全口径环形抛光的光学元件面形误差影响因素及其控制

全口径环形抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一,其瓶颈问题是元件面形的高效高精度控制。通过研究元件面形的影响因素及其控制方法从而提升其确定性控制水平。围绕影响面形误差的运动速度、抛光盘表面形状误差和钝化状态等关键工艺因素,建立基于运动轨迹有效弧长的环形抛光运动学模型,揭示了抛光盘表面开槽槽型对面形误差的影响规律;提出了采用位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面并通过插值算法生成其形状误差的方法,建立基于小工具的子口径修正方法,实现了抛光盘形状误差的在位定量修正;提出抛光盘表面钝化状态的监测方法,研究了抛光盘表面钝化状态对面形误差的影响规律。结果表明:抛光盘表面开槽采用环形槽时元件表面容易产生环带特征,采用径向槽、方形槽和螺旋槽时元件表面较为匀滑;通过在位定量检测和修正抛光盘形状误差,可显著提升元件的面形精度;随着抛光盘表面的逐渐钝化,元件面形逐渐恶化。在研制的5 m直径大口径环形抛光机床上加工800 mm×400 mm×100 mm平面元件的面形PV值优于λ/6(λ=632.8 nm),提升了元件的面形控制效率和精度。

正弦型中频面形误差对光学传递函数的影响

中频面形误差(MSFSE)会导致光学系统发生小角度散射,影响系统性能。为了在光学设计和光学加工中制定合理的中频面形误差公差,就中频面形误差对光学系统调制传递函数(MTF)的影响进行了量化研究。在衍射受限条件下,推导出正弦型中频面形误差对光学系统MTF的影响的表达式并对其进行分析,然后通过光学设计软件仿真验证理论推导结果。假设光学系统光瞳上带有正弦型中频面形误差,对光瞳函数进行傅立叶变换,然后平方得到点扩散函数(PSF),再对PSF进行傅立叶变换得到光学系统的光学传递函数(OTF),对OTF取模,即可得到中频误差影响下的MTF表达式。将该式与衍射受限条件下无中频误差的光学系统MTF进行对比,得到中频误差对光学系统MTF的量化影响。理论计算结果表明:正弦型中频误差会使光学系统的MTF在不同空间频率处产生不同的损失,损失值随空间频率呈周期性变化;峰谷值(PV)分别为0.030μm、0.095μm、0.159μm和0.223μm的中频面形误差,导致的光学系统MTF的最大损失比例分别为0.89%、8.80%、23.48%和43.31%;随着中频误差PV的增加,MTF的损失值呈非线性快速增加。软件仿真结果与理论计算结果吻合。

大型射电望远镜主反射面调整方法研究

随着毫米波天文学和空间通信的重要性日益提高,对天线性能提出了越来越高的要求,而天线性能往往受到其反射器表面精度的限制.微波全息技术是一种快速有效的检测反射面天线表面轮廓的测量技术.通过微波全息测量得到天线口径场,计算天马65m射电望远镜反射面与理想抛物面的偏差.天马65m射电望远镜的主反射面板是放射状的,有14圈.面板的每个角都固定在面板下方促动器的螺栓上进行上下移动,且相邻面板交点处的拐角共用一个促动器.采用平面拟合的方法可以计算各块面板拐角处的调整值,但是同一个促动器会得到4个不同的调整量.通过平面拟合,同时以天线照明函数为权重的平差计算方法得到相邻面板拐角的一个平差值,即天马65m射电望远镜1104个促动器的最佳调整值.通过多次调整和新算法的应用,天马65m射电望远镜反射面的面形精度逐渐提高到了0.24mm.

