光学非球面元件机器人柔性抛光技术

计算机控制光学表面成型技术在光学元件冷加工中占据重要的地位,是对平面及非球面光学元件进行最后阶段修整抛光的必要手段.现有的计算机控制光学表面成型技术大都基于数控机床来进行.随着机器人技术的发展和广泛应用,将机器人引入到光学元件数控加工领域是一种新的有效尝试.因此,对一种基于机器人的光学非球面柔性抛光技术进行了运动学分析,并建立了控制模型,利用控制模型进行工件加工,获得了较好的加工效果.     

基于机器人技术控制大口径光学表面中频误差的方法

在分析中频误差形成原因的基础上,按照人工均匀修抛的工艺,提出了基于机器人技术控制大口径光学表面中频误差的方法,建立了机器人抛光的数学模型,研制了机器人加工工具。利用机器人对大口径光学表面进行了抛光实验,实验结果表明功率谱密度(power spectral density,PSD)明显减小,在0.2 mm-1处的值由24.15 nm2·mm降到2.61 nm2·mm,说明机器人抛光方法行之有效。     

气囊抛光路径对光学元件中频误差的影响

为了寻找消除中频误差的有效抛光路径,进行了2组实验.第1组实验采用单步进动Z字光栅路径和单步进动螺旋线路径对石英玻璃进行全面均匀的气囊抛光实验,并对加工后得到试件表面的中频误差进行分析.第2组实验先采用单步进动Z字光栅路径对石英玻璃进行全面均匀的气囊抛光实验,接着用基于改进普里姆(Prim)算法的路径对其进行加工,最后对加工得到光学试件表面的中频误差进行分析,从而验证基于改进Prim算法的抛光路径的优良性.     

等重叠率螺旋线的非球面抛光轨迹规划

为改善抛光轨迹以获得更好的加工精度,分析了轨迹在非球面上所产生的去除区域的覆盖情况,并提出了一种等重叠率螺旋线抛光轨迹规划方法。基于赫兹接触理论的去除区域的覆盖情况分析表明,常用的阿基米德螺旋线由于弹性接触变化和投影行距变化导致轨迹间去除区域接触变化,从而不能保证加工精度均匀一致,为此引入了重叠率的概念以量化分析该变化情况。提出的轨迹规划方法分析了重叠率的变化特点,并依据螺旋线的性质建立了螺旋线行距与非球面面形的变化关系,保证了轨迹间去除区域的稳定接触。仿真结果表明,在非球面抛光过程中应用等重叠率螺旋线轨迹,重叠率变化范围从阿基米德螺旋线轨迹的56.1%~26.2%缩小到现在方法的56.1%~55.3%,为非球面抛光的均匀性和一致性奠定了基础。     

工业机器人在离轴非球面抛光中的坐标变换

提出了利用工业机器人模拟人工手修在光学器件抛光过程中的应用技术,并分析该技术的优势。在工业机器人加工过程中,对于曲面方程已知的自由曲面,要保持加工工具与被加工工件表面法线方向一直,提出了针对这种需求的空间坐标转换算法,并通过转换成机器人内部编程代码来实现。试验结果证明该算法稳定可靠,在机器人对自由曲面加工过程中保持路径上每个离散点保持工具垂直于镜面。     

小口径非球面碳化钨模具的磁场辅助抛光工艺

小口径非球面光学透镜具有优良的光学性能和广阔的应用前景,但其常用的碳化钨模具由于高硬度的材料特性,加工和抛光难度较大.为获得高质量、高精度的小口径非球面透镜,利用磁场辅助的抛光方式对其碳化钨模具进行加工：首先,通过一系列单因素试验选出合适的金刚石微粉粒度和抛光液成分配比,再采用正交试验探究多种工艺参数对抛光效果的影响规律,确定最佳工艺参数组合.结果表明,使用该组工艺参数抛光可以使检测点的粗糙度由10.3 nm降至3.2 nm,刀纹痕迹明显变浅甚至消失.因此,磁场辅助的抛光方式能够有效改善模具表面的波纹度和粗糙度,对于小口径非球面光学元件的加工具有一定的参考意义.     

