人工势场法的复杂光学曲面加工最优路径求解

加工路径对于复杂光学曲面表面质量与工件光学性能具有重要影响,为此,研究人工势场法的复杂光学曲面加工最优路径求解方法,提高加工质量,并满足实际应用需求。依据等残高条件,确定复杂光学曲面加工的刀位点;以该刀位点为人工势场法求解最优加工路径时的目标点;通过在人工势场斥力场函数内引入相对速度斥力势场,改进斥力场函数,利用引力势力场函数与改进斥力场函数,确定各刀位点的合力;依据各刀位点的合力决定刀具的进给方向,即复杂光学曲面的最优加工路径。实验证明:该方法的加工精度最高为98.15%,可有效确定复杂光学曲面的刀位点,完成最优加工路径求解;应用该方法加工的复杂光学曲面工件表面粗糙度较低,加工质量较高。

数据挖掘的复杂光学曲面加工路径规划研究

为解决复杂光学曲面加工困难的问题,提出基于数据挖掘的复杂光学曲面加工路径规划方法。将复杂光学曲面点云数据投影至平面上,获取二维点集;通过拟合复杂光学曲面点云数据,重建复杂光学曲面的不间断描述模型;基于此模型将二维加工路径数据映射至三维空间,选取等截面法规划复杂光学曲面加工过程中路径,通过参数补偿计算触点经法向偏置,获取刀位点路径规划结果。实验结果显示,x、y和z方向上的路径偏差均控制在0.035 mm内,z方向的路径偏差在0.01 mm左右,以上数据充分说明本方法能够准确规划复杂光学曲面加工路径。

基于Hermite插值的复杂光学曲面车削加工路径规划

为解决复杂光学曲面加工难题,探讨其车削加工路径规划。基于慢刀伺服加工技术对复杂光学曲面的刀位点规划进行设计,分析刀触点等角度离散方案及刀具圆弧半径补偿方案。轨迹插补采用可编程多轴控制器(Programmable multi-axiscontroller,PMAC)提供的位置、速度、时间(Position velocity time,PVT)插补运动模式,分析PVT的数学实质Hermite分段插值模型,并根据此模型提出恒速法、面积法和三点法三种PVT入口参数生成算法。以离轴抛物面、环曲面、正弦面为例进行仿真,加工路径的仿真表明刀位点的设计可以应用于复杂光学曲面加工。同时z轴运动特性的分析表明z轴往复频率和C轴回转频率相仿时,面积法(c=2/3)和三点法均能满足z轴速度光顺要求;z轴往复频率明显大于主轴频率时,采用三点法的加速度变化明显优于面积法。提出的加工路径方法可为复杂光学曲面的实际加工提供指导意义。

多轴机床研抛复杂光学曲面变螺旋轨迹规划的研究

本文综合考虑复杂光学曲面的加工方法和多轴机床的加工特点,针对复杂光学曲面的难于加工性,建立了研抛机床和研抛工具触点位置关系的数学模型,提出了一种变螺旋轨迹规划新方法。通过初始轨迹等残留高度来计算下一个研抛工具与工件接触点,对所得参数进行优化并重新拟合,形成一种变螺旋线加工轨迹新方法。此方法充分考虑了加工中的退刀现象,可以减轻研抛力瞬变引起的振动及由此产生的影响表面质量的不确定因素。

光学曲面超精密车削过程中的轮廓误差补偿控制方法

一、前言虞文华等学者通过对伺服系统动态特性对数控机床圆轨迹的加工精度影响机理进行研究，认为在不考虑机床自身的几何精度的前提下，系统的轮廓跟踪误差主要是由伺服系统的动态特性和联动轴之间的动态参数不匹配而引起。因此，为提高机床的轮廓加工精度，国内外的专家...

磁流变抛光光学曲面的两级插补算法

根据磁流变抛光的加工特点,本文提出一种加工光学曲面的粗、精两级插补算法。粗插补算法控制工件的面形,精插补算法采用PVT模式,可实现对磁流变抛光光学曲面复杂过程的控制。仿真结果表明,采用该插补算法加工R41.3mm、口径20mm的球面工件,插补误差小于0.45nm,磁流变抛光该尺寸的K9光学玻璃,获得PV57.911nm的面形精度。

点法约束下厄米径向基隐式自由光学曲面的光滑构造

自由曲面因其具有更高自由度成为光学设计与制造的重要工具,二次支撑包络曲面因具有内在可积性成为自由曲面光学设计的主流方法之一,但其通常是不光滑的,需要进一步求解其光滑包络面以满足加工要求.以二次支撑曲面上的采样型值点和对应单位法向量作为约束条件,利用基于厄米径向基的隐式曲面方法成功地生成了投射均匀方斑的光滑自由光学曲面;进一步在型值点细分插值和支撑子面规模2个方面优化了点法约束条件.与已有曲面重建算法相比较,所提算法具有更小的点法误差和更好的光束整形效果.

