本文關(guān)鍵詞：提高大口徑光學(xué)反射鏡加工收斂效率的關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 大口徑 光學(xué)反射鏡 光學(xué)加工 收斂效率 邊緣效應(yīng) 加工中心

【摘要】：大口徑光學(xué)系統(tǒng)在天文及國(guó)防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,其因具有更高的角分辨能力,更強(qiáng)的能量收集能力等特點(diǎn)是目前國(guó)內(nèi)外光學(xué)加工機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)。大口徑光學(xué)反射鏡是系統(tǒng)的核心器件,國(guó)外已實(shí)現(xiàn)?8m量級(jí)反射鏡的加工,國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行?4m量級(jí)SiC反射鏡的加工,而且正在向更大尺寸的光學(xué)反射鏡邁進(jìn)。中小口徑的光學(xué)反射鏡的加工普遍采用計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)(Computer Controlled Optical Surfacing,CCOS),該技術(shù)以小磨頭技術(shù)為代表,隨著技術(shù)的發(fā)展,融合了更多的加工手段以適應(yīng)更廣泛的加工需求。盡管CCOS技術(shù)在中小口徑光學(xué)反射鏡的加工上已經(jīng)比較成熟,但當(dāng)其應(yīng)用在大口徑光學(xué)反射鏡的加工中時(shí),我們發(fā)現(xiàn)諸如工藝路線及去除函數(shù)穩(wěn)定性、邊緣效應(yīng)以及光學(xué)加工中心等加工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)極大的限制了大口徑光學(xué)反射鏡的加工收斂效率。因此,本文提出了通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn)及分析提高粗拋光階段去除函數(shù)穩(wěn)定性及修正工藝參數(shù)關(guān)系、利用運(yùn)動(dòng)合成疊加實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)主軸抑制邊緣效應(yīng)、設(shè)計(jì)并研制高效多工位的三角機(jī)光學(xué)加工中心來(lái)提高大口徑光學(xué)反射鏡的加工收斂效率。本文在實(shí)驗(yàn)室已有的工作基礎(chǔ)之上,主要在以下三方面開(kāi)展了相關(guān)的工作:一、針對(duì)現(xiàn)有工藝方法在加工大口徑反射鏡時(shí)收斂效率及確定性不高的情況,搭建了工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以實(shí)驗(yàn)室采用的平轉(zhuǎn)動(dòng)去除方式為基礎(chǔ),著重解決工藝穩(wěn)定性對(duì)收斂效率影響最大的粗拋光階段。首先探討了基于矩陣離散化運(yùn)算的仿真收斂算法可以實(shí)現(xiàn)將實(shí)際去除函數(shù)引入算法,在算法角度提高了仿真計(jì)算與實(shí)際加工的一致性,從而為提高收斂效率提供了算法保障。其次從磨盤(pán)結(jié)構(gòu)、參數(shù)線性度、磨料等角度為主要方向研究了工藝參數(shù)對(duì)去除函數(shù)穩(wěn)定性的影響。利用合理的參數(shù)配置得到了高確定性、高穩(wěn)定性的高斯型去除函數(shù)。基于改進(jìn)工藝手段進(jìn)行了加工實(shí)驗(yàn),在不考慮邊緣效應(yīng)影響的前提下,對(duì)一?100mm子孔徑區(qū)域進(jìn)行收斂,經(jīng)過(guò)一輪48min加工,從rms?0.079?(??632.8nm)收斂至約1/30?,單次收斂效率高達(dá)58%,仿真計(jì)算與實(shí)際加工結(jié)果具有高度一致性;在此基礎(chǔ)上對(duì)一?800mm的大口徑離軸拋物面進(jìn)行全口徑加工收斂實(shí)驗(yàn),經(jīng)過(guò)一輪加工,rms收斂效率達(dá)34%,高于仿真計(jì)算結(jié)果的22%,對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果,二者差別集中在邊緣區(qū)域。