大型光学非球面超精密磨削的几何模型研究

摘要非球面光学零件可以获得球面光学零件无可比拟的良好的成像质量，在光学系统中能够很好的矫正多种像差，改善成像质量，提高系统鉴别能力，它能以一个或几个非球面零件代替多个球面零件，从而简化仪器结构，降低成本并有效的减轻仪器重量。

可广泛应用于各种现代光电子产品，几乎在所有的工程应用领域中，无论是现代国防科技技术领域，还是普通的工业领域都有着广泛的应用前景，开展光学玻璃非球面零件的高精密光学技术研究具有重要的理论意义和现实指导意义。

本次设计研究内容为非球曲面的超精密加工系统的研究，非球曲面的超精密加工工艺的研究。

重点内容是非球曲面加工超精密磨削装置的设计，主要为砂轮主轴装置的选取，中心高位调机构的设计，各个运动的传动设计以及砂轮运动轨迹的分析。

在研究过程中详细的分析了影响零件加工精度的各种主要因素并提出相应的控制措施，尤其是对非球曲面的磨削加工设备进行详细设计，并简要分析了非球曲面加工机床的数控及伺服控制系统等。

关键词：非球曲面；超精密加工；微调机构；金刚石砂轮AbstractThe aspheric optical parts can get good image quality, good optical system correction of various aberrations, to improve the image quality, and improve the system ability to identify it to one or several non-spherical spherical optical parts unparalleledparts instead of a number of spherical parts, thus simplifying the instrument structure, reduce costs and reduce instrument weight. It’s widely used in many realms, such as national defense, machine chemical and aviation. It’s very useful to develop the grinding theory and important practical significance to study the high precision grinding methods about the optical glass aspheric surface parts. This article discussed in the ultra-precision grinder, the CNC operation program,and the aspheric surface optics parts’grinding craft. The center height micro-adjusting mechanism and the drive system. In the process of the research, we analysis it detailed that the main factor influence the process precision of the parts, and make something to solve it, especially for the precision grinding equipments, and analysis it simplify for the precision machine tool for aspheric surface optics parts and the servo-control system and the other technology.Key words: the aspheric surface; ultra-precision machining; the micro-adjusting mechanism; diamond wheel目录摘要 (I)目录 (III)第1章绪论 (1)1.1非球面加工的优点和意义 (1)1.2非球曲面研究概述 (1)1.2.1 非球面的定义 (1)1.2.2 非球面应用领域 (2)1.2.3 非球曲面加工技术近年来发展概况 (2)1.2.4 非球曲面加工的发展趋势和研究方向 (4)1.3 非球面光学零件材料及其加工方法 (4)1.3.1 计算机数控单点金刚石技术（SPDT） (5)1.3.2 超精密磨削技术 (5)1.3.3 计算机控制光学表面成型（CCOS）技术 (5)1.3.4 光学玻璃模压成型技术 (6)1.3.5 光学塑料成型技术 (6)1.3.6 其他非球面加工技术 (6)1.4非球面精密磨削加工理论 (6)1.4.1 微量加工理论 (7)1.4.2 脆性材料的延性域磨削 (8)第2章超精密非球面加工方案选择及误差分析 (10)2.1 超精密非球曲面磨床的总体布局 (10)2.1.1 空气主轴系统 (10)2.1.2 伺服进给系统 (11)2.1.3 微位移测量系统 (11)2.1.4 中心高微调系统 (11)2.1.5 数控系统 (11)2.2 非球曲面磨削方案的确定 (12)2.2.1加工零件的技术参数 (13)2.2.2 非球曲面磨削方案确定 (13)2.3 加工误差分析 (14)2.3.1 中心高微调机构对零件加工精度的影响 (15)2.3.2 在X轴上砂轮安装误差对零件加工精度的影响 (17)2.3.3 砂轮半径误差对零件加工精度的影响 (18)2.3.4 X∆综合作用时对零件面形精度的影响 (19)∆及R第3章非球面磨削装置设计 (21)3.1 超精密加工的关键技术 (21)3.1.1 超精密主轴 (21)3.1.2 超精密导轨 (21)3.1.3 传动系统 (22)3.1.4 超精密刀具 (22)3.1.5 超精密加工其他技术 (23)3.2 传动系统设计 (23)3.2.1 磨削参数的计算 (23)3.2.2 导轨的整体设计 (24)3.2.3 传动参数的计算 (25)3.3 磨削系统设计 (25)3.3.1 系统结构设计 (26)3.3.1 中心高微调机构设计 (27)3.3.2 砂轮主轴的选择 (28)结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)CONTENTSAbstract (I)CONTENTS (III)Capter 1 Introduction (1)1.1 The meaning of the processing of aspheric surface (1)1.2 The introuduction of the aspheric surface’s research (1)1.2.1 Definition of aspheric surface (1)1.2.2 Application of aspheric surface (2)1.2.3 The development of aspheric surface in recent years (2)1.2.4 Aspheric pricesssing trends and research directions (4)1.3 The parts’ material and the processing method (4)1.3.1 Computer-controlled single-point diamond technology（SPDT） (5)1.3.2 Ultra-precision grinding technology (5)1.3.3 Computer Controlled Optical Surfacing（CCOS） (5)1.3.4 Optical glass compression molding technology (6)1.3.5Optical plastic molding technology (6)1.3.6 Other processing technology (6)1.4Aspheric surface precision grinding theory (6)1.4.1 Trace processing theory (8)1.4.2 Ductile-regime grinding of brittle materials (8)Capter 2 Ultra-precision aspheric processing alternatives and error analysis.. 102.1 Ultra precision aspherical surface grinding machine layout (10)2.1.1 Air spindle system (10)2.1.2 S ervo feed system (11)2.1.3 Micro-displacement measurement system (11)2.1.4 Center high tuning system (11)2.1.5 Numerical control system (11)2.2 Aspherical surface grinding scheme (12)2.2.1 Processing part of the technical parameters (13)2.2.2 Aspherical surface grinding scheme (13)2.3 Processing error analysis (14)2.3.1 Center high fine-tuning mechanism on the impact of cuttingaccuracy (15)2.3.2 In the X axis on the wheel on the impact of cutting accuracy (17)2.3.3 Wheel radius error on the part of machining precision (18)2.3.4 Both X∆on the part (19)∆and RCapter3 Aspheric tooling design (21)3.1 Ultra-precision machining technology (21)3.1.1 Ultra-precision spindle (21)3.1.2 Ultra-precision guide (21)3.1.3 Drive system (22)3.1.4 Ultra-precision cutter (22)3.1.5 Other technology (23)3.2 Transmission System Designing (23)3.2.1 Grinding parameters (23)3.2.2 The overall design of the Rails (24)3.2.3 Calculation of transmission parameters (25)3.3 Grinding systems design (25)3.3.1 System architecture design (26)3.3.1 Center high micro-adjusting mechanism design (27)3.3.2 Wheel spindle design (28)Conclusion (31)Thanks (32)References (33)第1章绪论1.1非球曲面加工的意义和优点非球面技术应用于光学零件，相对于球面而言，具有许多优点，它可以消除球面镜片在光传递过程中产生的球差、慧差、像散、场曲及畸变等诸多不利因素，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特征。

