留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

光学元件磁流变加工不确定度误差工艺方法

高博 范斌 王佳 吴湘 辛强

戴一帆, 石峰, 彭小强, 等. 光学镜面磁流变确定性修形的实现 [J]. 光学学报, 2010, 30(1): 198-205. doi:  10.3788/IRLA20230595
引用本文: 戴一帆, 石峰, 彭小强, 等. 光学镜面磁流变确定性修形的实现 [J]. 光学学报, 2010, 30(1): 198-205. doi:  10.3788/IRLA20230595
戴一帆, 石峰, 彭小强, 等. 光学镜面磁流变确定性修形的实现 [J]. 光学学报, 2010, 30(1): 198-205. doi:  10.3788/IRLA20230595
Citation: 戴一帆, 石峰, 彭小强, 等. 光学镜面磁流变确定性修形的实现 [J]. 光学学报, 2010, 30(1): 198-205. doi:  10.3788/IRLA20230595

光学元件磁流变加工不确定度误差工艺方法

doi: 10.3788/IRLA20230595
基金项目: 国家重点研发计划项目(2021YFC2202101)
详细信息
    作者简介:

    高博,男,硕士生,主要从事光学加工方面的研究

    范斌,男,研究员,博士,主要从事光学加工方面的研究

  • 中图分类号: TH161

Uncertainty error technology for magnetorheological finishing of optical elements

Funds: National Key Research and Development Program of China (2021YFC2202101)
  • 摘要: 为减少磁流变抛光过程中误差对加工精度的影响,实现光学元件磁流变高精度加工,采用一种不确定度误差工艺方法对加工中的误差进行抑制。通过对磁流变加工过程中的位置误差和去除函数误差进行不确定度分析,在理论分析与实验分析的基础上进行验证实验。由仿真与实验结果可知,加工中面形误差与中频误差均存在3.5 nm的不确定度误差值,通过验证实验,得到了加工后的面形误差RMS值为20 nm,中频误差RMS值为14 nm。结果表明,采用误差不确定度的方法可优化加工工艺流程,减少误差对加工过程的影响,可以达到不确定度下的面形精度。该方法为磁流变高精度确定性加工以及面形误差与中频误差的抑制问题提供了一种解决方案。
  • 图  1  磁流变去除函数定位误差示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of removing function positioning error

    图  2  (a) 光学元件原始面形误差;(b) 去除函数加工后面形误差;(c) 去除函数沿X轴偏转1°加工后面形误差;(d) 去除函数沿X轴偏转2°加工后面形误差;(e) 去除函数沿Y轴偏转1°加工后面形误差;(f) 去除函数沿Y轴偏转2°加工后面形误差

    Figure  2.  (a) The original surface error of the optical element; (b) The surface error obtained after the removal function processing; (c) The surface error obtained after the removal function was deflected 1° along the X-axis; (d) The surface error obtained after the removal function was deflected 2° along the X-axis; (e) The surface error obtained after the removal function was deflected 1° along the Y-axis; (f) The surface error obtained after the removal function was deflected 2° along the Y-axis

    图  3  磁流变抛光去除函数

    Figure  3.  Removal function of MRF finishing

    图  4  (a) 磁流变加工及(b) 面形检测过程

    Figure  4.  Process of (a) magnetorheological finishing and (b) surface shape detection

    图  5  #A(a)初始面形误差及(b)初始面形中频误差

    Figure  5.  (a) Initial surface error and (b) initial mid-spatial error of #A

    图  6  #A仿真加工后(a)面形误差及(b)中频误差

    Figure  6.  (a) Surface error and (b) mid-spatial error after simulation processing of #A

    图  7  #A实际加工后面形。 (a) 第一次磁流变加工后面形;(b) 第二次磁流变加工后面形;(c) 平滑后面形;(d) 第三次磁流变加工后面形;(e) 第四次磁流变加工后面形;(f) 第四次磁流变加工后中频误差

    Figure  7.  Actual machining surface of #A. (a) After the first magnetorheological finishing; (b) After the second magnetorheological finishing; (c) After the smooth processing; (d) After the third magnetorheological finishing; (e) After the fourth magnetorheological finishing; (f) Mid-spatial error after the fourth magnetorheological finishing

    图  8  不确定度误差下加工工艺流程图

    Figure  8.  Process flow chart under uncertainty error

    图  9  #B(a)初始面形误差及(b) 中频误差

    Figure  9.  (a) Initial surface and (b) initial mid-spatial error of #B

    图  10  #B仿真加工后(a) 面形误差及(b)中频误差

    Figure  10.  (a) Surface error and (b) mid-spatial error after simulation processing of #B

