（机械工程专业论文）大中型非球面计算机控制研抛工艺方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博七学位论文 摘要 非球面光学零件具有校正像差、改善像质、扩大视场和增大作用距离的优点， 同时还能够减轻系统重量、减小占用空间，因此在现代光学系统中具有广泛的应 用。随着光学系统性能要求的不断增长，对非球面光学零件口径、相对口径、加 工精度、轻量化程度，加工效率和生产成本等方面都提出了更高的要求。计算机 控制光学表面成形( c c o s ) 技术具有加工精度高、工艺实现简单、投资低的显著 特点，因此广泛应用于大中型非球面光学零件的加工过程中。目前，c c o s 技术仍 有一些问题需要解决，例如加工收敛效率较低、小尺度制造误差较大、存在边缘 效应等。这些问题的存在严重影响了目前光学零件的加工精度和效率。本论文研 究工作的主要任务就是要有效解决c c o s 技术目f ； f 存在的关键问题，使c c o s 技 术得以完善，提高我国大中型非球面光学零件的加工能力。论文的研究工作包括 以下几个部分： 1 介绍了根据非球面加工需要研制的加工设备a o c m t 光学加工机床， 该机床集铣磨成型、研磨抛光、接触式检测于一体：设计了一种基于同步带传动 的双旋转研磨抛光工具，通过调节自转与公转的转速、自转中心和公转中心的偏 距、气缸工作压力等参数，能够得到需要的去除函数。 2 建立了双旋转研抛工具的去除函数模型，在此基础上对研磨抛光工艺参数 进行了系统的实验研究，得出了其对材料去除效率、表面粗糙度和亚表面损伤深 度等的影响规律，提出了各加工阶段工艺参数的选择方法。通过实验的方法确定 了研磨阶段亚表面损伤深度的量值，对选择后续加工材料去除量提供了依据。利 用优化的工艺参数将k 9 光学玻璃材料研磨阶段的亚表面损伤深度控制在2 2 微米 左右，大大缩短了后续抛光加工时间，提高了整体加工效率。 3 分析了双旋转研抛工具去除函数的修形能力，给出了偏心率( 自转中心到 公转中心的距离与研抛盘半径的比值) 和转速比( 自转速度与公转速度的比值) 的优化结果( 偏心率0 8 、转速比3 ) ；建立了去除函数尺寸、空间误差波长、额 外去除量与误差收敛比的传递关系：基于c c o s 卷积模型，对由卷积效应引起的 残留误差随各参数的产生规律进行了仿真研究，在此基础上提出了面形误差收敛 过程的优化控制方法。 4 分析了小尺度制造误差产生的四个原因；提出了以信息熵理论表述研抛效 果的新方法，并提出了基于最大熵原理的研抛工艺参数优选方法；针对目前常用 消除小尺度制造误差的方法大尺寸研抛盘全口径均匀研抛修正法r 一- 给出了运 动速度和研抛盘尺寸等主要工艺参数的选择依据；为了减少修j 下小尺度制造误差 的时间，提高整体加工效率，提出了小尺度制造误差的确定区域修证法。 第i 页 国防科学技术- 人学研究生院博十学位论文 5 在上述工作基础上，提出了考虑大中型非球面的全口径、全波段面形误差 控制和整体加工效率的c c o s 研抛加工控制策略。以此为指导，利用a o c m t 光 学加工机床在2 3 3 小时内成功加工出t 3 5 0 0 m m f l 3 抛物面反射镜，加工后的面形精 度达到9 4 n mr m $ ( 2 6 7l m s ，3 = 6 3 2 8 r i m ) ，其中尺度在1 0 0 m m - 2 m m ( 5 - - 2 5 0 个周期) 范围内的制造误差含量为3 6 n mr i l l s ，表面粗糙度约为1 5 n mr m $ ，顶点 曲率半径偏差控制在1 2 m m ( o 4 ) ，其结果符合预期要求。 主题词：非球面计算机控制光学表面成形去除函数亚表面损伤残留 误差收敛比小尺度制造误差 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博十学何论文 a b s t r a c t a s p h e r i co p t i c sa r eb e i n gu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nm o d e mo p t i c a ls y s t e m s ， d u et ot h e i ra b i l i t yo fc o r r e c t i n ga b e r r a t i o n s ，e n h a n c i n gt h ei m a g eq u a l i t y ，e n l a r g i n gt h e f i e l do fv i e wa n de x t e n d i n gt h er a n g eo fe f f e c t ，w h i l er e d u c i n gt h ew e i g h ta n dv o l u m e o ft h es y s t e m w i t ht h ee v e r i n c r e a s i n gd e m a n d so no p t i c a ls y s t e mp e r f o r m a n c e s r e q u i r e m e n t sf o ra s p h e r i co p t i c a lc o m p o n e n t sa r em o r