计算机控制光学表面成形中大规模驻留时间求解

采用基于稀疏矩阵的大规模非负最小二乘法,对大口径、微浮雕结构光学元件加工中的驻留时间进行了分析与求解,并对该算法开展了正则化研究。仿真结果表明:与传统非负最小二乘法相比,基于稀疏矩阵的大规模非负最小二乘法精度高、效率快。采用该算法仿真加工平均振幅为1.177 6倍波长的大口径、微浮雕结构光学元件,误差面形均方根收敛至0.067倍波长。

计算机控制光学表面成形法初值的确定

介绍了计算机控制光学表面成形法的原理,分析了几种非球面度的测量方法,研究了非球面度的不同计算方法对采用计算机控制光学表面成形法加工非球面的影响。从光学零件加工的角度对计算机控制光学表面成形法初值的确定进行了探讨。

计算机控制光学抛光驻留时间求解中两类优化算法的分析

建立了基于矩阵计算的驻留时间计算模型,根据实际加工要求建立了最小二乘和最佳一致逼近最优化求解数学模型,总结了两类优化问题的求解方法。根据自研数学解法器,利用数值计算分析了这两类算法的计算特点。仿真结果显示,两种自研算法具有较高的计算精度,最小二乘逼近算法计算效率有待提高,对外界扰动和计算模型等误差不敏感,最佳一致逼近算法计算效率较高,但对误差比较敏感。实际加工时,如果面形精度已经比较高时,建议多采用最小二乘逼近算法。

光学抛光中模具磨损的计算机控制补偿

模具的磨损消耗对计算机控制光学表面的抛光工艺影响甚大 ,但在实际加工中不利于将工艺中断来重新调整加工的零点以对模具的磨损进行补偿。因此本文提出了一个指数形式的模具磨损函数 ,并依此对 Preston方程进行了修正 ,达到了实时补偿模具磨损的目的。通过实验确定了该函数磨损时间常数值并将该方法用于计算机控制的抛光和误差修正。实验证明 。

计算机控制磁流变抛光软件去除算法设计

根据计算机控制磁流变抛光的去除机理,分析了抛光工艺软件的去除算法核心问题即求解驻留时间函数和加工路径设计。采用简森-范锡图特法对驻留时间函数进行迭代求解,同时优化设计工艺软件的加工路径算法,开展工艺软件全过程模块化、流程化设计,完成工艺软件的代码集成测试。最后,通过工艺软件控制磁流变抛光330mm×330mm石英平面反射镜实验,验证去除算法控制抛光过程的有效性及准确性,实验值与理论值吻合良好,从而证实工艺软件去除算法能够准确、有效地指导大口径光学元件的磁流变加工。

回转对称非球面光学零件磁流变成形抛光的驻留时间算法

介绍了一种基于代数算法的回转对称非球面计算机控制表面成形的驻留时间算法。该算法将驻留时间转化为工件自转的整数圈数,并且将抛光模对工件的材料去除效率体现到材料去除矩阵上进行计算。利用非负最小二乘法求解驻留时间向量。最后,利用该算法在自研的磁流变抛光实验装置上对一回转对称光学零件进行3次迭代加工,使其面形精度从8μm提高到0.5μm以内。

大口径非球面镜面形加工环带提取

数控小工具是现代大口径非球面镜面研磨抛光加工中常用的一种计算机控制表面成形技术。在数控小工具加工实践中,当非球面面形精修到一定精度时,面形残差常常表现为环带形式,与相邻部分面形相差较大。为提高加工效率,可以针对这些环带使用小口径研抛工具进行单独修正,因此需要提取环带的位置和宽度。文章提出一种适用于大口径非球面镜的加工方法,通过将面形残差的高度信息映射到色彩空间成为图像,然后使用K-Means聚类分割图像,选择目标区间,得到待加工环带,此时可以计算出环带的宽度信息用于确定研抛工具的大小;另一方面,对环带提取骨架得到位置信息,从而生成数控机床可用的加工路径。该方法应用于1.6m望远镜非球面主镜面形的处理,从中提取了待加工环带信息用于指导面形加工,经多次加工与辅助平滑修抛迭代,主镜面形RMS值优于1/40波长。

