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基于Marangoni界面效应的数控化学抛光去除函数的研究

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强激光与粒子束 2005年第4期17卷 555-558页

作者：侯晶许乔雷向阳周礼书张清华王健成都精密光学工程研究中心四川成都610041

利用基于Marangoni界面效应对化学抛光去除函数的理论及实验进行研究,提出采用湿法化学抛光(刻蚀)方法为大口径高精度光学元件的加工提供新的解决途径。介绍了Marangoni界面效应及其验证实验,运用WYKO轮廓仪对熔石英基片局域刻蚀前后的... 详细信息

利用基于Marangoni界面效应对化学抛光去除函数的理论及实验进行研究,提出采用湿法化学抛光(刻蚀)方法为大口径高精度光学元件的加工提供新的解决途径。介绍了Marangoni界面效应及其验证实验,运用WYKO轮廓仪对熔石英基片局域刻蚀前后的粗糙度进行检测,结果表明,粗糙度基本无变化,刻蚀前后粗糙度分别为0. 72nm和0. 71nm。基于Preston假设, 建立了数控化学抛光理论模型,运用WYKO干涉仪观察实验现象可知,化学抛光刻蚀曲线基本上成平底陡峭的去除函数曲线,小磨头抛光是倒置的仿高斯函数曲线。

关键词： Marangoni界面效应数控化学抛光去除函数化学刻蚀

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双转子研抛模去除函数的研究

中国机械工程 2004年第23期15卷 2077-2081页

作者：李爱民戴一帆郑子文李圣怡国防科学技术大学机电工程与自动化学院长沙410073

以Preston假设为基础 ,运用运动学理论推导了自研双转子机构的去除函数。在此基础上进行了计算机仿真和试验 ,给出了相应的去除特性曲线 ;验证了去除函数的正确性 ;分析了具有代表性的试验现象 ;提出了适合加工的去除函数特性。

关键词：非球面双转子去除函数特性曲线

大气等离子体电极结构对碳化硅去除函数的影响

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中国激光 2020年第10期47卷 37-45页

作者：宋力顿爱欢王哲吴伦哲彭冰徐学科中国科学院上海光学精密机械研究所精密光学制造与检测中心上海201800 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049

大气等离子体抛光(APPP)是一种非接触式的化学刻蚀加工方法,具有效率高、成本低、精度高等优点,可以作为碳化硅(SiC)加工的一种有效手段。基于APPP气体放电理论和尖端电场畸变效应,分析了电极结构对等离子体放电稳定性和去除函数的影响... 详细信息

大气等离子体抛光(APPP)是一种非接触式的化学刻蚀加工方法,具有效率高、成本低、精度高等优点,可以作为碳化硅(SiC)加工的一种有效手段。基于APPP气体放电理论和尖端电场畸变效应,分析了电极结构对等离子体放电稳定性和去除函数的影响;从理论上推导了APPP加工SiC的最优电极尖端半径,并进行了实验验证。在最优电极的基础上,系统分析了不同加工参数下APPP刻蚀SiC的去除函数的特性。通过优化电极结构和工艺参数,对直径为50 mm、初始面形误差峰谷(PV)值为475.846 nm、初始面形误差均方根(RMS)为124.771 nm的无压烧结碳化硅(S-SiC)进行加工,加工21 min后,S-SiC工件的PV值降低至103.510 nm,RMS值降低至12.148 nm,RMS收敛率达90.26%。实验结果显示:APPP加工SiC比大多数传统加工方法的效率更高。

关键词：表面光学大气等离子体抛光碳化硅去除函数超精密加工

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射流抛光高斯型去除函数的快速生成方法

光学学报 2018年第7期38卷 264-272页

作者：李建张连新孙鹏飞王中昱柯瑞中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

提出了一种快速生成高斯型去除函数的实验方法。通过研究倾斜定点入射方式下射流束中心与工件的交点和材料去除形貌之间的关系,得到了对应高斯型去除函数的喷嘴高度范围。在确定的工艺参数条件下,添加主轴旋转运动,得到了对应高斯型去... 详细信息

