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。     

非球面光学元件加工检测方法的研究

对非球面光学元件加工检测进行了试验和研究,得出了具体的测试方案。在非球面大口径光学元件的精密磨削中,其磨削阶段的检测技术是工件加工的关键。通过对大口径非球面光学元件加工中工件旋转轴(A轴)、砂轮旋转轴(B轴)、工件平移轴(X轴)、砂轮平移轴(Y轴)、砂轮回转轴(C轴)的位置和速度所进行的检测,证明了所使用的检测方法是可靠的,能够顺利地完成对非球面光学元件加工过程的检测,实现了非球面光学元件的精密磨削,满足了设计的要求。     

大口径SiC反射镜用金属基圆弧砂轮在线整形装置研制

针对空间光学系统中大口径SiC反射镜非球面磨削用金属基圆弧砂轮,提出并推导了双轴回转展成运动下脉冲放电修整圆弧的形成机理。在分析长春光学精密机械与物理研究所（长光所）4m口径SiC反射镜的非球面磨削运动的基础上,确定了有效磨削圆弧段及其半径和杯形电极的尺寸,针对长光所五轴联动数控磨床设计了金属基圆弧砂轮的在线整形装置,并通过圆弧整形实验进行了验证。结果表明,所设计的金属基圆弧砂轮在线整形装置能够很好地修整出目标圆弧,满足4m大口径SiC反射镜非球面磨削的需求。     

基于大口径光学非球面精密磨削过程的检测技术研究

中大口径非球面光学元件的铣磨-精密磨削-快速抛光-超精密抛光的高精度、高效加工工艺技术是目前国内外学者研究的重点,精密磨削加工中的光学元件磨削面形在位检测技术是保证加工-检测-补偿、再加工-再检测-再补偿的关健技术。本文通过分析精密磨削的在位检测原理、方案、检测路径规划,提出了一种适合轴对称非球面精密磨削的电感式在位接触检测装置和自适应卡尔曼滤波数据处理方法,可有效剔除奇异项,给出数据预平滑处理的路径,通过Gauss-Newton非线性最小二乘法和NUEBS曲线法进行曲线拟合试验,给出了更利于补偿加工的曲线拟合方法,取得数控补偿合理参数,实现加工快速收敛,最大限度逼近实际加工面形。实验结果表明基于在位检测的随机误差标准差,经滤波后减少了1/3,验证了其在位检测技术结果的可行性,提高了磨削加工中的测量效率与测量精度。     

微小非球面光学模具单点斜轴误差补偿磨削

针对微小非球面光学透镜模具的纳米单点斜轴误差补偿磨削进行研究。通过分析比较传统的直交轴磨削法,提出微小非曲面光学模具的单点斜轴磨削方式,有效避免微细砂轮在加工微小非球面时发生干涉情况;采用单点恒定磨削方式提高微小非球面磨削的稳定性及精度。通过分析磨削区域内微细砂轮与微小非球面的干涉情况,从而合理计算并选用较高强度的微细砂轮。提出微小非球面误差补偿磨削策略,分析砂轮的对心误差(x轴向和y轴向)对形状精度的影响,采用法向残余误差补偿的方法对加工后的形状误差进行超精密补偿磨削。利用超精密磨床对口径为2 mm的超硬热压模具碳化钨材料的微小非球面进行纳米单点斜轴误差补偿磨削试验,经过三次超精密磨削及误差补偿循环,其形状精度PV从1 034 nm改善至146 nm,表面粗糙度达到Ra2.19 nm。     

超精密机床热形变及其对运动精度的影响研究

超大口径超精密机床研制是大口径光学元件加工的必要基础,超大口径超精密机床在大行程、长工作周期的加工过程中,由于导轨发热引起的机床热形变将严重影响运动部件的直线度与光学元件的加工精度。利用ANSYS Workbench软件进行热-结构耦合仿真,对所设计的龙门式大口径磨削机床、5轴柔性气囊抛光机床进行了热形变分析,得到了导轨生热对机床整体热形变的影响规律。针对现有的磨削、抛光机床进行温度-直线度监测实验,探究了热形变对磨削机床所用液体静压导轨与抛光机床所用直线导轨运动直线度的影响规律,实际测量结果表明机床液体静压导轨的油膜生热对导轨运动直线度有较大影响。     

