的抛光,使得工件的面形精度P-V值达到了1/8 ,RMS值达到1/75 。并分析了该元件的功率谱密度（PSD）曲线,窄带噪声及其产生原因。     

基于等效积分的去除函数误差修正能力分析

针对计算机光学表面成形技术的去除理论中关于材料去除量及去除函数误差修正能力问题,基于等效去除积分法,对高斯型、三角形、梯形、脉冲随机复合型等多种不同形态的去除函数修正能力进行研究,通过频域分析去除函数的误差修正能力,获得调制参数与去除函数修正能力的关联曲线,建立基于等效去除积分法的去除函数截止修正能力评价模型,为去除函数误差修正的调制及去除函数修正能力评价提供依据,从而在大口径光学元件的超高精确度加工中,提高超光滑光学元件表面的质量。     

大口径钛宝石晶体全频域透射波前误差高精度加工工艺研究

钛宝石晶体是超强、超短脉冲激光振荡源广泛采用的工作物质,其口径大小和表面全频域波面误差决定了超短、超强激光系统的输出能量和光束质量,然而由于大口径钛宝石晶体光学均匀性差及硬度高的特点,其实现高精度透射波前和超光滑表面加工很具挑战性。针对这一问题,设计了线偏振干涉光源检测方法,解决了钛宝石晶体双折射导致的透射波前检测干涉条纹无法解析的问题;基于对钛宝石晶体材料光学均匀性的检测分析,发展了基于单轴机的透射波前快速抛光收敛工艺;通过正交实验和灰关联分析法,利用小磨头抛光工艺实现了钛宝石晶体高精度透射波前低频误差和超光滑表面高频误差的加工;为改善中频误差,发展了基于硅溶胶抛光液的小磨头中频误差光顺工艺。实验结果表明:多手段组合的加工工艺可以实现大口径钛宝石晶体全频域透射波前误差的有效控制,针对直径为120 mm的钛宝石样件,透射波前峰谷值可达0.283λ(λ=632.8 nm),中频功率谱密度无明显的特定频段调制误差,高频表面粗糙度R_q约为0.262 nm,可达到超光滑量级。     

高精度离轴非球面透镜的制造与检测

针对强激光系统所需大口径非球面元件高精度、批量化的加工需求,提出了一种气囊抛光技术与柔性沥青小工具抛光技术相结合的大口径非球面元件高效制造方法。采用气囊抛光技术进行非球面保形抛光和快速修正抛光,实现磨削缺陷层快速去除以及低频误差快速修正。采用柔性沥青工具匀滑抛光技术,在低频误差不被恶化的情况下,控制元件中高频误差。在抛光过程中,利用球面干涉仪搭建的自准直波前干涉检测系统和粗糙度仪对非球面元件进行全频段误差检测。基于上述加工与检测方法完成了430 mm430 mm口径离轴非球面透镜样件实验加工,实验结果为元件通光口径内透射波前PV=0.1,GRMS=5.7 nm/cm,PSD1 RMS=1.76 nm,PSD2 RMS=1 nm,Rq=0.61 nm,并且中频段功率谱密度曲线均在要求的评判曲线之下。实验结果表明,离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。所述制造方法也适用于其他类型大口径非球面光学元件的高精度加工。     

八角形离轴非球面反射镜加工

为了加工出高精度八角形离轴非球面反射镜,对离轴非球面反射镜的数控加工和检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ非球面数控加工中心,对数控加工过程中小磨头的运动方式和运动轨迹进行了研究,阐述了离轴非球面反射镜研磨阶段的轮廓测量方法和抛光阶段的零位补偿检测方法,采用数控加工方法对一块八角形离轴非球面反射镜进行了加工。最终的检测结果表明,八角形离轴非球面反射镜的面形精度均方根值为0.018λ（λ=0.6328μm）,满足光学设计技术指标要求。     

硬脆性材料在磨削过程中的热瞬态仿真分析

硬脆性材料在磨削过程中的加工质量和效率成为目前制约硬脆性材料应用的主要问题之一,如何在加工工艺环节提高生产效率和加工质量成为亟待解决的问题,制约问题解决的主要原因是加工效率在很大程度上会引起加工质量变差,在提高加工效率的同时保证良好的加工质量极其困难。主要从影响加工质量的因素之一磨削温度入手,以硬脆性材料中的碳化硅、氧化铝为例,利用有限元分析软件对硬脆性材料的磨削过程进行热瞬态分析,分析了在不同的磨削加工参数(砂轮转速、磨削深度和工件速度)即不同加工效率时大口径碳化硅工件和氧化铝工件的最高温度及其变化曲线,并横向对比了氧化铝材料和碳化硅材料在同等磨削加工参数时的磨削热状态。针对性地研究了硬脆性材料在磨削加工过程中的一些特性,为硬脆性材料的加工工艺提供参考。     