提出了一种快速生成高斯型去除函数的实验方法。通过研究倾斜定点入射方式下射流束中心与工件的交点和材料去除形貌之间的关系,得到了对应高斯型去除函数的喷嘴高度范围。在确定的工艺参数条件下,添加主轴旋转运动,得到了对应高斯型去除函数的喷嘴高度。对高斯型抛光斑进行了对称性分析和动态去除实验。结果表明,以高斯斑为基础的动态去除过程具有较高稳定性,能满足超精密光学加工的要求,同时也证明了该方法的高效性和可靠性。

关键词：光学制造射流抛光快速生成实验方法去除函数高斯型

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基于神经网络的CCOS去除函数研究及应用

基于神经网络的CCOS去除函数研究及应用

作者：钱昕洁中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

非球面光学元件具有许多优点,例如改善光学系统性能,优化光学系统结构,提高系统成像质量等,因此在现代光学系统中有着广泛应用。随着现代光学技术的不断发展,在光学系统中使用到的非球面光学元件的口径越来越大且精度越来越高,这就对光... 详细信息

非球面光学元件具有许多优点,例如改善光学系统性能,优化光学系统结构,提高系统成像质量等,因此在现代光学系统中有着广泛应用。随着现代光学技术的不断发展,在光学系统中使用到的非球面光学元件的口径越来越大且精度越来越高,这就对光学加工技术提出了更高要求。CCOS抛光技术是利用计算机来控制光学元件表面成形的先进加工技术,具有运行速度快、重复效率快、精度高等优点,但目前该技术仍然存在一些待解决的问题,例如没有一个完全符合实际抛光工具的材料去除模型,加工收敛效率低、边缘效应等等,这些问题严重影响了光学元件的加工精度和效率。本篇论文的主要研究任务就是要有效改善该技术目前存在的问题,来提高我国大中型非球面光学元件的加工能力。本论文从CCOS的工作原理出发,主要研究了以下问题:1、材料去除特性（即去除函数）直接决定了镜面的去除量,为了提高抛光过程的精度,需要提升去除函数的准确性,目前有许多研究去除函数的方法,但都在一定程度上理想化了去除函数,和实际加工中的去除函数还有一定差距,神经网络的发展提供了一种建立精确材料去除模型的新策略,根据打点实验获取在不同抛光参数下的材料去除特性,利用神经网络预测模型学习抛光参数和材料去除特性之间的关系,分析对比实验数据和预测数据可以表明该模型取得了良好的预测效果,9组测试样本的平均相对误差为13.91%,且具有其他研究方法不具备的优势。2、驻留时间的求解方法。为了实现光学元件的高精度加工,对CCOS加工过程中的关键技术—驻留时间求解算法进行了研究,本文介绍了两种计算方法。第一种方法是利用图像复原技术中的LR算法来求解驻留时间矩阵,并采用Gerchberg带限外插算法对初始误差面型进行优化延拓,这种驻留时间求解方法简便且计算效率高,并且能提高收敛率,RMS收敛至初始面型的99.39%;第二种方法是一种大规模非负约束最小二乘问题的快速算法,驻留点和去除点的位置也可以任意规划,同时在一次计算过程中可以使用多种去除函数以及不同的加工轨迹,弥补了第一种算法的不足,但收敛效率略低于方法一,可以根据实际加工需求将两种计算方法结合使用。3、抑制边缘效应。提出了一种有效缓解边缘效应的方法,利用神经网络预测模型,对不同露边量的边缘去除函数进行预测,并将预测结果应用于驻留时间的求解过程,在计算边缘位置的驻留时间时根据加工点露边量的不同,更换不同露边量的去除函数,利用该方法计算所得到的驻留时间进行仿真验证,结果表明该方法能够在一定程度上抑制边缘效应,将塌边量减少了30%。