大口径SiC反射镜的焊接加工和测试

SiC是目前空间用大口径反射镜的首选材料,随着空间光学系统的发展,出现了1m以上空间用SiC反射镜的需求。对该反射镜采用焊接拼接然后再进行加工可以节约成本,降低风险。作为演示实验件,首先,对直径为600 mm的焊接SiC反射镜进行了焊接拼接,粗磨成型、精细研磨和粗抛光。然后,采用CCOS技术对反射镜进行了精抛光,并分析了加工过程中焊缝边缘优先去除的原因和抛光过程镜面变形对加工结果的影响。最后,反射镜面形收敛到RMS值1/20λ(λ=632.8 nm)。结果表明,所采用的焊接技术和加工工艺制造的反射镜可以满足空间反射镜的需要。

光学平面镜面离子束修形中速度模式的实现

针对光学平面镜面离子束修形工艺中,目前采用的位置加工模式额外加工时间长、精度不高的缺点,提出离子束修形工艺中的速度加工模式,并给出速度加工模式中如何根据驻留时间计算加工中进给速度的方法。使用速度模式在自研的离子束加工机床KDIFS-500上进行了验证试验,对一块直径98mm的微晶玻璃平面样镜进行修形,加工时间为17.5min,样镜经过一次加工后,其面形误差的方均根值由初始的33.2nm提高到了3.1nm,面形收敛比高达10.7。试验结果表明,速度模式加工比位置模式加工可以缩短加工时间,提高加工精度,获得更大的面形收敛比。

大口径离轴凸非球面的加工和检测（英文）

将光学系统波像差检验技术与子孔径拼接测试技术相融合提出了凸非球面系统拼接检测方法,对该方法的原理和实现步骤进行了分析和研究,并建立了合理的子孔径拼接数学模型.依次利用计算机控制光学表面成形技术和磁流变抛光技术对一包含大口径凸非球面的离轴三反光学系统的各反射镜进行加工,并对整个系统进行装调和测试.测定光学系统各视场的波像差分布,通过综合优化子孔径拼接算法和全口径面形数据插值求解得到大口径凸非球面全口径的面形信息.结合工程实例,对一口径为292mm×183 mm的离轴非球面次镜进行了系统拼接测试和加工,其最终面形分布的均方根值为0.017λ(λ=632.8nm).

离子束抛光工艺中驻留时间的综合算法

在离子束抛光工艺中,驻留时间的求解是很关键的。通常求解驻留时间的时候,是用理想的高斯函数来近似实际的加工函数。如果使用实际的加工函数仿真加工,加工的效果不好。运用系数法和消去法的综合算法来提高采用实际加工函数仿真加工镜面面型的精度,首先多次用系数法得到比较理想且平滑的镜面面型,然后再用消去法精修面型。这种算法运算速度快,得到的面型精度高且较平滑。对这种综合算法进行仿真分析,比较了理想高斯函数与实际加工函数加工后的差别,同时比较了运用消去算法与综合算法得到的镜面面型,PV值由83.63nm减小到46.92nm,镜面精度提高了很多。

驻留时间参数优化分析

驻留时间的求解是计算机控制光学表面成形(CCOS)中最为关键的问题,它直接影响面形的收敛速度和面形精度。提出以面形精度和收敛速度两者加权综合最优的原则,对求解驻留时间的去除系数进行优化,得出其优化式,并对优化式中影响两者权重的系数β进行仿真分析, 结果表明β取值[0．1,0．3]时能使驻留时间达到最优。

离子束抛光工艺中驻留时间的分步消去算法

在离子束抛光工艺中,驻留时间的求解是很关键的。求解驻留时间是利用离子束加工函数和驻留时间的卷积等于镜面去除量的关系,而离子束抛光的过程就是一个执行解卷积的过程。受此启发,采用一种分步消去算法解矩阵的卷积运算。这种新算法占用计算机资源少,运算速度快,同时可以根据预先设定的加工精度算得满足要求的驻留时间函数。对这种新算法进行仿真分析,采用3种不同的消去顺序分步加工,得到了理想的仿真结果,PV值由抛光前的363.721 nm分别减小到6.136 nm、33.347 nm、3.875 nm,抛光后的镜面精度提高了很多。

