φ1.8m轻质镜能动磨盘技术抛光的柔性限位支撑设计仿真与优化分析

大口径轻质反射镜采用柔性支撑结构可以降低外界力载荷、惯性载荷及热载荷的负作用,从而保证光学系统的成像质量。为消除加工、检测与系统装调过程的定位误差,研究了应用于计算机控制能动磨盘加工(CCAL)技术抛光的柔性限位支撑模型。利用有限元分析软件(Ansys),分析φ1.8m轻质镜采用柔性限位支撑时,CCAL技术抛光引起轻质镜的最大倾斜量、最大主应力以及主镜面变化范围,对支撑盘的口径及位置进行了优化设计,模拟仿真18点弹簧在不同压缩量下的镜面变形。仿真分析结果表明,柔性限位支撑的结构刚度、轻质镜底板倾斜量满足能动磨盘加工条件,最大主应力强度远小于主镜的许用应力,主镜面变形符合加工要求。     

机械手修正大口径非球面环带误差

在大口径非球面加工中,采用能动磨盘进行加工,加工效率较高,但能动磨盘加工也会存在着些问题,如严重的边缘效应因为磨盘和工件不能完全的吻合,加工后会存在环带误差和局部误差,表现为镜面的误差分布不对称,也就是通常所说的存在着严重的慧差。在能动磨盘加工后,可以采用机械手小工具对工件的环带进行平滑去除镜面局部高点,修正镜面环带误差,使得镜面误差成对称分布,可以更好地利用能动磨盘进行加工。介绍了机械手小工具的结构,通过实际的加工情况建立小工具磨盘的去除函数模型,并进行了仿真计算。通过与实际去除环带的实验对比,理论仿真和实际加工吻合较好,取得了显著的修正效果。     

运用功能梯度结构降低大功率激光系统中镜面热变形的数值分析

 提出一种运用功能梯度结构以有效降低大功率激光系统中镜子温度和镜面热变形以及减缓热应力的新方法。讨论了环形分布和高斯分布2种类型的激光源。有限元分析结果表明，通过这种方法可使硅镜和铜镜的表面热变形成倍降低，并且还能同时显著降低镜体温度。讨论了代表热学和力学性质的函数表达式的斜率对镜面热变形的影响，研究表明：功能梯度结构的热物理对镜面形变产生重大影响，而力学性质对镜面形变的影响非常小。该结论可为具有该功能梯度结构的镜子优化设计和制造提供参考。     

空间光学遥感器主镜加工过程中疲劳寿命研究

针对空间光学遥感器主镜镜面加工过程中,磨盘与主镜间磨削动作往复运行引起的主镜柔性支撑结构疲劳寿命问题,通过建立主镜组件的有限元模型,利用MSC.Fatigue软件按应力-寿命(S-N)法对主镜组件进行了疲劳寿命分析,确定了支撑结构的薄弱部位,并对仿真过程进行了误差分析,讨论了影响仿真结果的各个因素.对比热真空试验和动力学试验前后主镜镜面面型数据,验证了支撑结构加工、设计参量的合理性.通过疲劳寿命仿真分析,可以有效预示光学结构在加工过程中的疲劳情况,为空间光学遥感器结构的设计、加工提供理论依据和参考.     

空间光学遥感器主镜加工过程中疲劳寿命研究

针对空间光学遥感器主镜镜面加工过程中,磨盘与主镜间磨削动作往复运行引起的主镜柔性支撑结构疲劳寿命问题,通过建立主镜组件的有限元模型,利用MSC.Fatigue软件按应力-寿命(S-N)法对主镜组件进行了疲劳寿命分析,确定了支撑结构的薄弱部位,并对仿真过程进行了误差分析,讨论了影响仿真结果的各个因素.对比热真空试验和动力学试验前后主镜镜面面型数据,验证了支撑结构加工、设计参量的合理性.通过疲劳寿命仿真分析,可以有效预示光学结构在加工过程中的疲劳情况,为空间光学遥感器结构的设计、加工提供理论依据和参考.     

一种光学仪器镜面面形的处理方法

光学镜面表面变形包含刚体位移和表面畸变,其中表面畸变是影响成像质量的主要因素,因此需去除刚体位移,分析表面畸变。通过坐标变换生成一个新的理论镜面,用该镜面拟合变形镜面,用拟合镜面与变形镜面轴向差值计算出表面畸变的RMS值及PV值。实例计算表明该算法拟合精度较高,适用于抛物面、球面镜在支撑和装夹下的镜面面形精度分析。     