大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究近年来，随着科技的不断进步和人们对光学器件精度要求的不断提高，大型光学非球面超精密磨削技术逐渐成为光学领域的研究热点。

本文将从材料选择、加工工艺、设备要求等方面，探讨大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究。

一、材料选择大型光学非球面超精密磨削的材料选择是关键。

材料的硬度、抗磨性、热膨胀系数等性能直接影响到磨削的效果和加工的精度。

常见的材料有玻璃、石英、陶瓷等。

在选择材料时，需要充分考虑材料的性能特点，以及光学器件的具体用途和要求。

二、加工工艺大型光学非球面超精密磨削的加工工艺也是研究的重点之一。

传统的磨削方法往往存在加工效率低、加工精度难以保证等问题。

因此，研究人员提出了一系列新的加工工艺，如离子束磨削、激光磨削等。

这些新的加工工艺在提高加工效率的同时，也能够保证加工精度的要求。

三、设备要求大型光学非球面超精密磨削对设备的要求非常高。

首先，需要具备高精度的磨削设备，以保证加工的精度和表面质量。

其次，还需要具备稳定的控制系统，以实现对加工过程的精确控制。

此外，为了提高加工效率，还需要具备快速换刀系统和自动化控制系统等。

四、精密度的控制大型光学非球面超精密磨削的关键技术之一是精密度的控制。

在整个加工过程中，需要通过精确的控制系统对加工参数进行调整，以实现对加工精度的控制。

同时，还需要进行精确的测量和检测，以及对加工过程中的误差进行补偿，以确保加工的精度和表面质量。

五、表面质量的评估大型光学非球面超精密磨削的表面质量评估也是研究的重点之一。

表面质量的评估可以通过光学测量仪器进行，如干涉仪、扫描电子显微镜等。

通过对加工后的光学器件进行表面质量评估，可以及时发现加工过程中存在的问题，并进行调整和改进。

大型光学非球面超精密磨削关键技术的研究涉及材料选择、加工工艺、设备要求、精密度的控制以及表面质量的评估等方面。

通过对这些关键技术的研究，可以提高大型光学非球面超精密磨削的加工精度和效率，满足人们对光学器件精度要求的不断提高。

第25卷第6期2004年11月 兵工学报ACTA ARM AM EN TA RII Vol .25N o .6Nov .　2004大型光学非球面超精密磨削的几何模型研究韩成顺　董申　唐余勇(哈尔滨工业大学机电学院,黑龙江哈尔滨,150001)摘要　大型光学非球面元件的特殊优越性使其在现代光学系统中是不可替代的,实现高效率、更经济的生产以满足对其数量与质量的迫切要求是光学元件的制造面临的一大难题。

