高精度球体类零件离子束确定性修形技术研究

论文摘要

随着现代科技的不断发展,特别是装备性能的迅速提升,应用于各种领域的光学系统对关键零部件的精度要求越来越高。高精度球体类光学零件在精密测量仪器、激光核聚变和高精度陀螺仪表中有重要的应用,其技术对球面的形状精度要求非常高,成为制约其性能的关键因素。解决球体类零件三维误差测量及评价理论和高精度确定性修形工艺等关键性难题,为提高球体类零部件的制造水平提供理论支持和工艺基础,具有重要的科学意义和实际需求。离子束修形技术以离子溅射效应去除材料,利用CCOS（Computer Controlling Optics Shaping）成型原理对面形进行误差修正,能够实现球体类零件的高精度加工。非接触、高确定性和纳米量级的材料去除方式使得离子束修形技术在很多方面都优于传统修形技术,沿曲面法向去除材料的特性和去除函数对表面曲率的不敏感性对于加工球体类零件具有明显的优势。本论文主要研究了子孔径拼接干涉测量方法,获得了球体类零件的全局面形误差分布,基于Sigmund溅射理论和CCOS成型原理研究了不同入射角离子束材料去除特性和面形误差修正技术等关键性问题,形成球体类零件离子束确定性修形的新方法和新工艺。论文的研究工作主要包括以下几部分:1.以Sigmund溅射理论为依据,通过研究不同入射角下离子束修形过程中的材料去除特性,确定了去除速率与入射角的非线性关系,建立了相应的去除函数的理论和实验模型;揭示了不同入射角下离子束沿曲面法向去除材料的规律和去除速率对表面曲率的不敏感性,在离子源工艺参数恒定的条件下,推导出了去除速率是以入射角为单一变量的函数;研究了光学材料表面在离子束作用下的粗糙度演变过程,提出应用倾斜抛光和牺牲层抛光技术获得超光滑表面,延伸了离子束技术的加工性能。2.基于CCOS成型原理,结合离子束修形的材料去除特性,针对高陡度镜面建立了驻留时间模型,对传统的卷积公式进行了改进,并介绍了该模型的加权Lucy-Richardson算法,提出了改进的脉冲迭代算法和基于补偿的驻留时间求解算法,解决了高陡度光学零件加工过程中驻留时间求解的难题。针对半球投影变形较大和全球面的不可展性,根据地球投影学的理论提出了面形的非线性展开和分带投影方法,并对划分的不同子区域进行拼接加工。3.为了获得全局面形误差分布,解决高陡度球体类零件的测量和评价难题,研究了子孔径拼接干涉测量方法。针对不同的球体类零件设计了相应的位姿调节装置,实现了半球面和全球面的球体类零件的拼接干涉测量。通过地图投影原理对球体类零件的面形误差进行了三维重构,为离子束确定性修形技术提供了检测和评价手段。4.在上述研究工作的基础上,对球体类零件进行了修形实验。形成了球体类零件离子束确定性修形的工艺流程,实现了以半球和超半球为典型代表的球体类零件的纳米精度制造,验证了驻留时间算法和工艺流程的可行性和正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源与意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 课题研究的背景与意义
• 1.2 国内外现状
• 1.2.1 球体类零件传统加工和测量综述
• 1.2.2 球体类零件手工抛光和测量综述
• 1.2.3 离子束确定性修形技术综述
• 1.3 论文主要研究内容
• 第二章 不同入射角下离子束修形材料去除特性研究
• 2.1 材料去除特性分析
• 2.1.1 离子溅射理论
• 2.1.2 去除速率的理论分析
• 2.2 不同入射角去除函数的理论建模分析
• 2.2.1 不同入射角去除函数的理论模型
• 2.2.2 去除函数模型参数与仿真
• 2.3 不同入射角去除函数的实验建模分析
• 2.4 表面粗糙度演变研究
• 2.4.1 离子束抛光机理
• 2.4.2 倾斜入射抛光技术
• 2.4.3 牺牲层抛光技术
• 2.4.4 粗糙度演变实验
• 2.5 本章小结
• 第三章 高陡度镜面的驻留时间模型及求解算法
• 3.1 驻留时间模型
• 3.2 改进的驻留时间模型及求解算法
• 3.2.1 加权Lucy-Richardson 算法
• 3.2.2 改进的脉冲迭代算法
• 3.3 基于补偿的驻留时间算法
• 3.3.1 补偿算法模型
• 3.3.2 算法仿真比较
• 3.4 高陡度球体类零件的非线性展开
• 3.4.1 地图投影的基本理论
• 3.4.2 面形误差非线性展开
• 3.4.3 拼接加工
• 3.5 本章小结
• 第四章 球体类零件的拼接干涉测量方法
• 4.1 子孔径拼接算法
• 4.2 子孔径划分
• 4.3 三维面形误差重构
• 4.4 拼接干涉测量实验
• 4.4.1 半球干涉测量实验
• 4.4.2 全球干涉测量实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 球体类零件的离子束确定修形工艺实验
• 5.1 线扫描验证相对去除速率实验
• 5.2 高陡度球冠修形实验
• 5.3 半球面修形实验
• 5.4 全球面修形实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果