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。     

超精密磨削光学非球曲面用中心高微调机构

文章从理论上分析了中心高微调机构对光学零件加工精度的影响。设计研制了高精度的中心高微调机构,并进行了系统标定,在２ｍｍ的调整范围内能实现０．１μｍ的精确微调。该微调机构用于超精密磨削光学非球面的中心高微调。磨削结果表明,其磨削加工的零件轮廓精度为０．２μｍ,表面粗糙度为Ｒａ０．０１μｍ。     

非球面光学零件的超精密磨削技术

本文首先介绍了非球面光学零件的作用、硬脆材料的超精密加工的一个热点──延性方式磨削，实现延性方式磨削的条件和应用了延性方式磨削技术的非球面光学零件的超精密磨削加工机床，最后介绍了非球面光学零件的ELID起精密后削技术。     

非球面平行法磨削技术研究

文中针对硬脆材料非球面光学元件平行法磨削技术进行了研究,从加工原理上分析了平行法磨削技术不同于传统非球面磨削技术的特点,并通过几何关系建立了两轴联动非球面平行法磨削加工时球头砂轮运动模型,为非球面平行法磨削加工系统结构设计和数控系统轨迹计算奠定了基础.     

小型非球面轮廓测量仪的原理及应用

介绍了自行研制的FLY-I非球面轮廓仪的设计以及测量软件数学模型,其实用精度为1～2 μm.光学元件的抛光精度取决于精磨精度,本实验室现有的LOH高精度铣磨机床经过对第1次精磨后的光学元件面形进行修正,2次精磨后其精磨精度可达到2 μm.研究了这一非球面轮廓仪以配合LOH铣磨机床,测量得到1次精磨后的面形误差数据,经过误差反馈进行2次精磨,以保证光学元件的精磨精度.通过多次实验以及数据处理、分析,证明自行设计、装调的非球面轮廓仪达到了设计的精度要求,可满足实验室,光学加工车间对小型非球面精磨阶段面形的检测要求,即精磨面形误差在2 μm以内,同时也可直接用于中低精度非球面光学元件的最终检测.     

一种基于自动对焦的非球面测量系统

影响高精度非球面磨削加工精度的不仅是机床、刀具和数控技术等参数,而且取决于制造系统所采用的测试手段和所能达到的测量精度.针对非球面制造系统的测量特点,将光栅测量技术和光学显微镜自动对焦技术引入环节,进而提高对非球面工件的测量精度,解决了制约非球面加工精度提高的测量问题.     

光学非球面自动对焦测量系统研究

影响高精度非球面磨削加工精度的不仅是机床、刀具和数控技术等参数,而且取决于制造系统所采用测试手段和所能达到测量精度。本文针对非球面制造系统的测量特点,将光栅测量技术和光学显微镜自动对焦技术引入环节,进而提高对非球面工件测量精度,解决了制约非球面加工精度提高的测量问题。     

二次旋转曲面精密磨削原理与运动控制方法

针对旋转抛物面、旋转双曲面等非球面精密磨削加工技术难题,在旋转球面精密磨削方法研究基础上,提出旋转抛物面、旋转双曲面等非球面的展成与摆动复合的精密磨削新原理,使磨削主轴旋转中心线与曲线上磨削点的法线重合、磨削主轴的摆动中心点始终保持在旋转曲面的旋转轴上,从而避免原理性误差,通过理论分析证明该原理的可行性。对非球面展成与摆动复合精密磨削新原理的运动控制模型进行了讨论,构建具有在线自动检测功能的非球面精密磨削样机,应用在线自动检测功能,克服磨削过程中砂轮损耗对磨削精度的影响,实现磨削、检测自动化操作,一次参数设定就可完成整个磨削过程,提高了磨削效率。试验结果表明,磨削精度达到了令人满意的效果。     