关键词： CCOS 神经网络去除函数驻留时间边缘效应

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常温大气等离子抛光去除速度函数的研究

常温大气等离子抛光去除速度函数的研究

作者：赵培君哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

现代微电子技术和光学技术的发展对工件质量提出了越来越高的要求,一方面光学元件为了获取极高的反射度值,要求表面粗糙度低于纳米级别;另一方面半导体工艺越来越精细,要求硅片表面具有完整的晶格结构。这二者都可以称之为超光滑表面。... 详细信息

现代微电子技术和光学技术的发展对工件质量提出了越来越高的要求,一方面光学元件为了获取极高的反射度值,要求表面粗糙度低于纳米级别;另一方面半导体工艺越来越精细,要求硅片表面具有完整的晶格结构。这二者都可以称之为超光滑表面。传统加工方式属于应力加工,会破坏工件表面晶格完整性并引入残余应力,难以满足超光滑表面的需求。大气等离子加工方法是一种新兴的表面加工方法,依靠纯化学反应去除材料,加工效率高并且表面无损伤。哈尔滨工业大学精密工程研究所已经在这项技术上进行了多年研究,目前准备将大气等离子加工拓展到超精密光学元件的制造技术上。本文围绕着加工石英玻璃时面临的一系列问题进行研究,重点研究各参数对加工速度的影响。原系统设计用以加工半导体硅片,而石英玻璃在化学性质上与硅存在诸多不同,并且原放电结构不适合用于进行形貌加工,因此需要对系统做出一些改进。本文首先利用原有系统进行加工试验,证明该等离子炬对石英玻璃无加工效果,但在稍作改动情况下能进行极为缓慢的加工。随后从放电结构,气体配方两方面对系统进行了改进,使加工速度得到极大提高,能满足粗精加工需求,并减少了表面沉积物。可控性是系统在外界干扰和自发波动条件下的稳定性能,表述了对加工效果的预测能力,是能够进行稳定加工的前提。可控性包含了短时重复性、去除量与时间的线性以及微小扰动下的鲁棒性三个方面,本文对此进行了实验研究,结果表明在严格控制参数的条件下,系统具有良好的可控性。系统设计目的是希望能将表面粗加工与超精密抛光一次完成,因此需要加工速度具有大范围调节能力并能精确的预测加工效果。加工速度主要靠若干个参数进行调节,本文研究了参数的选择方法,并进行了数据采集实验,通过数据拟合得到了加工速度关于两个参数的函数表达式。接下来进行了验证实验,实验表明,该表达式能准确描述预测加工效果。

关键词：大气等离子石英玻璃抛光去除函数

X射线聚焦镜模具气囊修形去除函数与算法的研究

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X射线聚焦镜模具气囊修形去除函数与算法的研究

作者：王伟哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

通过X射线望远镜对高能射线探测是了解黑洞、恒星形成和恒星爆炸后的气体膨胀等物理现象的重要手段。X射线聚焦镜阵列是由多层Wolter-I型镜片嵌套而成,镜片的制作工艺流程对模具面形精度提出了极高的要求。气囊修形技术是使用气囊作为... 详细信息