机器人气囊抛光SiC光学元件加工特性研究

针对碳化硅光学元件已有的化学机械抛光、磁流变抛光、电化学抛光和催化剂辅助抛光等方式存在材料去除率低、成本高等问题,提出机器人气囊抛光方法,并对气囊抛光特性、抛光头机械结构进行了研究。首先基于Preston理论和赫兹接触理论以及速度分析建立了材料理论去除模型,并对去除函数进行了仿真,再此基础上设计了气囊抛光磨头装置。然后对非球面碳化硅元件开展了单点和多点抛光,实验验证了去除函数的精确性和稳定性。最后通过粗抛和精抛进行加工应用验证,实验结果表明,所提出方法能够有效实现碳化硅光学元件抛光,并且去除函数精度高稳定性强,通过3个周期的粗抛、4个周期的精抛,面形收敛率分别为69.4%、51.9%,且收敛速度快、加工精度高。     

磁流变抛光头形状对加工表面粗糙度的影响

设计了4种不同形状的抛光头,并使用自制的磁流变抛光液体在三轴数控铣床上对K9平面玻璃进行了磁流变抛光工艺试验.分析了在不同的磁场强度、磁极转速,加工间隙等多种情况下抛光头形状对加工表面粗糙度的影响.试验结果表明:槽型平面抛光头的抛光效果最好;同等条件下,在抛光头上开槽能有效地提高加工效率和加工质量.     

大量程高精度非球面光学元件检测平台设计

针对目前高精度,大量程的非球面检测需求,综合考虑各部件对平台精度的影响,完成了对平台的机械系统,探测系统和运动控制系统的设计.该非球面光学元件检测平台采用花岗岩框架结构,以增加整体结构的刚度,减小自身热变形引起的几何误差.系统的探测系统采用了接触/非接触式双重测量的检测方法,既提高了测量的速度,又增加了测量数据的可靠性.运动控制系统则采用运动控制卡+伺服电机的三轴联动的开放式运动控制方式,满足了高精度非球面光学元件的检测需要.     

非球面光学元件高速加工系统的设计与实现

针对光学非球面元件对微进给机构的高频响应特性的要求,设计了上下位机、多处理器结构的数控系统.系统使用运动控制卡实现伺服电机及直线电机的实时控制.采用多层次、模块化的思想,在Windows 2000平台下开发了高速数控活塞加工机床数控软件系统,很好地满足了非球面车削加工的要求,带有补偿加工功能,通过控制车刀的进給速度较好地保证了加工后的面形精度.同时具有功能强大、界面友好、使用方便和柔性好等特点.     

波像差法构建非球面干涉检测的误差分离模型

非球面元件光学干涉检测中,获得客观、准确的面形信息是实现元件快速、确定性制造的关键因素之一。为了实现大口径光学离轴非球面反射镜的高精度检测,对其干涉检测结果中的误差信息表现形式进行了分析研究,提出了一种基于将离轴非球面反射镜检测工装视为具有5维自由度空间刚体设想的误差分离矩阵,并从波像差理论出发,寻求出调整误差作用分量的分立表现形式及影响参数,建立了计算机辅助检测大口径光学离轴非球面反射镜的基本模型。仿真分析结果证实了这种方法的可行性。     

基于非球面分光镜的高能激光功率和能量测试研究

高能激光在科研、军事和工业等领域的应用日益广泛,其功率和能量的准确测定是激光器性能评价和激光武器系统作战效能评估的重要依据。考虑到高能激光的物理特性和非球面元件的光学性质,提出了一种基于非球面分光反射镜的高能激光功率和能量测试方案。针对分光镜的面形参数及激光功率计的响应波段、测量范围、损伤阈值、有效探测孔径等特征参数,对激光束经过分光反射镜后到达两个激光功率计探测面的光束功率密度进行了数值仿真,将仿真结果与采集到的光斑进行了对比分析。同时,从能量角度对分光镜的分光效果进行了实际测试,分光镜的平均分光比达到98.75%,进而验证了方案的合理性。     

彩色图像对比度定义的探讨

在前人研究对比度的基础上，对对比度公式进一步修改、分析和讨论，提出一种把彩色图像分解为灰度图和色度图的思想，并且找出灰度对比度、色度对比度和彩色对比度之间的关系，从而提出一个新的彩色对比度公式，并结合实验分析讨论其实用性，希望能更好地应用到纺织、印染、颜料等的研究中。     