光学元件磁流变加工不确定度误差工艺方法

为减少磁流变抛光过程中误差对加工精度的影响,实现光学元件磁流变高精度加工,采用一种不确定度误差工艺方法对加工中的误差进行抑制。通过对磁流变加工过程中的位置误差和去除函数误差进行不确定度分析,在理论分析与实验分析的基础上进行验证实验。由仿真与实验结果可知,加工中面形误差与中频误差均存在3.5 nm的不确定度误差值,通过验证实验,得到了加工后的面形误差RMS值为20 nm,中频误差RMS值为14 nm。结果表明,采用误差不确定度的方法可优化加工工艺流程,减少误差对加工过程的影响,可以达到不确定度下的面形精度。该方法为磁流变高精度确定性加工以及面形误差与中频误差的抑制问题提供了一种解决方案。

基于齿面位姿-几何误差模型的大规格滚齿机关键误差识别

为研究影响大规格滚齿机加工精度的关键几何误差,提出了一种基于齿面位姿-几何误差模型结合Sobol法的机床关键几何误差识别方法。首先,基于齐次坐标变换理论,建立了刀具位姿-几何误差模型,通过求解滚齿双参数包络方程,获得了加工齿面接触迹点坐标值,建立了机床齿面位姿-几何误差模型;然后,考虑几何误差的随机性和互耦性,利用Sobol法对该模型进行敏感性分析,计算了几何误差的敏感度系数以识别出关键几何误差;最后,进行了关键几何误差虚拟仿真修正和对比验证。研究结果表明,所提方法能有效识别大规格滚齿机的关键误差项。

正交直齿面齿轮车齿刀具精确设计方法

为提高正交直齿面齿轮的加工精度,提出了一种针对正交直齿面齿轮的车齿刀具精确设计方法。基于齿轮交错轴啮合原理,对面齿轮的车齿加工过程进行解析;通过与面齿轮啮合的圆柱齿轮渐开线齿廓,包络出车齿刀齿面方程;基于法向平面,设计了刀具结构并推导了刀具切削刃表达式;求解切削刃与面齿轮的啮合条件式,推导数控加工规律并对面齿轮齿面进行了理论计算与仿真加工;将结果与面齿轮理论齿面进行了数值对比。结果表明,当刀具不存在误差时,可以得到面齿轮理论齿面;通过Vericut仿真,齿面误差保持在10 μm以内。

面向多目标集成优化与二次烧结工艺的SiC反射镜组件超轻量化结构设计

为了满足高精密空间光学设备超轻量化要求,运用参数优化技术、有限元分析与先进碳化硅(SiC)制造技术,提出了一种多目标集成优化与二次烧结工艺相结合的Φ600mm反射镜组件超轻量化结构设计方法。X、Z两个方向上的SiC反射镜面形的均方根值(RMS)、重量为优化目标,将反射镜轴向厚度、镜面厚度等参数作为设计变量,获得了轻量化率为90.55%的超轻量化反射镜结构;提出反射镜支撑结构同样采用SiC材料,利用二次烧结工艺方法,将两者直接烧结成型,减少粘接装配环节,获得了轻量化率为92%的反射镜组件;利用有限元分析与试验对超轻量化结构设计方法的正确性和合理性进行了验证。结果表明:在重力载荷、温度载荷、镜面加工残差的综合影响下,反射镜组件面形误差RMS值为10.034nm,优于12.6nm的设计要求,且动态刚度良好,满足使用要求。

锥齿轮铣齿机主轴刀盘部件装配误差建模与优化设计

首先基于小位移旋量建立几何要素误差模型,通过蒙特卡洛模拟法和响应面法获得误差参数实际变动区间带宽及其与公差的函数关系,建立配合面的误差模型,研究串联和并联配合下的误差传递属性;其次提出以公差成本为目标,以装配精度可靠度与公差原则为约束的公差优化模型;最后,对锥齿轮铣齿机的主轴刀盘部件完成公差优化分析。研究发现,在保证装配精度可靠度不小于97%的前提下,公差加工成本降低了8.36%,这表明了该方法在指导公差设计方面的价值。

螺旋锥齿轮误差齿面及差曲面的建立与分析

针对六轴五联动螺旋锥齿轮磨床结构,应用多体系统理论、齿轮啮合理论,建立了含几何误差、热误差的螺旋锥齿轮误差齿面与差曲面模型并进行了实验验证,仿真分析了砂轮分别沿X轴、Y轴平移时和绕C轴旋转时,螺旋锥齿轮理论齿面与误差齿面以及它们的差曲面。结果表明,砂轮绕C轴旋转所产生的运动副误差对齿面误差影响较大。研究结果对提高螺旋锥齿轮的加工精度和进行误差补偿提供了理论依据。

