摘要：单点金刚石车削技术被广泛应用于光学表面的超精密加工。然而,车削表面固有的周期性残留刀痕结构将增强表面散射效应,恶化元件光学性能。为了抑制散射以获得高质量光学表面,采用气囊抛光技术主动改变车削表面周期性刀痕结构。基于Taguchi正交试验,以表面粗糙度及功率谱密度的改善率为设计指标,分析获得了最优抛光参数。采用该最优参数对一精车表面进行了抛光试验,抛光后表面粗糙度Ra由3.81 nm降到1.42 nm,各空间频率功率谱密度大幅降低,同时表面的衍射条纹消失。试验结果验证了所采用的抛光及相应优化方法的有效性,具有重要的工程应用价值。

摘要：针对碳化硅光学元件已有的化学机械抛光、磁流变抛光、电化学抛光和催化剂辅助抛光等方式存在材料去除率低、成本高等问题,提出机器人气囊抛光方法,并对气囊抛光特性、抛光头机械结构进行了研究。首先基于Preston理论和赫兹接触理论以及速度分析建立了材料理论去除模型,并对去除函数进行了仿真,再此基础上设计了气囊抛光磨头装置。然后对非球面碳化硅元件开展了单点和多点抛光,实验验证了去除函数的精确性和稳定性。最后通过粗抛和精抛进行加工应用验证,实验结果表明,所提出方法能够有效实现碳化硅光学元件抛光,并且去除函数精度高稳定性强,通过3个周期的粗抛、4个周期的精抛,面形收敛率分别为69.4%、51.9%,且收敛速度快、加工精度高。

摘要：目前对于光学元件气囊抛光系统驻留时间的求解都是基于静态的去除函数,然而实际抛光过程中,抛光头不断地移动,故对于动态去除函数的研究显得尤为必要。通过有限元仿真分析的方法得到动静态接触区的轮廓和接触应力分布数据,发现对于平面工件,动静态接触区均为圆形,而且大小基本一致,且动态接触区应力分布与静态接触区应力分布相比,其峰值点沿抛光头移动的相反方向偏移。在此基础上,根据静态接触区应力呈类高斯分布的理论,利用最小二乘拟合的方法,推导出动态接触区的应力分布函数。通过搭建动静态接触区轮廓提取装置,设计不同下压量下动静态接触区的轮廓提取试验,验证有限元仿真结果的准确性。基于仿真和试验结果推导出动态去除函数,对其进行数值仿真,并与静态去除函数进行对比,发现前者去除率偏小,而且最低点也发生偏移。

摘要：气囊抛光方法可成功应用于模具自由曲面,实现自动化抛光。提出一种面向等残余面形误差的分层修形模具气囊抛光轨迹规划新方法,该方法可用于等残余面形误差工件的整个面形修正过程或非等残余面形误差状态下气囊抛光工艺中的某一阶段。针对光栅型抛光轨迹给出一种基于一次去除深度函数数值仿真的驻留点间距优选方法,并设计了对比性实验进行验证。实验结果表明,以X方向为进给方向的光栅型轨迹中,驻留点间距值选择去除模型中最大去除量1/2处对应Y值的两倍是合理的。

摘要：单点金刚石车削技术已经广泛应用于高精度光学表面的制造,然而其残留在被加工表面的微纳织构将会影响部分光学系统的性能,需要光滑去除。文中对单点金刚石车削刀痕的抛光去除技术进行了研究,发现抛光方向与刀痕垂直时刀痕去除效率最高。基于此,提出了一种螺旋正弦抛光运动轨迹,介绍了螺旋正弦运动轨迹的设计原则,并应用气囊抛光的方式与螺旋式和光栅式运动轨迹进行了对比抛光实验,证明此运动轨迹下微纳织构的改善效果明显优于其他两种方式。最后应用螺旋正弦运动轨迹对一锗材料单点金刚石车削非球面进行了抛光光滑处理,在保持了面形精度的前提下,表面糙度Ra由1.28 nm降低到0.4 nm,规律性微纳刀痕变为随机织构,达到了表面织构改善的目的。