二轴联动的超精密数控机床是用来加工轴对称非球面光学元件的,若在工件主轴上安装可以精确给出旋转角度的码盘,并使用金刚石砂轮就可以用来进行非轴对称非球面的超精密磨削加工。

在对轴对称与非轴对称两种不同非球面的曲率分析基础上,给出了两种曲面加工相应的几何模型。

通过计算机仿真验证了该加工方法的简便与可靠性。

对二轴联动的超精密数控机床的技术改造可以实现三维加工,为提高效率、降低设备投入提供了依据。

关键词　机械制造工艺与设备;大型光学非球面;非轴对称非球面;超精密磨削;几何模型中图分类号　TG580.6 光学非球面有矫正像差、简化系统、提高光学系统精度的特点,因此广泛应用于航天、航空、国防等工业。

随着科学技术与国防工业的发展,高精度大型非球面元件的需求正与日俱增,然而,大型非球面特别是非轴对称光学元件的制造面临着难度大、效率低、成本高、加工程序复杂[1]等难题。

一种新的硬脆光学材料的加工方法———超精密磨削技术,可克服传统研抛加工的生产效率低,成本高等缺点,在高刚度超精密机床上,用经过精密修整的金刚石砂轮直接磨削出能达到光学系统要求的光学零件[2～5],且具有良好的经济性。

如何降低成本又能满足加工要求是本文讨论的中心。

根据轴对称非球面的轴对称性采用加工简便的二轴联动超精密数控设备,并通过对其技术改造实现非轴对称非球面的加工,给出数控磨削加工大型非球面光学元件的几何模型。

1　超精密磨削系统超精密机床如图1.1((1)底座;(2)立柱;(3)砂轮;(4)横向导轨;(5)纵向导轨;(6)夹具;(7)工件;(8)主轴)所示。

大型非球面能动磨盘精磨技术探析大型非球面能动磨盘精磨技术能够优先去除物体表面最高点的特性，因而对中、高残差有着很好的平滑加工作用，有效提高加工质量和加工效率。

笔者在文中对能动磨盘的结构原理与工作特征进行了简要分析，并建立基于Preston方程的相关函数，最后对能动磨盘的加工流程进行了探讨。

标签：非球面；光学加工；能动磨盘1 前言经典加工方式不仅具有加工效率较低的缺陷，还存在着加工小尺寸磨具时易形成局部中、高残差的不足；而由于能动磨盘技术采用的基于大尺寸刚性盘的基盘的盘形能够依照周围可变应力进行实时动态变形，所以该技术可以高度吻合地研磨非球面的各个位置，因而对中、高残差有着很好的平滑加工作用，有效提高加工质量和加工效率。

在本文中，笔者首先简要分析了能动磨盘的结构原理与工作特征，其次给出了基于Preston方程的相关函数，在文章最后探讨了能动磨盘的加工特性，希望能够为有关人员的研究提供有益参考。

2 能动磨盘的结构原理与工作特征能动加工技术最早可以追溯到上个世纪的八十年代，当时的美国人Nelson 首先提出了应力加工相关构想、理论和技术雏形，而后的十年，美国的亚利桑那大学第一次在真正意义上进行了关于大尺寸磨具应力盘加工技术的相关研究。

该工艺发展至今，凭借着当今日新月异的计算机技术，不仅工艺更加完善成熟，而且加工方式也日趋智能化。

能动磨盘的结构原理具体见图1。

正如下图所示，能动磨盘的基盘所采用的材料为铝合金，其尺寸大小为工件口径尺寸的1/3。

能动磨盘共装配有12个驱动电机，每一个驱动电机均会产生一个变力矩，这些变力矩会作用于基本为圆形的磨盘，并使之出现低阶变形，最终产生磨盘变形的力矩。

每3个驱动电机构成一个形状为等边三角形的驱动组，一共4个驱动组，同时由于每1个驱动电机配套有测力传感装置和电机施力着力点，因而可以让每1组驱动组输出加工时所需要的扭矩与弯矩。