斜齿轮成形磨削齿向修形齿面模型构造与误差评价

砂轮磨削带齿向修形的斜齿轮时,砂轮与齿轮之间的接触线时刻发生变化,其附加运动会使齿向一面产生"修形扭曲",为此,提出一种高精度建立齿向修形齿面的方法。根据齿向修形原理,推导出成形磨齿的实际接触线方程;通过改变中心距的值,沿齿向得到多组接触线,使用NURBS曲面拟合,得到齿向修形齿面;对影响齿面精度的主要因素齿廓偏差和螺旋线偏差进行分析并提出误差评价模型。以鼓形修形斜齿轮为例,介绍齿向修形齿面构造全过程。磨齿实验验证了模型的准确性以及齿向修形齿面构造的高精度性。

GIS中平面面位误差环的解析模型

本文基于随机场理论，导出了随机面元的分布函数和概率密度函数。为了衡量随机面元的位置不确定性，将点位误差椭圆和线位误差带进一步扩展到面位误差环指标。根据推求包络线的原理，导出了多边形面位误差环边界线的解析表达式，并分析了面位误差环的构成机理，证明了误差环边界线为连续闭合曲线的结论。最后通过实例绘制了面位误差环的可视化图形。

准双曲面齿轮切削仿真及齿面误差分析

为了缩短准双曲面齿轮的开发周期和降低成本,采用计算机模拟HFT刀倾法对主动轮进行切削,仿真生成齿轮真实齿面,并以Solidworks为开发平台进行VBA开发获得三维齿轮的实体模型。在此基础上,比较加工齿面与设计理论齿面的差异,对不同加工速度加工的齿轮误差进行定量计算,说明加工速度对齿面粗糙度的影响。齿面误差分析结果对生产企业选用什么样的切削速度进行切削加工提供参考,并有助于TCA、LTCA等研究工作的展开。

平面齿内齿轮包络鼓形蜗杆齿面误差检测及溯源

平面齿内齿轮包络鼓形蜗杆传动是一种新型蜗杆传动,由平面齿内齿轮及其包络形成的鼓形蜗杆所组成,具有体积小、重量轻及功率密度高等特点,在对体积和重量有限制的特服重载传动领域有广泛的应用前景。为了掌握平面齿内齿轮包络鼓形蜗杆齿面精度理论,利用微分几何与啮合理论建立含工艺误差的齿面数学模型,基于齿轮测量中心自由扫略功能分析齿面数据采集方式,探讨测头半径补偿原理及齿形匹配方法等,研究基于遗传算法的齿面误差溯源优化算法,并对样件齿面进行误差检测试验及误差溯源分析,验证了上述误差检测原理及溯源方法的可行性。研究内容为平面齿内齿轮包络鼓形蜗杆的精度评价及后续高精修正加工提供了理论指导,有利于内齿轮包络鼓形蜗杆传动的推广和应用。

多公差耦合装配结合面误差建模与公差优化设计

以装配结合平面为研究对象,分析多种公差耦合情况下零件间装配结合面误差建模和公差优化设计问题。采用小位移旋量(Small displacement torsor,SDT)描述公差,针对不同类型公差建立零件平面误差模型,通过蒙特卡洛模拟法获得装配平面误差变动分量的实际变动区间带宽,通过响应面法建立误差变动分量实际变动区间带宽与公差间的显式函数关系;建立包含零件加工误差与装配过程误差的装配结合面综合误差模型。将该方法扩展应用于复杂装配体的装配误差建模中,实现了在设计阶段对装配精度的预测。以加工成本为目标,装配精度可靠度为约束,进行零件公差的优化设计。以一典型产品精度设计为例,验证了用该方法预测装配精度和优化零件公差设计的可行性与实用性。