ea n dm o r ec r i t i c a l ，w h i c hi n v o l v e a p e r t u r e ，r e l a t i v ea p e r t u r e ，a c c u r a c y ，l i g h t w e i g h te x t e n t , m a n u f a c t u r i n ge f f i c i e n c ya n d c o s t c o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a ls u r f a c i n g ( c c o s ) t e c h n i q u ei s u s e dw i d e l yi n m a c h i n i n gp r o c e s so ft h el a r g ea n dm e d i u ma s p h e r i cs u r f a c e s ，b e c a u s eo fi t sh i g h a c c u r a c y ，s i m p l ep r o c e s sc o n d i t i o n s ，l o wc o s ta n do t h e rm e r i t s h o w e v e r ，t h e r ea r e s o m ep r o b l e m sa tp r e s e n ti nc c o st e c h n i q u e ，s u c ha sl o wc o n v e r g e n c er a t e ，s m a l ls c a l e m a n u f a c t u r i n ge r r o r sa n de d g ee f f e c t t h e s ep r o b l e m sh a v ei n f l u e n c e dm a c h i n i n g a c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo fo p t i c a lc o m p o n e n t ss e r i o u s l y n i st h e s i si sd e d i c a t e dt o s o l v et h ek e yp r o b l e m si nc c o st e c h n i q u e ，i no r d e rt oc o n s u m m a t ec c o st e c h n i q u e a n di m p r o v ec a p a b i l i t yf o rm a n u f a c t u r i n gl a r g ea n dm e d i u ma s p h e r i cs u r f a c e s t h e m a j o rr e s e a r c he f f o r t si n c l u d et h ef o l l o w i n gp o i n t s 1 a s p h e r i co p t i c a lc o m p o u n dm a c h i n i n gt o o l ( a o c m t ) i si n t r o d u c e d ，w h i c hh a s m i l l i n g ，g r i n d i n ga n dp o l i s h i n g ，a n dc o n t a c tm e a s u r i n gf u n c t i o n s ad u a lr o t o r sg r i n d i n g a n dp o l i s h i n gt o o li sd e s i g n e d ，b a s e do nt h et i m i n gb e l td r i v e t h er e q u i r e dm a t e r i a l r e m o v a lf u n c t i o nc a l lb eo b t a i n e db ya d j u s t i n gr o t a t i o n a ls p e e d so ft h ed u a lr o t o r s ， e c c e n t r i c i t yo ft h et w or o t a t i n gc e n t e r s ，w o r k i n gp r e s s u r eo ft h ec y l i n d e ra n do t h e r p a r a m e t e r s 2 t h em a t e r i a lr e m o v a lf u n c t i o nm o d e lo ft h ed u a lr o t o r sg r i n d i n ga n dp o l i s h i n g t o o li s b u i l t s y s t e m a t i ce x p e r i m e n t sa l ed o n et os t u d yt h eg r i n d i n ga n dp o l i s h i n g p a r a m e t e r s t h