Ф420mm高次非球面透镜的加工与检测

介绍了Ф420mm熔石英高次非球面透镜的加工与检测方法。对现有数控加工工艺进行了优化,通过分工序加工方式,依次采用机器人研磨、抛光和离子束修形技术完成了透镜的加工。进行非球面透镜检测时,考虑透镜的凹面为球面,利用球面波干涉仪对其面形进行了直接检测,剔除干涉仪标准镜镜头参考面误差后,透镜凹面的精度达到0.011λ-RMS;针对透镜的凸面为高次非球面,采用基于背后反射自准法的零位补偿技术对其进行面形检测,其精度达到0.013λ-RMS。最后,采用一块高精度标准球面镜对加工后透镜的透射波前进行了自消球差检测,得到其波前误差为0.013λ-RMS。试验结果表明,非球面透镜各项技术指标均满足设计要求。所述工艺方法亦适用于更大口径的非球面透镜及其他类型非球面光学元件的高精度加工.     

磁流变数控抛光技术研究

磁流变加工技术则具有高效率、高精度、低亚表面缺陷等优点,而非球面元件由于自身的优点得到广泛应用,实现非球面元件的磁流变加工技术具有重要的意义,因此,文章进行了非球面的磁流变抛光工艺软件设计,对非球面的磁流变加工算法进行了研究,同时对自研磁流变机床运动形式进行了分析,实现了非球面元件的自动装调定位系统设计,开展了对大口径的方形非球面元件的磁流变加工验证实验,非球面元件的透射波前误差得到了收敛,最终实现了面形精度PV为λ/3。验证了磁流变加工非球面元件的能力。     

非球面曲面超精密加工机床研制成功

2003年5月的一天,一块亮如镜面的铝材凸球面车削样件被小心翼翼地从非球面曲面超精加工机床卸下,送入国家级光学计量检验中心检验。检验结果为:车削加工样件的面形精度PV=0.228μm,表面粗糙度Ra=0.0078μm,这意味着表面粗糙度仅有不到8nm。这是三○三所研制的非球面曲面超精密加工机床在用户西安应用光学研究所进行交付验收时的一个场景。非球面曲面超精密加工机床的成功研制,表明三○三所超精密加工技术国防科技重点实验室比较全面地攻克了非球面曲面光学零件的超精密加工与测量的关键技术,打破了国外的技术封锁,使我国的非球面曲面光学…     

对称非球面镜的对比法独立在位测量和补偿磨削

为提高大口径非球面镜磨削阶段的在位测量和补偿磨削精度,提出了具有独立在位测量框架的补偿磨削系统,对该系统的测量原理、测量框架和补偿方法进行了研究。首先介绍基于直线运动轴和长度计组成的测量框架以及对比法在位测量原理。以此测量原理为基础,介绍了具有独立在位测量框架的磨削系统,并提出了基于砂轮磨削路径的测量基准路径生成方法;采用180 mm口径K9镜片进行了在位测量,并与Taylor Hobson PGI1250进行了交叉对比测量试验,验证了所构建在位测量框架的可靠性。采用样条拟合和共轭法来生成补偿路径。通过300 mm口径熔石英材料对称非球面镜的磨削试验,进行了在位测量和补偿磨削的验证。通过补偿磨削,将面形精度由35μm提高至4μm;与Taylor Hobson PGI1250的测量结果进行了交叉对比,试验结果表明所提出的独立在位测量框架测量结果可靠,补偿磨削效果稳定可靠。     

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.     

用于在线检测的紧凑型瞬态干涉测量系统

针对不同口径光学元件加工阶段的在线测量需求,提出了用于在线检测的紧凑型瞬态干涉测量系统。系统引入偏振相机来实现波前瞬态移相干涉测量以降低外界扰动影响。同时结合基于位形优化算法的子孔径拼接技术,可降低对运动扫描平台精度要求,并实现大口径光学元件全口径检测。为验证所提出测量系统的可行性,分别对金刚石车削机床对中工具和大口径球面镜进行在线检测和子孔径拼接测量,结果表明,与ZYGO干涉仪检测结果相比,两者对应的均方根值偏差的绝对值分别为0.003与0.007μm。同时该系统具有布局结构紧凑和对外界环境扰动不敏感的特点,可很好地满足复杂环境在线安装检测应用要求,在金刚石车削机床对中工具的在线调整和不同口径光学元件在线检测中具有较广泛的应用。