但是我们知道，磨盘因为自重而产生的重力变形变形不可避免，尤其是在磨盘处于离轴加工状态时必然会出现形变，影响加工精度。

国内外非球面光学零件超精密加工技术现状四：非球面零件超精密切削加工技术美国UnionCarbide公司于1972年研制成功了R―θ方式的非球面创成加工机床。

这是一台具有位置反馈的双坐标数控车床，可实时改变刀座导轨的转角θ和半径R，实现非球面的镜面加工。

加工直径达φ380mm，加工工件的外形精度为±0.63μm，表面粗糙度为Ra0.025μm。

摩尔公司于1980年首先开发出了用3个坐标控制的M―18AG非球面加工机床，这种机床可加工直径356mm的各种非球面的金属反射镜。

英国RankPneumo公司于1980年向市场推出了利用激光反馈控制的两轴联动加工机床(MSG―325)，该机床可加工直径为350mm的非球面金属反射镜，加工工件外形精度达0.25-0.5μm，表面粗糙度Ra在0.01-0.025μm之间。

随后又推出了ASG2500、ASG2500T、Nanoform300等机床，该公司又在上述机床的基础上，于1990年开发出Nanoform600，该机床能加工直径为600mm的非球面反射镜，加工工件的外形精度优于0．1μm，表面粗糙度优于0.01μm。

代表当今员高水平的超精密金刚石车床是美国劳伦斯．利弗莫尔(LLNL)实验室于1984年研制成功的LODTM，它可加工直径达2100mm，重达4500kg的工件其加工精度可达0.25μm，表面粗糙度Ra0.0076μm，该机床可加工平面、球面及非球面，主要用于加工激光核聚变工程所需的零件、红外线装置用的零件和大型天体反射镜等。

英国Cranfield大学精密工程研究所(CUPE)研制的大型超精密金刚右镜面切削机床，可以加工大型X射线天体看远镜用的非球面反射镜(最大直径可达1400mm，最大长度为600mm的圆锥镜)。

该研究所还研制成功了可以加工用于X射线看远镜内侧回转抛物面和外侧回转双曲面反射镜的金刚石切削机床。

日本开发的超精密加工机床主要是用于加工民用产品所需的透镜和反射镜，目前日本制造的加工机床有：东芝机械研制的ULG―l00A(H)不二越公司的ASP―L15、丰田工机的AHN10、AHN30×25、AHN60―3D非球面加工机床等。

