超精密机床加工误差辨识与补偿方法研究

发布时间：2020-09-01 08:36

　　光学自由曲面作为制造技术和光学工程领域相互促进而出现的典型特征表面,为光学领域发展注入了新的活力。它不但可以简化系统结构、减轻系统重量,也使系统光学性能有很大程度提高。为满足光学应用性能的要求,需要依靠高精度加工予以保证。超精密加工过程中不可避免地受到机床几何误差、刀具误差、热误差等各种误差的影响,降低光学元件的加工精度,进而影响光学元件的最终使用性能。目前加工误差的相关研究主要集中在加工误差建模、测量和补偿等方面,但超精密加工过程的误差项较多,难以实现对所有误差项的测量和补偿,因此,需要研究各个加工误差项的影响本质及规律,确定主要加工误差。同时,超精密机床的精度高,传统测量方法难以实现对这类机床几何误差的测量,因此,进行加工误差的辨识和补偿也成为其研究的另一个重点。此外,被加工光学元件的光学性能是加工的最终目标,如能从光学性能评价入手,进行加工误差的辨识和补偿,直接提高最终光学性能,从而实现光学质量可控加工。基于上述分析,本课题拟建立超精密机床加工误差辨识与补偿模型,其主要研究工作如下:(1)提出借助于加工误差项建立加工与应用的直接关系,并建立加工误差与光学性能映射模型。基于多体系统运动学理论和齐次坐标转换矩阵建立不同加工方法下的加工误差模型,研究加工误差对面形误差的影响规律;基于光线追迹理论建立光学性能模型,研究面形误差光学性能的影响规律;结合上述两个模型,建立加工误差项与光学性能的直接关系,为实现主要加工误差的辨识与补偿和光学性能可控制造提供有效途径及理论基础。(2)提出基于加工误差影响规律的加工误差辨识与补偿方法。基于加工误差模型,研究加工误差的影响本质和规律;结合坐标变换规律对不同加工方式下的加工误差项进行分析、简化和分类;研究加工误差项对不同类型元件的面形误差影响规律及权重,确定不同类型元件的主要加工误差,并根据影响规律性提出主要加工误差的辨识与补偿方法。(3)提出基于光学性能评价的超精密加工误差辨识与补偿方法,直接实现光学性能的补偿和控制。基于映射模型,研究加工误差与光学性能之间的影响关系;根据光学元件的使用要求对元件进行分类,提出基于激光干涉法和视觉分析法对光学元件的光学性能参数进行测量和评价;根据测量结果和超精密加工误差与光学性能的映射模型的优化,辨识各个主要加工误差项的大小,从而进行误差补偿,最终实现光学性能的控制和提高。(4)以透射元件、反射元件及整机系统为研究对象,开展加工误差项对面形精度和光学性能的影响规律、性能指标测量及误差辨识补偿实验。针对典型透射元件微透镜阵列加工需求,提出采用定向离心加工方法提高单元面形精度和光学性能及一致性;针对典型反射元件离轴抛物面加工需求,基于波前像差测量评价实现光学性能的直接控制;针对光学自由曲面离轴三反系统加工需求,提出一种免装配一体化加工方法,实现系统主要加工误差的辨识和控制。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

面形误差,光学元件

图 1-20 光学元件 PSF 和 MTF 随面形误差的变化[100]制造精度与器件使用性能关联脱节的问题，一些研究人员认识加工表面误差（低频面形误差，中频误差，高频误差）对光学开研究。有关面形误差对光学性能的影响，吉林大学 Liu 等差对波前像差、MTF 和 PSF 的影响，证明面形误差越大，成面形误差的增加，PSF 边缘能量变强，即成像质量越差，如图工程物理研究院 Wan 等人[101]对正弦形面形误差开展了研究，的影响。研究发现，相位误差的低频部分组成了远场能量分布的分构成边缘部分，对光束质量影响，中心缺陷要比边缘缺陷的影大学 Wu 等人[102]通过研究面形误差对环围能量比的影响发现根梯度增加时，环围能量比呈指数衰减，也指出远场光强分布别由面形误差的低频部分和高频部分造成。入射角为 5 度时散射情况

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第 4 章光学元件性能指标测量与评价测量装置的分辨率为 0.03%~0.2%，测量精度为 0.1%~0.3%，测量波长为546nm。其测量结果如图 4-9 蓝线所示。微透镜阵列单元曲率半径的理论设计值为 2.908mm，从图 4-9 的统计数据可以得到，集成式测量系统的测量值为2.9339mm±0.0114mm ，比理论值大 0.89% ，测焦仪的测量值为2.9405mm±0.0096mm，比理论值大 1.1%。同时，可以看出两种测量方法得到的各单元子眼的曲率半径值相近且变化趋势相同，证明了该方法的正确性。

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