异形口径离轴非球面光学加工与测试技术

针对离轴非球面制造的难点,研究分析了碳化硅非球面尤其是异形离轴非球面加工和检测的各项关键技术。首先利用加工中心DMG对离轴非球面进行了铣磨和表面成形,然后运用实验室自行研制的非球面加工中心FSGJ-2对离轴非球面进行了研磨和抛光,最后利用离子束对其进行了精抛光,并分别利用三坐标测量仪和激光跟踪仪对非球面进行面形轮廓测定和光学参数及几何量的精确控制。结合工程实践对一口径为600mm×270mm的类八角形离轴碳化硅非球面反射镜进行了超精加工与检测,并专门设计研制了光学补偿检测装置,对其进行了零位补偿干涉测量,其最终面形PV值为0.219λ,RMS值为0.018λ。

我国超精密加工设备的产业化进程

我国机床制造业在世界上已经占有一席之地,但生产的绝大多数依然是普通级精密机床,而超精密加工设备尚未达到工业化生产水平,一些关键元部件还依赖进口,自主研制价格高、周期长,缺乏精度稳定性和设备运行的长期稳定性。应在重视超精密基础元部件研发的基础上,联合国内优势单位组建超精密加工设备产业化研发和生产基地,加强超精密加工设备产业化开发,满足国家重大型号任务的需求。

基于等效积分的去除函数误差修正能力分析

针对计算机光学表面成形技术的去除理论中关于材料去除量及去除函数误差修正能力问题,基于等效去除积分法,对高斯型、三角形、梯形、脉冲随机复合型等多种不同形态的去除函数修正能力进行研究,通过频域分析去除函数的误差修正能力,获得调制参数与去除函数修正能力的关联曲线,建立基于等效去除积分法的去除函数截止修正能力评价模型,为去除函数误差修正的调制及去除函数修正能力评价提供依据,从而在大口径光学元件的超高精确度加工中,提高超光滑光学元件表面的质量。

极坐标系统下进行直角坐标扫描的离子束抛光

在离子束抛光设备研制过程中,离子源扫描运动方式的选择是很关键的,一般分为直角坐标方式扫描和极坐标方式扫描两种。根据两种扫描方式的特点,在极坐标系统下进行直角坐标扫描方式加工。该种方法采用直角坐标扫描方式下的驻留时间计算,算法相对简单。该种方法在极坐标系统下进行加工,同等情况下可加工圆形镜面的口径比直角坐标系统下更大些;而且离子源的可移动区域是一条直线,其余地方可以摆放其他设备,空间利用率较高。对这种新思路进行仿真分析,证实了其具有可行性。

CCOS技术中去除函数的提取算法研究

针对计算机控制光学表面成形技术中去除函数的实验法建模问题,研究了抛光工艺中去除函数的提取算法。首先,对干涉检验得到的XYZ格式数据文件进行解析并针对其特点设计了相应的数据结构;然后,研究了去除函数的提取算法,并在此基础上研究了提取算法存在的误差以及降低误差的处理办法。在对去除函数的定性提取外,定量计算了去除函数的三个技术指标;最后,进行了去除函数测试实验并利用本文所述的提取算法进行去除函数提取及定量计算。本文所述算法可以用于去除函数的实验法建模并用于驻留时间的优化求解过程。

基于傅立叶变换法的子口径抛光去除函数修正特性分析

光学元件的超精密子口径抛光过程中,仿真加工与实际加工过程不一致将导致收敛出现反复,多次迭代冗余加工反而降低元件表面精度与收敛效率。本文基于傅立叶变化法分析子口径抛光去除函数的修正特性,针对其修正能力提出基于算法的修正补偿,通过在“非线性系统”下建立去除函数的动态补偿仿真模型,使得仿真过程更加符合实际,提高了确定性抛光过程的准确有效性,为超高精度面形误差修正工艺提供了关键技术支撑。