采用微刀具的菲涅耳器件超精密制造方法

菲涅耳器件是红外传感器等领域不可或缺的高性能光学元件。其高效和高精度的制造方法是目前研究的重点。文中借助单点金刚石切削技术实现菲涅耳器件加工,采用半圆头型刀具有效减小不可切削区域,并基于聚焦离子束微加工方法进行微刀具制备。对所提出方法的关键技术和制造工艺进行了详细论述。对不同应用领域的两类菲涅耳器件进行加工实验,并建立光学测试平台进行光学性能分析,实验结果表明:所提出的方法可满足菲涅耳器件的应用需求。

桌面型微注塑机锁模机构设计与分析

为了设计桌面型微注塑机的锁模机构,在对注塑机锁模肘杆机构的运动学特性和力学特性进行理论分析的基础上,确定了最佳的肘杆几何参数,对肘杆机构进行了运动学仿真分析和静力学分析。结果表明,设计的桌面型微注塑机的肘杆锁模机构能够满足慢-快-慢的理想速度特性,并且在能够提供100 kN锁模力的前提下,满足刚度和强度的要求。

微注塑模具近红外加热方法及装置研究

模具温度是微注塑成型过程中影响聚合物熔体充模能力的重要因素之一。为了提高高深径比塑件的微注塑成型质量,提出了采用近红外加热与循环水加热结合的方式,将模具温度快速提高至高于聚合物的玻璃化转变温度的方法。在利用Tracepro对近红外加热装置的反射罩面型参数进行分析的基础上,得到近红外加热反射罩的最佳的面型和参数,并开发了高深径比的微注塑成型模具的近红外加热装置。利用开发的近红外加热装置进行了模具加热验证实验。结果显示,近红外加热方式能够快速实现模具表面加热,在25 s内能够将模具的表面温度从19.96℃升高到174.14℃,结合水循环加热,有效地提高了高深径比塑件的充模质量。

基于准连续介质理论的单晶铜纳米切削过程仿真

为了提高计算精度和扩大计算尺寸,克服分子动力学模拟方法计算效率低、模拟尺寸小、边界条件影响大等特点,本文采用多尺度准连续介质力学数值方法对单晶铜纳米切削过程进行仿真,探究单晶铜的纳米切削机理。验证了不同的刀具前角、切削厚度对切削过程中的位错、切削力和残余应力的影响。实验结果表明,当采用同一把刀具时,随着切削厚度的增加切削过程中的切削比能逐渐减小而位错深度、残余应力均相应增加。当采用同一个切削厚度,不同的刀具前角时发现,采用负前角切削过程中的切削力波动范围最大。

超声波对微流道中聚合物流动性能的影响研究

为了研究超声波作用下的聚合物材料流动性能及其影响因素,利用自主开发的聚合物超声波辅助挤出测试系统,进行了超声波作用下聚合物熔体在微流道管壁的剪切力、剪切速率和表观黏度的测试,并在与传统稳态挤出相比较基础上,分析了超声波对微流道中聚合物熔体流动性能的影响。实验结果表明,引入超声振动后,微流道的入口压力降有明显降低,并且随着熔体剪切速率的增加而增大;超声振动作用下聚合物熔体剪切速率存在临界值,当剪切速率小于临界值时,超声下聚合物黏度小于传统稳态挤出聚合物黏度,反之,超声聚合物黏度大于传统挤出聚合物黏度。

基于超精密机床的光学自由曲面原位测量方法

原位测量是提高光学自由曲面面形精度的重要手段,对于提高加工效率、实现加工过程自动化具有重要意义。由于面形的复杂性,光学自由曲面原位测量一直是超精密测量领域的难题。提出了一种基于超精密机床的光学自由曲面原位测量方法,测量系统由LVDT气浮式传感器、红宝石探针和数据采集部件组成,采用螺旋线方式进行加工及测量路径的设计,通过运动控制接口实现机床坐标和测量数据的实时同步采集,快速精确地获取测量数据。实验结果表明,所加工的双正弦自由曲面的面形误差在±0.5μm范围内。

