本文關(guān)鍵詞：大口徑非球面磁流變加工的關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：由于大口徑非球面能夠校正像差,增大視場(chǎng),提升像質(zhì),減少系統(tǒng)光學(xué)元件數(shù)量,從而有效地減少重量,降低成本,因此大口徑非球面在現(xiàn)代天文觀測(cè)和對(duì)地觀測(cè)等大口徑光學(xué)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是現(xiàn)代大口徑光學(xué)系統(tǒng)對(duì)非球面的面形精度、表面粗糙度和亞表面損傷等要求也更為嚴(yán)格。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制表面成形等加工方法由于加工確定性低和收斂效率慢等問題難以滿足非球面,尤其是大口徑離軸非球面的制造需求。磁流變拋光技術(shù)作為一種新型的光學(xué)加工技術(shù),具有加工確定性高、收斂效率穩(wěn)定、邊緣效應(yīng)可控、亞表面破壞層小、加工適用性廣以及加工大徑厚比的光學(xué)鏡面不存在復(fù)印效應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn),在非球面制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文以國(guó)家工程項(xiàng)目對(duì)大口徑非球面快速低成本制造的需求為基礎(chǔ),以大口徑非球面磁流變加工為主線,對(duì)非球面磁流變拋光過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)展開了研究,最終形成了大口徑非球面磁流變加工工藝流程和可視化控制算法軟件,完成了1.5m量級(jí)大口徑離軸非球面磁流變拋光技術(shù)的高效高精度確定性加工,為我國(guó)大口徑非球面的快速低成本制造提供了技術(shù)支持。論文的主要研究工作包括:1.磁流變拋光數(shù)控加工中心。提出磁流變拋光模塊中永磁型磁場(chǎng)工程化設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)指標(biāo),完成了磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和磁場(chǎng)優(yōu)化;對(duì)磁流變拋光模塊進(jìn)行緊湊型布局,先后將拋光輪直徑為160mm和360mm的磁流變拋光模塊集成到MRF160/MRF360數(shù)控中心上;對(duì)不同磁流變拋光數(shù)控加工中心進(jìn)行去除函數(shù)測(cè)試。2.大口徑光學(xué)表面磁流變拋光的駐留時(shí)間求解算法。研究了適用于磁流變拋光的Preston假設(shè),提出磁流變拋光的材料線性去除模型和基于矩陣運(yùn)算的修形過(guò)程;分析了大口徑非球面磁流變加工過(guò)程中駐留時(shí)間算法的特點(diǎn),提出基于自適應(yīng)正則化和SBB相結(jié)合的快速高精度非負(fù)駐留時(shí)間求解算法。3.中高頻誤差抑制和邊緣效應(yīng)控制。對(duì)磁流變拋光過(guò)程中的中高頻誤差-振鈴效應(yīng)和刀痕誤差,進(jìn)行探討和研究,一方面提出基于保形映射和雙協(xié)調(diào)樣條插值的保形延拓,對(duì)任意幾何形狀的面形誤差邊界振鈴進(jìn)行抑制;另一方面提出基于去除函數(shù)積分模型的刀痕誤差產(chǎn)生機(jī)理,通過(guò)分析刀痕誤差的影響因素,給出了磁流變拋光刀痕抑制和消除策略。對(duì)磁流變拋光的邊緣去除函數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定,擬合邊緣去除函數(shù)變化規(guī)律,在駐留時(shí)間求解算法中進(jìn)行了邊緣效應(yīng)控制。4.大口徑非球面加工位姿控制。提出拋光輪的輪半徑方向沿著非球面最接近球面的法線方向,同時(shí)利用非球面與最接近球面之間的偏離量進(jìn)行加工補(bǔ)償,以確保拋光間隙恒定的位姿控制策略。建立數(shù)控中心低自由度下的變?nèi)コ瘮?shù)補(bǔ)償模型。通過(guò)對(duì)永磁型磁場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),建立虛擬軸位姿控制模型。5.大口徑非球面磁流變加工工藝與控制算法軟件。提出在大口徑非球面光學(xué)元件制造過(guò)程中引入磁流變加工工藝,建立了大口徑非球面磁流變加工的完整工藝流程;利用Matlab和C++混合編程技術(shù)編寫以Matlab為基礎(chǔ)的GUI可視化控制算法軟件。完成1500mm量級(jí)大口徑離軸非球面磁流變拋光技術(shù)的高效高精度確定性加工。
【關(guān)鍵詞】：光學(xué)制造 大口徑非球面 磁流變拋光 數(shù)控加工中心 去除函數(shù) 駐留時(shí)間算法 中高頻誤差 邊緣效應(yīng) 加工位姿 加工工藝 可視化控制軟件
【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
【分類號(hào)】：TH74
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-32
• 1.1 課題研究背景及意義14-16
• 1.2 常用非球面反射鏡數(shù)控研拋技術(shù)簡(jiǎn)介16-24
• 1.2.1 計(jì)算機(jī)控制表面成形技術(shù)16-18
• 1.2.2 應(yīng)力盤加工技術(shù)18-20
• 1.2.3 氣囊拋光技術(shù)20-21
• 1.2.4 等離子體修形21-22