大口径薄型光学镜面支撑方案的优化设计

 针对薄型光学镜面支撑过程中的主动施力过程,建立了一个1维分析模型。利用该模型,采用有限元法对一个口径为300 mm、直径与厚度比为40的薄型光学镜面,利用离散支撑方案,针对4种镜面变形进行了计算,得到了实现变形要求所需施加力的大小。使用零阶优化方法中的子问题逼近法对施力位置、施力大小进行了具体优化。分析结果显示：优化后的镜面变形与目标形状更接近,最大平均差值比优化前减小了58%。     

光电经纬仪主镜面形变化的有限元分析

为了从整体上了解装配支撑系统后主镜面形变化情况,采用有限元分析方法对某光电经纬仪主镜系统结构进行了分析.在不同倾角下分析镜面及其支撑系统的自重变形,得出镜面及其支撑系统在各个俯仰高度上的变形位移.分析结果表明,在各个倾角状态下,主镜在Z方向上位移较大,最大达1.4 μm,造成镜面反射面平移,对反射面焦距有影响;X方向为旋转轴方向,变形较小,为0.01";Y方向为镜面倾斜方向,变形在0.5"左右,造成镜面弯曲.     

有限元在大口径镜面研制中的应用

大口径光学反射镜镜面受自重影响变形较大,研究它在磨制和检测中的支撑结构和形式是非常重要的。采用有限元软件从理论上分析了Φ1330mm平面反射镜和Φ616mm非球面轻量化碳化硅主镜在磨制和检测中的支撑结构和形式,以使反射镜面形变形最小,保证其光学成像质量达到一定的技术要求。通过实际测量Φ616mm非球面碳化硅主镜在不同支撑状态下的面形变化情况,验证了理论分析结果。根据实际效果值用有限元进一步优化组合了最佳的支撑结构和形式,为今后对更大口径反射镜面的磨制和检测提供了指导。     

钢带支撑轻量化椭圆镜的变形研究

应用有限元分析方法,借助于MSC.Nastran有限元分析软件,对钢带支撑下的大尺寸轻量化椭圆反射镜进行了受力、变形分析.用Excel绘出了钢带对椭圆镜边缘的正压力的分布曲线,得出了钢带对椭圆镜的正压力在最低点最大,随着支撑位置的上升而逐渐减小的分布规律.由镜面节点变形结果计算出椭圆镜在钢带支撑下的镜面面形误差RMS值为11.7nm,满足实际系统的面形准确度要求.     

对主动抛光盘在加工、测量状态下盘面的变形及提升的数学分析*

用主动抛光盘磨制非球面是一个动态的过程,必须保证在计算机控制下,主轴的移动、旋转。和抛光盘的旋转、倾斜、变形及升降,以及主镜的旋转都步调一致。推导出在模式中诸要点的位置、速度、加速度和时间的关系,并根据所加工的口径φ910mm,焦比为F／2的抛物面主镜参量和所用主动抛光盘的参量分析：1)主动抛光盘基板的变形特性。即它的变形量、变形的速度和加速度。以及近似公式与精确公式之间的差异;2)主动抛光盘背面的三个提升点运动规律。即它的升降量、升降的速度和加速度;3)主动抛光盘的变形量和它在差分变压器式线性微位移传感器(LVDT)测试架上所测得的测量量之间的关系;4)分析主动抛光盘的变形与提升的速度与加速度和抛光盘沿横梁的运动速度V1以及抛光盘自身的转速V2之间的关系和特性。此分析是主动抛光盘的数学基础,它为主动抛光盘的机械和电控设计提供了技术依据,为实现计算机控制下的6轴联动提供了保证。     

主动抛光盘磨制非球面的工艺与面形检测

主动抛光盘技术特别适用于磨制焦比大的深度非球面,能够根据需要对抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制非球面镜面。它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。用计算机控制磨制,可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了用国内首次研制成功的主动抛光盘对加工直径910mm、焦比F/2的抛物面镜的工艺方法的初步探讨,并给出了抛物面镜的检验方案和检测结果。     

一种大口径大非球面度天文镜面磨制新技术

主动抛光盘技术是近年来因天文望远镜的口径越来越大,焦比越来越快而发展起来的一种能够根据需要将抛光盘面实时地主动变形成偏轴非球面来磨制大口径非球面度高精度天文镜面的磨制技术。非球面表面的曲率不仅各点不一致,而且同一点的径向与切向曲率也不相同,所以经典的大的抛光盘不可能使其表面形状始终与所接触的非球面表面形状相吻合;常用的小磨盘抛光的致命缺点是解决不了高频切带,抛光效率也低。而主动抛光盘技术正好解决这些难题。与传统方法相比,它具有较高的磨削速率和较大范围内的自然平滑(无切带)。这是一种用计算机控制的磨镜技术,通过它可以像加工球面一样来加工一个深度的非球面。介绍了我国成功研制的主动抛光盘以及它在直径910mm,焦比F／2抛物面镜加工中的成功应用和加工的结果,以及此项技术将在2m以上直径天文镜面,特别是30m巨型天文光学／红外望远镜的分块子镜磨制中的应用前景。     