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于實(shí)際去除函數(shù)的算法在中心區(qū)域收斂的高效性同時(shí),也驗(yàn)證了改進(jìn)工藝方法的高穩(wěn)定、高確定性;同時(shí)引出了邊緣效應(yīng)問(wèn)題解決對(duì)提高大口徑光學(xué)反射鏡收斂效率提高的急迫性。二、本文針對(duì)現(xiàn)有邊緣效應(yīng)研究集中在邊緣塌邊的預(yù)測(cè)及數(shù)學(xué)描述的問(wèn)題,提出在保持平轉(zhuǎn)動(dòng)高斯型去除函數(shù)高體積去除率的優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上,通過(guò)運(yùn)動(dòng)合成使去除函數(shù)峰值去除率偏離中心,重新分布能量使其向邊緣處的移動(dòng),從而使磨盤(pán)伸出反射鏡邊緣的距離還未產(chǎn)生塌邊即可實(shí)現(xiàn)去除函數(shù)峰值已伸出反射鏡邊緣,從而在真正意義上實(shí)現(xiàn)了邊緣效應(yīng)的抑制。通過(guò)仿真計(jì)算收斂驗(yàn)證了hz-尖刀去除函數(shù)對(duì)收斂算法的提升,從而表明該理論對(duì)大口徑光學(xué)反射鏡具有邊緣效應(yīng)抑制的能力。在理論設(shè)計(jì)及控制方式設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,利用復(fù)合運(yùn)動(dòng)主軸及跟隨運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)了hz-尖刀去除函數(shù),并通過(guò)去除函數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該去除函數(shù)的存在,由于實(shí)際物理平滑作用的存在,實(shí)際得到去除函數(shù)比理論設(shè)計(jì)更加適合工程應(yīng)用,將實(shí)測(cè)去除函數(shù)引入算法矩陣,通過(guò)對(duì)一300mm?150mm矩形sic反射鏡的邊緣去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),hz-尖刀去除函數(shù)作用下的邊緣加工,沒(méi)有產(chǎn)生諸如翹邊、塌邊等邊緣效應(yīng)問(wèn)題,與預(yù)期的加工結(jié)果高度相似,因此驗(yàn)證了hz-尖刀去除函數(shù)對(duì)邊緣效應(yīng)的抑制能力。三、在獲得穩(wěn)定的工藝及分系統(tǒng)主軸的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制作了三角機(jī)光學(xué)加工中心,該加工中心具有三工位設(shè)計(jì),最多可承載10軸的矢量進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。基于該加工中心,提出了一套大口徑非球面鏡加工模型,每個(gè)工位只需利用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸即可實(shí)現(xiàn)大口徑非球面鏡的遍歷加工,同時(shí)加工工位與檢測(cè)工位可以互換,節(jié)約成本的同時(shí)提升了大口徑光學(xué)反射鏡的加工效率。分析了三角機(jī)光學(xué)加工中心的適用性,提高了其在單一設(shè)計(jì)工作角度下的可加工范圍;同時(shí)提出了簡(jiǎn)便、高效的零位標(biāo)定方法。為了驗(yàn)證加工模型的可行性,結(jié)合工程實(shí)例,利用該加工中心對(duì)一口徑為1450mm的離軸拋物面SiC反射鏡進(jìn)行了加工,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)一輪迭代加工后,反射鏡面形結(jié)果由PV?3.441μm、RMS?0.5203μm收斂到PV?2.637μm、RMS?0.2962μm,RMS收斂達(dá)43%。驗(yàn)證了模型的精度及可行性。
【關(guān)鍵詞】：大口徑 光學(xué)反射鏡 光學(xué)加工 收斂效率 邊緣效應(yīng) 加工中心
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TH751
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-15
• 第1章 緒論15-45
• 1.1 引言15-16
• 1.2 常用的大口徑光學(xué)反射鏡加工技術(shù)及加工中心簡(jiǎn)介16-31