砂轮约束磨粒喷射加工表面自相关性及功率谱分析

磨粒喷射精密光整加工是重要零件在磨削后进行去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度为目的的光整加工新工艺.试验在M7120磨床上完成,加工试样为Ra=0.2~0.6μm的#45钢,加工表面形貌和微观几何参数用SEM和TR200表面轮廓仪测量.应用随机过程中的相关性从自相关、功率谱密度函数两方面对磨削表面和光整加工表面进行了研究.分析结果表明,该加工方法明显提高了工件的表面质量,降低了工件的表面粗糙度并均化了波纹度.     

小型非球面超精密加工建模及控制技术研究

根据高精度小型非球面制造的需要,探讨了一种针对小型非球面元件的加工方法,并分析了实现数控加工控制的技术途径.根据非球面加工理论,基于工控机和Windows系统,用VB.NET开发实现了小型非球面数控加工控制软件.     

非球面拼接测量中的配准误差校正

为了抑制配准误差对子孔径拼接测量非球面的影响,采用基于仿射变换和子孔径位置优化的拼接算法,校正由于配准误差引起的子孔径拼接重叠区对应点的不一致性,以提高拼接测量的精度.首先,分析了子孔径重叠区域相位误差不一致性的原因,然后,根据重叠区相位误差最小原则,利用反向求解法,求得配准方程中的各项系数,进行子孔径数据的配准和位置的优化校正.实验结果表明:经过配准误差的校正后,采用同步拼接方法得到的子孔径拼接测量结果与全口径直接测量结果更为吻合.     

一种基于部分补偿与稀疏阵列的深度非球面测量新方法

为了克服传统非球面补偿法测量对象的单一性,并提高非球面的动态测量范围,提出一种部分补偿与稀疏阵列CCD结合测量深度非球面的新方法.该方法首先采用多针孔阵列将CCD的感光面转换成稀疏阵列,通过降低干涉条纹的条纹密度来提高干涉仪的可测空间频率;根据被测非球面所需补偿的动态范围设计计算全息元件,部分补偿非球面性后,通过干涉测量获得深度非球面的表面信息.分析表明,采用该方法的干涉仪相对于传统干涉仪测量范围能扩大到10倍,实验表明稀疏阵列和部分补偿方法结合后能够实现精确的深度非球面测量.     

小振幅兆声对硅片化学机械抛光效果的影响

为了改善硅片化学机械抛光效果,提高硅片表面质量,一小振幅兆声振子引入化学机械抛光系统,通过对比表面粗糙度大小和分布,发现该振子对改善硅片化学机械抛光效果有明显促进作用。测试表明:振子频率为1.7 MHz,中心最大振幅约为70 nm;硅片表面振动频率为1.7 MHz,中心最大振幅小于10 nm;该振子独立抛光时,未发现硅片表面粗糙度明显降低,但它能引起抛光液微流动,使储存在抛光垫窠室中更多的抛光液进入接触区参与抛光。无振动抛光时,硅片中心区域抛光液供给不足,造成该区抛光效果较差;兆声致微流动能有效缓解这种不足,改善硅片中心区域抛光效果,不仅如此,它还能有效降低其他区域的表面粗糙度。与无振动抛光的硅片相比,经过兆声辅助抛光的硅片,表面粗糙度更小,分布更均匀。     

光学元件气囊抛光去除效率影响因素研究

基于Preston方程分析了气囊抛光特性,确定去除函数的三个重要特征,即抛光斑尺寸、形状以及去除量,得到影响光学元件气囊抛光材料去除效率的主要参数.通过定点抛光实验,分析气囊充气压强、压缩量、主轴转速对BK7光学元件去除函数和材料去除效率的影响.结果表明:充气压强与压缩量对于气囊抛光去除函数的形状影响较大,去除效率随气囊充气压强增大先升高到2.08mm3/min后逐渐降低然后又升高,压缩量与气囊转速的提高增大了材料的去除效率,分别可以达到6.84mm3/min和5.04mm3/min.