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.     

超精密非球面镜面计算机辅助设计与应用

非球面镜面加工技术的研究已经成为先进制造技术的核心问题之一,相关的超精密装备制造关键技术除了机床本体,最重要的是系统控制软件及应用软件的开发,这是制约自主产权的超精密加工装备技术发展的瓶颈问题之一。结合作者在日本从事NEDO项目合作的实际经验,深入细致地阐述了超精密非球面镜面计算机辅助设计(CAD)系统的算法原理、系统结构及系统实现,并通过实际的光学镜面设计实例,介绍SGT-CAM软件系统具体开发及应用,为超精密非球面镜面的计算机辅助加工打下了基础。该系统已经成功地应用于自行开发的小型超精密镜面加工机SGT100上,形状误差小于100纳米,表面粗糙度小于5纳米,得到有关专家的充分肯定。     

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。     

一种非球面超精密单点磨削与形状误差补偿技术

随着各种小型的非球面光学零部件的广泛应用,其成型模具的制造精度要求也日趋提高.针对目前我国尚未完全掌握非球面模具的超精密磨削技术的情况,对超精密单点磨削和形状误差补偿方法进行研究.利用在位接触式的测量系统的测量数据重构实际的磨削轮廓曲线.根据实际磨削轮廓与目标轮廓之间的法向距离,求解出法向残余误差,并提出基于超精密单点斜轴磨削的形状误差补偿方法.利用超精密磨床对口径为6 mm的超硬碳化钨的非球面光学模具进行超精密磨削、在位测量与误差补偿试验,经过两次循环,其形状精度(Peak to valley,PV)从449 nm改善至182 nm.     

轴对称非球面加工误差分离及补偿技术

分析轴对称非球面磨削加工中砂轮尺寸精度和形状精度等因素对加工工件精度的影响,提出适用于非球面加工的工件表面误差多参数分步分离的数学模型。新方法解决了原有加工存在的系统误差分离不彻底、补偿加工所需要的各项参数难确定等问题。试验结果表明：该数学模型更接近于理论计算轨迹,可以有效地减小加工误差,进一步提高工件的加工精度。     

光学非球面磁性复合流体抛光运动控制及误差分析

针对精密光学系统中对高精度光学非球面元件的加工需求,设计磁性复合流体抛光的直线光栅式运动轨迹,并通过运动轨迹和非球面方程计算出各抛光加工点坐标。根据工件表面形貌和抛光头运动姿态设计了抛光加工路径,建立各抛光加工点间的弓高误差模型,通过模型对工件表面弓高误差变化规律进行仿真分析。仿真结果表明,弓高误差会随着Y轴上步长的增大而增大。这对非球面超精密加工具产生了深远的影响,促进了光学元件超精密高效制造技术的发展。     

磁流变斜轴抛光及其路径控制

为解决磁流变抛光较小曲率半径(φ8 mm以下)非球面光学零件困难和抛光效率不高等问题,以四轴超精密机床为平台,开发出一种基于磁场辅助的磁流变斜轴抛光工艺,采用微小磁性工具头斜轴抛光方式,通过X轴、Y轴、Z轴、B轴四轴联动,控制抛光路径,防止干涉,实现微小非球面的超精密抛光.并对微小磁性斜轴抛光工具头的抛光路径轨迹进行了分析计算,采用驻留时间修正方法对误差进行修正,在此基础上开发出适用于微小非球面斜轴抛光的数控加工与修正软件.     

非球面模芯ELID磨削系统的研制

针对非球面模芯超精密磨削加工问题,研制了在线电解修锐(ELID)磨削系统。该系统应用平行法磨削原理,用整形后的球头砂轮进行非球面模芯的超精密磨削加工;利用非球面模芯工件本身的导电性能,以铸铁结合剂CBN砂轮作为阳极,以模芯本身作为阴极,通过ELID电源参数(电流、电压、占空比)的合理选择,解决了CBN球头砂轮的修锐,稳定地实现了小口径非球面模芯的ELID超精密磨削加工。     

非球面超精密加工自动编程技术研究

讨论了非球面超精密加工自动编程技术中的数控插补、刀具半径补偿、工艺参数选择及编程误差分析等问题.结合研究的成果,完成了对旋转椭球面和旋转抛物面等非球面工件的加工工艺实验.     