基于面形斜率的高斯径向基自由曲面优化设计及公差分析

基于面形斜率的高斯径向基自由曲面模型在面形表征和系统设计中具有优势,但基函数数目较多,导致优化效率低、公差分析困难等问题。本文对基于面形斜率的高斯径向基模型优化设计和公差分析方法开展研究,利用模型的面形表征局域特性,将全局优化和局部优化相结合,提出了一种新的优化设计方法。利用数学统计的方法,确定了基函数系数和自由曲面面形矢高之间的线性关系,直接设定系数公差范围初值,通过大样本统计后确定自由曲面的合理面形公差。将该优化设计和公差分析方法应用到基于面形斜率的高斯径向基自由曲面型头戴显示系统,设计结果表明头戴显示系统全视场内在23 lp/mm处大于0.3,系统最大畸变为3.45%,达到了系统设计指标,并基于公差分析结果进行实验系统集成,成功实现了图像显示。本文所提出的优化设计方法和公差分析方法为基于面形斜率的高斯径向基自由曲面模型和其他局域型自由曲面模型的应用提供了重要的借鉴意义。

离轴非球面镜子母同体超精密车削加工法

离轴非球面镜是高精度测量和制造装备不可或缺的光学器件。目前其制造技术的难点在于同时实现高效和高形状精度的加工。笔者借助"子母同体"结构设计和超精密车削技术实现高精度离轴非球面镜加工。利用该结构设计,借助非球面车削加工可实现多个离轴非球面的加工,并从加工路径优化设计和补偿加工技术的研究方面,论述了提高面形精度的方法。实验结果表明:离轴非球面镜的面形精度P-V可在200nm之内,粗糙度Ra约为6nm。

纳米切削基础理论及相关关键技术研究

纳米制造是物理、化学、生物、材料、电子、机械等多学科的新型交叉领域,是支撑纳米科技成果走向应用的重要基础。作为纳米精度制造的重要手段,纳米切削是整个先进制造产业发展的核心技术之一。由于纳米切削过程的高速瞬态过程不易表征和材料原子级去除的机制不明确,在世界范围内还没有形成成熟的纳米切削理论,严重影响了纳米切削技术的发展。同时,由于其研究对象的特殊性。

基于电磁场分析的快速刀具伺服系统的设计(英文)

基于快速刀具伺服(FTS)系统的单点金刚石车削是加工光学自由曲面的重要方法之一.传统的直线刀具伺服系统都具有频率响应低的问题,严重限制了可以加工自由表面的复杂程度.文中介绍了麦克斯韦力驱动的快速刀具伺服系统的设计,电机采用永磁体偏置模型实现线性驱动,根据磁路设计原理推导了电机的运动公式,利用有限元分析(FEA)的方法分析了电机模型在高频信号驱动时的受力曲线、涡流损耗的大小和分布情况.根据分析的结果设计了电机的驱动系统,并进行了开环正弦驱动实验和电极频率响应曲线的测试,最终利用PID算法实现了FTS系统的闭环控制.基于麦克斯韦力驱动的FTS系统的最佳驱动频率应小于40 kHz,系统目前行程可以达到15.75μm,最大的频率响应可以达到100 kHz,系统可以跟踪500 Hz正弦波运动.

纳米制造基础研究的相关进展

纳米制造是多学科的新型交叉研究领域,对其基础研究的深入展开可为前沿制造技术的进步提供有力支撑。在过去的20多年里,基于纳米制造的探索已展示出宽广的发展前景,并将在多个行业为社会带来巨大的经济效益。本文在简要介绍纳米制造背景、意义及应用的同时,着重描述国内外在纳米制造基础领域的研究现状,以及天津大学微纳制造实验室(MNMT)近年来所取得的研究进展,并对纳米制造基础研究进行展望。

光学自由曲面加工理论及方法

光学自由曲面是一类特殊的自由曲面,由于全新的光学设计理念,能有效地改善光学系统性能。以国民经济和国防领域的重大需求为背景,深入研究并解决光学自由曲面制造中的重大关键基础科学问题,掌握和研究光学自由曲面高效、高精度加工工艺技术及装备的共性基础问题。

基于光楔阵列产生光学涡旋阵列的研究

在研究光楔衍射法产生单涡旋的基础上,基于长条形光楔阵列,提出了利用光束阵列衍射产生涡旋阵列的方法.该方法要求光束阵列在平行于光楔边缘方向上的光束间距等于光束直径的整数倍.利用超精密机床采用一体化加工法加工了光楔阵列元件,验证了该方法的可行性.利用空间光调制器快速灵活调整光束阵列的优点,搭建了借助空间光调制器加载达曼光栅衍射产生所需光束阵列的实验光学系统.针对光束阵列与光楔阵列的匹配问题,研究了达曼光栅掩模图基本单元对光束阵列的调控,获得了可调结构的光束阵列.实验产生了拓扑荷一致的光学涡旋阵列,与仿真结果相一致,证明所提方法的有效性.