    图  11  #B实际加工后面形。 (a) 第一次磁流变加工后面形;(b) 第二次磁流变加工后面形;(c) 平滑后面形;(d) 第三次磁流变加工后面形;(e) 第二次平滑后面形;(f) 第四次磁流变加工后面形;(g) 第五次磁流变加工后面形;(h) 第五次磁流变加工后中频误差

    Figure  11.  Actual machining surface of #B. (a) After the first magnetorheological finishing; (b) After the second magnetorheological finishing; (c) After the first smooth processing; (d) After the third magnetorheological finishing; (e) After the second smooth processing; (f) After the fourth magnetorheological finishing; (g) After the fifth magnetorheological finishing; (h) Mid-spatial error after the fifth magnetorheological finishing

    图  12  #B实际加工中频误差。 (a) 图11(d)中包含中频误差;(b) 图11(e)中包含中频误差

    Figure  12.  Actual machining mid-spatial error of #B. (a) Mid-spatial error in Fig.11(d); (b) Mid-spatial error in Fig.11(e)

    表  1  非球面镜#A技术参数

    Table  1.   Technical parameters of off-axis aspheric #A

    Parameter Value
    Diameter/mm 145
    Radius of curvature/mm −425.17
    Quadric constant −1
    Off-axis quantity/mm 121.23
    下载: 导出CSV

    表  2  磁流变抛光工艺参数

    Table  2.   Parameters of magnetorheological finishing

    ParameterValue
    Diameter of polishing wheel/mm200
    Polishing wheel speed/rpm170
    Current intensity/A7
    Quantity of flow/L·min−1120
    Magnetorheological fluid viscosity/cp190
    Pressing depth/mm0.1
    下载: 导出CSV
  • [1] Harris D C. History of magnetorheological finishing [C]//Proceedings of SPIE, 2011, 8016(4): 561-566.
    [2] Ghosh G, Sidpapa A, Bandyopadhyay P P. Experimental and theoretical investigation into surface roughness and residual stress in magnetorheological finishing of OFHC copper [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2021, 288(1): 116899.
    [3] Cheng R, Li L, Xue D, et al. Accurately predicting the tool influence function to achieve high-precision magnetorheological finishing using robots [J]. Opt Express, 2023, 31(21): 34917-34936. doi:  10.1364/OE.498458
    [4] Chen S, Cai T. Investigations on process parameters of cluster magnetorheological polishing in a planet motion model [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, 128(11): 5477-5490.
    [5] 戴一帆, 石峰, 彭小强, 等. 光学镜面磁流变确定性修形的实现 [J]. 光学学报, 2010, 30(1): 198-205. doi:  10.3788/AOS20103001.0198

    Dai Yifan, Shi Feng, Peng Xiaoqiang, et al. Deterministic figuring in optical machining by magnetorheological finishing [J]. Acta Optica Sinica, 2010, 30(1): 198-205. (in Chinese) doi:  10.3788/AOS20103001.0198
    [6] 肖晓兰, 阎秋生, 潘继生, 等. 超精密磁流变复合抛光技术研究进展 [J]. 广东工业大学学报, 2016, 33(06): 28-33.

    Xiao Xiaolan, Yan Qiusheng, Pan Jisheng, et al. A review on ultra-precision compound polishing technology of magnetorheological [J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2016, 33(6): 28-33. (in Chinese)
    [7] Zhang P, Dong Y, Choi H J, et al. Reciprocating magnetorheological polishing method for borosilicate glass surface smoothness [J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2020, 84: 243-251. doi:  10.1016/j.jiec.2020.01.004
    [8] 肖强, 王嘉琪, 靳龙平. 磁流变抛光关键技术及工艺研究进展 [J]. 材料导报, 2022, 36(7): 65-74.

    Xiao Qiang, Wang Jiaqi, Jin Longping. Research progress of key technology and process of magnetorheological finishing [J]. Materials Reports, 2022, 36(7): 65-74. (in Chinese)
    [9] Li X, Li Q, Ye Z, et al. Surface roughness tuning at sub-nanometer level by considering the normal stress field in magnetorheological finishing [J]. Micromachines, 2021, 12(8): 997. doi:  10.3390/mi12080997
    [10] 杨航, 陈英, 黄文, 等. 面向中频误差的变距螺旋矩阵轨迹优化方法 [J]. 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210443. doi:  10.3788/IRLA20210443

    Yang Hang, Chen Ying, Huang Wen, et al. Trajectory optimization method of variable pitch spiral matrix for intermediate frequency error [J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(3): 20210443. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA20210443
    [11] 李龙响, 邓伟杰, 张斌智, 等. 大口径光学元件磁流变加工驻留时间求解算法 [J]. 光学学报, 2014, 34(05): 217-223.