ei n f l u e n c e so fp a r a m e t e r so nm a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，s u r f a c eq u a l i t ya n d s u b s u r f a c ed a m a g e ( s s d ) d e p t ha r eg a i n e d n em e t h o d sf o rs e l e c t i n gp r o c e s s p a r a m e t e r si ne a c hf a b r i c a t i o ns t a g ea r eg i v e n t h es s dd e p t hv a l u e si ng r i n d i n gs t a g e a r eg a i n e de x p e r i m e n t a l l y ，w h i c hp r o v i d e sb a s i sf o rd e t e r m i n i n gt h em a t e r i a lr e m o v a l q u a n t i t yi nt h es u b s e q u e n tp r o c e s s w i t l lo p t i m i z e dp a r a m e t e r s t h es s dd e p t ho fk 9 o p t i c a lg l a s si ng r i n d i n gs t a g ei sc o n t r o l l e dw i t h i na b o u t2 2 “m c o n s e q u e n t l yt h e p o l i s h i n gt i m ei sc o n s i d e r a b l yd e c r e a s e da n d t h em a c h i n i n ge f f i c i e n c yi si m p r o v e d 3 t h ef i g u r i n ga b i l i t yo ft h er e m o v a lf u n c t i o n so ft h ed u a lr o t o r sg n n d i n ga n d p o l i s h i n gt o o li sa n a l y z e d t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r sa r eg a i n e d ，w i t ht h ee c c e n t r i c i t y r a t i ob e i n g0 8a n dt h er o t a t es p e e dr a t i o - 3 1 1 1 et r a n s f e rr e l a t i o no fr e m o v a lf u n c t i o n s i z e ，s p a t i a le r r o rw a v e l e n g t h ，a n de x t r am a t e r i a lr e m o v a lq u a n t i t yt oe r r o rc o n v e r g e n c e r a t i oi sa n a l y z e d b a s e do nc c o sc o n v o l u t i o nm o d e l ，t h eg e n e r a t i n gr u l e so fr e s i d u a l e r r o r sd u et oc o n v o l u t i o ne f f e c ta r eg a i n e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n s t h eo p t i m i z i n g 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 c o n t r o lm e t h o di nt h es h a p ee r r o rc o n v e r g e n c ep r o c e s si sb r o u g h tf o r w a r d 4 f o u rr e a s o n sf o rg e n e r a t i o no fs m a l ls c a l em a n u f a c t u r i n ge r r o r sa r er e c o g n i z e d 。 