离轴三反光学自由曲面抛光工艺研究

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1、分类号：单位代码：研究生学号：密级：公开含林大学顿士学位论文学术学位）离轴三反光学自由曲面抛光工艺研究作者姓名：黄登鹏专业：机械制造及其自动化研究方向：智能精密制造指导教师：张雷教授培养单位：机械科学与工程学院年月离轴三反光学自由曲面抛光工艺研究作者姓名：黄登鹏专业名称：机械制造及其自动化指导教师：张雷教授学位类别：工学硕士答辩日期：年月日未经本论文作者旳书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权

2、的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：、曰期：年月曰离轴三反光学自由曲面抛光工艺研究摘要作为新一代光学系统的核心关键器件，光学自由曲面元件己广泛应用于航空航天、生物医药、光电通信及科学仪器等领域。与传统光学曲面相比，光学自由曲面的应用可以使光学系统兼具光学设计灵活，光

3、学性能优异，系统结构紧凑及系统装调简单等优点，是高质量光学系统的最佳解决方案。然而，由于光学自由曲面元件不仅形状复杂，而且要求具有亚微米级的形状精度、纳米级的表面粗糙度以及良好的表面完整性，这给光学自由曲面的加工带来了挑战。抛光加工以表面光整、表面损伤去除以及面型误差修正为主要目的，是光学曲面制造过程中的重要工艺。光学自由曲面的抛光质量与抛光策略、抛光路径、驻留时间、抛光液、抛光工具形状保持性、机床运动精度及曲面测量方法等密切相关。本文针对离轴三反光学系统中以描述的主镜和三镜自由曲面的抛光，提出了自由曲面抛光的集成抛光工艺体系和抛光策略，规划了用于四轴数控抛光实

4、验平台的抛光轨迹，建立了球形抛光工具的去除函数，计算了沿抛光轨迹的工具头驻留时间。所提出的集成抛光工艺体系包括工具影响函数模块、抛光路径规划模块以及驻留时间计算模块，各模块之间紧密关联，共同构成了自由曲面抛光全过程的系统性技术路线图。在同步抛光与异步抛光策略下，规划了同心圆轨迹、近似同心圆轨迹、螺旋轨迹以及交错轨迹等四种抛光轨迹。抛光轨迹规划以设计曲面为基础，在对参数化自由曲面进行离散化之后，利用双三次差值将导平面上的导线投影到自由曲面上生成刀触轨迹；然后利用构建加密网格的方法计算了各刀触点的法向量，沿曲面的法线方向将刀触轨迹进行偏移，得到抛光头几何中心的轨迹，

5、即抛光轨迹；最后，通过几何分析建立了关于轴转角的一元二次方程，求解得到了对应于不同刀位点的抛光姿态角。以方程为基础建立了离轴三反自由曲面抛光过程中球形抛光头的工具影响函数，通过对工具影响函数进行积分，建立了恒进给速度和变进给速度下的抛光去除轮廓。为了计算沿抛光轨迹的驻留时间，在三反镜自由曲面上定义了等角度放射状分布的测量线，建立了测量线上的材料去除方程组，利用非负最小二乘法求解了方程组中的驻留时间。选取了一镜曲面上的两条测量线，对测量线上的材料去除进行了仿真预测，结果表明，驻留时间计算的算法正确，计算误差在允许范围之内。实际抛光实验表明，通过次的迭代逼近抛光，离

6、轴三反自由曲面一镜和三镜的表面粗糖度分别达到了和，形状精度达到了。关键词：光学自由曲面，离轴三反系统，超精密抛光，轨迹规划，材料去除，驻留时间InvestigationonPolishingProcessforFreeformOpticalSurfacesinanOff-axisThreeMirrorSystemABSTRACTAsthekeycomponentofnewgenerationopticalsystem，，，，，strategy,theConcentricCirclePath(CCP)，，，：，，，目录第章绪论课题的研究背景及意义国内外研究现状光学

7、自由曲面加工的研究现状超精密抛光加工的国内外研究现状主要研究内容光学自由曲面抛光轨迹规划光学自由曲面抛光材料去除控制离轴三反光学自由曲面抛光实验研究第章离轴三反自由曲面抛光轨迹规划集成抛光工艺体系自由曲面的参数域离散抛光轨迹规划同心圆轨迹和螺旋线轨迹近似同心圆轨迹交错轨迹抛光姿态角的求解抛光轨迹运动学逆解离轴三反自由曲面轨迹规划结果本章小结第章离轴三反自由曲面抛光材料去除控制离轴三反自由曲面抛光策略迭代抛光策略同步抛光与异步抛光策略抛光材料去除模型抛光机理及方程工具影响函数材料去除函数驻留时间计算3.4本章小结第章离轴三反自由曲面的抛光实验抛光实验条件拋光实验平

8、台抛光工具头抛光实验及结