双面抛光运动的数学建模及轨迹优化

双面抛光运动过程复杂,对光学材料的加工有重要的影响,运动轨迹分布不但影响加工效率,而且影响加工工件的表面质量.通过分析双面抛光加工的运动过程,建立双面抛光中任意一点相对于上抛光盘的运动轨迹的数学模型,改变数学模型中的轨迹运动参数,观察不同参数值对抛光轨迹分布的影响,优化分析得出抛光轨迹分布最佳的运动参数值.研究结果表明...     

极坐标系统下进行直角坐标扫描的离子束抛光

在离子束抛光设备研制过程中,离子源扫描运动方式的选择是很关键的,一般分为直角坐标方式扫描和极坐标方式扫描两种。根据两种扫描方式的特点,在极坐标系统下进行直角坐标扫描方式加工。该种方法采用直角坐标扫描方式下的驻留时间计算,算法相对简单。该种方法在极坐标系统下进行加工,同等情况下可加工圆形镜面的口径比直角坐标系统下更大些;而且离子源的可移动区域是一条直线,其余地方可以摆放其他设备,空间利用率较高。对这种新思路进行仿真分析,证实了其具有可行性。     

一种磁流变抛光方法的探讨

探讨了一种进行磁流变抛光的方法,针对该方法的运动方式进行了磁流变抛光过程中相对速度和驻留时间的计算,并模拟了相对速度与工件口径、相对速度和时间乘积与工件口径的关系曲线。在理论分析的基础上,进行了相应的工艺实验,分析了该磁流变抛光方法的去除特性,并对中心区域去除特性的不同原因进行了探讨。实验结果研究表明：采用该方法能够实现光学零件除中心区域外的均匀去除。     

非固定环带随机双面抛光技术研究

提出了一种基于平移偏摆运动的非固定环带随机双面抛光的方法,通过设计平移偏摆装置使得工件运动方式脱离固定环带的限制,借助随机性运动进行迭代,解决了行星式双面抛光等固定环带抛光过程中产生的周期性轨迹问题;通过优化运动方式组合,在随机性运动叠加情况下实现了大口径超薄元件面形稳定收敛控制。与行星式双面抛光相比,不仅面形精度更好,而且没有明显的周期性加工痕迹。该方法可以应用到对表面激光损伤阈值有特殊要求的超薄件批量生产当中。     

离子束抛光工艺中驻留时间的综合算法

 在离子束抛光工艺中,驻留时间的求解是很关键的。通常求解驻留时间的时候,是用理想的高斯函数来近似实际的加工函数。如果使用实际的加工函数仿真加工,加工的效果不好。运用系数法和消去法的综合算法来提高采用实际加工函数仿真加工镜面面型的精度,首先多次用系数法得到比较理想且平滑的镜面面型,然后再用消去法精修面型。这种算法运算速度快,得到的面型精度高且较平滑。对这种综合算法进行仿真分析,比较了理想高斯函数与实际加工函数加工后的差别,同时比较了运用消去算法与综合算法得到的镜面面型,PV值由83.63 nm减小到46.92 nm,镜面精度提高了很多。     

平转动运动方式下环形抛光盘的去除函数研究

为保证加工精度和提高抛光效率,推导了盘式动压抛光所用的环形抛光盘在平转动运动方式下的去除函数。在平转动运动方式下,与应用最为广泛的圆形抛光盘相比较,环形抛光盘的最大趋近因子提高了10.25%,更加趋近脉冲函数的特性,减少光学元件表面的中高频误差。给定初始面形误差,以相同的参数采用脉冲迭代法计算驻留时间和残留误差,经过50次迭代,仿真加工结果表明,环形抛光盘相比于圆形抛光盘的表面残留误差降低了3.65%,提高了抛光去除效率。     

光学元件超精密气囊抛光关键技术研究现状

空间光学元件对面形精度和表面质量有着极高的要求,气囊抛光采用了新型的抛光工具和特殊的运动形式,是一种高精度、高效率的光学元件加工方法,尤其适用于非球面的加工,具有广阔的应用前景.分析了气囊抛光技术的基本原理及该技术的发展过程,介绍了气囊抛光相关技术的研究情况和实验结果,对几项关键技术的研究现状进行综述,重点介绍材料去除特性、驻留时间控制算法、边缘精度控制以及最新开发的喷液抛光技术的研究情况.     