基于波前传感法的立方相位板面形测量

针对立方相位板的曲面特征，基于波前传感方法设计了面形测量系统。提出了波前数据到曲面面形的映射模型，借助图像处理方法有效地提高了测量的动态范围，实现了较大曲率的立方相位板面形精度的超精密测量。仿真分析表明，该模型的转换精度同传统算法相比提高了2～3倍，测量的动态范围提高了4倍，且仍有提高空间。最后搭建的实验系统实现了实际立方相位板面形的测量，通过与Wyko白光干涉仪的测量数据对比，验证了测量的准确性。

金刚石车刀自动研磨装置图像处理系统的开发

本研究开发了能够应用于圆弧刃金刚石车刀自动研磨的图像处理系统,在使用基于形状的模板匹配的方法对车刀进行初始安装的基础上,进行了切削刃形状信息和位置信息的亚微米精度测量。测量结果表明:开发的图像处理系统实现了圆弧刃半径分别为1mm,0.5mm,0.2mm的金刚石车刀测量,能够在线获得自动研磨所需的形状信息和位置信息,在精度和效率上为自动研磨系统的开发提供了保证。

利用电磁场有限元分析进行超快刀具伺服机构设计

快速刀具伺服系统是光学复杂面形加工的重要手段,现有直线伺服机构在原理上存在频响低的问题,严重限制被加工面形的复杂程度。分析电磁正应力驱动伺服机构的基本原理,利用有限元分析原理计算伺服机构的最大驱动力和最高频响,证明该方式驱动的伺服机构可以实现高频响应。根据有限元分析结论改善伺服机构的机械结构及选材,并设计伺服机构驱动器。实验研究优化设计的伺服机构响应频率为10.1kHz,工作行程为13μm。

基于加工公差约束的自由曲面棱镜设计

自由曲面棱镜是轻型头盔显示系统的核心光学器件,其巧妙的设计以及精密的加工方法历来备受研究者的关注。目前有关自由曲面棱镜的研究主要集中于视场角和成像质量上,而忽略了公差设计,尤其是加工误差对棱镜的影响。针对这一现象,在详细分析了自由曲面棱镜的加工误差来源之后,提出了基于公差约束的自由曲面棱镜优化设计方法,以保证在加工精度允许的前提下得到最佳的成像质量。通过光学仿真实验及成像质量分析,验证了该方法的有效性。

基于光学性能评价自由曲面离轴三反系统加工误差分析

超精密加工过程存在的加工误差影响着器件的面形误差,进而影响光学性能。制造者往往从面形精度方面来评价加工精度,但是光学性能才是光学系统的最终评价指标,仅仅关注加工过程中加工误差对单个面的面形误差影响是不够的,加工误差对系统光学性能的影响需要进一步研究。基于多体系统理论和光线追迹理论建立了加工误差影响分析模型,探索了加工误差对面形误差和光学性能的影响,得出了系统主要的面形误差形式及其对系统调制传递函数(MTF)的影响关系,并根据系统对光学性能的要求得出了加工误差、面形误差和角度公差,从而找到了影响三反系统光学性能的重点加工误差,研究结果可为离轴三反系统加工误差的控制及光学质量可控制造的实现提供理论指导。

快速刀具伺服系统控制方法的研究

针对麦克斯韦力驱动的快速刀具伺服(FTS)系统的轨迹跟踪问题,提出一种综合的控制方法。通过对麦克斯韦力伺服电机的系统辨识,建立系统数学模型。提出内环采用串联校正以增大系统带宽,外环采用自适应前馈抵消(AFC)控制与零相位误差跟踪控制(ZPETC)结合的控制方法。仿真结果表明,设计的控制方法对周期性的输入信号与外界干扰信号有着很好的抑制作用,实现了轨迹跟踪的精确控制,证明了该方法的有效性。

自由曲面成像系统的光学性能评价

光学自由曲面的波前像差复杂多样且非对称,当波前像差的峰谷值满足要求时,对应的光学调制传递函数未必满足要求。因此,必须获得主要的光学性能参数进行评价,但目前没有专门的软件可实现光学性能参数之间的相互转化。基于傅里叶光学与相位重构理论,建立了光学性能基本指标评价体系。通过测量单一光学性能参数实现光学性能的多参数评价,降低了测量成本,提高了测量效率,并通过仿真与实验验证了该体系的正确性。研究结果可为自由曲面成像光学系统的面形误差补偿及光学质量可控制造提供理论指导。