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基于RBF神经网络的离子束抛光去除函数算法研究

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基于RBF神经网络的离子束抛光去除函数算法研究

作者：姜雪长春理工大学

学位级别：硕士

随着科学技术不断地发展进步,光学、微电子、天文学等领域的研究工作对超光滑表面的需求量日益增加,对关键零部件表面的面形精度亦有着越来越高的要求,甚至需要其达到亚纳米级的精度。正是由于这种需求促使超精密加工技术得以迅猛发展,... 详细信息

随着科学技术不断地发展进步,光学、微电子、天文学等领域的研究工作对超光滑表面的需求量日益增加,对关键零部件表面的面形精度亦有着越来越高的要求,甚至需要其达到亚纳米级的精度。正是由于这种需求促使超精密加工技术得以迅猛发展,从而使得拥有独特优势的离子束抛光技术也应运而生。该技术是基于原子溅射理论的一种先进技术,它能够实现对光学元件表面材料的原子量级上的无应力及非接触式的抛光加工。本论文主要对离子束抛光工艺中的去除函数进行了重点研究,建立了去除函数理论模型,并对去除函数的模型加以修正从而使其模型估计精度得到提高。根据已建立的去除函数模型,结合离子束抛光工艺加工的原理,可以计算出待加工点的驻留时间,并通过计算机控制完成最终所需的高精度面形的加工。本论文从形成去除函数的离子束方面出发,以Ar+刻蚀石英玻璃(SiO2)为研究模型,主要进行了以下几方面内容的研究:(1)离子束特性的研究:对离子束抛光工艺中的物理溅射原理和溅射产额进行了相关的研究。溅射产额主要会受到入射的离子种类、离子束的入射角度、离子束能量等工艺参数的影响。通过溅射实验获取相关数据,使用MATLAB软件对获得的数据进行仿真实验,得出相关工艺参数与溅射产额之间的关系。(2)去除函数模型的研究:对均匀离子束轰击下光学元件表面的刻蚀速率加以研究,并且建立了离子束去除函数的数学模型。通过该数学模型可知,离子束的去除函数会受溅射产额的影响,为了能够实现对去除函数多角度控制的功能,需要建立离子束的入射角度和溅射产额之间的相互关系。我们基于RBF神经网络算法对离子束抛光技术中的去除函数的关键参数(溅射产额)进行运算,选择合适的RBF网络的相关参数,并使用训练好的神经网络来实现离子束的入射角度和溅射产额之间关系的推算。(3)驻留时间的求解与优化:使用奇异值分解(SVD)算法以及最小二乘正交分解(LSQR)算法对CEH模型进行驻留时间的求解和模拟仿真,并对其中出现的边缘效应问题进行解决。

关键词：离子束抛光去除函数溅射产额 RBF神经网络 CEH模型驻留时间

连续位相板加工参数优选及去除函数相关面形误差分析

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连续位相板加工参数优选及去除函数相关面形误差分析

作者：刘刊哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

连续位相板具有复杂的表面微结构,能够实现惯性约束核聚变光学系统中远场能量的匀强调制,但承受着强激光高能辐照,存在极高的损伤风险,因此,定期更换成为保证整个系统正常运行的必要手段。然而,大口径连续位相板大去除、高陡度的特点使... 详细信息

连续位相板具有复杂的表面微结构,能够实现惯性约束核聚变光学系统中远场能量的匀强调制,但承受着强激光高能辐照,存在极高的损伤风险,因此,定期更换成为保证整个系统正常运行的必要手段。然而,大口径连续位相板大去除、高陡度的特点使其加工成为光学制造领域的重大技术难题。大气等离子体加工技术是一种基于大气环境下化学反应实现高效材料去除的加工方法,加工过程不引入亚表层损伤,不会降低光学元件的损伤阈值,且该方法设备维护成本低,具备加工连续位相板的巨大潜力。目前,该技术已应用于加工连续位相板,但工艺、误差分析仍不够成熟,因此,本文将针对大气等离子体加工连续位相板的参数优化及误差来源开展系统性的分析,为实现连续位相板的高精高效加工提供理论和实验基础。本文首先通过数值仿真分析探究了不同大气等离子体加工参数对面形误差的影响。基于频谱分析和采样定理明确了各加工参数的取值范围。在此基础上,设计正交试验,分析了各加工参数对面形误差、加工耗时等的影响规律。最后,综合考虑加工精度、加工时间,优选了加工参数组合,为后续连续位相板的实验研究提供了清晰可靠的加工参数优选方法。面形误差分析要求检测面形与目标面形精确匹配,基于该需求研究了粗、精匹配结合的面形匹配方法。通过复杂空间面形,如正弦网格面形和连续位相板面形的匹配结果,验证了匹配算法的准确性。结果表明,匹配误差仅为理想面形设计值的1510-410-量级,满足匹配精度要求。开发了基于MATLAB的面形匹配软件,将匹配流程化,大幅提高了面形误差分析效率。最后,基于上述研究,进行了一系列连续位相板加工实验,分析了去除函数变化对加工面形误差的影响规律。其中,去除函数稳定性、去除函数非线性、去除函数一致性对面形误差影响作用依次增大,引入的面形误差最大可达300nm RMS。综合以上研究成果,通过参数优选、标定实验及算法补偿,完成了430mm×430mm×3mm位相板的加工,加工时长为13.6h,误差面形RMS值最优可达160nm,PV值为1mm,并分析确定了误差主要来源为去除函数的一致性变化,验证了本文加工面形误差分析的合理性及可靠性,确定了迭代加工以提高精度的必要性。