b a s e do nm a x i m u me n t r o p yp r i n c i p l e ，an e wm e t h o df o re x p r e s s i n gt h ep o l i s h i n ge f f e c t a n do p t i m i z i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si sp r e s e n t e d t h et y p i c a lm e t h o df o rc o n t r o l l i n g s m a l ls c a l em a n u f a c t u r i n ge r l o r si st op o l i s ht h ew h o l es u r f a c eu n i f o r m l yw i t hal a r g e t 0 0 1 a i m i n ga tt h i sm e t h o d ，t h ep r i n c i p l ef o rs e l e c t i n gm a i np r o c e s s i n gp a r a m e t e r s i n c l u d i n gk i n e m a t i cv e l o c i t ya n ds i z eo fp o l i s h i n gt o o li sp u tf o r w a r d m o r e o v e r ，i n o r d e rt oi n c r e a s ew o r k i n ge f f i c i e n c y ，an e wm e t h o df o rc o n t r o l l i n gs m a l ls c a l e m a n u f a c t u r i n ge 盯0 瑙i sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hs u g g e s t sc o r r e c t i n ge r r o r s i nd e f i n i t e a r e a s 5 f i n a l l y ，ac c o sc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e dt oc o n t r o lf u l la p e r t u r ee r r o r sa n d f u l lb a n do ff r e q u e n c ye r r o r so ft h el a r g ea n dm e d i u ma s p h e r i cs u r f a c e sa n dt oi n c r e a s e w o r k i n ge f f i c i e n c y a sa na p p l i c a t i o n ，a5 0 0 m md i a m e t e r ，f 3 ，p a r a b o l i cm i r r o rw a s s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e do na o c m tw i t h i n2 3 3h o u r s t h ef i n i s h e dm i r r o rh a sas h a p e a c c u r a c yo f9 4 n mr m s ( 2 6 7r m s ，2 = 6 3 2 8 n m ) ，s u r f a c er o u g h n e s so fa b o u t1 5 n m ，a n d c u r v a t u r ee r r o ro f1 2 m m ( o 4 ) t h em a g n i t u d eo ft h es u r f a c ee r r o r sf r o m10 0 m mt o 2 m ms c a l ei s3 6 u mr m s t h er e s u l t sm e e te x p e c t e dr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s a s p h e r i cs u r f a c ec o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a ls u r f a c i n g ( c c o s ) r e m o v a lf u n c t i o ns u b s u r f a c ed a m a g e ( s s d ) r e s i d u a l e r r o r c o n v e r g e n c er a t i o s m a l ls c a l em a n u f a c t u r i n ge r r o r 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博+ 学位论文 表目录 表1 1n a s a 的h s t 和j w s t 的主镜要求2 表1 2 不同研抛方法的比较6 表2 1 机床的主要规格参数l7 表2 2 双旋转研抛工具的主要规格参数1 8 表2 3 双旋转研抛工具的功能l8 表4 1 两种驻留时间求解算法计算结果对比。4 6 表4 2 两种驻留时间求解算法的特点和适用范围4 6 表4 3 三种去除函数的修形能力对比5 2 表4 4 去除函数相对尺寸、额外去除量与误差收敛比关系的仿真条件5 3 表4 5 去除函数尺寸与残留误差关系的仿真条件5 7 表4 。