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大中型非球面计算机控制研抛工艺方法研究

作　者: 周旭升
导　师: 李圣怡
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 机械工程
关键词: 非球面计算机控制光学表面成形去除函数亚表面损伤残留误差收敛比小尺度制造误差
分类号: TG580.6
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

非球面光学零件具有校正像差、改善像质、扩大视场和增大作用距离的优点,同时还能够减轻系统重量、减小占用空间,因此在现代光学系统中具有广泛的应用。随着光学系统性能要求的不断增长,对非球面光学零件口径、相对口径、加工精度、轻量化程度、加工效率和生产成本等方面都提出了更高的要求。计算机控制光学表面成形(CCOS)技术具有加工精度高、工艺实现简单、投资低的显著特点,因此广泛应用于大中型非球面光学零件的加工过程中。目前,CCOS技术仍有一些问题需要解决,例如加工收敛效率较低、小尺度制造误差较大、存在边缘效应等。这些问题的存在严重影响了目前光学零件的加工精度和效率。本论文研究工作的主要任务就是要有效解决CCOS技术目前存在的关键问题,使CCOS技术得以完善,提高我国大中型非球面光学零件的加工能力。论文的研究工作包括以下几个部分:1.介绍了根据非球面加工需要研制的加工设备——AOCMT光学加工机床,该机床集铣磨成型、研磨抛光、接触式检测于一体;设计了一种基于同步带传动的双旋转研磨抛光工具,通过调节自转与公转的转速、自转中心和公转中心的偏距、气缸工作压力等参数,能够得到需要的去除函数。2.建立了双旋转研抛工具的去除函数模型,在此基础上对研磨抛光工艺参数进行了系统的实验研究,得出了其对材料去除效率、表面粗糙度和亚表面损伤深度等的影响规律,提出了各加工阶段工艺参数的选择方法。通过实验的方法确定了研磨阶段亚表面损伤深度的量值,对选择后续加工材料去除量提供了依据。利用优化的工艺参数将K9光学玻璃材料研磨阶段的亚表面损伤深度控制在2.2微米左右,大大缩短了后续抛光加工时间,提高了整体加工效率。3.分析了双旋转研抛工具去除函数的修形能力,给出了偏心率(自转中心到公转中心的距离与研抛盘半径的比值)和转速比(自转速度与公转速度的比值)的优化结果(偏心率0.8、转速比-3);建立了去除函数尺寸、空间误差波长、额外去除量与误差收敛比的传递关系;基于CCOS卷积模型,对由卷积效应引起的残留误差随各参数的产生规律进行了仿真研究,在此基础上提出了面形误差收敛过程的优化控制方法。4.分析了小尺度制造误差产生的四个原因;提出了以信息熵理论表述研抛效果的新方法,并提出了基于最大熵原理的研抛工艺参数优选方法;针对目前常用消除小尺度制造误差的方法——大尺寸研抛盘全口径均匀研抛修正法,给出了运动速度和研抛盘尺寸等主要工艺参数的选择依据;为了减少修正小尺度制造误差的时间,提高整体加工效率,提出了小尺度制造误差的确定区域修正法。5.在上述工作基础上,提出了考虑大中型非球面的全口径、全波段面形误差控制和整体加工效率的CCOS研抛加工控制策略。以此为指导,利用AOCMT光学加工机床在233小时内成功加工出φ500mm f/3抛物面反射镜,加工后的面形精度达到9.4nm rms(λ/67 rms,λ=632.8nm),其中尺度在100mm～2mm(5～250个周期)范围内的制造误差含量为3.6nm rms,表面粗糙度约为1.5nm rms,顶点曲率半径偏差控制在1.2mm(0.4%0),其结果符合预期要求。

