大口径非球面磁流变加工的关键技术研究

发布时间：2017-09-25 07:08

  本文关键词：大口径非球面磁流变加工的关键技术研究

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【摘要】：由于大口径非球面能够校正像差,增大视场,提升像质,减少系统光学元件数量,从而有效地减少重量,降低成本,因此大口径非球面在现代天文观测和对地观测等大口径光学系统中得到了广泛的应用。但是现代大口径光学系统对非球面的面形精度、表面粗糙度和亚表面损伤等要求也更为严格。传统的计算机控制表面成形等加工方法由于加工确定性低和收敛效率慢等问题难以满足非球面,尤其是大口径离轴非球面的制造需求。磁流变抛光技术作为一种新型的光学加工技术,具有加工确定性高、收敛效率稳定、边缘效应可控、亚表面破坏层小、加工适用性广以及加工大径厚比的光学镜面不存在复印效应等诸多优点,在非球面制造领域有着广泛的应用前景。本文以国家工程项目对大口径非球面快速低成本制造的需求为基础,以大口径非球面磁流变加工为主线,对非球面磁流变抛光过程中的关键技术展开了研究,最终形成了大口径非球面磁流变加工工艺流程和可视化控制算法软件,完成了1.5m量级大口径离轴非球面磁流变抛光技术的高效高精度确定性加工,为我国大口径非球面的快速低成本制造提供了技术支持。论文的主要研究工作包括:1.磁流变抛光数控加工中心。提出磁流变抛光模块中永磁型磁场工程化设计流程和设计指标,完成了磁场设计和磁场优化;对磁流变抛光模块进行紧凑型布局,先后将抛光轮直径为160mm和360mm的磁流变抛光模块集成到MRF160/MRF360数控中心上;对不同磁流变抛光数控加工中心进行去除函数测试。2.大口径光学表面磁流变抛光的驻留时间求解算法。研究了适用于磁流变抛光的Preston假设,提出磁流变抛光的材料线性去除模型和基于矩阵运算的修形过程;分析了大口径非球面磁流变加工过程中驻留时间算法的特点,提出基于自适应正则化和SBB相结合的快速高精度非负驻留时间求解算法。3.中高频误差抑制和边缘效应控制。对磁流变抛光过程中的中高频误差-振铃效应和刀痕误差,进行探讨和研究,一方面提出基于保形映射和双协调样条插值的保形延拓,对任意几何形状的面形误差边界振铃进行抑制;另一方面提出基于去除函数积分模型的刀痕误差产生机理,通过分析刀痕误差的影响因素,给出了磁流变抛光刀痕抑制和消除策略。对磁流变抛光的边缘去除函数进行实验测定,拟合边缘去除函数变化规律,在驻留时间求解算法中进行了边缘效应控制。4.大口径非球面加工位姿控制。提出抛光轮的轮半径方向沿着非球面最接近球面的法线方向,同时利用非球面与最接近球面之间的偏离量进行加工补偿,以确保抛光间隙恒定的位姿控制策略。建立数控中心低自由度下的变去除函数补偿模型。通过对永磁型磁场进行优化设计,建立虚拟轴位姿控制模型。5.大口径非球面磁流变加工工艺与控制算法软件。提出在大口径非球面光学元件制造过程中引入磁流变加工工艺,建立了大口径非球面磁流变加工的完整工艺流程;利用Matlab和C++混合编程技术编写以Matlab为基础的GUI可视化控制算法软件。完成1500mm量级大口径离轴非球面磁流变抛光技术的高效高精度确定性加工。
【关键词】：光学制造 大口径非球面 磁流变抛光 数控加工中心 去除函数 驻留时间算法 中高频误差 边缘效应 加工位姿 加工工艺 可视化控制软件
【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】：TH74
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 绪论14-32
• 1.1 课题研究背景及意义14-16
• 1.2 常用非球面反射镜数控研抛技术简介16-24
• 1.2.1 计算机控制表面成形技术16-18
• 1.2.2 应力盘加工技术18-20
• 1.2.3 气囊抛光技术20-21
• 1.2.4 等离子体修形21-22
• 1.2.5 离子束修形22-24
• 1.3 磁流变抛光技术研究现状24-29
• 1.3.1 磁流变抛光基本原理24-25
• 1.3.2 磁流变抛光技术发展及现状25-29
• 1.4 论文主要研究内容29-32
