超精密非球面镜面模具直轴磨削的研究

研究了非球面镜面模具直轴超精密磨削技术,给出了非球面镜面模具超精密加工机理、算法原理、软硬件结构、系统实现、工艺分析及实例应用,开发了小型超精密非球面镜面加工系统SGTCAM1.0.研究结果表明,系统原理正确,加工出的非球面光学零部件形状误差在100 nm以下,表面粗糙度在5 nm以下,达到纳米级加工精度.开发的系统使用方便,成本低.     

离轴楔形非球面平行磨削及补偿技术研究

针对精密光学系统中对高精度离轴楔形非球面透镜的加工要求,提出采用由倾角可调三轴摆动式数控夹具系统和精密磨床数控系统(Computer numerical control,CNC)协调完成离轴楔形非球面透镜的高效加工方法。设计三轴摆动式数控夹具机构及控制系统相关程序,完成夹具制造及调整,在数控精密平面磨床上实现对离轴楔形非球面平行磨削加工。倾角可调夹具的设计简化原有的加工工序,提高加工效率。根据平行磨削加工原理对加工插补误差和工件形面误差进行模拟计算,结果表明:夹具旋转误差以及工件的形状尺寸会对加工精度产生较大影响。根据模拟结果和平行磨削方法原理,设计工件加工误差的在位补偿方法。通过平行磨削加工及补偿试验证明:在位补偿方法可以有效提高工件的加工精度。     

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。     

离轴非球面反射镜设计与超精密加工技术

离轴非球面反射镜的设计与加工涉及到零件非球面设计,工艺路线的安排,工装夹具设计,以及超精密加工设备的使用、检测等多方面技术,加工难度大,在国内属于先进的加工技术。通过进行工艺攻关,应用Pro/E软件进行零件三维曲面设计,优化了夹具设计,在减轻夹具质量的同时,保证了其具备足够的刚度、强度,从而减少了切削时的振动影响。在加工过程中,通过调整加工参数,保证了曲面的表面粗糙度和面形要求。运用三坐标测量装置对零件进行了精密测量,验证了零件的尺寸精度符合设计要求。该技术的使用对加工同类型非球面离轴反射镜具有很好的借鉴和推广作用。     

步进电动机驱动的四轴超精密机床

文章介绍了凯泽斯劳滕大学新开发一种步进电动机驱的四轴超精密机床的结构、工作原理及步进电动机控制系统。该机床具有纳米级运动精度，可以加工圆柱、球面及非球面等光学表面，表面粗糙度值小于5nm。     

小口径非球面斜轴磨削及磁流变抛光组合加工工艺及装备技术研究

为提高小口径非球面模具加工效率和加工精度,提出一种结合斜轴超精密磨削和斜轴磁流变抛光的组合加工方法,将两种超精密加工方法集成在一台机床上,以缩短装夹时间以及降低装夹误差。研制新型的小口径非球面超精密复合加工机床,对直径Ф6.6 mm的非球面碳化钨模具进行了加工试验。斜轴磨削后加工表面粗糙度达到R_a 6.8 nm,斜轴磁流变抛光后表面粗糙度达到R_a 0.7 nm,面型精度可以达到PV 221 nm。结果表明,所开发的小口径非球面超精密复合加工装备能达到加工要求,可有效提高加工精度和加工效率。     

非球面玻璃透镜的超精密模压生产

非球面的加工方法，一直倍受人们关注。本文介绍非球面玻璃透镜一次完工的超精密模压生产技术及其发展动态，主要叙述超精密压型工艺，压模材料的要求和选用，压模的加工方法及加工机床。     

应用双摆动技术加工离轴碳化硅反射镜

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺。介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响。建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较。给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性。应用双摆动技术加工了一个224mm×108mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633nm)。因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展。     

Manufacture of SiC off-axis aspheric mirrors by double-swing method

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺.介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响.建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较.给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性.应用双摆动技术加工了一个224 mm× 108 mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633 nm).因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展.     

非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术

"Nanosys-300非球面曲面超精密复合加工系统"是 "九五"重点预研课题-"非球面曲面的超精密加工与测量技术"的主要研究成果.重点对非球面曲面光学零件超精密加工机床,非球面曲面光学零件超精密加工工艺,非球面曲面光学零件超精密测量技术进行了研究.其主要技术成果有:非球面超精密复合加工系统综合设计和制造技术,高速超精密空气静压主轴系统,超精密闭式液体静压导轨系统,高速超精密空气静压磨头电主轴系统,开放式高性能数控系统集成技术等.系统的精度检测和工艺实验表明其研究水平进入了国际先进行列.     

