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。     

非球面碳化硅反射镜的加工与检测

为了获得高精度非球面碳化硅(SiC)反射镜,对非球面碳化硅反射镜基底以及改性后碳化硅反射镜表面的加工与检测技术进行了研究。介绍了非球面计算机控制光学表面成型（CCOS）技术及FSGJ-2非球面数控加工设备。采用轮廓检测法和零位补偿干涉检测法分别对碳化硅反射镜研磨和抛光阶段的面形精度进行了检测,并采用零位补偿干涉检测法及表面粗糙度测量仪对最终加工完毕的碳化硅反射镜的面形精度和表面粗糙度进行检测。测量结果表明：各项技术指标均满足设计要求,其中非球面碳化硅(SiC)反射镜实际使用口径内的面形精度（RMS值）为0.016λ(λ=0.6328μm）,表面粗糙度（RMS值）为0.85nm。     

平面数控抛光工艺优化技术

为了满足“神光”-Ⅲ装置对大批量大口径光学元件的需求，解决加工精度以及加工效率等方面的问题，对计算机控制光学表面成型技术（CCOS）进行了多方面的研究。在对平面数控软件进行了深入的研究工作后，结合高精度干涉检测手段，对数控工艺软件进行了大幅的改进。     

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。     

计算机控制光学表面成形法初值的确定

介绍了计算机控制光学表面成形法的原理,分析了几种非球面度的测量方法,研究了非球面度的不同计算方法对采用计算机控制光学表面成形法加工非球面的影响。从光学零件加工的角度对计算机控制光学表面成形法初值的确定进行了探讨。     

平面元件数控加工技术研究

利用从俄罗斯引进的ＡＤ １０００ 数控研磨抛光机对Φ３３０ｍｍ ×３５ｍ ｍ 、２３０ｍ ｍ ×２３０ｍ ｍ ×４０ｍ ｍ 两块Ｋ９材料平面光学元件进行计算机控制抛光工艺研究。通过工艺研究全面熟悉了设备的技术特性和工艺软件特性,验证了ＡＤ １０００ 数控研磨抛光机在加工高精度光学元件基板方面Ｐ Ｖ、ＲＭＳ值收敛效果明显,较传统加工方法在效率上有极大提高。     

大口径离轴凸非球面的加工和检测

将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接测试技术相融合提出了凸非球面系统拼接检测方法,对该方法的原理和实现步骤进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型.依次利用计算机控制光学表面成形技术和磁流变抛光技术对一包含大口径凸非球面的离轴三反光学系统的各反射镜进行加工,并对整个系统进行装调和测试.测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值求解得到大口径凸非球面全口径的面形信息.结合工程实例,对一口径为292mm×183 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,其最终面形分布的均方根值为0.017λ(λ=632.8 nm).     

驻留时间参数优化分析

驻留时间的求解是计算机控制光学表面成形(CCOS)中形的收敛速度和面形精度.提出以面形精度和收敛速度两者加权综合最优的原则,对求解驻留时间的去除系数进行优化,得出其优化式,并对优化式中影响两者权重的系数β进行仿真分析,结果表明口取值[0.1,0.3]时能使驻留时间达到最优.     

中小口径双非球面数控抛光技术研究

针对口径Φ62 mm双凸非球面透镜,进行了数控研磨和抛光技术研究.提出了规范性的加工工艺流程,实现了中小口径双非球面元件的高效、快速抛光.根据计算机控制光学表面成型技术,采用全口径抛光和小抛头修抛的两步抛光法,在抛光中对其面形误差进行多次反馈补偿,使被加工零件表面的面形精度逐步收敛.最终两面的面形精度均小于0.5 μm,中心偏差小于0.01 mm,满足了光学系统中对非球面元件的精度要求,并且在保证有较高面形精度和较好表面光洁度的同时,解决了双非球面中心偏差和中心厚度难以控制的加工技术难题.     

利用功率谱密度评价离子束抛光光学元件表面粗糙度

利用功率谱密度(PSD)评价光学表面粗糙度具有传统评价手段(Ra)所不具备的优势。给出了功率谱密度的计算方法,以及抽样方向与一维PSD曲线的关系。在离子束抛光K9玻璃实验中引入PSD曲线,以评价抛光光学零件的光学表面粗糙度,结合PSD曲线与Ra值能够更全面的指导光学加工。     

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。     

Compare study between smoothing efficiencies of epicyclic motion and orbital motion

The smoothing efficiencies of epicyclic motion and orbital motion in CCOS (computer controlled optical surfacing) were compared. CCOS polishing can smooth out mid-to-high spatial frequency errors which are smaller than tool size on optical mirrors due to the rigidity of polishing tools. The smoothing efficiencies of epicyclic motion and orbital motion with pitch lap and RC lap were compared and the result proved pitch lap with epicyclic motion smoothed ∼1.6 times faster than pitch lap with orbital motion while RC lap with epicyclic motion smoothed ∼1.85 times faster than RC lap with orbital motion.     