• 1.2.1 傳統(tǒng)大口徑光學(xué)反射鏡加工方法及加工中心17-19
• 1.2.2 基于計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)的加工方法及其加工中心19-30
• 1.2.3 常見(jiàn)的大口徑光學(xué)加工技術(shù)及加工中心小結(jié)30-31
• 1.3 典型的邊緣效應(yīng)控制方法及理論31-40
• 1.3.1 Skin Model及對(duì)Preston假設(shè)的修正32-36
• 1.3.2 鏡面邊緣參數(shù)化模型36-39
• 1.3.3 典型的邊緣效應(yīng)控制方法及理論小結(jié)39-40
• 1.4 研究的目的及意義40-41
• 1.5 主要研究?jī)?nèi)容41-45
• 第2章 CCOS技術(shù)理論及大口徑光學(xué)反射鏡拋光階段加工工藝45-71
• 2.1 引言45-46
• 2.2 CCOS技術(shù)的數(shù)學(xué)模型及平轉(zhuǎn)動(dòng)去除函數(shù)[92-94]46-48
• 2.3 基于矩陣運(yùn)算的駐留時(shí)間求解[95-100]48-49
• 2.4 工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)及高穩(wěn)定性去除函數(shù)的獲得49-60
• 2.5 基于改進(jìn)工藝手段的加工實(shí)驗(yàn)60-70
• 2.5.1 φ150mm SiC平面反射鏡的子孔徑加工收斂實(shí)驗(yàn)61-63
• 2.5.2 φ800mm離軸拋物面的全口徑加工收斂實(shí)驗(yàn)63-70
• 2.6 本章小節(jié)70-71
• 第3章 復(fù)合運(yùn)動(dòng)主軸與邊緣效應(yīng)控制71-97
• 3.1 引言71
• 3.2 邊緣效應(yīng)問(wèn)題的分析71-73
• 3.3 HZ-尖刀去除函數(shù)的工作原理及理論基礎(chǔ)73-80
• 3.4 復(fù)合運(yùn)動(dòng)主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)80-84
• 3.5 復(fù)合運(yùn)動(dòng)主軸的控制原理及精度分析84-90
• 3.6 HZ-尖刀去除函數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及邊緣效應(yīng)抑制加工實(shí)驗(yàn)90-94
• 3.7 本章小結(jié)94-97
• 第4章 三角機(jī)光學(xué)加工中心的設(shè)計(jì)及工作原理97-117
• 4.1 引言97-98
• 4.2 三角機(jī)的工作原理及模型分析98-105
• 4.2.1 三角機(jī)光學(xué)加工中心的機(jī)械設(shè)計(jì)及原理98-101
• 4.2.2 三角機(jī)加工臂的有限元分析101-105
• 4.3 三角機(jī)的加工原理及數(shù)學(xué)模型分析105-109
• 4.4 三角機(jī)的控制原理及控制精度分析109-114
• 4.5 三角機(jī)加工控制軟件設(shè)計(jì)114-115
• 4.6 本章小結(jié)115-117
• 第5章 三角機(jī)光學(xué)加工中心的調(diào)試、適用性分析及加工實(shí)驗(yàn)117-133
• 5.1 三角機(jī)電控系統(tǒng)調(diào)試及精度分析117-119
• 5.2 三角機(jī)零位標(biāo)定方法119-121
• 5.3 三角機(jī)加工適用性分析及加工控制軟件121-126
• 5.4 三角機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)與加工實(shí)驗(yàn)126-131
• 5.5 本章小結(jié)131-133
• 第6章 總結(jié)與展望133-135
• 6.1 總結(jié)133-134
• 6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)134
• 6.3 工作展望134-135
• 參考文獻(xiàn)135-145
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況145-147
• 指導(dǎo)教師及作者簡(jiǎn)介147-149
• 致謝149-150

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