非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术

"Nanosys-300非球面曲面超精密复合加工系统"是 "九五"重点预研课题-"非球面曲面的超精密加工与测量技术"的主要研究成果.重点对非球面曲面光学零件超精密加工机床,非球面曲面光学零件超精密加工工艺,非球面曲面光学零件超精密测量技术进行了研究.其主要技术成果有:非球面超精密复合加工系统综合设计和制造技术,高速超精密空气静压主轴系统,超精密闭式液体静压导轨系统,高速超精密空气静压磨头电主轴系统,开放式高性能数控系统集成技术等.系统的精度检测和工艺实验表明其研究水平进入了国际先进行列.     

基于Gabor小波的磨床微进给电控装置的设计与研究

设计了用于加工小口径非球面光学零件在磨床上实现脆性材料超精密磨削的微进给控制装置和基于Gabor小波的多通道滤波器。试验表明,在光学零件磨床上应用本装置对光学透镜进行磨削后,工作表面粗糙度可达Rα=0.02μm,能够满足小口径非球面光学零件精磨的技术指标要求。     

浅谈非球面光学零件的超精密加工技术

对国内外非球面光学零件的超精密加工技术、设备以及发展状况进行了分析和总结,指出了我国与国外先进水平的差距,并对我国非球面超精密加工技术的发展提出了建议。     

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.     

超精密加工中刀具参数对脆性材料非球面加工质量的影响

脆性材料的光学非球面零件以其特有的优势,在军用和民用产品中越来越普及.光学非球面器件材料有一系列不利于加工的特点,被公认为是最难加工的光学零件.概述了超精密加工中单点金刚石车削技术在脆性材料非球面加工中的应用,并详细地分析了单点金刚石车削加工时刀具几何参数、X偏置、刀具半径补偿对非球面加工表面质量的影响.     

超精密加工中刀具参数对脆性材料非球面加工质量的影响

脆性材料的光学非球面零件以其特有的优势,在军用和民用产品中越来越普及。光学非球面器件材料有一系列不利于加工的特点,被公认为是最难加工的光学零件。概述了超精密加工中单点金刚石车削技术在脆性材料非球面加工中的应用,并详细地分析了单点金刚石车削加工时刀具几何参数、X偏置、刀具半径补偿对非球面加工表面质量的影响。     

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…     

微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工技术

微结构光学功能元件在航空航天、机械电子、光学以及光电子领域都具有非常重要的应用价值和极其广阔的应用前景,针对其大批量复制用模具的超精密磨削加工技术也越来越受到重视。微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工技术不同于传统的磨削加工技术,是在模具表面加工制造出各种不同形貌、不同尺度、不同维数并具有不同光学功能的微小几何结构。结合目前国内外微结构表面超精密制造技术的研究和发展,对微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工技术进行综述。介绍超精密磨削加工技术在微结构表面制造中的应用,分析目前微结构光学功能元件模具超精密磨削加工中存在的关键技术问题,并对微结构光学功能元件模具的超精密磨削加工发展趋势进行预测。     

非球面曲面的超精密加工与测量技术的研究

全面介绍了“九五”重点预研课题——“非球面曲面的超精密加工与测量技术”的研究内容及其成果。其主要研究内容有：非球面曲面的超精密加工系统的研究、非球面曲面的超精密加工工艺的研究、非球面曲面的超精密测量技术的研究。其主要研究成果有：高精度、高刚性高速空气静压主轴技术,高精度、高刚性闭式液体静压导轨技术,超精密车削系统,超精密磨削系统,高性能、开放式数控系统基础集成技术等其它相关技术。     

中大口径轴对称光学非球面超精密磨削数控机床的研制

通过系统分析轴对称中大口径方形光学非球面包络法加工原理,提出了非球面磨削加工机床各轴系运动的数学控制模型,设计并研制了非球面精密磨削加工机床及机床速度、位移双闭环控制系统,在研制的加工机床上进行了330×300mm的方形光学非球面镜片磨削试验,并采用数字型电感测微仪设计了非球面在线检测系统,通过对加工后的光学非球面进行在线检测,试验结果表明设计并研制的光学非球面磨削加工机床加工精度满足光学非球面镜片加工面形精度PV值达到4μm的要求,且加工效率高,适用于中大口径非球面磨削加工。     

超精密磨粒加工新发展及应用

随着科学技术的迅猛发展和新材料的不断出现,人们对零件加工的精度及表面质量要求越来越高。磨削技术一直是一种精密超精密加工方法,近年来精密超精密磨削技术也得到了迅速的发展,出现了许多新的磨削方法和应用。文章围绕超精密磨粒加工技术最新发展及应用,分别介绍了在超精密磨削装备、固结磨粒的超精密磨削和自由磨粒精密超精密磨削方面相关技术新的发展情况。并在此基础上对超精密磨粒加工的发展进行了展望。     

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。     

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。     

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。     

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。     

非球面超精密加工机床的发展状况

超精密加工设备和技术是先进光学制造技术的基础和关键，也是衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志。文中介绍了国内外超精密非球面加工机床的发展状况、应用背景及其关键技术指标。     

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.     

ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削工艺

为了实现新型红外陶瓷ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工,首先根据ALON的材料属性和高陡度薄壁保形非球面的结构特性,进行了其超精密磨削加工工艺性分析,并基于有限元计算方法,完成了面向ALON高陡度薄壁保形非球面的精密夹具的设计以及关键参数的优化。然后完成了ALON的超精密磨削工艺实验,工艺实验结果表明减小工件转速和砂轮粒度都会降低ALON的平均表面粗糙度Ra值,但砂轮粒度对磨削后ALON的表面粗糙度影响更显著。最后实现了ALON高陡度薄壁保形非球面的超精密磨削加工,磨削后的ALON高陡度薄壁保形非球面的面形精度PV值为2μm,表面粗糙度Ra值可达8.6nm。