复杂曲面光学元件高精度面形检测技术概述

复杂曲面光学元件应用于光学系统中可以增大系统设计自由度,同时减少系统所需元件数量,有利于实现光学系统的紧凑化、轻量化,被誉为现代光学系统的变革性元件,被广泛应用于空间光学、光刻系统、汽车照明等领域,极大推动了航天、国防及高科技民用事业的发展。然而,复杂曲面光学元件对面形精度要求较高,如何对其面形进行高精度检测从而指导加工成为限制该类元件大范围应用的瓶颈。文章对10余种常用的复杂曲面光学元件面形检测方法进行了分类梳理,按照是否采用干涉原理,将检测方法分为非干涉检测法和干涉检测法两大类,分别介绍了各种检测方法的原理和适用范围,回顾了各方法的发展历程,着重分析了几种典型方法进行面形检测的特点,并对未来复杂曲面光学元件高精度面形检测技术的发展趋势加以展望。

复杂光学曲面数理描述和设计方法研究

为满足高性能光学系统的设计要求,需要研究面形灵活可控的光学曲面数理描述方法和其相应的分析及设计方法。具有更多自由度的复杂光学曲面可以有效提升光学系统的性能。简要讨论了光学曲面的数理描述方法;概括性地介绍了光学曲面数理描述方法的研究现状与进展,介绍了局部和整体面形控制方法,归纳总结了新的复杂光学曲面数理描述方程,并通过实例证明相关曲面应用的可行性和有效性。最后对曲面数理描述方法的未来发展进行了讨论和展望。

“自由曲面光学系统设计技术”专栏序言

随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。

“自由曲面光学系统设计技术”专栏 征稿通知

随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。近些年来,得益于光学系统设计理论、计算机运算能力光学曲面制造与检测技术的快速发展,这一类被提出近一个世纪、具有强大像差校正能力、可为光学系统设计优化提供丰富自由度的光学自由曲面,终于从梦想走向现实,并在诸多成像系统与非成像系统中有着越来越多的重要应用,被誉为21世纪光学领域的一次“变革”。

“自由曲面光学系统设计技术”专栏征稿通知

随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。近些年来,得益于光学系统设计理论、计算机运算能力、光学曲面制造与检测技术的快速发展,这一类被提出近一个世纪、具有强大像差校正能力、可为光学系统设计优化提供丰富自由度的光学自由曲面,终于从梦想走向现实,并在诸多成像系统与非成像系统中有着越来越多的重要应用,被誉为21世纪光学领域的一次“变革”。

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随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。近些年来,得益于光学系统设计理论、计算机运算能力、光学曲面制造与检测技术的快速发展,这一类被提出近一个世纪、具有强大像差校正能力、可为光学系统设计优化提供丰富自由度的光学自由曲面,终于从梦想走向现实,并在诸多成像系统与非成像系统中有着越来越多的重要应用,被誉为21世纪光学领域的一次“变革”。

“自由曲面光学系统设计技术”专栏征稿通知

随着科学技术的发展,人们对光学系统的性能要求越来越高。受限于轴旋转对称的面型约束,传统球面和非球面已逐渐无法满足现代光学系统高性能和小型化的发展要求。光学自由曲面是一类非旋转/拉伸对称面型的总称,构成十分丰富。近些年来,得益于光学系统设计理论、计算机运算能力、光学曲面制造与检测技术的快速发展,这一类被提出近一个世纪、具有强大像差校正能力、可为光学系统设计优化提供丰富自由度的光学自由曲面,终于从梦想走向现实,并在诸多成像系统与非成像系统中有着越来越多的重要应用,被誉为21世纪光学领域的一次“变革”。

设计、加工、测量三管齐下 实现光学自由曲面“制造自由”