Coordinate transformation machining of off-axis aspheric mirrors

Off-axis aspheric mirrors are kernel components widely applied in various fields. The off-axis aspheric mirrors with large ratio of sag height to diameter are increasingly employed in many cases for smaller system and better optical performance. Slow slide servo-machining is one of the most currently efficient methods used to fabricate the off-axis aspheric mirrors. However, it is still difficult to machine off-axis aspheric mirrors with large ratio of sag height to diameter. This paper analyzes failure reason in a normal angle, including angle and tool oscillating range. The coordinate transformation machining is proposed to make the machining feasible by reducing the ratio of sag height to diameter. The cutting path is accurately designed by the coordinate transform. Freeform prisms are experimentally machined to prove that the proposed method also works well for complex surfaces.     

非轴对称非球面平行磨削误差补偿技术研究

针对非轴对称非球面的成形加工法柔性不足及球形砂轮加工法对工具和机械的要求太高的缺点,提出采用普通圆弧金刚石砂轮加工的平行磨削法。对于新方法加工中存在的加工误差问题,提出在非轴对称非球面加工中使用带倾角圆弧修整器及对主轴半径和副轴半径误差采用离线补偿的加工技术。通过理论分析和试验表明此方法可达到提高非轴对称非球面的加工精度的效果。     

大口径SiC离轴非球面的高效磨削加工

研究了空间遥感器用大口径SiC离轴非球面的超声复合磨削加工工艺。分别对磨削原理、金刚石砂轮结合剂选择、机床选取、磨削参数设定等进行了分析,并设计和规划了磨削工艺流程。基于逆向工程原理建立了高精度离轴非球面模型,创立了激光跟踪仪精磨阶段在线测量大口径离轴非球面的工艺。结合工程实践对一口径为700mm×700mm的SiC高次离轴非球面元件进行了逆向工程建模和超声磨削加工试验,并利用激光跟踪仪进行了在线检测。经过3个周期(每个周期4h)的修磨,其面形精度PV值和RMS值分别由45.986μm和7.949μm收敛至12.181μm和2.131μm;与三坐标测试结果进行对比,其PV值和RMS值的偏差分别为0.892 3μm和0.312 8μm。实验显示,提出的磨削工艺实现了大口径SiC离轴非球面的快速精确磨削,其加工精度、效率以及表面质量都有了很大的提高。     

非球面成形致动器排布方法的研究

针对非球面成形中致动器的排布,提出了一种新的方法——非球面梯度法,给出了非球面梯度法的理论依据和非球面梯度的两种公式。以一大口径离轴超薄球面镜为例,用非球面梯度法的两种公式求出了致动器排布初始解,进行了主动成形有限元分析和面形误差计算,研究了致动器排布的优化,完成了满足面形精度的最终解。比较了非球面梯度排布、正方形排布和环形排布三种方法在面形校正、致动器个数及间距等方面的差异。分析结果显示,用非球面梯度平均值公式求出的初始解与最终解最为接近,符合非球面梯度变化与致动器面密度的关系,而致动器排布优化则能进一步减少致动器数量和面形误差;非球面梯度法在减少致动器个数及修正面形方面比正方形排布和环形排布具有更大的优势,更适合在非球面成形领域用于求解致动器排布初始解。     

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.     

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.     

A new approach to characterising aspheric surfaces

In this paper, a new approach to fitting aspheric surfaces in three-dimensional space is proposed, based on the nonlinear least-squares algorithm. For the conditions tested, there are good indications that this method provides better results than conventional solutions as all the surface parameters can be estimated simultaneously based on the design equation, thus allowing the result to be directly compared to design parameters. Conventionally, aspheric surfaces can be fitted with simplified surface models, such as a second order surface or polynomial model. Using this approach the estimated parameters cannot be compared with the design values, breaking the link between the designed and measured surface. The new method is developed here and tested on computer simulated aspheric surfaces. Both ideal surfaces and surfaces with random irregularities are considered. Issues regarding the application of the fitting method to real measured surfaces are discussed.