通过X射线望远镜对高能射线探测是了解黑洞、恒星形成和恒星爆炸后的气体膨胀等物理现象的重要手段。X射线聚焦镜阵列是由多层Wolter-I型镜片嵌套而成,镜片的制作工艺流程对模具面形精度提出了极高的要求。气囊修形技术是使用气囊作为加工工具,利用CCOS（Computer Controlled Optical Surfacing）的成形原理来对低频面形误差进行修正。本文从X射线聚焦镜面形特点以及CCOS成形原理出发,对X射线聚焦镜模具气囊修形去除函数与算法进行研究,为最终实现聚焦镜模具高精度修形奠定技术基础。根据气囊与非球面的接触特点,本文首先基于Preston假设建立了气囊去除函数模型。其次,在对X射线聚焦镜面形进行分析的基础上,使用去除函数模型对聚焦镜模具表面不同位置接触区域形状以及材料去除量分布进行仿真分析。最后,通过定点去除函数实验,对比了实际去除函数与理论去除函数的形状差异,分析了气囊下压量对材料去除速率的影响,并对不同抛光垫与抛光液组合下去除函数随时间的稳定性进行了探讨。根据X射线聚焦镜模具的面形特点,提出了基于柱面坐标投影的驻留时间迭代算法。然后,使用仿真计算的方法,分析了松弛因子取值对于迭代收敛速度的影响。针对驻留时间算法中出现的边缘效应,提出了边缘延拓以及“抬气囊”的方法来抑制边缘效应。最后,为了验证迭代算法适应性,分别使用不同的去除函数以及面形误差进行仿真计算,计算结果表明,当去除函数形状越接近高斯型、面形误差越匀滑,驻留时间收敛速度越快。针对X射线聚焦镜模具确定性修形工艺的需要,首先对模具面形测量过程中的姿态误差进行分析,并基于“反转法”的分离原理实现了面形在位测量。然后,根据CCOS的原理,确定了加工过程中气囊位姿与驻留时间分布的对应关系。最后,在对曲率效应以及额外驻留时间分析的基础上,对模具修形进行加工仿真,两次迭代加工后,面形误差从0.8μm收敛至0.2μm,达到了模具的面形精度要求。

关键词：气囊修形 X射线聚焦镜模具 CCOS 去除函数驻留时间

基于计算机控制小磨头抛光的去除函数理论研究

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基于计算机控制小磨头抛光的去除函数理论研究

作者：张文彪天津大学

学位级别：硕士

随着经济社会的发展，光学技术对于航空航天、国防能源等领域的重要性越来越大，造成了相关领域对于非球面光学元件的大量需求。计算机光学表面成型技术(CCOS)是加工超精密光学元件的主要技术手段，其中，计算机控制小磨头抛光是该技术... 详细信息

随着经济社会的发展，光学技术对于航空航天、国防能源等领域的重要性越来越大，造成了相关领域对于非球面光学元件的大量需求。计算机光学表面成型技术(CCOS)是加工超精密光学元件的主要技术手段，其中，计算机控制小磨头抛光是该技术中的一个重要分支，广泛应用于非球面元件的加工制造领域。本文以计算机控制小磨头抛光技术为主要研究对象，以优化行星结构下抛光去除函数为目标，通过理论分析、仿真处理等手段，对小磨头抛光去除函数进行详细研究。本文的主要研究内容包括：传统行星结构下小磨头抛光的研究，以Preston假设为基础，通过矢量分析建立该结构下的去除函数，并且探讨了转速比和偏心率等因素对于去除函数的影响;以趋近因子为评价指标，对去除函数进行了参数优化。环形抛光盘去除函数的研究，在行星结构基础上，对环形抛光盘进行了建模，分析该函数特性，探讨了中心孔大小对于去除函数的影响以及其对于减小中高频误差的意义;比较了传统抛光盘和环形抛光盘在均布压力下的磨损特性，指出了环形抛光盘对于减小磨损不均匀的意义。驻留时间和残余误差的研究，以离散矩阵为基础，通过脉冲迭代法和最小二乘法求解驻留时间和残余误差，比较了两种求解方法的优劣;利用脉冲迭代法作为驻留时间算法，计算了多种参数下最优化去除函数的加工误差;计算了不同进给步距和抛光盘尺寸条件下，残余误差的大小，给出了其影响规律;比较了环形抛光盘和传统抛光盘对于加工后残余误差的影响;研究了不同面形条件下，材料去除量的特征。本文对于传统小磨头抛光的技术和环形抛光盘的研究成果，对于抛光技术的研究和实践具有积极的指导作用。