• 第2章 永磁型磁流变抛光设备及标定32-48
• 2.1 概述32
• 2.2 永磁型磁流变抛光系统32-40
• 2.2.1 基本结构32-34
• 2.2.2 磁铁设计分析34-40
• 2.3 MRF160/MRF360数控加工中心40-43
• 2.3.1 MRF160立式加工中心40-42
• 2.3.2 MRF360龙门式数控加工中心42-43
• 2.4 去除函数测试43-47
• 2.4.1 MRF160去除函数测试44-45
• 2.4.2 MRF360去除函数测试45-47
• 2.5 本章小结47-48
• 第3章 大口径非球面磁流变抛光驻留时间求解算法48-74
• 3.1 概述48
• 3.2 MRF材料线性去除模型48-52
• 3.2.1 MRF的Preston假设48-49
• 3.2.2 线性去除模型的建立49-51
• 3.2.3 线性去除模型的实验验证51-52
• 3.3 MRF修形理论52-60
• 3.3.1 MRF卷积修形模型52-55
• 3.3.2 传统反卷积算法的限制55-58
• 3.3.3 MRF矩阵修形模型58-60
• 3.4 非负约束条件的驻留时间解算技术60-73
• 3.4.1 大规模数据与稀疏矩阵60-62
• 3.4.2 反问题与自适应正则化62-66
• 3.4.3 SBB非负约束快速算法66-68
• 3.4.4 虚拟加工与算法对比68-73
• 3.5 本章小结73-74
• 第4章 中高频误差与边缘效应的抑制74-108
• 4.1 概述74
• 4.2 MRF的振铃效应抑制74-84
• 4.2.1 振铃效应与MRF驻留时间算法74-78
• 4.2.2 保形延拓抑制振铃[]78-83
• 4.2.3 虚拟加工对比83-84
• 4.3 MRF的进刀痕迹抑制与消除84-99
• 4.3.1 刀痕形成机理与积分模型84-93
• 4.3.2 刀痕误差影响因素分析93-95
• 4.3.3 刀痕抑制和消除方法95-97
• 4.3.4 刀痕抑制实例97-99
• 4.4 边缘效应的抑制99-106
• 4.4.1 边缘去除函数变化及实验标定99-103
• 4.4.2 边缘效应下驻留时间求解103-104
• 4.4.3 边缘效应抑制实例104-106
• 4.5 本章小结106-108
• 第5章 大口径非球面MRF修形的位姿控制108-128
• 5.1 概述108
• 5.2 大口径非球面加工位姿108-113
• 5.2.1 抛光间隙与去除函数108-110
• 5.2.2 位姿控制策略110-113
• 5.3 四轴联动大口径非球面MRF加工的位姿控制[]113-119
• 5.3.1 非球面上轨迹规划的实现114-115
• 5.3.2 四轴联动机床的位姿控制115-117
• 5.3.3 变去除函数补偿模型117-119
• 5.4 虚拟轴下大口径非球面MRF加工的位姿控制119-126
• 5.4.1 虚拟轴模型119-121
• 5.4.2 虚拟轴下永磁场设计分析121-122
• 5.4.3 去除函数测试122-124
• 5.4.4 位姿控制坐标变换关系124-126
• 5.5 本章小结126-128
• 第6章 控制算法软件及工程加工实例128-144
• 6.1 概述128
• 6.2 加工工艺流程128-131
• 6.3 控制算法软件131-134
• 6.3.1 控制算法的混合编程131-133
• 6.3.2 可视化控制算法软件133-134
• 6.4 1500mm量级离轴非球面加工实例134-142
• 6.4.1 加工策略135-137
• 6.4.2 加工过程及结果分析137-142
• 6.6 本章小结142-144
• 第7章 总结与展望144-148
• 7.1 全文总结144-145
• 7.2 论文创新点145-146
• 7.3 工作展望146-148
• 参考文献148-156
• 在学期间学术成果情况156-158
• 指导教师及作者简介158-160
• 致谢160-161

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