6 进给步距与残留误差关系的仿真条件5 7 表4 7 面形误差修正n r 主要工艺参数表5 9 表5 1 全口径均匀抛光的主要工艺参数表7 3 表6 1 研磨阶段的控制策略8 5 表6 2 抛光阶段的控制策略8 5 第1 v 页 国防科学技术人学研究生院博十学f 市论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 2 5 图目录 n a s a 已发射的h s t 照片和在研的j w s t 示意图2 采用双旋转研抛工具的c c o s 系统工作流程5 世界上第一台计算机控制抛光机：8 美国l l n l 实验室提出的光学零件表面误差指标及检测方法1 2 非球面零件加工示意图l5 机床结构图和实物照片1 6 c c o s 工作流程图l9 双旋转研抛工具的运动分析2 2 双旋转研抛工具去除函数的理论模型和实验模型2 4 检测装置示意图2 5 定点研磨后的工件和研磨区域轮廓曲线2 5 研磨盘材料和磨料粒度对材料去除效率的影响2 6 研磨速度对材料去除效率的影响2 6 研磨压强对材料去除效率的影响2 7 研磨盘材料和磨料粒度对表面粗糙度的影i 响2 8 研磨速度对表面粗糙度的影响2 8 研磨压强对表面粗糙度的影响2 9 光学材料亚表面损伤的形成机理2 9 研磨区域的磁流变抛光斑点及其沿中线的轮廓曲线3 0 铸铁和硬铝研磨盘加工后的亚表面损伤显微图像对比3 l 研磨盘材料和磨料粒度对亚表面损伤深度的影响3 l 研磨速度对亚表面损伤深度的影响3 2 研磨压强对亚表面损伤深度的影响3 2 抛光盘材料对材料去除效率的影响3 5 抛光速度对材料去除效率的影响3 5 抛光压强对材料去除效率的影响3 6 聚氨酯盘抛光后的表面粗糙度测量结果3 7 阻尼伟抛光后的表面粗糙度测量结果3 7 沥青抛光后的表面粗糙度测量结果3 7 抛光盘材料对表面粗糙度的影响3 8 抛光速度对表面粗糙度的影响3 8 抛光压强对表面j f l 糙度的影响3 9 第v 页 国防科学技术大学研究生院博+ 学位论文 图3 2 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图5 1 图5 2 图 图 图 图 3 4 5 6 图5 7 图5 8 不同抛光盘材料的去除效率时间关系曲线p 川4 0 初始面形误差和采用的去除函数4 5 基于加工时间的脉冲迭代法计算结果4 5 基于加工精度的脉冲迭代法计算结果4 5 理想去除函数截止频率的选取4 7 不同转速比条件下的理想去除函数形状( 偏心率为0 8 ) 4 8 去除函数转速比对截止频率的影响4 8 不同偏心率条件下的理想去除函数形状( 转速比为3 ) 4 9 去除函数偏心率对截止频率的影响4 9 去除函数尺寸对截止频率的影响5 0 初始面形误差( o 2 4 2 0 9 mp v ，0 0 3 6 7 i - t mr m s ) 5 1 文献 1 9 】中优化的去除函数及仿真加工后的残留误差。5 l 文献 9 1 】中优化的去除函数及仿真加工后的残留误差5 l 本文优化的去除函数及仿真加工后的残留误差5 2 去除函数尺寸为4 0 时初始面形误差与残留误差对比5 3 去除函数相对尺寸与误差收敛比的关系5 4 相对额外去除量与误差收敛比的关系5 4 c c o s 的卷积效应5 5 去除函数5 6 残留误差分布5 6 去除函数尺寸对残留误差的影响。5 7 进给步距对残留误差的影响5 8 相对进给步距对收敛比的影响5 8 面形误差收敛过程中的优化控制流程5 8 c c o s 抛光加工前后面形误差检测结果5 9 仿真加工后的残留误差( 5 3 4 r i mp v ，8 4 r i mr m s ) 5 9 工件表面小尺度制造误差的修正加工示意图6 3 小尺度制造误差的全口径均匀研抛修正法流程6 6 研抛盘的运动分析6 6 r o = 2 5 m m 、户0 0 2 时归一化转移函数及其幅值频谱图6 7 不同速度比条件下的转移函数形状( r o = 2 5 m m ) 6 8 速度比对转移函数截止波长的影响( r o = 2 5 m m ) 6 8 研抛盘尺寸对转移函数截止波长的影响( 户0 0 5 ) 6 9 研抛盘与工件表面的位置关系7 0 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 图5 9 图5 1 0 图5 11 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 l 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 一，的求解示意图7 1 月与z 、万与z 的关系曲线7 l 万与d 。、点与d 。的关系曲线7 2 0 2 0 0 m m 抛物面镜全口径均匀抛光前后面形误差检测结果7 3 0 2 0 0 m m 抛物面镜全口径均匀抛光前后p s d 测试结果对比7 3 0 2 0 0 m m 球面镜均匀抛光前后的面形检测结果。7 4 0 2 0 0 m m 球面镜p s d 曲线变化情况7 4 0 5 0 0 m m 抛物面镜均匀抛光前后的面形检测结果7 4 0 5 0 0 m m 抛物面镜p s d 曲线变化情况7 5 研抛盘尺寸与能够修正误差中的最长波长的关系7 5 小尺度制造误差的确定区域修正法流程。