中大口径光学元件双面抛光控制技术研究

发布时间：2020-11-13 08:30

　　 超精密加工是得到中大口径光学元件超光滑表面的主要手段。现在传统的行星式双面抛光技术已经相对成熟,但这样的加工方法仅适用于小口径光学元件,无法满足中大口径的加工需求。而传统中大口径光学元件的超精密加工方法都是单面抛光,存在加工周期长、表面精度低等缺点。因此,研制出适用于中大口径光学元件的双面抛光设备对于缩短中大口径光学元件的加工周期短、提高光学元件的表面精度、实现光学元件的批量生产具有重要意义。本文通过对中大口径双面抛光机的抛光机理的研究,得出影响加工精度的主要因素:电气控制系统的硬件结构、气动控制系统的加载压力控制和伺服系统的电机控制。首先,硬件设备的性能以及硬件设备间的连接方式严重影响控制系统的实时、有效控制。因此电气控制控制系统中硬件的选型与系统的设计是实现高精度抛光的重要保障。其次,在抛光过程中,不同的加载压力会出现不同的加工效果。因此气动控制系统中加载压力的高精度和稳定性控制是实现高精度抛光的首要前提。最后,双面抛光机是通过抛光盘与工件之间相对运动实现光学表面材料的去除。因此伺服系统中电机的稳定运行是实现高精度抛光的重中之重。下面针对这三个因素进行设计:1)设计了电气控制系统的总体方案,开发了SIMOTION D控制器+分布式I/O模块ET200M的具有人机交互界面的控制系统,实现了系统的模块化设计,即SIMOTION D控制器、SINAMICS S120驱动器、伺服电机及人机界面等模块。2)设计了基于自整定模糊PID控制的抛光压力控制器,通过与传统PID控制AMESim与MATLAB联合仿真结果的对比分析,验证了自整定模糊PID控制可以有效地提高气动控制系统抛光压力的稳定性、加载精度和快速性。3)设计了伺服控制系统速度环的自整定模糊PID控制器,通过与传统PID控制的Simulink仿真对比实验,验证了基于自整定模糊PID控制的伺服系统响应速度快、超调和震荡小、抗干扰能力强,更适用于大滞后、大转动惯量和强耦合性的复杂系统,更好的保障了中大口径双面抛光机的稳定运行和抛光效率。
【学位单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP273;TH74
【部分图文】：

a) b)图 1.2 MRF 材料去除过程和设备a) MRF 的材料去除过程 b) Q22-2000F 型磁流变抛光机床.2 应力盘抛光应力盘抛光（Stressed Lap Polishing, SLP）技术是 20 世纪 80 年代末由美国亚大学提出的接触式抛光方法[12]，主要用于有较大偏离量的大口径高陡度非球面件的抛光。SLP 根据抛光要求改变应力盘的加工角度实现非球面的超精密加工P 的抛光过程如图 1.3 所示，在应力盘上安装驱动器以接收由计算机发出的应力于镜面位置和方向的指令，通过改变边缘力矩的大小，实现应力盘与被抛光的光学元件表面相吻合[11]。因为应力盘抛光可以实现不同面性的可控制加工，因著的高频误差修正效果。同时，可根据加工工件的面形来选择不同规格的抛光现加工工件加工精度和表面粗糙度的有效控制，有效地提高了光学元件的加工2]。

图 1.4 美国亚利桑那大学的应力盘抛光设备1.2.3 小工具抛光小工具抛光（Small Tool Polishing，STP）是 20 世纪 70 年代由美国 Itek 公司W. J. Rupp 提出的一种计算机控制光学表面成型技术（Computer Controlled OpticSurfacing, CCOS）技术[18]。它采用小磨头对工件表面进行研磨或抛光，通过计算机控制磨头在光学元件表面不同位置的相对压力和驻留时间等来控制材料去除量，实面形的修正和高精度加工[19]。与大尺寸磨头相比，小磨头可以更好的与光学元件加表面吻合，达到相对稳定的去除效果；同时计算机的实时操控避免了传统抛光的经和技巧不足带来的影响，有效地提升了光学元件的加工效率。但基于接触式的加工法都无法避免亚表面损伤和边缘效应等问题，而且无法实现与非球面加工工件表面完全重合，并容易产生高频误差[19]。图 1.5 b)为中国科学院长春光机所用于 4000m口径光学元件加工的 FSGJ 设备[20]。

图 1.4 美国亚利桑那大学的应力盘抛光设备1.2.3 小工具抛光小工具抛光（Small Tool Polishing，STP）是 20 世纪 70 年代由美国 Itek 公司的W. J. Rupp 提出的一种计算机控制光学表面成型技术（Computer Controlled OpticalSurfacing, CCOS）技术[18]。它采用小磨头对工件表面进行研磨或抛光，通过计算机来控制磨头在光学元件表面不同位置的相对压力和驻留时间等来控制材料去除量，实现面形的修正和高精度加工[19]。与大尺寸磨头相比，小磨头可以更好的与光学元件加工表面吻合，达到相对稳定的去除效果；同时计算机的实时操控避免了传统抛光的经验和技巧不足带来的影响，有效地提升了光学元件的加工效率。但基于接触式的加工方法都无法避免亚表面损伤和边缘效应等问题，而且无法实现与非球面加工工件表面的完全重合，并容易产生高频误差[19]。图 1.5 b)为中国科学院长春光机所用于 4000mm口径光学元件加工的 FSGJ 设备[20]。
【参考文献】

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本文编号：2881984