    Li Longxiang, Deng Weijie, Zhang Binzhi, et al. Dwell time algorithm for large aperture optical element in magnetorheological finishing [J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(5): 0522001. (in Chinese)
    [12] Khatri N, Xavier M J, Mishra V, et al. Experimental and simulation study of nanometric surface roughness generated during Magnetorheological finishing of silicon [J]. Materialtoday: Proceedings, 2018, 5(2): 6391-6400.
    [13] Yu B, Gu Y, Lin J, et al. Surface polishing of CoCrMo alloy by magnetorheological polishing [J]. Surface and Coatings Technology, 2023, 475: 130162. doi:  10.1016/j.surfcoat.2023.130162
    [14] Wang B, Tie G, Shi F, et al. Research on the influence of the non-stationary effect of the magnetorheological finishing removal function on mid-frequency errors of optical component surfaces [J]. Opt Express, 2023, 31(21): 35016-35031. doi:  10.1364/OE.501830
    [15] 杨超, 张乃文, 白杨. 硒化锌晶体的高效率高质量组合抛光方法 [J]. 红外与激光工程, 2022, 51(9): 20220531. doi:  10.3788/IRLA20220531

    Yang Chao, Zhang Naiwen, Bai Yang. High-efficiency and high-quality combined polishing method of zinc selenide crystal [J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(9): 20220531. (in Chinese) doi:  10.3788/IRLA20220531
    [16] 宋辞. 非球面光学零件磁流变抛光关键技术研究[D]. 国防科学技术大学, 2012: 15-18.

    Song Ci. Study on the key techniques of magnetorheological finishing for off-axis aspheric optical elements[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2012: 15-18. (in Chinese)
    [17] 李龙响. 大口径非球面磁流变加工的关键技术研究[D]. 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所), 2016: 14-29.

    Li Longxiang. Study on the key techniques of magnetorheological finishing for large aspheric optics[D]. Changchun: Chinese Academy of Sciences (Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics), 2016: 14-29. (in Chinese)
    [18] Yang F, Sun Y, Wang Y, et al. Modeling and experimental verification of surface roughness for grinding monocrystalline silicon lens[J]. Advanced Theory and Simulations , 2022, 5(7): 2100422.
    [19] Tian Y, Qiao S, Guo S, et al. Combined polishing process of a sapphire aspherical component based on temperature-controlled magnetorheological processing [J]. Applied Optics, 2023, 62(3): 805-812. doi:  10.1364/AO.471270
    [20] 贾阳. 基于磁流变抛光的中频误差控制工艺算法与策略[D]. 绵阳: 中国工程物理研究院, 2016: 45-56.

    Jia Yang. Algorithm and strategy of the suppression of the mid-spatial error in the magnetorheological finishing[D]. Mianyang: China Academy of Engineering Physics, 2016: 45-56. (in Chinese)
    [21] 杨航. 非球面磁流变抛光算法与实验研究[D]. 绵阳: 中国工程物理研究院, 2016: 49-63.

    Yang Hang. Study on algorithm and experiment in aspherical magnetorheological finishing[D]. Mianyang: China Academy of Engineering Physics, 2016: 49-63. (in Chinese)
    [22] 杜航. 空间面大口径非球面SiC反射镜高效高精度加工关键技术研究[D]. 国防科学技术大学, 2018: 70-87.