摘要：为保证气囊抛光过程中抛光运动的高稳定性和均匀材料去除率,对气囊抛光非球面过程中气囊工具刚度的可控性进行了研究。通过分析气囊抛光大口径光学元件时工具的受力情况,计算了气囊工具的刚度,并分析了气囊抛光工具刚度对抛光时材料去除的影响及气囊工具刚度的影响因素。设计了气囊工具刚度控制算法并进行模拟试验,仿真结果表明,在刚度标准值根据加工要求设定以后,即可通过调节工件对气囊工具的反作用力,使得气囊抛光大口径光学元件过程中气囊工具刚度可控。

摘要：基于气囊抛光技术和工业机器人平台开发光学元件精密抛光系统,既能满足光学元件快速抛光环节的高效率和高精度的要求,又可以降低开发成本,是极具潜力的抛光设备开发方案。气囊抛光具有稳定的且确定的材料去除特性,通常要求抛光斑稳定性在90%左右。针对机器人气囊抛光系统在多步离散进动抛光过程中机器人末端刚度对气囊抛光稳定性的影响展开研究,通过建立机器人末端刚度矩阵,获得机器人末端变形;基于Preston理论,建立含变形误差的气囊抛光去除函数。最后设计4步离散定点抛光实验验证机器人气囊抛光系统稳定性。根据结果可知抛光斑在XY截面轮廓线上皆呈类高斯形状,且XY截面轮廓线基本一致,具有比较好的重合度;对比不同抛光位置的截面轮廓线,其相对误差小于5%,由此可验证机器人气囊抛光系统在离散进动抛光时具有较好的稳定性。

摘要：为了更好实现光学自由曲面的有效加工,根据计算机控制光学表面成型技术原理,将工业机器人与气囊抛光技术相结合,提出一种光学自由曲面加工的新方法。本文首先建立了机器人抛光系统,分析了气囊抛光工具与工件表面的抛光位姿关系,然后根据气囊抛光工具与工件表面的数学关系,提出一种气囊抛光工具的位姿求取算法。在此基础上,以六轴工业机器人为实验平台,对确定的自由曲面进行计算验证,规划出抛光路径,推导了气囊抛光工具姿态控制算法。结果表明,该位姿求取算法满足机器人气囊抛光技术的要求,能够实现理想的抛光工具姿态控制。

摘要：针对主动式、磁控型和磁流变型气囊抛光工具的不同结构特点和使用功能的有效集成问题,基于模块化理论,将产品需求多变性和主体结构标准化有效结合起来,充分利用共用性和组合优化效应,完成了模块化气囊抛光工具的设计,并为产品族规划打下了基础;开展了模块化基础理论、功能模块划分、结构细化设计和产品族规划等方面的分析与研究,通过柔性工作模块、磁场发生器模块、气控容腔模块、动力模块、连接板模块和传感测控模块等,充分保证了新型气囊抛光技术自动、柔性、可控、多变的特点;在以模块化气囊抛光工具为核心的机器人辅助模具自由曲面抛光平台上,进行了相关的试验研究。研究结果表明:将模块化气囊抛光工具应用于模具钢抛光,能获得Ra0.006μm的高质量表面。

摘要：针对气囊抛光头对接触区域压力呈类高斯分布的要求,采用有限元分析的方法,通过研究气囊抛光头接触区域的充气变形情况,对气囊抛光头展开结构优化设计。基于Preston方程分析影响压力分布的实验参数,建立有限元三维模型,观察气囊抛光头与工件在不同实验参数条件下的接触变形情况,并提取气囊抛光头轮廓圆度变形数据,采用最小二乘法对气囊抛光头轮廓进行优化,并在相同实验参数条件下对比优化前后气囊抛光头的接触变形情况,利用轮廓数据拟合气囊抛光头曲线方程。结果表明:在相同充气压力下,优化后气囊抛光头圆度变形量下降约50.8%,具有良好的抵抗充气变形的能力,且接触区域压力呈类高斯分布。