关键词：计算机控制小磨头抛光技术去除函数环形抛光盘驻留时间残余误差

基于力流变原理的确定性抛光材料去除函数研究

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基于力流变原理的确定性抛光材料去除函数研究

作者：陈士豪浙江工业大学

学位级别：硕士

力流变抛光是利用抛光液特有的剪切增稠特性对工件表面材料进行抛光去除。确定性抛光主要指通过控制去除函数和驻留时间来实现对工件表面材料的定量去除,其重点在对加工工件形状精度的控制。去除函数的建立对去除量和去除的分布规律有... 详细信息

力流变抛光是利用抛光液特有的剪切增稠特性对工件表面材料进行抛光去除。确定性抛光主要指通过控制去除函数和驻留时间来实现对工件表面材料的定量去除,其重点在对加工工件形状精度的控制。去除函数的建立对去除量和去除的分布规律有着重要作用,是确定性去除抛光的关键之一。因此,本文将对力流变确定性抛光的去除函数进行研究,建立了力流变确定性抛光的实验平台,分析了抛光液的流变特性和确定性抛光原理,结合计算流体动力学和具体实验,揭示了力流变确定性抛光去除函数的分布规律和建立方法。具体的研究内容如下:搭建了力流变确定性抛光实验平台,该实验平台包括测力平台、四轴联动装置、工件夹具、力流变抛光液循环冷却系统以及粘度控制系统,开发多轴联动机构,驱动主轴最高转速3000 rpm,抛光槽最高速度400 rpm。对确定性抛光头进行设计,根据抛光液的特性,选取楔形槽抛光头进行确定性去除抛光。研究了力流变抛光液的流变特性,探究了不同分散相浓度和粒径大小对抛光基液流变特性的影响,又进一步探究了不同磨料种类,不同磨料粒径和不同磨料浓度对抛光液流变特性的影响。研究表明抛光液的流变特性大致分为三个区域,剪切变稀,剪切增稠,剪切变稀。经过不同参数变量的实验,选出剪切增稠区域最适合抛光的配比:PHHP粒径为13μm,质量分数52.5%,磨粒粒径3000#,磨粒浓度10 wt%。研究了力流变确定性抛光的有限元仿真,为了得到力流变抛光液仿真模型中粘度曲线的设置,首先对更常规更容易验证的力流变圆柱绕流抛光进行流体仿真,然后用得到的抛光液的设置参数,对确定性抛光中抛光液的参数进行设置。仿真结果表明,抛光头的形状对压力场和速度场的分布有很大影响,以压力场和速度场分布的高斯均匀度为评价指标,楔形（槽数12,槽深3 mm）的抛光头呈现较好的高斯分布,并对峰值压力进行实验验证,得到仿真压力的修正系数。建立了力流变确定性抛光的去除函数,首先根据经典Preston方程,结合力流变确定性抛光的特点,建立去除函数的基本方程;然后运用仿真得到的压力场和速度场的结果,拟合出具体的去除函数的数学式;最后,结合实验结果,得到仿真修正系数,和抛光液浓度修正系数,得到去除函数呈现较好的高斯分布;运用方差分析,得到主要参数对去除率的影响分别为抛光头转速（34.38%）,抛光间隙（33.45%）,抛光液浓度（32.17%）。对力流变确定性抛光的去除函数和稳定性进行实验验证研究,分别在不同抛光参数下进行抛光实验,将得到的实验结果与建立的去除函数的理论值进行对比,两者的截面轮廓基本一致,在轮廓上分布取10个点,运用最小二乘法得到误差在7%以内。为了探究力流变确定性抛光的稳定性,通过直线轨迹的抛光实验,力流变确定性抛光具有较高的稳定性。

关键词：力流变抛光确定性去除去除函数有限元仿真