提高大口径光学反射镜加工收敛效率的关键技术研究

发布时间：2017-10-24 20:02

  本文关键词：提高大口径光学反射镜加工收敛效率的关键技术研究

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【摘要】：大口径光学系统在天文及国防领域具有广泛的应用,其因具有更高的角分辨能力,更强的能量收集能力等特点是目前国内外光学加工机构研究的重点。大口径光学反射镜是系统的核心器件,国外已实现?8m量级反射镜的加工,国内正在进行?4m量级SiC反射镜的加工,而且正在向更大尺寸的光学反射镜迈进。中小口径的光学反射镜的加工普遍采用计算机控制光学表面成型技术(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS),该技术以小磨头技术为代表,随着技术的发展,融合了更多的加工手段以适应更广泛的加工需求。尽管CCOS技术在中小口径光学反射镜的加工上已经比较成熟,但当其应用在大口径光学反射镜的加工中时,我们发现诸如工艺路线及去除函数稳定性、边缘效应以及光学加工中心等加工过程中的关键技术极大的限制了大口径光学反射镜的加工收敛效率。因此,本文提出了通过工艺实验及分析提高粗抛光阶段去除函数稳定性及修正工艺参数关系、利用运动合成叠加实现复合运动主轴抑制边缘效应、设计并研制高效多工位的三角机光学加工中心来提高大口径光学反射镜的加工收敛效率。本文在实验室已有的工作基础之上,主要在以下三方面开展了相关的工作:一、针对现有工艺方法在加工大口径反射镜时收敛效率及确定性不高的情况,搭建了工艺参数实验平台,以实验室采用的平转动去除方式为基础,着重解决工艺稳定性对收敛效率影响最大的粗抛光阶段。首先探讨了基于矩阵离散化运算的仿真收敛算法可以实现将实际去除函数引入算法,在算法角度提高了仿真计算与实际加工的一致性,从而为提高收敛效率提供了算法保障。其次从磨盘结构、参数线性度、磨料等角度为主要方向研究了工艺参数对去除函数稳定性的影响。利用合理的参数配置得到了高确定性、高稳定性的高斯型去除函数。基于改进工艺手段进行了加工实验,在不考虑边缘效应影响的前提下,对一?100mm子孔径区域进行收敛,经过一轮48min加工,从rms?0.079?(??632.8nm)收敛至约1/30?,单次收敛效率高达58%,仿真计算与实际加工结果具有高度一致性;在此基础上对一?800mm的大口径离轴抛物面进行全口径加工收敛实验,经过一轮加工,rms收敛效率达34%,高于仿真计算结果的22%,对比仿真结果与实际加工结果,二者差别集中在边缘区域。通过实验验证了基于实际去除函数的算法在中心区域收敛的高效性同时,也验证了改进工艺方法的高稳定、高确定性;同时引出了边缘效应问题解决对提高大口径光学反射镜收敛效率提高的急迫性。二、本文针对现有边缘效应研究集中在边缘塌边的预测及数学描述的问题,提出在保持平转动高斯型去除函数高体积去除率的优点基础上,通过运动合成使去除函数峰值去除率偏离中心,重新分布能量使其向边缘处的移动,从而使磨盘伸出反射镜边缘的距离还未产生塌边即可实现去除函数峰值已伸出反射镜边缘,从而在真正意义上实现了边缘效应的抑制。通过仿真计算收敛验证了hz-尖刀去除函数对收敛算法的提升,从而表明该理论对大口径光学反射镜具有边缘效应抑制的能力。在理论设计及控制方式设计的基础上,利用复合运动主轴及跟随运动控制算法实现了hz-尖刀去除函数,并通过去除函数实验验证了该去除函数的存在,由于实际物理平滑作用的存在,实际得到去除函数比理论设计更加适合工程应用,将实测去除函数引入算法矩阵,通过对一300mm?150mm矩形sic反射镜的边缘去除实验结果发现,hz-尖刀去除函数作用下的边缘加工,没有产生诸如翘边、塌边等边缘效应问题,与预期的加工结果高度相似,因此验证了hz-尖刀去除函数对边缘效应的抑制能力。三、在获得稳定的工艺及分系统主轴的基础上,设计并制作了三角机光学加工中心,该加工中心具有三工位设计,最多可承载10轴的矢量进给运动。基于该加工中心,提出了一套大口径非球面镜加工模型,每个工位只需利用两个转动轴即可实现大口径非球面镜的遍历加工,同时加工工位与检测工位可以互换,节约成本的同时提升了大口径光学反射镜的加工效率。分析了三角机光学加工中心的适用性,提高了其在单一设计工作角度下的可加工范围;同时提出了简便、高效的零位标定方法。为了验证加工模型的可行性,结合工程实例,利用该加工中心对一口径为1450mm的离轴抛物面SiC反射镜进行了加工,实验结果表明,经过一轮迭代加工后,反射镜面形结果由PV?3.441μm、RMS?0.5203μm收敛到PV?2.637μm、RMS?0.2962μm,RMS收敛达43%。验证了模型的精度及可行性。