全文目录

摘要  12-14
ABSTRACT  14-16
第一章绪论  16-30
  1.1 课题的来源及意义  16-22
    1.1.1 课题的来源  16
    1.1.2 课题研究的背景和意义  16-22
  1.2 国内外现状  22-28
    1.2.1 计算机控制光学表面成形(CCOS)技术进展  22-25
    1.2.2 CCOS技术存在的问题及研究现状  25-28
  1.3 论文的主要研究内容  28-30
第二章 AOCMT光学加工机床  30-37
  2.1 AOCMT光学加工机床  30-33
    2.1.1 光学非球面的加工需求  30-31
    2.1.2 AOCMT机床的构成和主要功能  31-32
    2.1.3 双旋转研抛工具的设计  32-33
  2.2 CCOS的基本原理  33-36
    2.2.1 理论基础—Preston假设  33-34
    2.2.2 CCOS的工作原理  34-35
    2.2.3 CCOS的数学模型  35-36
  2.3 本章小结  36-37
第三章去除函数的建模与工艺参数研究  37-58
  3.1 去除函数的建模  37-39
    3.1.1 理论模型  37-38
    3.1.2 实验模型  38-39
  3.2 研磨工艺参数的研究  39-49
    3.2.1 研究方法  39-40
    3.2.2 研磨工艺参数对材料去除效率的影响  40-42
    3.2.3 研磨工艺参数对表面粗糙度的影响  42-44
    3.2.4 研磨工艺参数对亚表面损伤深度的影响  44-48
    3.2.5 研磨工艺参数的选择  48-49
  3.3 抛光工艺参数的研究  49-57
    3.3.1 研究方法  49
    3.3.2 抛光工艺参数对材料去除效率的影响  49-51
    3.3.3 抛光工艺参数对表面粗糙度的影响  51-54
    3.3.4 抛光工艺参数对去除函数稳定性的影响  54-56
    3.3.5 抛光工艺参数的选择  56-57
  3.4 本章小结  57-58
第四章面形误差收敛过程的优化控制  58-76
  4.1 CCOS技术中驻留时间的求解算法  58-61
    4.1.1 基于加工时间的脉冲迭代法  58-59
    4.1.2 基于加工精度的脉冲迭代法  59
    4.1.3 两种计算方法的比较  59-61
  4.2 去除函数的修形能力分析  61-67
    4.2.1 去除函数修形能力的评价指标  61-62
    4.2.2 去除函数参数对修形能力的影响规律  62-65
    4.2.3 去除函数形状参数的优化  65-67
  4.3 去除函数相对尺寸、额外去除量对误差收敛比的影响  67-69
  4.4 卷积效应对残留误差的影响  69-73
    4.4.1 工艺参数与残留误差关系的建立方法  70-71
    4.4.2 去除函数尺寸对残留误差的影响  71-72
    4.4.3 进给步距对残留误差的影响  72-73
  4.5 面形误差修正实例  73-75
  4.6 本章小结  75-76
第五章小尺度制造误差的产生原因与修正方法  76-98
  5.1 光学表面小尺度制造误差的产生原因与评价方法  76-77
    5.1.1 光学表面小尺度制造误差的产生原因  76
    5.1.2 光学表面小尺度制造误差的评价方法  76-77
  5.2 修正小尺度制造误差的基础理论  77-80
    5.2.1 材料均匀去除原理  77-78
    5.2.2 基于最大熵原理的研抛设计准则  78-80
  5.3 小尺度制造误差的全口径均匀研抛修正法  80-91
    5.3.1 全口径均匀研抛修正法的基本思想  80-81
    5.3.2 工艺参数对小尺度制造误差的修正能力分析  81-85
    5.3.3 研抛盘尺寸上限的选择  85-87
    5.3.4 全口径均匀研抛修正法的应用实例  87-91
  5.4 小尺度制造误差的确定区域修正法  91-96
    5.4.1 确定区域修正法的基本思想  91-92
    5.4.2 基于最大熵原理的加工工艺参数的选择  92-94
    5.4.3 确定区域小尺度制造误差的修正实验  94-96
  5.5 本章小结  96-98
第六章大中型非球面研抛加工控制策略及(?)500mm抛物面镜的加工  98-106
  6.1 大中型非球面的制造工艺路线和研抛加工控制策略  98-101
    6.1.1 大中型非球面的制造工艺路线  98-99
    6.1.2 大中型非球面研抛加工的控制策略  99-101
  6.2 (?)500mm抛物面镜的加工  101-105
    6.2.1 (?)500mm抛物面镜的研磨  101-103
    6.2.2 (?)500mm抛物面镜的抛光  103-105
  6.3 本章小结  105-106
第七章总结与展望  106-108
  7.1 全文总结  106-107
  7.2 研究展望  107-108
致谢  108-109
参考文献  109-116
作者在学期间取得的学术成果  116

大中型非球面计算机控制研抛工艺方法研究

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