超精密机床加工误差辨识与补偿方法研究

摘要

光学自由曲面作为制造技术和光学工程领域相互促进而出现的典型特征表面，为光学领域发展注入了新的活力。它不但可以简化系统结构、减轻系统重量，也使系统光学性能有很大程度提高。为满足光学应用性能的要求，需要依靠高精度加工予以保证。超精密加工过程中不可避免地受到机床几何误差、刀具误差、热误差等各种误差的影响，降低光学元件的加工精度，进而影响光学元件的最终使用性能。目前加工误差的相关研究主要集中在加工误差建模、测量和补偿等方面，但超精密加工过程的误差项较多，难以实现对所有误差项的测量和补偿，因此，需要研究各个加工误差项的影响本质及规律，确定主要加工误差。同时，超精密机床的精度高，传统测量方法难以实现对这类机床几何误差的测量，因此，进行加工误差的辨识和补偿也成为其研究的另一个重点。此外，被加工光学元件的光学性能是加工的最终目标，如能从光学性能评价入手，进行加工误差的辨识和补偿，直接提高最终光学性能，从而实现光学质量可控加工。基于上述分析，本课题拟建立超精密机床加工误差辨识与补偿模型，其主要研究工作如下：　　（1）提出借助于加工误差项建立加工与应用的直接关系，并建立加工误差与光学性能映射模型。基于多体系统运动学理论和齐次坐标转换矩阵建立不同加工方法下的加工误差模型，研究加工误差对面形误差的影响规律；基于光线追迹理论建立光学性能模型，研究面形误差光学性能的影响规律；结合上述两个模型，建立加工误差项与光学性能的直接关系，为实现主要加工误差的辨识与补偿和光学性能可控制造提供有效途径及理论基础。　　（2）提出基于加工误差影响规律的加工误差辨识与补偿方法。基于加工误差模型，研究加工误差的影响本质和规律；结合坐标变换规律对不同加工方式下的加工误差项进行分析、简化和分类；研究加工误差项对不同类型元件的面形误差影响规律及权重，确定不同类型元件的主要加工误差，并根据影响规律性提出主要加工误差的辨识与补偿方法。　　（3）提出基于光学性能评价的超精密加工误差辨识与补偿方法，直接实现光学性能的补偿和控制。基于映射模型，研究加工误差与光学性能之间的影响关系；根据光学元件的使用要求对元件进行分类，提出基于激光干涉法和视觉分析法对光学元件的光学性能参数进行测量和评价；根据测量结果和超精密加工误差与光学性能的映射模型的优化，辨识各个主要加工误差项的大小，从而进行误差补偿，最终实现光学性能的控制和提高。　　（4）以透射元件、反射元件及整机系统为研究对象，开展加工误差项对面形精度和光学性能的影响规律、性能指标测量及误差辨识补偿实验。针对典型透射元件微透镜阵列加工需求，提出采用定向离心加工方法提高单元面形精度和光学性能及一致性；针对典型反射元件离轴抛物面加工需求，基于波前像差测量评价实现光学性能的直接控制；针对光学自由曲面离轴三反系统加工需求，提出一种免装配一体化加工方法，实现系统主要加工误差的辨识和控制。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及研究目的

第2章 超精密机床加工误差辨识与补偿模型建立

2.1 超精密机床误差的来源与分析

2.2 超精密机床加工误差模型的建立

2.3 光学性能分析与光学性能模型建立

2.4 加工误差与光学性能映射模型的建立

2.5 本章小结

第3章 超精密机床加工误差辨识与补偿模型

3.1 基于影响规律性加工误差辨识方法的分析与仿真

3.2 基于光学性能评价的加工误差辨识方法分析与仿真

3.3 本章小结

第4章 光学元件性能指标测量与评价

4.1 引言

4.2 微透镜阵列性能指标测量

4.3 离轴抛物面反射镜波前像差测量

4.4 离轴三反光学系统波前像差测量

4.5 本章小结

第5章 实验及分析

5.1 基于影响规律性主要加工误差辨识与补偿实验

5.2 微透镜阵列加工实验

5.3 基于光学性能评价的加工误差辨识和补偿加工实验

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 课题总结

6.2 课题展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

发表论文

参加科研

致谢