A method to evaluate error correction ability of computer controlled optical surfacing process

Quantitatively investigating error correction ability in frequency domain is important for computer controlled optical surfacing (CCOS) process to correct different spatial frequency errors. Based on the mathematical model coherence between filtering and material removal process of CCOS, a method is proposed to quantitatively evaluate the correction ability of CCOS process. A generalized model named normalized smoothing spectral function (SSF) will be established combine convolution model of CCOS and power spectral density (PSD) function. A set of polishing experiments are performed to calculate SSF curves and validate SSF model. By comparing the results of SSF curve with PSD curve and surface figure, it reveals that SSF curve can quantitatively indicate the correction ability of CCOS process for different spatial frequency errors.     

大口径碳化硅反射镜数控抛光工艺北大核心CSCD

研究了针对600mm口径方形轻质碳化硅元件的数控抛光工艺过程,采用国产OP1000数控研磨抛光机床对一块600mm×480mm的方形碳化硅元件进行数控抛光加工。在经过两周的加工时间,碳化硅光学元件的通光口径均方根(RMS)值收敛到了35nm(大约为λ/18,λ=632.8nm)。在加工过程中针对大口径椭圆形碳化硅反射镜采用了合适的加工参数优化,例如在加工过程中的不同阶段选择了不同颗粒度的金刚石微粉作为特定阶段的抛光辅料以保证光学元件的表面粗糙度。对计算机控制数控加工技术的快速收敛过程也进行了阐释。     

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。     

多磨头数控抛光对大口径离轴抛物面镜中频误差的抑制

大口径非球面光学元件的面形中频误差对光路中的光斑扩散函数精度以及高能激光的能量散射有着直接的影响,针对该问题,提出一种计算机控制的多磨头组合抛光技术,用于对非球面元件中频误差的有效控制。对半刚性抛光盘抛光过程进行了力学有限元分析,并基于Bridging模型对半刚性抛光盘抛光过程进行了理论模拟,对其贴合特性进行了研究分析。实验结果表明:采用多磨头组合抛光的技术能够有效改善大尺寸非球面元件的面形中频误差,加工的两件?460 mm离轴抛物面元件面形PSD1值相对于之前降低了近70%,达到2.835 nm,并且PV小于0.16λ(632.8 nm),RMS小于0.02λ。     

基于驻留时间补偿的抛光误差控制方法

 针对计算机控制光学表面成形中光学表面存在中高频误差的问题,提出了一种基于驻留时间补偿的有效控制方法。分析了抛光误差的形成机理和影响因素,对系统的误差影响因素进行分类和定量描述,构建了抛光过程中磨损影响因子、浓度变化影响因子和系统影响因子。基于各影响因素的影响因子对抛光驻留时间的求解函数进行了修正,提出采用离散最小二乘法对修正的函数求解驻留时间。研究表明：这种补偿方法能提高计算机控制光学表面成形技术中加工模型的精度,减小光学表面的残余误差。     

小工具数控抛光对元件表面中频误差的匀滑研究

数控抛光已被广泛应用于光学元器件的加工制造,而抑制元件表面中频误差是加工过程中一项十分重要的内容。基于Presston方程对数控小工具抛光盘去除函数进行了建模,得到了理论化的去除函数表达式。结合去除函数,在参数化匀滑模型基础上通过建立多参数的时变理论模型,表明元件表面中频误差是随抛光过程呈指数型收敛的,其收敛效率取决于材料参数、体积去除率等抛光工艺参数。对理论模型的匀滑曲线进行了模拟分析,实现了不同工艺条件下的匀滑效率的对比。结果表明:在不同抛光盘材料的匀滑过程中,材料系数越大,其整体匀滑效率越高。同样,抛光盘体积去除率越大,对表面误差的匀滑效率也会越高。进行了一组空间周期分别为3,5,7 mm的波纹误差的匀滑实验,其结果表明,在相同的抛光参数下,具有较大空间频率的波纹匀滑效率会更高,收敛曲线下降得更快。最后对比了不同材料抛光盘匀滑效率,从实验上证实了沥青盘在波纹匀滑效率上远高于聚氨酯材料的抛光盘。     

能动抛光磨盘的有限元法分析

 能动磨盘在光学抛光时随磨盘移动位置和旋转角度不同而产生不同的变形以实时与大口径被抛光工件表面实现良好的吻合。模拟了能动磨盘的工作过程，探讨了用于光学抛光的可行性。以加工直径1.5m，f1/2的抛物面光学元件为例，用有限元法对能动磨盘能够产生的变形进行了仿真计算，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二次曲面。