超高精度非球面检测技术研究1、本文概述随着现代光学技术的飞速发展，非球面光学元件在各种高精度光学系统中发挥着越来越重要的作用。

非球面由于能够减少光学系统中的球面像差和色差，提高成像质量，已成为高性能光学系统设计的关键部件。

非球面的制造和检测技术比传统的球面光学元件复杂得多，尤其是对于超高精度非球面形状检测，需要更严格的技术要求。

本文旨在对超高精度非球面的检测技术进行深入研究。

首先介绍了非球面光学元件的应用背景和重要性，然后详细阐述了当前非球面检测中存在的主要问题和挑战。

通过对现有检测技术的分析和比较，本文提出了一种新的超高精度检测方法，可以有效提高非球面检测的精度和效率。

文章随后对所提出的检测技术进行了详细的理论分析和数学建模，验证了该方法的理论可行性。

本文还设计了一系列实验来验证所提出方法的实际有效性，并通过与其他现有技术的比较，展示了新方法的优势和潜在的应用价值。

本文总结了研究成果，展望了非球面检测技术的未来发展趋势，为相关领域的研究人员和工程师提供了有益的参考和启示。

2、超高精度非球面检测技术的理论基础在现代光学制造和精密工程领域，非球面的设计和制造是实现高性能光学系统的关键。

超高精度非球面检测技术的理论基础主要涉及几何光学、物理光学、光学检测原理和数据处理方法。

几何光学为非球面提供了一种基本的定义和描述方法。

非球面是指不满足球面方程旋转对称性的光学表面。

这些类型的曲面通常是通过数学表达式或多项式来定义的，例如泽尼克多项式，它可以描述曲面形状的局部曲率和形状偏差。

物理光学进一步解释了光与非球面之间相互作用的原理。

当光波穿过非球面或从非球面反射时，其传播和偏转特性会受到表面细节的影响。

非球面几何参数的精确测量和控制对于确保光学系统的性能至关重要。

光学检测的原理包括干涉测量、散斑测量和聚焦测量等技术。

干涉测量是一种常用的高精度检测方法，通过比较参考光和测试光之间的相位差来测量表面形状。

散斑测量利用光的散射特性来评估表面质量。

华南理工大学学报(自然科学版)第32卷第2期J our nal of Sout h China U niversity of TechnologyV ol.32　N o.22004年2月(Natural Science Edition )February 2004文章编号:1000565X (2004)02009405光学非球面的超精密加工技术及非接触检测谢　晋(华南理工大学机械工程学院,广东广州510640)摘　要:针对亚微米级及亚微米级以下的光学硬脆性非球面器件难加工问题,分析了光学非球面的形状精度和应用,讨论了其超精密加工原理和方法及非接触检测手段.结果表明,精密数控机床、硬脆性材料延性域加工原理和超精密检测是光学非球面超精密加工的技术保证.关键词:非球面;超精密加工;光学器件;非接触检测;单点金刚石切削;弧形金刚石砂轮中图分类号:T G 58 文献标识码:A　收稿日期:20031022　作者简介:谢晋(1963-),男,博士,副教授,主要从事磨削及精密加工的研究.E-mai :jinxie @ 长期以来,光学球面镜头存在色像差的问题,如图1(a )所示.要构成高性能的光学系统,往往采用多枚镜头.20世纪30年代,为了消除这种色像差,研究人员提出并发明了非球面镜头,如图1(b )所示.但是,几个世纪以来的传统切削、磨削和抛光方法无法加工非球面产品,而只有利用数控机床才能有效地实现非球面的加工.19世纪70年代至80年代,应用于投影仪、显微镜、照相机、CD 读写装置和激光加工机等领域的民用光学产品开始朝着高性能、大口径化和小型化等方向快速发展,工业上开始生产非球面光学部件.目前,一些主要的非球面光学器件及其应用领域如表1所示,从该表中可以看出,大部分光学非球面器件材料为难加工的硬脆性材料.在光学系统的应用中,光的反射和折射要求非球面的形状精度达到光波长的1/10左右[1],特别是,应用于航空和军事领域中的光学系统要求非球面具有较高的形状精度.因此,光学非球面超精密加工及超精度测试已经受到许多研究者的关注.例如,O P TI CA M 中心已经将CN C 技术应用到精密光学器件的生产中,自动进行有选择性的非球面粗加工、精细加工和最终抛光加工,从而大幅度地降低了生产成本.图1　球面和非球面透镜的光学性能Fig.1　Op tical perf or ma nce of sp heric a nd asp heric le ns表1　光学非球面器件的材料及应用Table 1　Op tic asp heric materials a nd its appplication 非球面类型材料应用领域普通镜头红外线镜头普通反射镜注射模具椭圆体反射镜光学玻璃单晶锗、单晶硅铝合金、铜、磷青铜陶瓷、镍合金石英玻璃、碳化硅显微镜、CD/DVD 、投影仪夜视镜、医用内视镜、激光加工激光加工机、大型显示器激光打印机X 射线系统国内也已经开始引进超精密加工机床来加工国防、航空等高科技领域所急需的高精度非球面零件.由于超精密磨削涉及的技术比较复杂,国内花巨资购买的砂轮系统还没有得到有效的使用[2].虽然中国航空精密机械研究所成功地研制了Na nosys-300球面曲面超精密复合加工系统[2],但是,加工精度、砂轮精密修整、非球面成形机理以及非球面的超精密检测等诸多关键技术的研究都没有详细的报道.实际上,目前我国光学非球面的加工技术和质量检测仍处在初级阶段.本文中主要介绍和分析最新研究和开发的光学非球面的超精密加工机理、方法和测试技术及其特点.1　光学非球面部件的制作工艺光学非球面的成型加工大体可分为模具成形法和切除加工法两种.