高端装备产业,是稳定经济的重要一环,在经济和产业链条上起着承上启下的作用。俗话说,眼睛是心灵的窗口。高端装备跟人一样,需要“眼晴”获取外界信息,光学成像系统作为高端装备的“眼晴”,逐渐向高集成、高精度、高性能方向发展。天津大学精密仪器与光电子工程学院房丰洲教授团队经过多年不懈努力,攻克了新一代光学元件自由曲面的设计、加工、测量及应用等一系列技术难题。其成果“自由曲面光学系统制造关键技术及产业化应用”近日获得2022年度天津市科技进步特等奖。

基于Polaris控制的光学自由曲面快刀伺服技术研究

快刀伺服技术具有加工效率高、加工精度高、表面质量好等优点,被广泛运用于光学自由曲面加工。本文设计了音圈电机驱动的快刀伺服装置,建立了快刀伺服系统数学模型,构建加速度、速度复合前馈控制算法,进行了位置保持、阶跃、正弦跟踪的闭环性能测试,表明快刀伺服系统满足加工要求。基于快刀伺服系统控制器功能协调了刀具轨迹生成中快刀伺服装置运动和机床运动的同步关系,以离线计算加工方式实现快刀伺服技术。完成了典型非回转对称中的斜面加工实验,测得的粗糙度达到44nm,表明设计研制的快刀伺服系统可以获得纳米量级的表面质量。

自由曲面光学的超精密加工技术及其应用

突破传统光学成像系统设计理论和方法,将自由曲面引入光学成像系统中,极大地提高了系统的成像质量和能量的传输效率;采用先进数控超精密制造技术加工自由曲面光学元件,解决了自由曲面光学元件加工的技术瓶颈。开发了自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法,以及多轴超精密数控加工光学自由曲面的自动编程及其刀具轨迹仿真系统,建立了自由曲面三维拓扑预测模型与优化系统,研发了多个自由曲面测量及评估方法,并搭建了自由曲面光学设计、加工、测试一体化的集成平台。上述核心技术有助解决国际上对复杂自由曲面光学元件在超精密加工及纳米级表面测量中的关键技术难题。研究成果推动了超精密加工及纳米测量领域内的技术进步。

光学自由曲面误差评定中匹配方法的研究

研究了光学自由曲面轮廓误差评定中被测曲面和设计曲面的匹配方法。在曲面中心重合和近似法矢重合的基础上,提出了五点预定位法,即先定义曲面中心,然后利用搜索的方法得到相互间距离最大的4个角点,通过这5个点的匹配实现曲面的预定位。在精调整中,提出了二次优化方法,即综合运用最小二乘法和最小条件原则进行曲面的高精度匹配,并进行了仿真实验。实验结果表明,匹配精度可达纳米级。最后通过一个非球面实测实验,证明了算法的有效性。

基于面形斜率的光学自由曲面表征

对光学自由曲面设计的关键问题——光学自由曲面的表征模型进行了研究。在传统高斯径向基模型的基础上,通过改善基函数的分布特性以及基于面形斜率调整基函数的形状因子,建立了基于面形斜率的高斯径向基表征模型。利用建立的模型、传统径向基模型和Zernike多项式模型拟合了不同类型的自由曲面,并进行了分析比较。结果证实了文中提出的模型较传统径向基模型的面形拟合精度提高了1~2个数量级,具有较强的面形表征能力。应用该模型进行了离轴三反系统的设计,结果显示设计的三反系统的全视场平均调制传递函数（MTF）达到80%以上。与传统面形表征模型相比,该模型的应用提高了系统的像差平衡能力,改善了系统的成像质量。综合分析表明,该模型适用于表征具有显著非对称性的、面形矢高带有显著局域性变化的自由曲面,有望应用于具有大离轴量和大视场的光学系统设计中。

自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制技术

针对自由曲面光学元件的加工特点,研究气囊抛光自由曲面光学元件进动运动控制技术,用于求出气囊工具进动过程中两虚拟轴的转角,实现对气囊自转轴空间位置的控制。以气囊自转轴为研究对象,由于自由曲面光学元件上每个点的法线三维坐标都不相同且气囊进动抛光过程中气囊自转轴与工件加工点局部法线夹角不变,提出建立基坐标系和抛光点对应三维空间坐标系的方法,得到抛光过程中气囊自转轴的空间位置变化情况,而后利用旋转坐标变换得到气囊抛光进动运动控制模型;在所建立的自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型中加入控制算法,求出抛光自由曲面光学元件各点时气囊工具两个虚拟旋转轴的转角。利用Matlab对自由曲面光学元件不同方向截面进行仿真抛光试验,得到自由曲面各方向上气囊抛光进动运动曲线以及仿真进动角曲线,结果证明了自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型及控制算法的正确性。