能动磨盘变形检测中的各误差因素分析

针对现有f530 mm能动磨盘的检测系统（有效检测口径f420 mm）,系统分析了检测过程中的球头误差、传感器安装角度误差和坐标定位误差,并给出了各项误差对检测精度的影响。同时,还针对检测基座不完全水平的问题建立模型,应用最小二乘法实现了检测数据的去倾斜处理。给出了实测数据去倾斜前后和误差补偿前后的检测精度对比情况,结果表明去倾斜算法能较好地还原实测数据,补偿检测中的系统误差有助于提高检测精度。     

基于PZT的非球面能动抛光盘设计优化

基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,能够在PZT驱动器的作用下改变面形,用于中小口径非球面镜加工。为优化设计基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘,利用有限元分析方法,计算各驱动器的影响函数,计算非球面能动抛光盘的输出面形,与理论面形比较得到剩余残差。以优化设计驱动器排布方式和极头直径为例,当非球面能动抛光盘中心到非球面工件中心的距离L为120mm,分别计算比较,极头直径为Φ10mm时,19单元PZT圆形排布与21单元PZT方形排布的剩余残差;以及19单元PZT圆形排布时,极头直径为Φ10mm与Φ14mm的剩余残差。结果表明,非球面能动抛光盘产生变形后的剩余残差RMS相应分别为0.303μm、0.367μm、0.328μm。因此,基于PZT压电陶瓷驱动器的非球面能动抛光盘确定选用19单元PZT圆形排布且极头直径Φ10mm。     

经纬仪主镜在支撑系统下的面形变化

为研究在重力作用下主镜支撑系统对经纬仪主镜处于不同工作角度时面形误差的影响,以600 mm口径主镜为研究对象,利用Abaqus软件分别建立了600 mm主镜在加工状态下和工作状态下的有限元支撑模型,并进行了重力变形分析,然后借助4D干涉仪对在不同支撑系统下的主镜进行相关的面形检测。实验结果表明,在吊带支撑系统和主镜室支撑系统下,主镜的自身面形误差RMS为16.18 nm和16.90 nm。利用有限元分析了理想状态的主镜在不同仰角工况下的面形误差,结合主镜自身的面形误差,计算得到了主镜面形误差在光轴由水平变化到竖直的过程中逐渐变大,其RMS最大为19.58 nm,表明该主镜室支撑系统具有良好支撑效果,可满足工程要求,同时也验证了主镜室支撑系统有限元理论模型的准确性。     

主动抛光盘磨制非球面镜面控制技术的研究

介绍了抛光盘机械结构和基本运动方式,探讨了主动抛光盘的控制系统和面形检测,重点对变形技术进行了数学分析,并给出了实验结果。根据实验结果分析了面形误差产生的原因,讨论了主动抛光盘的动态响应和校正,给出了直径910mm,焦比为F/2的实验镜面磨制结果。     

能动抛光磨盘的变形实验研究

 能动抛光磨盘实时产生不同的表面变形，在对大口径非球面光学元件进行精磨和抛光时实现与工件表面良好的大尺寸吻合，可以消除传统光学加工采用小尺寸磨头时带来的高频残余误差并提高加工效率。以加工直径1.3m左右，F/2的抛物面光学元件为例，对能动磨盘在不同离轴度时能够产生的变形进行了计算和实验。结果表明，能动磨盘能够以较高精度产生旋转对称或非对称的抛物面形状。对能动磨盘产生变形后的残余误差进行了分析。     

轻质碳化硅反射镜抛光过程镜面变形影响的研究

轻量化的碳化硅反射镜有自己独特的结构特点,加工中的变形与传统实体反射镜不同,对加工后的面形结果有独特的影响。对一直径为318mm的轻量化碳化硅反射镜进行了传统的研磨抛光,由于镜面变形对抛光结果带来了很大的影响,其面形误差的RMS值在0.048λ(λ=0.6328μma)左右就不再收敛。对抛光状态的镜体进行了有限元分析,探讨了减轻镜面变形对抛光结果影响的方法。采用计算机控制小磨头对该反射镜进行了确定性抛光,有效地降低了镜面形变的影响,使面形满足了精度的要求。     

主动抛光盘面形测试技术的研究

主动抛光盘技术是新发展起来的一种能够根据需要将抛光盘面实时地主动变形成离轴非球面来磨制深非球度高精度天文镜面的磨制技术。简单介绍了抛光盘变形控制结构和面形检测机构，对深非球面度面形变形进行了精度分析，探讨了主动抛光盘的动态响应和校正，并对抛光盘的改造提出了一些建议。