    Du Hang. Research on key technology of high efficiency and high precision manufacturing of space large scale SiC aspheric mirrors[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2018: 70-87. (in Chinese)
    [23] Maloney C, Lormeau J, Dumas P, et al. Improving low, mid and high-spatial frequency errors on advanced aspherical and freeform optics with MRF [C]//Proceedings of SPIE, 2016, 10009: 100090R.
    [24] Maloney C, Oswald E S, Dumas P, et al. Fine figure correction and other applications using novel MRF fluid designed for ultra-low roughness [C]//Proceedings of SPIE, 2015, 9633: 96330G.
  • [1] 于秋跃, 郭文, 王经华, 栗孟娟, 吕天斌, 于长锁, 李依伦, 赵子跃.  光学反射镜CCOS研磨阶段边缘效应控制技术 . 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220711-1-20220711-7. doi: 10.3788/IRLA20220711
    [2] 吴伦哲, 徐学科, 吴令奇, 王哲.  非球面光学元件面形误差边缘处理方法(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(9): 20220602-1-20220602-7. doi: 10.3788/IRLA20220602
    [3] 于秋跃, 周小华, 王国燕, 乔国宝, 吕天斌, 张兆健, 王经华, 邵建业, 程云涛.  充气平衡法减小超轻反射镜加工中的网格效应(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(9): 20220389-1-20220389-6. doi: 10.3788/IRLA20220389
    [4] 王国燕, 许瑞, 于秋跃, 王永刚, 孟晓辉.  大口径硅基空间红外透镜的高精度加工与检测(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(9): 20220427-1-20220427-9. doi: 10.3788/IRLA20220427
    [5] 杨超, 张乃文, 白杨.  硒化锌晶体的高效率高质量组合抛光方法(特邀) . 红外与激光工程, 2022, 51(9): 20220531-1-20220531-6. doi: 10.3788/IRLA20220531
    [6] 杨航, 陈英, 黄文, 韩明, 张星兴, 贾阳, 李彬, 蒋蓉.  面向中频误差的变距螺旋矩阵轨迹优化方法 . 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210443-1-20210443-7. doi: 10.3788/IRLA20210443
    [7] 王晶, 王孝坤, 胡海翔, 李凌众, 苏航.  夏克哈特曼扫描拼接检测平面镜(特邀) . 红外与激光工程, 2021, 50(10): 20210527-1-20210527-7. doi: 10.3788/IRLA20210527
    [8] 李小明, 王隆铭, 朱国帅.  激光通信一体化SiC/Al摆镜支撑参数优化 . 红外与激光工程, 2021, 50(11): 20210143-1-20210143-8. doi: 10.3788/IRLA20210143
    [9] 白金林, 姜玉刚, 王利栓, 李子杨, 何家欢, 刘华松, 苏建忠.  超低面形宽带高反射薄膜设计及制备技术研究 . 红外与激光工程, 2021, 50(2): 20200413-1-20200413-6. doi: 10.3788/IRLA20200413
    [10] 王辰忠, 胡中文, 陈忆, 许明明, 陈力斯.  空间引力波望远镜主反射镜系统的结构设计优化 . 红外与激光工程, 2020, 49(7): 20190469-1-20190469-10. doi: 10.3788/IRLA20190469
    [11] 唐才学, 颜浩, 罗子健, 张远航, 温圣林.  连续位相板磁流变加工中高精度边缘延拓技术 . 红外与激光工程, 2019, 48(4): 442001-0442001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0442001
    [12] 李晓媛, 高伟, 田东, 董会, 吉方, 王超.  KDP晶体表面残留磁流变抛光液清洗技术研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(S1): 132-137. doi: 10.3788/IRLA201847.S120006
    [13] 刘娜, 沈正祥, 马彬, 魏振博, 徐旭东, 王占山.  圆锥近似Wolter-I型X射线望远镜用柱面反射镜面形误差检测方法 . 红外与激光工程, 2018, 47(4): 417001-0417001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0417001
    [14] 孟晓辉, 王永刚, 马仙梅, 李文卿, 李昂, 张继友.  空间同轴三反相机φ520 mm次镜的加工与检测 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 818002-0818002(8). doi: 10.3788/IRLA201746.0818002
    [15] 张志佳, 尹秀萍, 苑玮琦, 周自强, 钟玲.  碗形塞加工误差双目视觉在线检测方法 . 红外与激光工程, 2016, 45(12): 1217002-1217002(8). doi: 10.3788/IRLA201645.1217002
    [16] 谢军, 何锋赟, 王晶, 高阁, 赵天骄, 刘震宇.  经纬仪主镜轴向支撑结构仿真与优化 . 红外与激光工程, 2016, 45(S1): 132-137. doi: 10.3788/IRLA201645.S118001
    [17] 张鑫, 罗霄, 闫力松, 张峰, 张学军.  三角机加工大口径离轴抛物面技术 . 红外与激光工程, 2016, 45(8): 819001-0819001(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0819001
    [18] 安其昌, 张景旭, 杨飞, 乔兵.  基于斜率的TMT 三镜面形检测方法 . 红外与激光工程, 2015, 44(6): 1884-1889.
    [19] 王孝坤.  异形口径离轴非球面光学加工与测试技术 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 2959-2963.
    [20] 李云, 段沽坪, 邢廷文.  光学元件面形误差的光滑延展算法 . 红外与激光工程, 2013, 42(2): 408-412.
  • 加载中
图(12) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  38
  • HTML全文浏览量:  9
  • PDF下载量:  10
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-26
  • 修回日期:  2024-01-05
  • 刊出日期:  2024-03-21

光学元件磁流变加工不确定度误差工艺方法

doi: 10.3788/IRLA20230595
    作者简介:

