气囊抛光机床精度及元件面形中频控制研究

摘要

大口径自由曲面光学元件广泛应用于强激光装置、大型天文望远镜、卫星用光学系统等大中型光学系统中，随着国家重大光学工程及国防尖端技术对它们的需求量越来越大，实现大口径自由曲面光学元件的高效、高精度加工是光学元件制造领域需要解决的关键问题。抛光加工作为大口径自由曲面光学元件超精密加工的一个重要工序，其材料去除效率、加工精度以及加工表面纹理控制等对光学元件的最终质量有重要影响。气囊抛光技术采用具有一定充气压力的柔性橡胶气囊作为抛光工具，通过选取不同的工艺参数（如气囊充气压力、气囊压缩量、主轴转速、气囊头直径）可以有效地控制抛光材料去除效率以及对光学表面误差确定性地去除，从而获得高质量的大口径光学元件，因此，气囊抛光技术是一种适用于大口径自由曲面光学元件精密加工且极具潜力的加工方法。
　　本文针对大口径自由曲面光学元件气囊抛光加工的特点，研究气囊抛光装备的精度控制技术以及气囊抛光光学表面中频误差的控制技术，主要研究内容有:
　　1.针对自由曲面光学元件高效抛光加工的需求以及气囊进动抛光运动的特点，进行5轴联动气囊抛光机床的机械结构设计，并安装调试BP-2MK4605轴联动气囊抛光机床;对机床的关键部件进行有限元分析结构优化;确定机床几何精度的检验方案，对龙门结构的几何精度进行检验，并提出一种基于球杆仪的气囊抛光工具几何误差检测方法。
　　2.进行五轴气囊抛光机床误差源及误差运动学分析，明确机床的机构特征与各运动轴之间的运动关系，通过机床各运动副之间运动关系的齐次坐标变换，建立五轴联动气囊抛光机床的空间误差模型;使用球杆仪对气囊抛光工具的几何误差进行检测，并对机床的联动运动误差进行补偿。
　　3.根据大口径光学元件中频误差辨识方法存在的不足，利用经验模态分解和WVD时频分析方法，提出了基于经验模态分解-Wigner的中频误差评价方法，实现中频误差辨识方法的进一步完善。
　　4.为了获得影响光学元件表面中频误差的理论依据，对不同去除函数、抛光加工方式进行仿真分析;基于卷积频谱分析，提出一种高效抛光中频误差控制策略;同时，结合光学元件面形的特点，提出三种在高效气囊抛光加工中改善中频误差的加工路径。
　　5.针对气囊抛光头在下压受力呈现M形去除的特点，对M形去除函数的形成原因、去除效率以及对光学表面中频误差控制的影响进行了重点讨论，确定M形去除函数在高效气囊抛光加工中的适用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 大口径光学元件抛光技术的发展现状

1．2．1 抛光加工技术现状及发展

1．2．2 气囊抛光技术研究现状

1．3 数控机床精度建模及测量技术

1．4 大口径光学表面中频误差的辨识与控制技术发展现状

1．4．1 光学表面中频误差的辨识

1．4．2 光学表面中频误差的控制

1．5 本课题研究内容

第二章 五轴联动气囊抛光机床设计

2．1 五轴气囊抛光机床结构设计

2．1．1 机床整体结构设计

2．1．2 龙门结构设计

2．1．3 两轴气囊抛光工具结构设计

2．1．4 离线气囊修整装置结构设计

2．2 五轴气囊抛光机床结构设计优化

2．3 五轴气囊抛光机床精度检验技术

2．3．1 五轴气囊抛光机床精度检测标准

2．3．2 气囊抛光工具空间精度检渊方法分析

2．3．3 几何精度与定位精度检测

2．4 小结

第三章 五轴联动气囊抛光机床精度评价及补偿数学模型

3．1 机床运动副误差运动学原理

3．1．1 移动副误差运动学

3．1．2 转动副误差运动学

3．2 五轴气囊抛光机床的综合误差模型

3．2．1 抛光机床坐标系的设定

3．2．2 机床运动链的确定

3．2．3 综合误差模型的建立

3．3 气囊抛光机床的空间误差测量及补偿

3．3．1 气囊抛光工具的几何误差测量

3．3．2 机床误差的补偿

3．4 小结

第四章 光学元件表面中频误差的评价

4．1 面形评价指标与渡前畸变的频段划分

4．2 光学元件表面中频误差的评价方法

4．2．1 功率谱密度法

4．2．2 Wigner-Ville分布函数法

4．2．3 经验模态分解法

4．2．4 中频误差识别方法的不足

4．3 基于经验模态分解-Wigner的中频误差评价方法

4．4 小结

第五章 光学元件气囊抛光中频误差控制方法研究

5．1 去除函数的频谱修形能力

5．1．1 气囊抛光去除函数建模分析

5．1．2 去除函数频谱修形能力

5．2 气囊抛光工具不同抛光方式对中频控制的影响

5．3 高效抛光中频误差控制策略

5．3．1 高效抛光中频制造误差频谱分析

5．3．2 高效气囊抛光中频误差控制策略

5．3．3 仿真分析

5．3．4 基于中频误差控制策略的高效气囊抛光加工

5．4 中频控制加工路径规划

5．4．1 自适应分区光栅路径

5．4．2 自适应迷宫路径

5．4．3 自适应类Peano曲线路径

5．5 自适应路径抛光实验

5．5．1 自适应分区光栅路径实验

5．5．2 自适应迷宫路径实验

5．5．3 自适应类Peano曲线路径实验

5．6 小结

第六章 新型M形去除函数气囊抛光研究

6．1 M形去除函数的产生

6．2 M形去除函数的去除效率

6．2．1 实验设备及环境

6．2．2 气囊充气压力对去除效率的影响

6．2．3 气囊压缩量对去除效率的影响

6．2．4 主轴转速对去除效率的影响

6．2．5 气囊抛光最高效率去除实验

6．3 M形去除函数对光学表面中频误差的影响

6．3．1 去除函数实验

6．3．2 M形去除函数对加工方式频谱的影响

6．3．3 R40、R80气囊头光栅路径实验

6．4 小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

科研成果