Hybrid vision/force control at corners in planar robotic-contourfollowing

The accuracy and execution speed of a force controlled contour-following task is limited if the shape of the workpiece is unknown. This is even more true when the workpiece contour contains corners. The paper shows how a hybrid vision/force control approach at corners in planar-contour following results in a more accurate and faster task execution. The vision system is used to measure online the contour and to watch out for corners. The edge is correctly located by compensating the compliance of the tool/camera setup which affects the contour measurement. A simple corner-detection algorithm is presented. Once a corner is detected, the finite-state controller is activated to take the corner in the best conditions. Experimental results are presented to validate the approach     

MD simulation of dislocation mobility during cutting with diamond tip on silicon

By means of Tersoff and Morse potentials, a three-dimensional molecular dynamics simulation is performed to study atomic force microscopy cutting on silicon monocrystal surface. The interatomic forces between the workpiece and the pin tool and the atoms of workpiece themselves are simulated. Two partial edge dislocations are introduced into workpiece Si, it is found that the motion of dislocations does not occur during the atomic force microscopy cutting processing. Simulation results show that the shear stress acting on dislocations is far below the yield strength of Si.     

Fuzzy logic for constant force control of end milling

The machining condition usually has significant variation resulting from the change of cutting depth and the intrinsic property of the workpiece. In order to maintain the performance of a classical proportional integral derivative control system, the tool life and machining quality, conservative feedrate, and cutting depth change are prespecified as the limitations of computer numerically controlled operators. Therefore, constant cutting force control is proposed as a useful approach for increasing the metal removal rate and the tool life. However, the model-based controller cannot handle the nonlinearity of a force control system due to cutting condition variations. Here, a fuzzy controller with learning ability was employed to improve both the system performance and the adaptability. This control approach vias implemented on a retrofit old-fashioned milling machine for the end milling process. The experimental results show that this control strategy has smooth feedrate and good cutting force dynamic responses     

能动磨盘加工与数控加工特性分析

能动磨盘加工(CCAL)与数控加工(CCOS)是大型非球面主镜加工有别于经典加工的两种新型加工工艺,针对这两种主镜加工工具,建立了各自的加工去除函数模型,从理论上分析了两者的加工特性,并在直径1300 mm非球面主镜加工实验的基础上,根据主镜面形ZYGO干涉仪和哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)传感仪的检测数据,利用功率谱密度(PSD)和相位梯度进一步探讨了这两种加工工艺对主镜面形中高频差的影响,提出了将能动磨盘加工与数控加工相结合的主镜加工工艺方法。     

薄壁件加工中的振动问题及控制

本文对薄壁件在加工过程中引起振动的因素进行了分析,通过改变工件的夹紧方式和定位基准,设计制作工装夹具和刀具几何角度,考虑加工薄壁件的合理工艺,顺利解决了工件变形问题,保证了加工质量,提高了加工效率.     

纳米加工过程的分子动力学模拟技术研究

简要回顾了采用分子动力学方法模拟纳米加工过程的历史,介绍了分子动力学仿真方法的基本原理以及典型单晶体材料纳米切削机理的分子动力学仿真研究成果,并从模型建立、模拟尺度以及工件和刀具的影响等方面分析了纳米加工过程分子动力学模拟研究的最新进展。结果表明,建立三维大规模及多尺度的纳米加工仿真模型已经成为目前研究的主要方向;工件和刀具对纳米加工影响的研究也逐渐深入,涉及工件的晶向、缺陷以及刀具参数和磨损等方面的问题。     

目视万能工具显微镜的影像测量应用研究

在传统目视万能工具显微镜的基础上,使用光学CCD代替人眼采集图像,增加光栅尺和数显表替代原来的投影式读数器,实现了工件测量CCD图像与光栅尺数据的计算机自动采集。根据CCD图像、光栅尺数据及笛卡尔坐标系理论,建立了测量尺寸与光栅尺数据和图像工件边缘位置的数学模型。应用中值滤波、阈值分割对工件图像进行预处理,采用最小二乘法提取工件边缘的位置和方向,并在此基础上结合工件测量数学模型计算得到了被测工件尺寸。     

圆形工件检测及对准方法的研究与实现

快速而准确地实现工件对准在工业自动化领域有着广阔的应用前景。在此基于图像处理技术构建了圆形工件的对准系统,对圆形工件的检测及对准技术开展研究。该系统通过图像采集卡采集被测工件的视觉图像,进行中值滤波、采用Sobel边缘提取,利用改进的Hough圆变换进行中心定位,从而求得工件中心离视场中心的偏移量,使得步进电机依照此偏移量进行x,y方向的驱动。相较于传统的对准方法,该系统大大降低了图像处理所需时间,实现了圆形工件的快速检测和对准。