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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2011年
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采用平转动应力盘技术加工超大口径非球面的研究

罗霄  
【摘要】:超大口径光学系统具有角分辨能力高,能量收集能力强的特点,被广泛用于天文观测和空间对地观测,超大口径的非球面主镜是其中的核心器件,目前国外单镜直径已经达到8m量级,而国内已经达到2m量级,正在向4m量级迈进。 从加工的角度看,超大口径非球面的加工具有偏离量大,材料去除量大的特点,目前广泛用于中小口径非球面加工的采用小磨头的计算机非球面表面成型技术(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS)的材料去除效率不能满足超大口径非球面的加工需求。本文提出了将应力盘技术(Stressed Lap)引入到传统CCOS技术中的新方法来提高材料去除效率以适应超大口径非球面的加工,采用应力盘作为磨头而保持传统CCOS的磨头运动方式和加工工艺不变,文中简称平转动的应力盘技术。 从超大口径非球面的轮廓检测的角度看,目前使用的三坐标式轮廓仪精度、测量速度有限,本文采用摆臂式轮廓仪用于超大口径非球面的检测,使得轮廓检测精度及测量速度都得到了显著的提高,提高了加工效率。本文在实验室已有的工作基础之上,主要在以下几个方面开展了相关的工作: 一、平转动应力盘的加工及变形运动特性的模拟分析。分析表明,采用平转动运动方式的应力盘与国外目前采用的自转方式的应力盘技术相比具有更接近高斯分布的去除函数,具有更高的局部面形误差控制能力;与传统的CCOS技术相比,此技术可以保证一定收敛率的同时,大幅度的提高材料去除效率,模拟计算结果约为16~17倍(特定加工参数);同时,与UA采用的自转方式的应力盘相比,平转动的应力盘不仅保持了应力盘平滑作用强,材料去除效率高的特点,而且应力盘的变形速度仅为前者的1/6(特定加工参数),降低了应力盘的响应速度的要求,易于物理实现,可以使用更高的主轴转速,进一步提高去除效率。 二、应力盘变形精度的有限元分析。应力盘是平转动应力盘技术中的核心器件,它与非球面镜面吻合的好坏直接决定了非球面的面形质量和单次研磨抛光过程的收敛率,其变形精度是影响其加工精度和加工过程能否平稳进行的首要因素。本文采用有限元静力分析的方法计算了几种机械上可行的连接结构及盘面加强筋结构应力盘对离焦、像散和彗差三种基本误差面形的拟合精度。分析表明优化后的应力盘结构对于PV100μm的三种基本误差均达到0.1μm量级的拟合精度,根据加工经验,可以满足实际加工的要求。 三、应力盘的原理样机的变形精度实验。为了测试应力盘的变形精度及其误差的分布,本文在有限元分析的基础之上,设计并完成了一台可以手动调节面形的应力盘原理模型,并利用一台具有1μm精度的轮廓仪对该模型作了相关的变形精度试验及重复性试验,试验结果表明其变形误差主要分布在安装立柱的边缘区域,在80%口径内,对于100μm PV的离焦和像散以及20μm PV的彗差,变形精度和重复性精度的均方根值均在1μm RMS以内,小于亚历桑那大学报道的经验允许值3μm,可以满足加工过程的吻合要求,对于下一步的研究,有重要意义。 四、1.5m加工能力的平转动应力盘加工机床的研制。该机床是一台可以使用应力盘、小磨头作为抛光工具的大口径非球面加工机床,与之前我所研制的FSGJ系列非球面加工机床相比,具有更大的加工推力(3000N),具有更大的工作台(1.6m数控转台),同时,集成了应力盘的控制逻辑,可以完成应力盘的离线标定及加工过程中的变形控制工作,采用悬臂式结构,在非加工状态时可以从工作区域移出,采用摆臂式轮廓仪作为研磨阶段的在线检测装置,加工实验表明该机床运行平稳,可以很好的满足1.5m口径以内的大口径非球面的加工需求。 五、平转动应力盘的加工工艺研究及加工实验。针对磨头尺寸增大后加工过程中比较突出的边缘效应,通过低阶拟合以及高阶补偿相结合的方法,在虚拟加工算法中引入边缘效应的影响,保证材料去除效率提高的同时具有一定的面形收敛率,从而有效的缩短加工周期。最后利用一块1100×800的体育场形SiC球面、一块φ820mmSiC平面以及一块φ820mmSiC抛物面进行了加工试验,完成粗磨及精磨的时间都在一个月以内,与小磨头技术相比,加工效率提升显著。 六、摆臂式非接触大口径非球面轮廓仪的研制。针对三坐标式轮廓仪测量大口径光学表面精度偏低,测量时间长的问题,本文提出了采用摆臂式轮廓测量结合非接触位移传感器来实现大口径光学表面的高速高精度测量的新方法。摆臂式轮廓仪测量精度只受摆臂转台误差的影响,可以实现很高的测量精度,根据误差分析,对口径小于Φ1.5m的非球面,装调误差对测量精度影响小于1μm PV,同时采集密度大幅度提高,可以很好的反映镜面边沿的误差分布。最后本文采用摆臂式轮廓仪指导测量一块1100×800的体育场形球面试验件、φ820mm平面以及一块φ820mm抛物面的加工,前两者与光学检验的一致性都在0.5μm PV以内,具有很好的一致性。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH74

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【参考文献】
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