基于梯度聚类离散思想的磁流变抛光自适应轨迹

针对磁流变抛光过程中抛光轨迹会引入迭代误差的问题,设计了步长和行距随光学表面梯度自适应变化的光栅线抛光轨迹。首先根据光学元件的表面误差分布,利用标准五点法获得面形各点的梯度值,再基于聚类离散思想将所有面形点根据梯度值大小进行了归类,从而得到轨迹步长和行距随面形误差变化的自适应轨迹。在自研的磁流变加工机床上进行了实验研究,将一块直径50mm的微晶玻璃,从峰谷值为65nm、均方根值为12nm收敛到峰谷值为21nm、均方根值为2.5nm,并且在加工后的表面功率谱密度曲线上没有出现明显的尖峰误差。实验结果表明,这种自适应轨迹能有效抑制中高频误差。     

基于最优化思想的磁流变抛光驻留时间算法

基于最优化思想研究磁流变抛光驻留时间算法。将驻留时间反卷积运算变换成矩阵运算,以实际加工要求为约束条件,建立关于驻留时间的最优化数学模型,利用最小二乘逼近和最佳一致逼近数学解法器对优化模型进行数值求解。仿真结果显示:该算法收敛幅度大,计算效率较高,所求解满足数控加工要求。在自行研制的磁流变抛光机床上进行抛光实验,对有效口径为50 mm的圆形平面工件,经过4.7min抛光,PV值从0.191λ降至0.087λ,收敛54.5%,RMS值从0.041λ降至0.010λ,收敛75.6%。     

碳化硅表面硅改性层的磁介质辅助抛光

为了实现碳化硅表面硅改性层的精密抛光,获得高质量光学表面,对磁介质辅助抛光技术进行研究。设计了适合碳化硅表面硅改性层抛光的磁介质辅助抛光工具,并对抛光工具的材料去除函数进行研究。针对材料去除函数的特性,对数控磁介质辅助抛光的驻留时间算法进行了研究。采用磁介质辅助抛光技术对碳化硅表面硅改性层平面样片进行了抛光实验。经过一次抛光迭代,碳化硅样片表面硅改性层的面形精度(均方根)由0.049λ收敛到0.015λ（λ=0.6328 μm）,表面粗糙度从2 nm改善至0.64 nm。实验结果表明基于矩阵代数的驻留时间算法有效,磁介质辅助抛光适合碳化硅表面硅改性层加工。     

气囊式工具抛光新技术

介绍了一种新型的光学加工技术———气囊式抛光。气囊为球形的柔性膜,外表面粘贴抛光模,内部充入低压气体。气囊具有可独立的控制变量:内部的压力、抛光接触区、进动运动、旋转速度。以IRP 200型为例,介绍气囊抛光的原理及其实用效果。研究和试验表明:气囊式抛光是一种实用、经济的高精度非球面抛光技术,有可能成为光学冷加工发展的一个主要方向。     

超光滑加工的后置处理算法研究

为了精确控制超光滑加工过程中磨头的运动轨迹,从而实现光学元件材料去除的均匀稳定,研究了超光滑加工的后置处理算法。分析了超光滑加工工艺的特点和相应的超光滑机床的机械结构,建立了机床的坐标系统,构造了机床的运动学模型。对于光学元件母线为任意平面曲线的情况,研究了磨头运动轨迹的等误差直线逼近算法。在曲率半径为290mm,相对口径为1∶2.9的凹球面上进行了超光滑加工实验。结果表明,利用所述算法可以精确地控制磨头的运动轨迹,从而保证材料去除的稳定性。     