7 6 工件研抛信息熵数值模拟计算流程7 8 加工区域研抛信息熵、研抛盘磨损信息熵与转速比和偏心率的关系7 8 加工区域的归一化材料去除量和研抛盘磨损分佰7 9 确定区域修正加工前后的误差分布图8 0 确定区域修正加工前后的p s d 测试曲线对比8 0 修正前0 2 8 m m “频段误差在不同区域的权重8 0 非球面制造工艺流程8 3 研磨阶段抛物面镜的接触式检测实验装置8 6 0 5 0 0 m m 抛物面镜研磨阶段历次面形检测结果8 7 0 5 0 0 m m 抛物面镜的干涉检测实验装置8 8 0 5 0 0 m m 抛物面镜经研磨、均匀抛光后的面形检测结果8 9 经5 6 小时误差修e 抛光后的面形检测结果8 9 最终面形检测结果8 9 0 5 0 0 m m 抛物面镜的p s d 测试结果9 0 相同工艺条件下0 2 0 0 m mk 9 玻璃球面镜的表面相l 糙度测试结果9 0 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：太生型韭堡亘盐箕扭控剑盟地王艺左这珏窥 学位论文作者签名：2 虱些盐日期：如刁年罗月孕日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 日期：o 咖7 年尹月日 日期： 叼年尹月节日 国防科学技术火学研究生院博十学何论文 1 1 1 课题的来源 第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 课题“大中型非球面计算机控制研抛工艺方法研究”，来源于国家自然科学 基金项目“基于熵原理的超精密光学研抛工艺方法与技术研究”和国家“9 7 3 基 础研究项目“大型光学镜面可控柔体制造科学基础研究”。课题的目标是针对大 中型光学非球面的计算机控制小工具研抛加工中的关键技术进行深入研究，通过 理论分析和实验研究建立优化的计算机控制光学研抛工艺，为有效解决大中型光 学非球面的全口径、全波段面形误差控制问题和提高整体加工效率提供有价值的 科学根据。 1 1 2 课题研究的背景和意义 1 1 2 1 非球面光学零件的特点和应用领域 非球面光学零件能够校正像差、改善像质、扩大视场【i 】，并使光学系统结构简 化、重量减轻，因此在现代光学系统中具有广泛的应用。例如在现代军用光学系 统中，军用激光装置、热成像装置、微光夜视眼镜、红外行扫描相机、军用变焦 镜头等均不同程度地采用了高精度的非球面光学零件【2 1 。保形光学零件也是典型的 非球面光学零件，近期在军事上大量运用于战斗机、直升机的瞄准镜以及导弹的 瞄准窗口f 3 j 。在现代民用光学系统中，非球面光学零件的应用范围包括天文望远镜、 卫星红外望远镜、核聚变用激光聚焦镜头、照相机的变焦镜头、电视显像管、光 盘读出装置、x 射线光学系统以及医疗仪器等1 2 j 。 1 1 2 2 现代光学系统对非球面光学零件的要求 进入2 l 世纪，国际光学工业市场竞争更加激烈，对非球面光学零件口径、相 对口径、加工精度、轻量化程度、加工效率和生产成本等方面都提出了更高的要 求： 口径 根据瑞利判据：光学系统分辨远场两物点的极限角距离, 5 0 = 1 2 2 旯d ( 式中 d 为光学系统的有效口径) ，增大光学系统的有效口径是提高光学系统分辨能力 的基本途径【4 j 。以空间相机为例，卫星的高度大约在2 0 0 - - 3 0 0 k m ，为了获得高分 辨率，要求相机口径至少在0 5 - - - l m 岭j 。在空问望远镜领域，主镜口径越来越大， 例如：美国国家航空和宇宙航行局( n a t i o n a la e r o s p a c ea n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ， 第l 页 国防科学技术人学研究生院博二 ：学何论文 n a s a ) 在1 9 9 0 年成功发射了著名的哈勃空间望远镜( h u b b l es p a c et e l e s c o p e ， h s t ) ，其主镜口径为2 4 m ，可以观测到1 2 0 亿光年内的星系【6 7 j ；n a s a 正在研 究下一代空间望远镜( n e x tg e n e r a t i o ns p a c et e l e s c o p e ，n g s t ) ，计划在2 0 1 2 年 发射j a m e sw e b b 天文望远镜( j a m e sw e b bs p a c et e l e s c o p e ，j w s t ) ，其主反射 镜的口径将达6 m ，由1 8 块六边形子镜拼接而成。表1 1 列出了h s t 和j w s t 的 主镜要求【8 】，图1 1 为n a s a 已发射的h s t 照片和在研的j w s t 示意图0 1 。 表i 1n a s a 的h s t 和j w s t 的土镜要求 直径 面密度加i ：效率 生广：成本 望远镜发射年号 m ( k g m 2 )( m 2 y r ) ( m $ m 2 ) h s t1 9 9 02 42 4 01 o1 0 j w s t2 0 1 2- - 6 6 d 1 5 、 d 5 d 3 0 、 3 3 m m 。透射波前畸变 2 6p v ； 反射波前畸变 o 1 2 r a m 。 这段空间频率成分将导致光束的高频调制与系统的非线性增长，造成光学零件的 丝状破坏和降低光束的可聚焦功率。用p s d 描述要求p s d5a d 曲 ( o 0 3 m m 1 s d s 8 5 m m 。) ，其中a = 1 0 5 ，6 = 1 5 5 。