基于数控加工大口径非球面主镜的均匀去除方法研究

发布时间：2017-06-05 12:19

  本文关键词：基于数控加工大口径非球面主镜的均匀去除方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在现代大型光学系统中,使用高陡度非球面反射主镜能够简化系统结构、减轻系统的质量和减小系统的尺寸,从而提高光学系统的性能。因此大口径非球面反射主镜的研制对于空间光学和天文观测的发展有着极其重要的意义。同时随着这些应用的开展,对大口径非球面反射主镜的加工精度和加工效率也提出了更高的要求。计算机控制抛光技术是目前应用最为广泛和成熟的光学加工技术。但是在加工过程中仍然存在一些深入的问题需要解决:如由于成型和研磨过程中砂轮难以修复的磨损、磨盘尺寸大小不匹配以及磨盘运动参数选择不当使得镜面存在局部或者环带的‘凹凸’,这些小空间频率面形误差使得干涉仪获取的全口径干涉图上存在‘漏点’和‘缺环’,难以得到完整的面形干涉图像。在这种情况下,通常会使用刀口阴影法来定性测量并通过手修消除,这会大大影响工件的加工效率并产生局部的中高频误差。本文基于能动磨盘和数控小工具的组合加工技术,提出对镜面进行均匀去除的加工工艺,‘均匀去除’是指研磨和粗抛光阶段对工件整个面形进行等量去除的过程,目的是有效去除成型和研磨阶段产生的亚表面破坏层、平滑镜面并减小甚至消除镜面上的中高频误差,实现干涉仪全口径测量同前期检测方法的对接。论文通过建立数学模型和实验相结合,研究优化磨盘驻留时间、压力和进给速度等工艺参数,形成对镜面的均匀去除。主要包括以下研究内容:(1)分析了目前大口径非球面加工工艺过程存在的问题,从光学脆性材料的散粒磨料磨削特性和粗抛光过程中出现的干涉仪检测数据的缺失现象上提出了均匀去除加工过程的必要性。(2)基于数控小工具和能动磨盘相类似的数控加工方式和加工不同空间频率误差的特性,建立了统一的理论环带去除函数模型。用于分析能动磨盘和小工具分别处理大、小空间频率误差以及联合消除边缘效应的方法。并以此为基础提出了应用基于矩阵运算的驻留时间算法。(3)建立能动磨盘边缘效应的有限元压强模型,通过计算发现磨盘在工件的中心孔位置和边缘处,磨盘对工件接触区域的压强呈非线性变化。通过有限元计算获得边缘处的压强分布,对能动磨盘在工件边缘处的环带去除函数进行修正,对工件全口径的均匀去除加工进行了仿真计算,并开展了实验研究,实验结果与理论计算相符合。(4)通过对数控小工具环带去除函数的研究,以此为基础分析了其对大口镜非球面主镜加工中环带误差的修正能力,得到了实验验证。(5)通过匹配合理的空间频率误差模型,提出了基于数控小工具和能动磨盘组合均匀去除的联合加工方法,获得了对大口径反射镜面的均匀去除效果。本文的研究成果应用到1.25m f/1.5抛物面主镜的研磨和抛光中。采用能动磨盘加工为主,数控小工具为辅的组合加工方法。在均匀去除工艺参数控制下获得了2~3?m的镜面研磨精度,并获得了He-Na光的全口径干涉图。最终镜面面形误差收敛到PV 141nm,RMS 19.6nm,实现了组合加工方法对大口径非球面反射镜的高精度高效率加工。
【关键词】：能动磨盘 数控小工具 均匀去除 大口径非球面 环带去除函数
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH74;TG659
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-30
• 1.1 引言11-14
• 1.2 大口径非球面反射镜加工技术14-21
• 1.2.1 经典加工技术15
• 1.2.2 计算机数控小工具加工技术（CCOS）15-16
• 1.2.3 能动磨盘加工技术（CCAL）16-18
• 1.2.4 其他抛光技术18-21
• 1.3 大口径非球面反射镜加工工艺简介21-26
• 1.3.1 大口径非球面主镜的加工流程21-23
• 1.3.2 大口径光学加工磨削原理23-25
• 1.3.3 散粒磨料引起的光学材料亚表面损伤25-26
• 1.4 目前存在的问题26-27
• 1.5 课题的背景和研究意义27-28
• 1.6 论文内容安排28-30
• 第2章 大口径非球面光学研抛技术理论基础30-41
• 2.1 概述30-31
• 2.2 Preston方程31-32
• 2.3 材料去除模型32-34
• 2.3.1 理论基础32-33
• 2.3.2 环带去除函数33-34
• 2.4 边缘效应压强模型34-38
• 2.4.1 线性压强模型~[60]35
• 2.4.2 阶跃模型~([61][62])35-36
• 2.4.3 常数-线性压强模型~[63]36
• 2.4.4 参数化模型[64]36-37
• 2.4.5 基于FEA的压强模型37-38
• 2.5 环带驻留时间求解方法38-39
• 2.6 均匀去除分析39-40
• 2.7 本章小结40-41
• 第3章 能动磨盘在大口径非球面加工中的均匀去除41-60
• 3.1 概述41
• 3.2 能动磨盘加工简介41-43
• 3.2.2 能动磨盘加工方式42-43
• 3.3 能动磨盘环带去除函数43
• 3.4 能动磨盘边缘压强FEA模型分析43-54
• 3.4.1 中心孔处的FEA仿真分析45-50
• 3.4.2 工件外边缘FEA分析50-54
• 3.5 能动磨盘均匀去除54-58
• 3.5.1 能动磨盘均匀去除仿真分析54-57
• 3.5.2 均匀去除加工实验57-58
• 3.6 本章小结58-60
• 第4章 数控小工具加工技术在大口径非球面加工中的应用60-69
• 4.1 概述60
• 4.2 数控小工具机床简介60-61
• 4.3 实验获取数控小工具加工技术的环带去除函数61-63
• 4.4 机械手修正大口径非球面环带误差63-68
• 4.4.1 环带去除函数修正63-65
• 4.4.2 大口径非球面环带误差加工实验65-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第5章 1.25m口径非球面反射镜加工69-76
• 5.1 概述69
• 5.2 组合均匀去除加工方法69-71
• 5.2.1 基于矩阵方程的组合均匀去除加工模型69-70
• 5.2.2 组合均匀仿真加工实验70-71
• 5.3 研磨期间71-73
• 5.4 抛光期间73-75
• 5.5 本章小结75-76
• 第6章 总结与展望76-78
• 6.1 全文总结76-77
• 6.2 下一步工作77-78
• 参考文献78-81
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果81

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