大口径光学元件离子束抛光系统及加工工艺研究
随着现代科技的发展，大口径光学系统广泛应用于空间科学研究、天文光学、地基空间目标探测与识别等高科技领域。目前大口径光学系统的发展呈现出两大比较突出的特点，一是光学元件口径越来越大，二是面形精度越来越高。这对光学元件的加工提出了更高的要求，促进了光学加工技术的发展。大口径工件的加工包括镜坯成形、铣磨、研磨以及抛光等多个阶段，其中抛光是最重要的后续工序，传统的光学元件误差修正方法存在加工时间长、收敛速度慢等缺点，很难满足光学元件的加工需求，因此出现了如小磨头、应力盘、气囊、磁流变和离子束等一些确定性抛光方法。在这些方法中，离子束抛光方法具有最高加工精度，是目前光学元件面形精度提升的最后一道工序，离子束加工的精度决定了光学元件抛光所能达到的最高精度。 国外在20世纪80年代末期就已经研制成功了大型离子束抛光系统并将其应用于天文望远镜的加工。进入本世纪，法国、德国、意大利等国家也都研制出大型离子束抛光系统，并实现了大口径光学元件的高精度加工。鉴于大型离子束抛光系统在商业和军事上的巨大应用价值，我们必须开展相关的研究工作。本文在课题组已有的基础上开展了大型离子束抛光系统的研究，主要的工作分为以下几部分： 1、KDIBF2000大型离子束抛光系统的研制。对大型离子束抛光系统进行了大量的设计工作，双真空室和双工位加工系统提高机床的加工效率和利用率；五轴联动运动系统实现了离子源的高精度控制，使离子束可以加工各种复杂曲面的工件；对机床关键部件进行多目标优化设计，提高了机床的动静态性能；系统的动静态性能测试以及样件的加工测试证实了机床具备优异的加工性能。该系统的研制为实现大口径工件的离子束抛光奠定了基础。 2、大口径光学元件快速收敛加工工艺研究。驻留时间求解是大口径工件抛光的关键问题，为了提高大口径工件误差收敛效率，提出了基于脉冲迭代法的滤波加工方法和基于线性方程组法的双束径组合工艺，分析表明滤波方法和双束径组合工艺都可以在不降低加工精度的情况下，节省加工时间，从而提高加工效率；由于离子束抛光是工件最后一道加工工序，高准确性的去除函数直接关系到快速收敛工艺是否能够实现高效率和高精度加工，基于以上目标分析了去除函数误差对加工精度的影响，并提出了去除函数误差辨识和补偿方法。 3、离子束抛光方法修正边缘效应。边缘效应被认为是大口径光学元件加工中最难攻克的技术难点之一，离子束抛光方法具有无边缘效应的优点，是理想的修正边缘效应的方法。首先建立了离子束修正边缘效应的理论模型和工艺流程；其次分析了离子束修正边缘效应存在的问题，边缘翘边不能完全去除和中间交汇处的过去除现象，通过边缘数据延拓和外移加工点方法解决了这两大问题；最后通过工艺试验验证了离子束修正边缘效应的可行性。 4、大口径光学元件的离子束抛光实验。在上述研究的基础上，完成了多项大口径光学元件的加工工作，其中包括大口径矩形镜和微晶平面镜的高精度修形，通过离子束抛光面形误差都能够快速收敛从而满足加工精度要求，试验结果验证了抛光系统的大镜加工能力和大境加工工艺方法的正确性。
离子束抛光;驻留时间;边缘效应;光学元件;加工工艺
国防科学技术大学
博士
机械工程
解旭辉;周林
2018
中文
TG580.692
2020-04-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）