    高博,男,硕士生,主要从事光学加工方面的研究

    范斌,男,研究员,博士,主要从事光学加工方面的研究

基金项目:  国家重点研发计划项目(2021YFC2202101)
  • 中图分类号: TH161

摘要: 为减少磁流变抛光过程中误差对加工精度的影响,实现光学元件磁流变高精度加工,采用一种不确定度误差工艺方法对加工中的误差进行抑制。通过对磁流变加工过程中的位置误差和去除函数误差进行不确定度分析,在理论分析与实验分析的基础上进行验证实验。由仿真与实验结果可知,加工中面形误差与中频误差均存在3.5 nm的不确定度误差值,通过验证实验,得到了加工后的面形误差RMS值为20 nm,中频误差RMS值为14 nm。结果表明,采用误差不确定度的方法可优化加工工艺流程,减少误差对加工过程的影响,可以达到不确定度下的面形精度。该方法为磁流变高精度确定性加工以及面形误差与中频误差的抑制问题提供了一种解决方案。

English Abstract

    • 磁流变抛光技术(magnetorheological finishing, MRF)作为新型的光学加工技术[14],具有加工确定性高、收敛效率稳定、边缘效应可控、亚表面破坏层小等诸多优点[510],因而在高精度光学加工领域有着广泛的应用[1115]。由磁流变加工原理可知,高精度的加工过程需要稳定的去除函数和各个驻留点位精确的驻留时间分布,而实际加工过程往往受各类误差的影响,使得实际加工得到的结果与理想结果存在偏差。在高精度加工领域,较小的误差也会对面形精度以及各频段误差造成很大的影响,甚至会导致面形误差的不收敛。

      随着非球面光学元件的不断发展,其在各类光学系统中的应用不断增多。与球面光学元件相比,非球面光学元件具有校正像差、提升像质、减少系统重量等优点,因而得到了广泛应用[1619]。但非球面光学元件表面复杂,制造过程较球面元件更困难。

      现有研究中,磁流变对非球面光学元件的加工均通过检测加工的循环过程实现,但其存在加工后面形精度不确定性和中频误差不可控的问题[2024]

      传统的磁流变抛光工艺由于存在各类误差的影响,导致加工结果存在不确定性,无法实现对加工后面形精度的量化判断。为减少磁流变抛光过程中误差对加工精度的影响以及实现对中频误差的抑制,采用基于不确定度误差的加工工艺方法对非球面加工中去除函数误差不确定度与位置误差不确定度进行理论分析,并通过实验验证与误差补偿,验证了该方案的可行性,得到理想的面形精度值。

    • 在实际加工过程中,工艺参数的不稳定性会造成去除函数的变化,从而导致加工过程以及加工后面形精度与中频误差的不确定性。为提高磁流变加工过程的修形精度,降低加工过程中导致的中频误差,在磁流变加工过程中对去除函数误差进行分析,找出去除函数误差的影响规律。去除函数不确定度误差包含形状误差和效率误差。

    • 去除函数用以单位时间内对光学元件表面材料的去除,通过控制驻留时间实现对表面材料的定量去除。根据计算机控制光学表面成型(computer controlled optical surfacing, CCOS)理论,磁流变加工过程中材料的去除量表示为去除函数与驻留时间的卷积过程:

      $$ E(x,y) = Z(x,y) - R(x,y) * T(x,y) $$ (1)

      式中:$ Z\left( {x,y} \right) $为光学元件初始面形误差;$ R\left( {x,y} \right) $为去除函数;$ T\left( {x,y} \right) $为驻留时间函数;$ E\left( {x,y} \right) $为残留误差。

      加工过程中存在各类误差的影响,导致实际加工时去除函数的形状与理论分析的去除函数形状存在偏差。用$ \alpha $、$ \beta $分别表示去除函数在X方向和Y方向的误差系数,即误差因子,${R_m}(x,y)$表示实际加工过程中的去除函数,表达式如下:

      $$ {R_m}(x,y) = R(\alpha x,\beta y) $$ (2)

      因此,在形状误差影响下,实际加工过程的残留误差$ {E_m}(x,y) $为:

      $$ \begin{split} {E_m}(x,y) &= Z(x,y) - {R_m}(x,y) * T(x,y) =\\& Z(x,y) - R(\alpha x,\beta y) * T(x,y)=\\& E(x,y) + R(x,y) * T(x,y) - R(\alpha x,\beta y) * T(x,y) =\\& E(x,y) + [R(x,y) - R(\alpha x,\beta y)] * T(x,y) \end{split} $$ (3)