红外线聚光非球面透镜的单点金刚石镜面切削方法

根据硬脆性材料的延性域加工机理和面形误差补偿加工方法,研究了圆弧形和平头形刀具的单点金刚石延性域切削方法,在加工中直接获得了镜面切除面;并利用数控技术进行误差补偿,克服了因加工试验、刀具磨损、机械振动、热变形等造成的加工误差导致的非球面的面形精度降低和表面粗糙度恶化.并将该方法用于采用圆弧形刀具对红外线聚光的φ70mm非球面锗透镜进行单点金刚石切削实验中.试验结果表明面形误差补偿加工方法可以进一步消除加工误差,将非球面的面形精度PV值从微米级(1.23μm)提高到亚微米级(0.36μm)的程度,表面粗糙度R_a从亚微米级(0.27μm)改善到超亚微米级(0.04μm)的范围.     

SOFTWARE-CONTROLLED SYSTEM OF ULTRA-PRECISION MACHINING AXISYMMETRIC ASPHERIC MIRROR

In order to improve machining accuracy and efficiency, a software-controlled system of ultra-precision machining for axisymmetric aspheric mirror, using techniques of error compensation, remote transmission and modularization, is designed based on industrial PC, Windows 2000 work platform and Visual Basic 6.0. By experiments, this system realizes functions of ultra-precision machining, machining error compensation, remote data transmission and automatic data transformation among first machining, compensation machining and accuracy measurement. The actual application shows that error compensation improves machining accuracy, remote transmission improves machining efficiency while modularization avoids repeated work and improves design efficiency. Therefore, the system has met ultra-precision machining need for aspheric mirror.     

非球面镜超精密加工系统控制软件的研究

针对非球面镜超精密加工的需要,设计了基于工控PC机和Windows2000操作系统、选用VB作为开发工具及远程传输技术,实现非球面镜超精密加工、加工误差补偿及远程数据传输等多项功能的软件控制系统.系统采用模块化设计技术,可实现初加工,补偿加工和精密测量之间数据的自动转化,满足了超精密非球面镜加工精度的要求.     

DFP变尺度法在超精密非球面镜误差分析中的应用

基于误差消除的逆向求解思想,将DFP多维变尺度法应用于超精密高次非球面镜测量数据的面形误差分析中。通过坐标变换,建立了包含误差的标准曲线的变形方程。结合非线性最小二乘法,对测量数据进行了曲线拟合以获取参数值和面形误差的PV值。用C++语言实现了该算法。实例计算表明,该算法具有快速收敛性和稳定性,能满足超精密加工的精度要求。     

一种适合于超精密加工的特殊精密曲线插补算法

针对超精密车床提出一种新型的插补计算方法,将特殊精密曲线的插补功能集成到数控系统内部,并提出双圆弧逼近的误差的通用估计准则和生成程序段数目的估计算法。     

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。     

离轴非球面超精密磨削加工几何模型的探讨

在用来加工轴对称非球面的二轴联动超精密数控机床的工件主轴上安装可以精确给出旋转角度的码盘，采用柱坐标加工方式进行离轴非球面的超精密磨削加工。在给出离轴非球面方程的基础上，给出数控加工离轴非球面的相应的几何模型。计算机仿真验证了该加工方法的简便性与可靠性。该加工方法可以降低设备投入，提高生产效率。     

超精密车床进给伺服系统的复合控制设计

超精密车床在非球曲面以及超光滑表面的加工中具有广泛应用.将超精密车床进给系统设计成为具有电流环、速度环和位置环的三环伺服系统结构,并根据实际伺服特性,在位置环上设计了具有速度/加速度前馈补偿的半闭环复合控制策略.通过实验数据的比较,显著提高了进给伺服系统的控制精度,减少了跟踪误差.