光学自由曲面主动调制车削新方法的研究

光学自由曲面具有十分显著的优点，在航天航空、国防和科学仪器等许多重要的工业领域有着日益增长的应用需求。基于快速刀具伺服的金刚石车削被称为是一种最有发展前途的光学自由曲面创成方法，迄今为止却依然存在着一些难以逾越的固有缺陷。为从根本上颠覆这些固有缺陷，本项目提出一种光学自由曲面主动调制车削的新方法，其特征主要是：对表面形貌和切削力进行主动伪随机调制，以获得光学表面的统计一致性，抑制衍射效应。本项目研究主要包括：提出主动伪随机调制方法；揭示伪随机调制参数对表面形貌和切削力的概率特征以及谱特征的影响规律；揭示伪随机调制参数对光学性能特征的影响规律；提出主动伪随机调制车削的自适应刀具路径生成方法；提出主动伪随机调制车削的参数优化方法。本项目通过主动调制车削将获得无衍射效应的光学质量表面，抑制后续抛光工艺，将获得的光学表面直接推进到极紫外光学和X射线的领域，具有开拓性和变革性的意义。

复杂光学曲面主要涉及非回转对称光学曲面、微结构光学功能表面以及其它复合结构曲面等，具有许多令人瞩目的优点，例如：抑制光学系统像差，减少光学系统中光学元件个数，为光学设计者提供更大的自由度等，在一些重要的科学与工程领域有着日益增加的应用需求。.国际学术界与工业界普遍认为，基于快速刀具伺服（Fast Tool Servo, 以下简称FTS）的金刚石车削是最有发展前途的一种复杂光学曲面的高效精密加工创成方法。但迄今为止还存在许多问题尚未得到妥善解决，主要涉及：基于恒径向进给的金刚石车削所形成的加工表面粗糙度结构具有明显的周期性，恶化了光学零件的使用性能；基于FTS的金刚石车削可加工形成回转不对称曲面或微结构表面，但是却无法解决难加工材料的切削加工性问题；柔性工件的变形以及切屑载荷对刀触点坐标的依赖性，使得材料去除过程中切削力扰动较大，降低金刚石刀具的寿命以及增大光学曲面的面形误差等。.为了解决所述的这些问题，针对复杂光学曲面的主动调制车削进行了系统深入的研究，取得了一些重要的进展，主要包括：（1）提出了一种基于两自由度FTS的伪随机调制车削方法，可以打破加工表面刀痕结构的周期性并显著地均化散射效应；（2）研制了一种基于差动式原理并且运动完全解耦的两自由度FTS，可以满足主动调制车削的要求；（3）提出了一种基于两自由度FTS的切屑载荷调制车削方法，可以有效地抑制切削力的扰动并显著提高面形精度；（4）提出了一种将FTS与椭圆振动切削（Elliptical Vibration Cutting, 以下简称EVC）无缝集成的混频调制车削方法，可以用于难加工材料光学自由曲面的加工创成；（5）针对柔性刀具运动机构，提出了一种基于频响函数矩阵动态补偿的切削力测量方法，可以显著提高切削力测量准确性。.本项目研究发展了快速伺服金刚石车削方法，可以有效地获得期望的加工表面粗糙度结构以及面形精度；尤其是突破了金刚石车削无法加工创成难加工材料光学自由曲面的限制。这些研究结果为促进光学自由曲面主动调制车削方法的广泛应用提供了科学和工艺基础。