      去除函数形状误差会导致在实际加工过程中引入额外残差,从而造成实际残留误差值变大。

    • 在磁流变加工的理论分析时,各种工艺参数如抛光轮转速,抛光液流量、粘度,磁场强度等都是恒定不变的。但在实际加工工艺中,被加工光学元件的材料特性以及工艺参数的不稳定性会导致实际加工过程中的去除函数与理论分析过程中的去除函数存在偏差,该误差便为效率误差。${R_n}(x,y)$表示实际加工过程中的去除函数,将其与理论分析过程中的去除函数$ R\left( {x,y} \right) $的比值定义为效率因子$\delta $,为:

      $$ \delta = {R_n}(x,y)/R(x,y) $$ (4)

      因此,在效率误差影响下,实际加工过程的残留误差${E_n}(x,y)$为:

      $$ \begin{split} {E_n}(x,y)& = Z(x,y) - {R_n}(x,y) * T(x,y) =\\& E(x,y) + R(x,y) * T(x,y) - (\delta R(x,y)) * T(x,y) =\\& E(x,y) + (1 - \delta )(R(x,y) * T(x,y)) =\\& E(x,y) + (1 - \delta )(Z(x,y) - E(x,y)) =\\& Z(x,y) - \delta (Z(x,y) - E(x,y))= \\& (1 - \delta )Z(x,y) + \delta E(x,y) \end{split} $$ (5)

      去除函数效率误差会导致在实际加工过程中引入额外残差,从而造成实际残留误差值变大。

    • 由于在磁流变加工过程中,光学元件的机床坐标系与工件坐标系不可能完全重合,导致去除函数的实际加工位置与理论仿真位置存在偏差,从而影响磁流变定点进行误差去除的确定性。

      图1所示,假设去除函数在机床坐标下的位置点为${G_m}({x_m},{y_m},1)$,而在工件坐标系下的位置点为${G_n}({x_n},{y_n},1) $,则机床坐标系与工件坐标系存在如下关系:

      图  1  磁流变去除函数定位误差示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of removing function positioning error

      $$ {G_n}({x_n},{y_n},1) = {G_m}({x_m},{y_m},1) \cdot {\boldsymbol{T}} $$ (6)

      其中,矩阵T可表示为:

      $$ {\boldsymbol{T}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0&{{\delta _x}} \\ 0&1&{{\delta _y}} \\ 0&0&1 \end{array}} \right] \cdot \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \theta }&{ - \sin \theta }&0 \\ {\sin \theta }&{\cos \theta }&0 \\ 0&0&1 \end{array}} \right] $$ (7)

      由此可得以下方程式:

      $$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_n} = {x_m} \cdot \cos \theta - {y_m} \cdot \sin \theta + {\delta _x}} \\ {{y_n} = {x_m} \cdot \sin \theta + {y_m} \cdot \cos \theta {\text{ + }}{\delta _{{y}}}} \end{array}} \right. $$ (8)

      式中:$ {\delta _x} $和$ {\delta _y} $为X方向与Y方向移位;$\theta $为角度误差。

      理论抛光过程中的去除函数为$R(x,y)$,而实际抛光过程中的去除函数${R_r}(x,y)$为:

      $$ {R_r}(x,y) = R(x - {\delta _x},y - {\delta _y}) $$ (9)

      根据公式(1),采用磁流变抛光去除函数进行面形误差修正时,由位置误差引起的面形误差$E(x,y)$为:

      $$\begin{split} E(x,y) &= Z(x,y) - R(x - {\delta _x},y - {\delta _y}) * T(x,y)= \\& \left(\frac{{\partial R}}{{\partial x}} \cdot {\delta _x} + \frac{{\partial R}}{{\partial y}} \cdot {\delta _y}\right) * T(x,y) \end{split} $$ (10)

      图1中可以看出,去除函数会存在偏差,而去除函数的偏移存在X轴和Y轴两个方向。由仿真分析可知,X轴方向(图2(c)和图2(d))和Y轴方向(图2(e)和图2(f))的偏差几乎一致,因此文中选取X轴方向进行仿真与实验分析。

      图  2  (a) 光学元件原始面形误差;(b) 去除函数加工后面形误差;(c) 去除函数沿X轴偏转1°加工后面形误差;(d) 去除函数沿X轴偏转2°加工后面形误差;(e) 去除函数沿Y轴偏转1°加工后面形误差;(f) 去除函数沿Y轴偏转2°加工后面形误差

      Figure 2.  (a) The original surface error of the optical element; (b) The surface error obtained after the removal function processing; (c) The surface error obtained after the removal function was deflected 1° along the X-axis; (d) The surface error obtained after the removal function was deflected 2° along the X-axis; (e) The surface error obtained after the removal function was deflected 1° along the Y-axis; (f) The surface error obtained after the removal function was deflected 2° along the Y-axis

      对加工过程中的去除函数误差进行理论分析,利用误差的不确定度来指导加工工艺,通过仿真分析和实验相结合的方式获取加工中的不确定度,并通过验证实验达到理想的面形误差收敛值。