机床调整误差对螺旋锥齿轮齿面影响的研究

根据准双曲面大轮成形法加工原理及Denavit-Hartenberg齐次变换矩阵,建立准双曲面大轮凸面的齿面方程,并对齿面进行网格划分,推导出齿面误差的求解模型,最后根据实际加工中大轮的加工参数,仿真研究了各个调整参数扰动时的差曲面图。结果表明:垂直刀位与齿形角对齿面的面锥与小端附近的误差比较敏感;水平刀位与水平轮位对齿面的根锥与大端附近的误差比较敏感;轮坯安装角对齿面的面锥与大端附近的误差比较敏感。

汽车驱动桥准双曲面齿轮齿面测量误差精确计算

为精确获取汽车驱动桥齿轮实际加工齿面的真实误差,改善汽车齿轮的齿面精度,结合汽车驱动桥齿轮在传动方面的优越性及其在机床调整计算、加工方法和齿面测量等方面的特殊性,对其齿面数控展成与数字化检测的运动关系进行了深入分析;鉴于汽车驱动桥齿轮齿面拓扑结构的复杂性,结合齿面误差计算原理,在实际加工齿面检测信息的基础上,提出了一种汽车驱动桥齿轮齿面误差的精确计算方法;最后,通过齿轮齿面加工测量结果的比对,验证了该齿面误差精确计算方法的正确性和有效性。

同步辐射水平偏转压弯镜面形误差分析与补偿

为提高同步辐射压弯镜面形精度,降低水平偏转压弯机构及镜子自重对压弯镜面形的影响,分析了影响压弯镜面形精度的因素,并提出了一种有效的重力平衡补偿方法。在研究水平偏转压弯机构压弯机理的基础上,对压弯镜面形进行误差分析;针对光束线中使用的压弯聚焦镜,利用有限元方法分析了影响面形精度的主要因素;最后,根据水平偏转压弯机构特点及误差分析结果,提出了重力平衡补偿方法。研究显示,镜子自重和冷却装置的重力对压弯镜面形的影响主要表现为柱面镜母线的弯曲,驱动杆重力对压弯镜面形的影响主要体现在子午斜率误差上。利用重力平衡方法对压弯镜面形误差进行补偿,结果显示,柱面镜母线产生的斜率误差均方根值由13.14μrad减小到0.15μrad,镜面在子午方向的斜率误差均方根值由8.21μrad减小到0.86μrad。由此表明,压弯镜面形误差分析及补偿方法行之有效,显著提高了水平偏转压弯镜的面形精度。

用三坐标测量机检测整体叶轮叶片型面误差

介绍了整体叶轮结构及其叶片型面的表示方法 。

光学面形误差对环围能量比的影响

以发射光学系统为研究对象,假设面形误差为高斯平稳随机过程,建立了光学面形误差均方根梯度(GRMS)与远场靶面上环围能量比(EE)之间的数学关系模型,进行了仿真分析并对实际面形数据做了验证。研究表明,环围能量比随GRMS的增加呈指数衰减;同时面形误差低频和高频部分分别形成远场光强分布的中心核和边缘。在GRMS≤7nm/mm时,理论计算与仿真结果非常吻合。与实际分析结果的比较表明,该数学关系模型是正确的,能够用来分析GRMS对EE的影响。

螺旋锥齿轮齿面误差修正技术研究

研究了机床调整参数误差对双重螺旋法加工的螺旋锥齿轮小轮齿面误差的影响规律。基于齿轮啮合原理,使用MATLAB软件建立误差齿面方程,推导出了含机床调整参数误差的齿面离散点误差解析式,获得了对应机床调整参数误差的凹、凸两齿面误差拓扑图,分析了机床调整参数误差与齿面误差的映射关系,确定了对齿面误差影响较大的调整参数。借助2阶曲面对齿面误差拓扑图的近似表达,得出机床调整参数误差对齿面误差的影响权重。基于齿面误差及两齿面误差敏感矩阵,建立了齿面误差修正模型,通过广义逆矩阵的最小二乘法解超越方程组,获得机床调整参数的修正量。最后通过实例验证了误差齿面的修正效果,结果表明修正后凹凸两面的齿面误差大幅下降。