【关键词】：大口径 光学反射镜 光学加工 收敛效率 边缘效应 加工中心
【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】：2016
【分类号】：TH751
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-15
• 第1章 绪论15-45
• 1.1 引言15-16
• 1.2 常用的大口径光学反射镜加工技术及加工中心简介16-31
• 1.2.1 传统大口径光学反射镜加工方法及加工中心17-19
• 1.2.2 基于计算机控制光学表面成型技术的加工方法及其加工中心19-30
• 1.2.3 常见的大口径光学加工技术及加工中心小结30-31
• 1.3 典型的边缘效应控制方法及理论31-40
• 1.3.1 Skin Model及对Preston假设的修正32-36
• 1.3.2 镜面边缘参数化模型36-39
• 1.3.3 典型的边缘效应控制方法及理论小结39-40
• 1.4 研究的目的及意义40-41
• 1.5 主要研究内容41-45
• 第2章 CCOS技术理论及大口径光学反射镜抛光阶段加工工艺45-71
• 2.1 引言45-46
• 2.2 CCOS技术的数学模型及平转动去除函数[92-94]46-48
• 2.3 基于矩阵运算的驻留时间求解[95-100]48-49
• 2.4 工艺参数实验及高稳定性去除函数的获得49-60
• 2.5 基于改进工艺手段的加工实验60-70
• 2.5.1 φ150mm SiC平面反射镜的子孔径加工收敛实验61-63
• 2.5.2 φ800mm离轴抛物面的全口径加工收敛实验63-70
• 2.6 本章小节70-71
• 第3章 复合运动主轴与边缘效应控制71-97
• 3.1 引言71
• 3.2 边缘效应问题的分析71-73
• 3.3 HZ-尖刀去除函数的工作原理及理论基础73-80
• 3.4 复合运动主轴的结构设计80-84
• 3.5 复合运动主轴的控制原理及精度分析84-90
• 3.6 HZ-尖刀去除函数实验验证及边缘效应抑制加工实验90-94
• 3.7 本章小结94-97
• 第4章 三角机光学加工中心的设计及工作原理97-117
• 4.1 引言97-98
• 4.2 三角机的工作原理及模型分析98-105
• 4.2.1 三角机光学加工中心的机械设计及原理98-101
• 4.2.2 三角机加工臂的有限元分析101-105
• 4.3 三角机的加工原理及数学模型分析105-109
• 4.4 三角机的控制原理及控制精度分析109-114
• 4.5 三角机加工控制软件设计114-115
• 4.6 本章小结115-117
• 第5章 三角机光学加工中心的调试、适用性分析及加工实验117-133
• 5.1 三角机电控系统调试及精度分析117-119
• 5.2 三角机零位标定方法119-121
• 5.3 三角机加工适用性分析及加工控制软件121-126
• 5.4 三角机的物理实现与加工实验126-131
• 5.5 本章小结131-133
• 第6章 总结与展望133-135
• 6.1 总结133-134
• 6.2 论文创新点134
• 6.3 工作展望134-135
• 参考文献135-145
• 在学期间学术成果情况145-147
• 指导教师及作者简介147-149
• 致谢149-150

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