• 1.2.5 離子束修形22-24
• 1.3 磁流變拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀24-29
• 1.3.1 磁流變拋光基本原理24-25
• 1.3.2 磁流變拋光技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀25-29
• 1.4 論文主要研究?jī)?nèi)容29-32
• 第2章 永磁型磁流變拋光設(shè)備及標(biāo)定32-48
• 2.1 概述32
• 2.2 永磁型磁流變拋光系統(tǒng)32-40
• 2.2.1 基本結(jié)構(gòu)32-34
• 2.2.2 磁鐵設(shè)計(jì)分析34-40
• 2.3 MRF160/MRF360數(shù)控加工中心40-43
• 2.3.1 MRF160立式加工中心40-42
• 2.3.2 MRF360龍門式數(shù)控加工中心42-43
• 2.4 去除函數(shù)測(cè)試43-47
• 2.4.1 MRF160去除函數(shù)測(cè)試44-45
• 2.4.2 MRF360去除函數(shù)測(cè)試45-47
• 2.5 本章小結(jié)47-48
• 第3章 大口徑非球面磁流變拋光駐留時(shí)間求解算法48-74
• 3.1 概述48
• 3.2 MRF材料線性去除模型48-52
• 3.2.1 MRF的Preston假設(shè)48-49
• 3.2.2 線性去除模型的建立49-51
• 3.2.3 線性去除模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證51-52
• 3.3 MRF修形理論52-60
• 3.3.1 MRF卷積修形模型52-55
• 3.3.2 傳統(tǒng)反卷積算法的限制55-58
• 3.3.3 MRF矩陣修形模型58-60
• 3.4 非負(fù)約束條件的駐留時(shí)間解算技術(shù)60-73
• 3.4.1 大規(guī)模數(shù)據(jù)與稀疏矩陣60-62
• 3.4.2 反問題與自適應(yīng)正則化62-66
• 3.4.3 SBB非負(fù)約束快速算法66-68
• 3.4.4 虛擬加工與算法對(duì)比68-73
• 3.5 本章小結(jié)73-74
• 第4章 中高頻誤差與邊緣效應(yīng)的抑制74-108
• 4.1 概述74
• 4.2 MRF的振鈴效應(yīng)抑制74-84
• 4.2.1 振鈴效應(yīng)與MRF駐留時(shí)間算法74-78
• 4.2.2 保形延拓抑制振鈴[]78-83
• 4.2.3 虛擬加工對(duì)比83-84
• 4.3 MRF的進(jìn)刀痕跡抑制與消除84-99
• 4.3.1 刀痕形成機(jī)理與積分模型84-93
• 4.3.2 刀痕誤差影響因素分析93-95
• 4.3.3 刀痕抑制和消除方法95-97
• 4.3.4 刀痕抑制實(shí)例97-99
• 4.4 邊緣效應(yīng)的抑制99-106
• 4.4.1 邊緣去除函數(shù)變化及實(shí)驗(yàn)標(biāo)定99-103
• 4.4.2 邊緣效應(yīng)下駐留時(shí)間求解103-104
• 4.4.3 邊緣效應(yīng)抑制實(shí)例104-106
• 4.5 本章小結(jié)106-108
• 第5章 大口徑非球面MRF修形的位姿控制108-128
• 5.1 概述108
• 5.2 大口徑非球面加工位姿108-113
• 5.2.1 拋光間隙與去除函數(shù)108-110
• 5.2.2 位姿控制策略110-113
• 5.3 四軸聯(lián)動(dòng)大口徑非球面MRF加工的位姿控制[]113-119
• 5.3.1 非球面上軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)114-115
• 5.3.2 四軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的位姿控制115-117
• 5.3.3 變?nèi)コ瘮?shù)補(bǔ)償模型117-119
• 5.4 虛擬軸下大口徑非球面MRF加工的位姿控制119-126
• 5.4.1 虛擬軸模型119-121
• 5.4.2 虛擬軸下永磁場(chǎng)設(shè)計(jì)分析121-122
• 5.4.3 去除函數(shù)測(cè)試122-124
• 5.4.4 位姿控制坐標(biāo)變換關(guān)系124-126
• 5.5 本章小結(jié)126-128
• 第6章 控制算法軟件及工程加工實(shí)例128-144
• 6.1 概述128
• 6.2 加工工藝流程128-131
• 6.3 控制算法軟件131-134
• 6.3.1 控制算法的混合編程131-133
• 6.3.2 可視化控制算法軟件133-134
• 6.4 1500mm量級(jí)離軸非球面加工實(shí)例134-142
• 6.4.1 加工策略135-137
• 6.4.2 加工過(guò)程及結(jié)果分析137-142
• 6.6 本章小結(jié)142-144
• 第7章 總結(jié)與展望144-148
• 7.1 全文總結(jié)144-145
• 7.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)145-146
• 7.3 工作展望146-148
• 參考文獻(xiàn)148-156
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況156-158
• 指導(dǎo)教師及作者簡(jiǎn)介158-160
• 致謝160-161

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