模具成形法是在非球面模具上用可塑化材料注射或模压,形成有非球面的光学部件;而切除加工是利用切削、磨削和抛光将工件直接切除成非球面.模具成形法适应大批量生产,但很难保证非球面形状的高精度.注射和模压成形用的镀镍模具通常采用单点金刚石切削,但对于陶瓷等超硬模具,切削就变得非常困难.因此,采用磨削加工法,可大大缩短加工工期.非球面光学镜头按制作工艺可分为玻璃镜头、塑化镜头、微型镜头和复合镜头[3].其中,玻璃镜头主要在耐热非球面模具中将玻璃材料加温到软化温度400～700℃再模压成形.塑化镜头是利用镀镍硬质钢模具将非球面注射成形.微型非球面镜头是在超精密机床上将树脂材料直接加工成形后再抛光,或者在球面模具中注射树脂再加热硬化.复合非球面镜头是在非球面模具与球面镜头之间注入紫外线树脂,然后用紫外线照射使其硬化成形.2　非球面的切除加工方法及特点无论是注射成形/模压成形所需的模具还是高精度光学非球面部件,都必须采用切削、磨削和抛光直接进行切除加工.切削加工主要采用单晶金刚石刀具,磨削加工主要采用金刚石砂轮,而抛光主要采用游离磨料.每一种方法都是在工件表面沿着非球面的三维坐标轨迹对工件逐渐进行切除加工.一般是先在数控机床上将非球面形状加工成型,然后在保持形状精度不变的情况下将其抛光,减小其表面粗糙度[4].但是,这种游离磨料抛光方式会消耗大量的加工时间,无法进行规模生产.美国Precitech I nc.公司生产的超精密多轴自由曲面加工机床不需抛光就可以使光学非轴对称非球面零件的加工精度达到亚微米级乃至纳米级的范围[5].近来,全部省去游离磨料抛光方式进行直接切削或磨削来达到最终的形状精度和表面粗糙度,即利用延性域加工原理进行镜面切削和镜面磨削的研究已经取得了许多新的进展.2.1　非球面超精密加工机床的构造最新的研究结果表明,为了实现硬脆性材料的精密切除加工就要求材料的切除深度始终保持在临界延性域(ductile-mode)切深以下的范围,一般要求亚微米级以及亚微米级以下.这也就是要求加工机床能够控制工件进给量在微米级甚至亚微米级以下.采用空气静压和油静压轴承配制高精度(直线度,表面粗糙度)摩擦系数小的V-V滚动滑道和高精度(圆柱度,圆心度)传动杆可以使导向机构到达10～20nm以内的波动[3].图2中所示的为空气差压圆柱立轴的工作结构图.空气静压轴承可以使低速运动时无震动.利用d1,d2,p能够进行克单位的力调节,可以达到与水平结构一样的纳米级的微小波动.工件回转轴最合适采用空气静压形式,安装内置电机可以消除传递转动带的振动,可以达到轴方向和径向方向小至10nm的偏心振幅.图2　空气静压轴的工作原理Fig.2　Wor king p rinciple of air-p ressure axis2.2　单点金刚石切削单点金刚石切削是在精密数控机床上同时控制x和y两轴的运动,将旋转工件切除成非球面体,如图3(a)所示.通常应用于加工激光反射的非球面铜镜面和塑化玻璃非球面金属模具.最近的研究表明,弧形单晶金刚石刀具的圆弧包络线切削法可以应用到硬脆性材料的非球面超精密切削中[6],但是,必须要求金刚石刀具进给量非常小(小于1～2μm/r),这就会花费非常长的切削时间,导致单晶金刚石刀具的急剧磨耗.然而,平面形单晶金刚石刀具的直线包络线切削法在加工非球面59第2期谢　晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测单晶硅镜头时可以较大幅度地加大金刚石刀具进给量(20μm/r ),提高加工效率,其非球面的表面粗造度达到16nm ,形状精度(PV 值)可达到1.36μm [7].2.3　弧形金刚石砂轮磨削加工在磨削加工方面,无论对于硬脆性材料还是金属材料,采用弧形金刚石砂轮在一定的行走轨迹和修整条件下都可以在数控机床上实现非球面的成形加工.最新研发的几种弧形金刚石砂轮成型磨削方法可以大致分为交叉磨削法、平行磨削法、倾斜磨削法、球面砂轮磨削法和斜轴圆柱砂轮磨削法[8～10],分别如图3(b ),(c ),(d ),(e )和(f )所示.图3　光学非球面成形加工方法Fig.3　Form machining methods of optical asp heric surface交叉磨削法的加工表面粗造度较差,为此,将砂轮轴旋转90°使砂轮周速与工件速度方向平行进行磨削,即采用平行磨削法.实验结果表明,平行磨削法比交叉磨削法能获得更好的表面加工质量[9].倾斜磨削法是将砂轮轴倾斜一定角度适用于加工更深的凹形非球面.球面砂轮磨削法是利用砂轮球面按照非球面的运动轨迹与工件点接触进行磨削加工,它能使球面的砂轮均衡摩耗,形状精度可达到0.089μm [10],但球面砂轮成形修整比较困难.斜轴圆柱砂轮磨削法[9]是采用小直径砂轮加工很深的凹面,主要用于光通讯,医疗器件等3m m 以下的小口径非球面的加工.3　光学非球面的形状精度光学非球面器件的形状精度要求在几到几十厘米的范围内达到1μm 以下[11].图4表示了一些应用于不同领域的非球面光学器件的尺寸大小及其必要的加工精度.可以看到非球面光学部件正在向小型高精度化和大型高精度化方面发展.但是,现有的加工工具,加工工艺及加工设备常常无法保证更小或更大尺寸的产品达到高精度.这主要是因为以下原因造成了设计形状与加工形状的差异.(1)机床的运动误差和切削刀具/金刚石砂轮的磨耗;(2)非球面中心和外围的不同加工条件;(3)切削刀具/磨削砂轮的形状测试误差;(4)加工形状的测试误差;(5)三维坐标系与加工点的漂移;(6)加工力引起的变形和加工热产生的热变形.