    • 为验证不确定度方法的有效性,通过仿真分析和实验验证实现对磁流变加工中误差不确定度值的评估。在对去除函数不确定度误差和位置不确定度误差进行理论分析后,使用去除函数进行工艺仿真与实验,其大小为15 mm×10 mm,去除率为0.95 mm3/min,如图3所示。

      图  3  磁流变抛光去除函数

      Figure 3.  Removal function of MRF finishing

      通过采用栅线扫描路径完成非球面镜#A的磁流变加工,加工和检测平台如图4(a)和4(b)所示,非球面镜#A详细技术参数如表1所示。

      图  4  (a) 磁流变加工及(b) 面形检测过程

      Figure 4.  Process of (a) magnetorheological finishing and (b) surface shape detection

      表 1  非球面镜#A技术参数

      Table 1.  Technical parameters of off-axis aspheric #A

      Parameter Value
      Diameter/mm 145
      Radius of curvature/mm −425.17
      Quadric constant −1
      Off-axis quantity/mm 121.23

      为了得到非球面镜的初始面形误差分布,采用非接触式3D光学面形测量系统LuphoScan对该非球面镜进行测量。初始面形误差如图5(a)所示,面形误差RMS值为163.842 nm。磁流变加工过程中,光学系统对中频段的误差也有一定的要求,因此按照系统加工需求,保证光学系统对小角度散射最为敏感,将滤波范围窗口设为0.04 ~0.4 mm−1。滤波后得到初始面形的中频误差RMS值为29.833 nm,如图5(b)所示。

      图  5  #A(a)初始面形误差及(b)初始面形中频误差

      Figure 5.  (a) Initial surface error and (b) initial mid-spatial error of #A

      在进行初始面形测量后,为了分析利用去除函数加工后的面形误差以及中频误差,进行磁流变仿真加工,仿真加工后的面形数据如图6所示,面形误差RMS值为16.4764 nm,经滤波后得到初始面形的中频误差RMS值为10.346 nm。

      图  6  #A仿真加工后(a)面形误差及(b)中频误差

      Figure 6.  (a) Surface error and (b) mid-spatial error after simulation processing of #A

      在仿真分析的基础上,为了获得加工过程中的不确定度误差值,对该非球面镜进行修形实验,将实验结果与仿真结果对比,得到量化的不确定度值。磁流变抛光的具体工艺参数如表2所示。

      表 2  磁流变抛光工艺参数

      Table 2.  Parameters of magnetorheological finishing

      ParameterValue
      Diameter of polishing wheel/mm200
      Polishing wheel speed/rpm170
      Current intensity/A7
      Quantity of flow/L·min−1120
      Magnetorheological fluid viscosity/cp190
      Pressing depth/mm0.1

      将加工结果用以分析磁流变抛光的不确定度下的面形误差以及中频误差。#A通过五次迭代加工,其中包括四次磁流变抛光工艺和一次平滑工艺,加工过程如图7所示。其中图7(e)为最终的加工面形,面形精度RMS值为20.102 nm,图7(f)为最终加工面形所包含的中频误差,中频误差RMS值为13.961 nm。

      将加工结果与仿真结果相比,面形误差RMS值与中频误差RMS值均存在3.5 nm的不确定度误差值。不确定度误差结果可为后续磁流变抛光非球面光学元件过程中对面形误差以及中频误差的抑制提供指导。

      图  7  #A实际加工后面形。 (a) 第一次磁流变加工后面形;(b) 第二次磁流变加工后面形;(c) 平滑后面形;(d) 第三次磁流变加工后面形;(e) 第四次磁流变加工后面形;(f) 第四次磁流变加工后中频误差

      Figure 7.  Actual machining surface of #A. (a) After the first magnetorheological finishing; (b) After the second magnetorheological finishing; (c) After the smooth processing; (d) After the third magnetorheological finishing; (e) After the fourth magnetorheological finishing; (f) Mid-spatial error after the fourth magnetorheological finishing

    • 由于不确定度误差的存在会影响磁流变加工精度,并且易在面形误差收敛的同时引入中频误差。因此,为实现精确控制加工,基于误差不确定度建立不确定度误差下的加工工艺,图8为基于不确定度误差磁流变抛光工艺流程图。

      图  8  不确定度误差下加工工艺流程图

      Figure 8.  Process flow chart under uncertainty error

      为验证不确定度工艺以及不确定度值在实际生产加工过程中的应用,对非球面镜#B进行加工实验,通过对实际加工后#A的不确定度分析,进行#B的加工不确定度仿真预测,并通过实验得到加工后的面形以及中频误差。

