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大口径光学曲面精密加工系统研制

作　者: 任力强
导　师: 程灏波
学　校: 北京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 非球面计算机控制光学表面加工数控有限元虚拟加工
分类号: TG66
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 373次
引　用: 3次
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内容摘要

随着天文学、空间探测技术、先进光学仪器的发展,大口径非球面光学元件已成为起支撑作用的关键部件之一,并且其对非球面元件的口径要求越来越大,精度要求也越来越高。但由于非球面的复杂结构特性,常规的方法已经不能满足其高精度、高效率的加工要求。现在,美国、英国、德国、日本等先进工业国家都已经有了比较成熟的加工方法、工艺及设备。国内自从上世纪80年代开始进行大口径超精密加工设备研制以来,也取得了相当大的进展,但其精度等工艺参数无法和国外设备媲美,同时仍旧不能满足现阶段非球面加工的需要。而且所研制的大部分设备,其加工和检测都是分离的,这样更加容易造成装配、加工误差,不能满足精度要求。因此,针对大口径光学曲面的特点研制高精度,高效率的复合加工设备,成为亟待解决的问题。本文针对大口径光学曲面加工特点,介绍了集一种研磨抛光于一体的光学曲面复合加工机床的设计过程及结果。其主要内容有:(1)给出了系统的总体设计、关键结构设计、坐标定位函数。特别提出了一种在机同工位全孔径面形检测方法及其实现装置。通过改进的龙门式机床布局,以及工件翻转机构,使被加工件翻转一定角度后实现全口径检测。(2)阐述了机床控制理论基础,针对本机床,选择基于PC的控制方法。通过交流伺服电机,超精密滚珠轴承,滑辊以及多轴控制技术,实现了系统的五轴精密定位。同时结合系统机械结构,保证了这个加工系统的精磨加工精度在15μm以内。(3)基于机床本身的特性,有限元法的基本原理和方法,采用有限元分析软件ANSYS对机床关键部件进行有限元分析。进行结构静力、动态特性、检测姿态稳定性分析,得到机床的精度特性并提出改进方法。(4)根据CCOS原理,确定系统在特定工具头、特定运动方式下的材料去除模型,和工件的虚拟加工效果。为实际的研磨抛光提供理论最优参数。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-19
  1.1 课题来源及意义  7-8
  1.2 非球面光学元件的特点及加工方法  8-12
  1.3 超精密加工系统发展及趋势  12-17
  1.4 本文主要研究内容  17-19
第二章加工系统结构设计  19-34
  2.1 总体设计要求  19-23
  2.2 机床布局设计  23-27
  2.3 床身  27-29
  2.4 研磨抛光工具  29-30
  2.5 集成化面形检测系统  30-33
  2.6 本章小结  33-34
第三章控制系统方案设计  34-51
  3.1 计算机数控技术的发展  34-37
  3.2 控制系统的总体设计  37-40
  3.3 执行部件的确定  40-47
  3.4 超精密加工的实现―误差分析  47-50
  3.5 本章总结  50-51
第四章系统实施关键结构分析  51-66
  4.1 系统三维模型的建立  51-53
  4.2 有限元方法简介  53-56
  4.3 横梁静力分析  56-58
  4.4 检测姿态稳定性分析  58-59
  4.5 镜面夹持状态误差  59-61
  4.6 床身模态分析  61-65
  4.7 本章总结  65-66
第五章虚拟抛光数学模型  66-77
  5.1 虚拟制造技术介绍  66-68
  5.2 理论材料去除函数  68-73
  5.3 虚拟加工效果分析  73-76
  5.4 本章总结  76-77
第六章结论与展望  77-78
  6.1 总结  77
  6.2 展望  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-85
附表一加工系统电机参数表  85-86
附表二有限元分析单元类型  86-87
攻读硕士学位期间发表论文（专利）  87

大口径光学曲面精密加工系统研制

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