图4　光学非球面的尺寸与形状精度Fig.4　Op tic asp heric size a nd its f or m accuracy为消除这些因素的影响,使其与设计值的形状误差缩小到1μm 以下,往往利用被加工的非球面形状的检测信息进行多次的误差修正.非球面加工中可能需要几十次的测试和修正才能达到目标精度,也就是说,没有高精度的测试手段也就无法加工出高精度的光学非球面器件.但是,传统的三维测试仪的测试精度只能达到5μm ,而且大多只能检测球面和平面[13].因此,最近非接触三维形状测试手段已经可以在行走精度为0.1μm 的水平面上检测垂直方向精度为0.05μm 以下的非球面的形状精度[11,12].69华南理工大学学报(自然科学版) 第32卷4　非球面的非接触测试仪通常,非球面的加工形状测试主要采用接触式测定方式.它的动态测试范围较大,但容易损伤工件表面,特别不易检测断口,且超硬材料易损伤探头.因此,非接触三维形状测试的研究开始得到了广泛的重视.但是,非接触测试无法检测到陡峭的斜面,且非球面材料的颜色和反射率也会产生散乱导致数据误差.针对这些问题,最近研制的光干涉形状测试仪,激光形状测试仪和原子力探针测试仪能够在纳米级范围内检测非球面的三维形状.4.1　非接触光干涉三维形状测试仪非接触光干涉三维形状测试构造如图5(a )所示.其原理是采用白色光源在半反射镜上分叉到测试表面和参照镜,再反射回来结合于半反射镜,当光路差相等时发生干涉[12].白色光的干涉性较小,能够在很小的范围内产生干涉条纹,因此,通过采集的光的干涉强度驱动干涉计的垂直光轴方向,使之能够调节到干涉条纹的零位置.利用这种原理,垂直移动参照镜观察测试面上的CCD 各点的干涉条纹,确定其等光路位置,然后在水平方向的测试面上进行一定速度的扫描,最终检测出非球面的高度数据.若在白色干涉计中处理干涉强度并进行频域解析,不仅能够检测粗糙面及断口面,而且还能够检测超精密加工的工件表面.白色干涉计测试仪的横向行走精度一般为0.6μm ,垂直移动精度可达10nm.图5　非球面的非接触检测方法Fig.5　N on-contact measure me nt met hod of asp heric surf ace4.2　非接触激光三维形状测试仪非接触激光测试构造如图5(b )所示.激光通过显微镜镜筒,从物镜的一端开始向光轴中心聚焦,再由工件反射后经物镜返回,在聚焦A F 感应器聚焦成像.然后,通过移动物镜使激光点最小且达到光轴心确定垂直方向的位置.此时,将聚焦点的xyz 坐标以线性形式输入到计算机,获取非球面表面的三维形状数据.测试精度直接取决于工作台面向工件聚焦的移动精度.此外,在非接触激光显微镜上安装微分干涉光学系统,利用可视光能够检测出数纳米级的凸凹程度,并且可以在1nm 的范围内定量地评价表面粗糙度.非接触激光三维形状测试仪N H-3S P 的水平面的测试精度为1+5L /120μm (L 为测量长度);垂直方向的测量精度在10m m 以内为1μm [13].4.3　原子力探针测试仪原子力探针测试构造图如图5(c )所示.这种方法是根据原子间排斥力通常保持一致的原理,利用探针与物体的原子间排斥力的作用接近测试表面,从而确定非球面表面的三维形状[11].在测试装置上,将重0.2mg 的微型空气滑道用弹簧悬挂,用安置的反射镜对具有波长安定性的激光进行聚光,采集反射光的聚焦误差信号,驱动垂直方向的步进空气滑道,使误差信号接近于零,最终确定垂直方向的坐标.因为原子力探针测试的原子间排斥力仅有30mg ,所以对测试面几乎没有损伤,近似于非接触检测.最大的特点是测试精度不受材质、反射率和表面粗造程度的影响.但是,测量精度与测量范围和测量面角度有关[11].例如,水平测量范围的精度,100mm 以下为0.05μm ,100～200mm 之间为0.1μm ,200～400m m 之间为0.3μm ;测量面倾斜角度的精度,30°以下为0.01～0.05μm ,30°～45°之间大于等于0.1μm ,45°～60°之间大于等于0.3μm.5　结束语光学非球面加工正朝着高精度大型化和高精度小型化方向发展.精密数控机床、硬脆性材料延性域79第2期谢　晋:光学非球面的超精密加工技术及非接触检测加工原理和非接触精度检测是光学非球面加工形状精度达到亚微米级及亚微米级以下的技术保证.此外,超精密加工和高精度检测在开拓高增值的复杂光学自由曲面以及特殊形状液晶光导板的模具加工方面将会发挥先导作用.参考文献:[1]　Ta na ka K.Rece nt t re nd of asp heric p rocessing tech2nology[J].Scie nce of Machine,2002,54(3):11-20.[2]　罗松保,张建明.非球面的超精密加工与测量技术的研究[J].制造技术与机床,2003,494(9):58-61.[3]　Toya ma 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Key words:asp heric surf ace;sup er-p recision machi ni ng;op tic p a rt;non-contact measure me nt;si ngle-p oi nt dia mond cutti ng;a rc dia mond gri ndi ng w heel89华南理工大学学报(自然科学版) 第32卷。