( 3 ) 高频段l l 0 1 2 r a m 误差分为两部分， 即将光学零件表面误差分为四个频段，并提出了各频段的精度指标及相应检测方 法，详见图1 4 p 引。 o们01f r e q ( r a m ) - 1 01 0 0 m e l s u l e n l n t t y p i l l 6 1 l s u r e m e n t i n s t f u m e n t s i z o f s a m p l e d r e g i o n t m n s m i m dw a 咖n tk u m l8 u m 咐m _ u m n m n m t w y k o o r z y g ow y k o o r z y g o m i c r op m i i p h a s em e a s u r i n g m i c r op i i h t e r f m r o r n e t 盯i n t o d e r o m s t e l i n t e r t e r o m e t e r ) e n t i r eo p u of j l u r eo l p - t l o - 1 0 x 1 0m m o 5 x 0 5 m m 图i 4 美国l l n l 实验室提出的光学零件表面误差指标及检测方法 1 9 9 6 年，k o d a k 公司改进了小工具抛光技术，通过改进抛光工具设计、优化 工艺过程，形成了满足p s d 指标要求的、高效的平面加工工艺1 4 】。t i n s l e y 实验室 在低调制度小工具研抛工艺研究方面也取得了突破性的进展，分别定型了满足n i f 要求的加工工艺和设备【4 j 。 第1 2 页 国防科学技术火学研究生院博十学位论文 我国近几年也逐步对光学零件表面的小尺度制造误差加以重视。长春光机所 的张学军指出表面波纹度或中频误差的空间周期范围通常为工件直径的十分之一 到四十分之一，对c c o s 抛光后中频误差的产生原因以及消除方法也进行了初步 研究【l s 】。国防科技大学的王贵林【7 5 】采用自功率谱密度函数分析了抛光表面的误差 结构，利用尺度无关的分形模型描述抛光表面的轮廓特征，提出采用一阶自回归 分形模型对光学加工表面进行模拟的新方法，并给出了面形误差成分对研抛盘尺 寸选择的要求。成都光电所尝试采用波前p s d 来描述中高频误差，用于指导数控 光学加工工艺，对抛光磨头的特性、抛光磨头运动参数：抛光轨迹和去除余量等 提出了要求【4 1 ，分析了小磨具加工中的磨具运动方式对光学零件表面频率分布的影 响。2 0 0 7 年，国防科技大学的杨智【7 6 】利用小波变换的方法能够得到特定频段误差 在光学表面各区域的含量。 1 2 2 3 边缘效应 在c c o s 加工过程中，边缘效应是由于研抛工具运动到工件边缘时相对压力 发生了变化造成的。 解决边缘效应的传统方法是在工件外圈镶上一些挚块，使研抛盘露出工件边 缘时保持接触面积不变。但是这种方法对垫块的形状、材料性能及调整精度都有 较高要求，非常麻烦，尤其不能适应c c o s 加工的需要。 为了有效地控制“边缘效应”，技术人员作了大量的工作，并且总结出如下 一些经验【4 】： ( 1 ) 研抛盘漏边最多不超过研抛盘直径的三分之一； ( 2 ) 尽量提高研抛盘在工作边缘的运行速度，减少磨头单次研抛时间，实行 快速多次的去除方法： ( 3 ) 采用不同形状的研抛盘。试验证明，在采用相同运动参数的前提下( 如 平转动) ，方形研抛盘具有较好的边缘研抛效果，圆形的研抛盘研抛效果次之， 而菱形研抛盘的研抛效果最差。 ( 4 ) 尽量在模拟算法上补偿压力和覆盖时间变化引起的去除函数变化。 在解决边缘加工问题中，c o r d e r o d 矗v i l a t 7 7 1 、l u n a - a g u i l a r l 7 8 1 和长春光机所的 张学军【7 9 】分别在理论上研究了边缘条件下的压力分斫j 状况和材料去除模型，而一 直致力于磁流变技术研究的q e d 公司在工程上用更小的“磨头 去除在边缘预留 的加工余量【9 0 1 ，这种方法可以为小工具研抛所借鉴。 1 3 论文的主要研究内容 本论文的主要任务是深入研究大中型非球面计算机控制研抛工艺方法，力争 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ii = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 有效解决c c o s 技术存在的加工收敛效率较低和小尺度制造误差较大等关键问题。 论文研究内容组织安排如下： 第一章为绪论，主要介绍课题研究的背景与意义，论述了非球面光学零件的 特点、应用领域和需求背景，对大口径非球面的几种确定量研抛方法进行了比较， 指出了c c o s 技术当前存在的问题，综述了c c o s 技术进展以及针对c c o s 技术 中的关键问题的国内外研究进展和现状。 第二章首先介绍自研的光学非球面复合加工机床a o c m t 机床的构成和 功能，设计能够产生合理去除函数的双旋转研抛工具，最后研究c c o s 的基本工 作原理。 第三章为去除函数建模与工艺参数研究。首先建立双旋转研抛工具的去除函 数理论模型并进行实验验证，