      不确定度验证实验中所使用的非球面镜#B技术参数与#A一致,采用非接触式3D光学面形测量系统LuphoScan对该非球面镜进行测量,得到初始面形误差如图9(a)所示,面形误差RMS值为170.743 nm,经滤波后得到初始面形的中频误差RMS值为31.743 nm,如图9(b)所示。

      图  9  #B(a)初始面形误差及(b) 中频误差

      Figure 9.  (a) Initial surface and (b) initial mid-spatial error of #B

      得到非球面镜#B的初始面形分布后,对其进行磁流变仿真加工,得到仿真加工后的面形数据如图10所示,面形误差RMS值为15.4327 nm,经滤波后得到初始面形的中频误差RMS值为10.262 nm。由上一节不确定度误差工艺实验可知,加工后面形残差以及中频误差存在3.5 nm的加工不确定度。由此可得,在对#B进行实际加工工艺后,面形误差RMS值为20 nm左右,中频误差RMS值为14 nm左右。

      图  10  #B仿真加工后(a) 面形误差及(b)中频误差

      Figure 10.  (a) Surface error and (b) mid-spatial error after simulation processing of #B

      为验证加工不确定度误差工艺,对非球面镜#B进行修形验证实验,磁流变抛光的具体工艺参数如表2所示。#B通过七次迭代加工,如图11所示,其中包括五次磁流变抛光工艺和两次平滑工艺。图11(g)为最终的加工面形,面形精度RMS值为19.317 nm,图11(h)为最终加工面形所包含的中频误差,中频误差RMS值为13.282 nm。由此可得,在对#B进行实际加工工艺后,面形误差和中频误差达到了不确定度下的RMS值。

      图  11  #B实际加工后面形。 (a) 第一次磁流变加工后面形;(b) 第二次磁流变加工后面形;(c) 平滑后面形;(d) 第三次磁流变加工后面形;(e) 第二次平滑后面形;(f) 第四次磁流变加工后面形;(g) 第五次磁流变加工后面形;(h) 第五次磁流变加工后中频误差

      Figure 11.  Actual machining surface of #B. (a) After the first magnetorheological finishing; (b) After the second magnetorheological finishing; (c) After the first smooth processing; (d) After the third magnetorheological finishing; (e) After the second smooth processing; (f) After the fourth magnetorheological finishing; (g) After the fifth magnetorheological finishing; (h) Mid-spatial error after the fifth magnetorheological finishing

      由仿真结果对#B的误差不确定度分析表明,在实际加工后,中频误差RMS可以抑制到14 nm左右,但经过第一次平滑后,使用磁流变加工(图11(d)),中频误差RMS值为15.158 nm,如图12(a)所示。

      图  12  #B实际加工中频误差。 (a) 图11(d)中包含中频误差;(b) 图11(e)中包含中频误差

      Figure 12.  Actual machining mid-spatial error of #B. (a) Mid-spatial error in Fig.11(d); (b) Mid-spatial error in Fig.11(e)

      由此可知,后续加工可达到的中频不仅不会下降至预期值(14 nm左右),还可能会恶化,因此#B需进行第二次平滑,使中频误差达到预期值(图11(e))。中频误差RMS值达到18.465 nm后,如图12(b)所示,才可作为理想的面形以做后续磁流变加工处理,直至加工完成,达到不确定度下的面形精度。

      在不确定度误差下进行了#B磁流变加工工艺实验,加工后与加工前预测结果相比,面形误差RMS值从15.4327 nm增加到19.317 nm,面形误差RMS值的不确定误差控制在3.8843 nm;中频误差RMS值从10.262 nm增加到13.282 nm,中频误差RMS值的不确定误差控制在3.02 nm。实验结果表明,基于不确定度误差的方法,不仅面形误差得到了有效收敛,同时中频误差得到了合理的抑制,为磁流变加工过程中的面形误差以及中频误差的抑制提供了理论支撑。该方法对于实现高精度光学元件磁流变加工具有重要的实用价值。

    • 文中对磁流变加工中的不确定度理论进行了分析,并具体分析了去除函数不确定度误差与位置不确定度误差,总结了不确定度误差下磁流变加工工艺流程。在此基础上,为验证不确定度误差工艺方法的可行性,对两块非球面镜进行了验证实验。对非球面#A的磁流变加工过程中的误差进行了详细分析,用以确定磁流变加工非球面中的不确定度,从而指导非球面#B的加工。由实验验证了非球面#B的面形精度满足工程需求。在不确定度分析的基础上优化了工艺流程,通过磁流变加工不确定度工艺方法,在达到面形误差收敛的同时实现了中频误差的抑制。

参考文献 (24)

目录

    /

    返回文章
    返回