非球面镜超精密测量与误差分析系统设计与研究的开题报告一、研究背景非球面镜是一种广泛应用于光学系统中的光学元件。

制造非球面镜需要高精度的加工和表面质量控制，其中表面形貌误差是制造过程中最难控制的因素之一。

同时，非球面镜的优劣直接关系到整个光学系统的性能，因此其精度检测是非常重要的工作。

目前，国内外已有很多相关的测量设备和方法，如Fizeau干涉仪、球差测量仪、三维扫描仪等，但这些设备和方法存在一定的局限性，如不能满足高精度、大尺寸、复杂形状等要求。

因此，开发一种非球面镜超精密测量和误差分析系统对于提高非球面镜加工和检测技术有着重要意义。

二、研究内容本研究的目的是设计并研究一种非球面镜超精密测量与误差分析系统，该系统可以实现对非球面镜表面形貌的高精度测量和误差分析，并且可以处理大尺寸、复杂形状的非球面镜。

具体研究内容如下：1.基础理论研究：主要研究非球面镜的形貌描述方法、相干光学干涉原理、非球面镜相位测量算法等。

2.硬件设计与制造：设计并制造非球面镜测量系统的核心器件和组件，包括光源、检测器、相干光路、指示器等。

3.软件开发：采用MATLAB等软件平台进行非球面镜测量数据的处理、分析和可视化，实现测量结果的自动化保存和报告生成。

4.误差分析方法研究：研究非球面镜测量误差的来源、分析方法和控制策略，提高非球面镜测量的准确性和重复性。

5.实验验证与分析：采用自行制造的非球面镜模型进行系统验证和数据分析，探索系统实际应用时的优化和提升方案。

三、预期成果本研究的预期成果包括：1.设计实现一套高精度、大尺寸、复杂形状非球面镜测量系统。

2.开发实现一套非球面镜测量数据分析和处理软件。

3.研究出有效的误差分析方法，提高非球面镜测量的准确性和重复性。

4.验证研究成果的实验结果。

四、研究意义本研究的主要意义在于：1.填补国内非球面镜测量技术空缺，提高非球面镜加工和检测技术的水平。

2.为实际光学系统中非球面镜的精确安装和调试提供科学依据和技术支持。

非球面超精密磨削误差建模与补偿研究
徐俊东;殷跃红
【期刊名称】《机床与液压》
【年(卷),期】2023(51)2
【摘要】为提高课题组自研的超精密磨床加工精度,基于多体系统理论,运用齐次坐标变换原理,分析该超精密磨床37项几何误差来源,对非球面超精密磨削的综合误差建模。

超精密磨床的多项几何误差元素已在制造阶段标定、补偿,取砂轮对刀误差和砂轮轮廓半径磨损误差作为主要面形误差来源,分别推导其对综合误差的传递函数,分析误差辨识方法,建立误差修正补偿模型,提出基于直接补偿的点补修正法。

试验结果表明:建立的综合误差模型正确,根据误差辨识方法和修正补偿模型,修正误差后面形误差显著降低,有效提高面形精度。

【总页数】7页(P87-93)
【作者】徐俊东;殷跃红
【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH161
【相关文献】
1.超精密非球面磨削实验系统建模及实验
2.一种非球面超精密单点磨削与形状误差补偿技术
3.基于微定位工作台的精密磨削过程动力学建模与误差补偿技术
4.非轴
对称非球面平行磨削误差补偿技术研究5.基于旋转声发射的非球面超精密磨削在线监测研究
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