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大中型非球面计算机控制研抛工艺方法研究

周旭升  
【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。


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