振动辅助与织构约束的大口径光学非球面柔性抛光理论及其中频误差控制机理

The bonnet polishing technique is proved to be an efficient method to control the mid-frequency error of large-scale optical surface. But the serious issue is that polishing pad wears out rapidly and gets blocking easily which harms the capability of material removal and mid-frequency error’s modification. This project proposes to apply both the vibration-assistance and surface-texturing technologies to the bonnet polishing technique to solve the aforementioned problems. The mechanism of bonnet polishing will be analyzed to reveal the reason of pad’s wearing out. Meanwhile, the fusion mechanism of vibration-assistance and surface-texturing technologies to the bonnet polishing will be carried out and also the modulation effect of both technologies on the bonnet polishing will be explored. In additional, the inhibition mechanism and technology of modified bonnet polishing technique on the mid-frequency error will be studied comprehensively. Then the anti-wearing out and material removal capabilities of the modified bonnet polishing technique will be evaluated theoretically. Finally, a data base will be established to storage the modified bonnet polishing results of large-scale optical aspheric. This work not only can rich the theory of computer controlled polishing, but also offer a feasible method to control the mid-frequency error, which can help to improve the precision level of large scale optical components.

厦门大学在资助号为51275433的国家自然基金项目研究中发现，柔性气囊抛光是抑制与去除400mm*400mm以上大口径光学非球面中频误差的有效手段，效率比普通计算机数控抛光高约10倍以上，缺点是抛光垫磨损迅速且堵塞严重，导致其抛光去除效率与中频误差修正能力极不稳定，并已成为制约柔性气囊抛光能否切实生产应用的瓶颈。本项目针对柔性气囊抛光的高磨损及中频误差修正能力弱化缺陷，以减缓/均化工具磨损及促进自锐而保证加工效率为目标，深入研究气囊抛光的加工机理与气囊的磨损机制；寻求柔性气囊对振动辅助与织构约束的技术融合机制；探索振动辅助与织构约束对柔性气囊进动抛光的调制机理；获得改进柔性气囊抛光的中频误差形成机理与抑制机制及控制工艺。研究不仅可丰富计算机控制抛光技术理论，且可为大口径光学非球面的高效与低中频误差精密光整加工提供切实可行的理论支持与技术手段，显著提高大光学工程项目所需光学元件的精度水平。

目前，我国已基本研究解决大口径光学非球面的低损伤和高精度加工问题，并研究发现柔性气囊抛光是抑制光学表面中频误差的有效手段，但存在的突出问题是：急需解决抛光垫剧烈磨损而造成的抛光去除效率与中频误差修正能力严重损害问题。对此，本项目以减缓或均化工具磨损及促进自锐并保证其加工效率为目标，深入研究气囊抛光的加工机理和气囊的磨损机制与规律；探讨柔性气囊抛光对振动辅助与织构约束技术的融合机制，研究振动辅助与织构约束对柔性气囊抛光的调制机理；探索改进气囊抛光的中频误差抑制机制与工艺，评价改进气囊抛光的抗磨损能力与材料去除效率；最终建立大口径光学非球面的改进气囊抛光加工能力曲线。.研究获得的重要结果包括：①. 建立柔性气囊抛光的表界面模型，突破利用传统Preston方程表述抛光材料去除的经典模型，应用统计多磨粒微接触模型建立了考虑多界面因素影响的气囊抛光材料去除模型，并进一步研究了抛光垫磨损对柔性气囊抛光加工材料去除的影响；②. 建立了内含微织构相互作用表界面的接触分析模型，以及二维振动辅助研磨和抛光的磨粒加工运动学模型，分析了表界面的接触特性与流体流动行为，揭示了振动弱化抛光垫磨损的主因。③. 研究获取织构约束的振动辅助柔性气囊抛光去除影响函数，揭示规则抛光加工路径的改性柔性气囊抛光全频域误差收敛特性，并研究获得了偏置气囊抛光方式的随机加工路径规划策略与方法。④. 获得了改进柔性气囊抛光加工的中频误差控制能力曲线。⑤. 新提出一种国内外空白的三正交空间电机驱动的新型自旋转柔性球连续进动抛光方法，建立了其连续进动抛光加工的等效转轴控制策略与方法。.项目发表论文17篇，英文书1章节，授权发明专利6项，软件著作权1项。.本研究不仅可丰富计算机控制抛光技术理论，且可为大口径光学非球面的高效与低中频误差精密光整加工提供切实可行的理论支持和技术手段，显著提高大光学工程项目所需光学元器件的精度水平。