基于Marangoni界面效应的数控化学抛光去除函数的研究

 利用基于Marangoni界面效应对化学抛光去除函数的理论及实验进行研究,提出采用湿法化学抛光（刻蚀）方法为大口径高精度光学元件的加工提供新的解决途径。介绍了Marangoni界面效应及其验证实验,运用WYKO轮廓仪对熔石英基片局域刻蚀前后的粗糙度进行检测,结果表明,粗糙度基本无变化,刻蚀前后粗糙度分别为0.72 nm和0.71 nm。基于Preston假设, 建立了数控化学抛光理论模型,运用WYKO干涉仪观察实验现象可知,化学抛光刻蚀曲线基本上成平底陡峭的去除函数曲线,小磨头抛光是倒置的仿高斯函数曲线。     

一种高效率小口径非球面数控抛光方法

自主设计研制的非球面数控抛光机采用气囊式抛光工具,可抛光100mm以下的非球面光学零件,针对口径35mm凹非球面透镜(顶点曲率半径R=-108.14mm的双曲面),研究了非球面的抛光工艺,并确定了相关工艺参数,抛光时间大约为20min,第二次次抛光后元件面形精度达到1.08μm,满足了该零件的使用要求。相对于现有设备美国Precitich公司的Microfinish 300型CNC非球面抛光机,该抛光设备实现了中等精度要求的小口径非球面元件的高效数控抛光。目前该抛光机已经成功地应用于某光学系统非球面零件的批量生产中。     

平面和曲面光学零件气囊抛光材料去除的比较研究

气囊数控抛光是近年来一种新兴的先进光学制造技术,采用柔性的气囊作为抛光工具并以进动的方式进行加工。首先简要阐述了气囊抛光的抛光原理,然后针对平面和曲面光学零件,在自行研制的气囊抛光实验样机上进行了抛光实验。被抛光光学元件的材料去除是在抛光区内实现的。研究了进动角、气囊压缩量、气囊内部压力、气囊转速、抛光时间以及工件的曲率半径几种重要的工艺参数对平面工件和球面工件抛光接触区大小和形状影响情况的异同。在此基础上,总结了气囊抛光材料去除的影响规律。给出了几种重要工艺参数在平面工件和球面工件上取值范围。     

计算机控制光学表面抛光的磨头运动方式和参数的优化研究

对影响计算机数控抛光表面误差收敛速度的主要因素———磨头工作函数进行了详细的讨论。提出了以趋近因子作为评价磨头参数优化的参量。对目前流行的行星式磨头和平转动磨头分别作优化,给出了最佳参数组合,为提高计算机控制抛光的效率提供了理论依据。     

基于六自由度机构平台实施自由曲面确定性抛光

工具定位精度和工艺合理性规划是影响自由曲面表面高质量制造的主要因素。研究了立足计算机控制的确定性制造概念。借助于多自由度机构平台,采取点对点的材料去除方式,针对具有非平缓变化曲率或陡度的自由曲面表面,设计工具结构、规划抛光路径,实施快速均匀抛光,为构建自由曲面计算机控制制造专家系统提供了支撑。     

光学面形的轮带光学抛光方法研究

鉴于光学零件高陡度凹曲面的抛光是光学加工的一个难题,轮带光学确定性抛光方法是解决此类零件抛光的有效方法之一;提出轮带光学抛光技术的原理和方法。研究了轮带光学抛光方法修形的可行性,采用五轴精密数控机床系统对一块直径Ф80 mm的K9玻璃平面样镜进行了修形试验,经过3次迭代修形使其面形精度均方根误差（RMS）由初始的0.109 提高到0.028 ,平均每次收敛率达到1.3。实验结果表明,应用轮带光学抛光技术进行光学镜面修形,面形收敛速度较快,加工精度较高。本实验验证了轮带光学抛光技术的修形能力,为高陡度光学零件的抛光提供了研究基础。