大口径异形离轴非球面气囊抛光技术研究

Large-aperture non-circular off-axis aspheric mirror is widely used in the fields of space optics and astronomy .It has many advantages ,such as reduce the weight of system, avoid block out light and avoid mirrors interference with mechanical structures. But polishing technology of Large-aperture non-circular off-axis aspheric mirror is an important problem of advanced manufacturing technology field of optics.,still have many challenges .Gasbag polishing technology is emerging in recent years, it has the characteristics of high efficiency ,gasbag in good coincidence with the mirror surface, polished mirror surface slippy .It is suitable for the development of Large-aperture non-circular off-axis aspheric mirror. In our country, there is no suitable gasbag polishing technology for such mirrors .The applicant has carried out the the gasbag polishing technology research, and developed gasbag polishing machine. This project aims at researchto develop the gasbag polishing technology further that suitable for large-aperture non-circular off-axis aspheric . The project include establish mathematical model; research and develop programming unit,;translat the polishing trace into 4 G code to control polishing trace accurately ;ensure material removal distribution function is Gaussian to achieve uniform polishing. Besides that ,edge effect is a difficult problem of the gasbag polishing technology to be solved, the project according to analyze the causes of edge effect and the characteristics of gasbag polishing technique, optimize the polishing trace, adjust the gasbag angle to eliminate the edge effect.

大口径异形离轴非球面广泛应用于空间光学领域以及天文领域，具有减轻光学系统重量、避免遮光、避免镜体与机械结构相互干涉等优点。但异形离轴镜面研制技术一直是先进光学制造领域研究的前沿课题,仍然面临很多挑战。气囊式抛光是近几年新兴的抛光技术，具有吻合特性好、抛光面形平滑，高频误差小、材料去除率高等特点。非常适合异形离轴非球面的研制，国内尚无适用于大口径异形离轴非球面的气囊抛光技术。申请者曾开展了气囊抛光技术研究，研制了气囊抛光系统，本项目在已有工作基础上研发适用于大口径异形离轴非球面气囊抛光技术，建立数学模型、研发编程软件，将气囊运动抛光轨迹转化为四维G代码，精准控制气囊抛光轨迹，确保镜面非边缘区域材料去除函数呈高斯分布，实现均匀抛光；边缘效应是气囊抛光技术亟待解决的难题，本项目分析边缘效应产生的原因，根据边缘材料去除函数特性，进行抛光试验，通过优化抛光轨迹，调整进动角大小消除边缘效应。

该项目优化了系统结构，将Z轴改为配重浮动结构，可以垂直移动，重新进行了G代码转化计算，完成了GUI界面设计，用户可输入关键数据后，将二维G代码导入，软件会自动生成四维G代码，同时完成理想抛光路径及实际抛光路径的软件化仿真，便于提前查看实际抛光路径的走向及评估抛光风险。进行了平面定点抛光试验，分析主要参数对材料去除函数特性的影响 ，各参数对材料去除率的影响程度顺序为：进动角>驻留时间>气囊自转轴转速；经实验分析该新型气囊式抛光机床进行抛光时，进动角有效范围5°到20°，最佳气囊自转速度为200转/min。进行镜面抛光实验，实验对象为一块口180mm*84mm的长方形异形球面反射镜，试验中分析面形检测结果变化趋势调整工艺参数配置。并总结了以下规律（1）减少轨迹重叠次数有利于消除轨迹痕迹。（2）抛光轨迹行间距0.1mm~1.5mm有利于镜面平滑度,同时要综合考虑抛光时间，因为行间距约小，则驻留时间会相应增加。（3）抛光后期，压力0.5kg为益，本系统数控运行速度300mm/min~500 mm/min最佳，气囊自转速度50r/min。（4）为减轻边缘效应，抛光轨迹不同于传统小磨盘抛光，轨迹可超出镜轮廓，实验中发现，抛光轨迹超出镜轮廓5mm取得了良好的效果，针对性修改翘边，抛光轨迹可在超出镜轮廓5mm至10mm范围均匀磨削。按照以上原则，该镜最终面形检验结果RMS 20nm，PV120nm ，表面粗糙度 RMS2.1nm。实验中发现气囊抛光机床在整体抛光时可以很好的保持原有面形不变，但是在对高带进行针对性抛光时发现，抛光位置会有少量偏差。主要原因为系统结构导致了机床坐标系和工件坐标系存在角度偏差，同时，在实际操作中，很难精准确定气囊球心与工件几何中心的位置关系。聚氨酯抛光垫抛光效率太高，面形达到一定精度后去除量不易控制，羊毛毡抛光效率适中，但是表面粗糙度RMS 2.1nm，有待提高。因此需做以下调整（1）需要重新调整系统的结构。（2）确保气囊系统坐标与工件坐标完全重合（3）气囊抛光头表面覆盖材质仍需要进一步研究，即要有适当的抛光去除率，又要保证镜面粗糙度。（4）目前该系统根据面形编辑抛光轨迹，其中存在人为的不确定性，应继续深入研究驻留时间去去除特性的关系。建立数学模型，根据面形自动规划抛光路径并分配抛光时间。