关键词：连续位相板大气等离子体加工去除函数面形匹配误差分析

中心供液小磨头抛光去除函数理论模型和实验研究

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中心供液小磨头抛光去除函数理论模型和实验研究

作者：李广友天津大学

学位级别：硕士

传统计算机控制小磨头抛光技术因具有较高的去除效率以及较好的面形控制能力,广泛应用于光学元件加工的抛光阶段,但是抛光垫易磨损和加工区域磨粒分布不均等因素在一定程度上影响了去除函数的稳定性,制约了其进一步发展。本文在现有小... 详细信息

传统计算机控制小磨头抛光技术因具有较高的去除效率以及较好的面形控制能力,广泛应用于光学元件加工的抛光阶段,但是抛光垫易磨损和加工区域磨粒分布不均等因素在一定程度上影响了去除函数的稳定性,制约了其进一步发展。本文在现有小磨头抛光技术的基础上,将抛光液改由磨头的中心进行供给,克服了传统小磨头抛光的缺点,并对中心供液小磨头抛光的去除函数进行了细致的理论和实验研究。首先,通过四周供液小磨头抛光与中心供液小磨头抛光对比实验,研究了两种抛光方法去除函数形状,抛光垫磨损随转速的变化规律,验证了中心供液小磨头抛光在抛光垫的磨损,去除函数均匀、稳定,以及中心区域去除量等方面更具有优势。其次,研究了聚氨酯抛光垫表面微观形貌,分析对材料去除有重要作用的特征,采用统计学的方法建立了抛光垫表面形貌的数学仿真模型,实验对比表明模型很好的模拟了抛光垫表面的实际特征。之后,研究了抛光垫、磨粒、工件三者的相互作用,有效简化游离磨料抛光的影响因素,应用材料力学、滑动压头理论以及统计学等建立了磨头自转去除函数的数学模型,实验结果表明所建模型很好的模拟了中心供液小磨头抛光的去除函数轮廓及去除量的大小。最后,基于去除函数模型进一步建立了行星优化去除函数的数学模型,以趋近因子为优化目标,对小磨头行星运动合成的去除函数进行了参数优化,通过仿真正交实验,探究转速比、偏心率以及磨头压力对行星运动去除函数形状的影响。本文通过对比实验研究了中心供液小磨头抛光对传统四周供液小磨头抛光的优化作用,利用MATLAB建立了磨头自转和行星运动去除函数数学模型,为抛光垫、工件、磨粒等因素对去除函数轮廓和去除效率影响的量化研究以及行星运动参数的优化提供了参考。

关键词：小磨头抛光中心供液抛光垫去除函数行星优化

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计算机控制抛光去除函数优化分析

计算机控制抛光去除函数优化分析

作者：陈曦苏州大学

学位级别：硕士

随着天文学、空间探测技术、先进光学仪器的发展,人们对非球面光学元件的需求越来越多,精度要求也越来越高。但由于非球面的复杂结构特性,常规的方法已经不能满足其高精度、高效率的加工要求。早在20世纪70年代初美国Itek公司就率先提... 详细信息

随着天文学、空间探测技术、先进光学仪器的发展,人们对非球面光学元件的需求越来越多,精度要求也越来越高。但由于非球面的复杂结构特性,常规的方法已经不能满足其高精度、高效率的加工要求。早在20世纪70年代初美国Itek公司就率先提出计算机控制光学表面成形技术,即CCOS。它能够有效的克服上述缺点,特别是具有定量去除和确定性控制的特点,已经成为现代光学元件超精密加工的重要手段。在CCOS中,去除函数是影响加工效率和加工的精度非常重要的因素。本论文针对去除函数进行了以下几个方面的研究: 1.推导了行星运动和平转动两种运动方式下抛光磨头的去除函数,以理想去除函数的去除特性和去除函数模型为指导,将磨头覆盖区域内材料去除量对中心的集中度作为优化时的评价标准,对这两种运动方式下去除函数优化,并用计算机模拟给出最佳参数组合。 2.提出了分时合成法用于优化数控抛光去除函数的思想。在对四个和六个去除函数合成的基础上探讨了任意多个去除函数合成的优化评价标准,并通过理论模拟给出了最佳合成方式。理论模拟结果显示:使抛光头旋转或从几个特定的位置对工件作用可以得到中心有最大去除量的较优去除函数。 3.在理论模拟的基础上,首次提出并设计了三转子运动研磨抛光头,通过调节磨头自转转速、公转转速、行星运动机构公转转速、自转中心和磨头公转中心的偏距、行星运动机构公转中心和磨头公转中心的偏距、工作压力等参数可调节它的去除函数。以Preston假设与分时合成理论为理论基础,推导了三转子机构抛光磨头的去除函数;提出了对三转子去除函数进行优化的方案,通过实验验证了方案的适用性。 4.用仿真加工的方法分别探究了平转动优化去除函数、行星运动优化去除函数、分时合成优化去除函数以及三转子运动优化去除函数的面形误差修正能力。本文的研究为设计新的数控抛光设备提供了新的思路。

关键词：去除函数三转子运动分时合成优化

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磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法

强激光与粒子束 2015年第8期27卷 85-91页

作者：杨航何建国黄文张云飞中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

针对非球面光学元件连续变曲率的特点,提出了一种基于平面抛光斑演变获取非球面磁流变抛光去除函数的技术思路。通过分析磁流变抛光机理,建立了磁流变抛光多因素耦合作用模型。基于该模型提出磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法,实... 详细信息

针对非球面光学元件连续变曲率的特点,提出了一种基于平面抛光斑演变获取非球面磁流变抛光去除函数的技术思路。通过分析磁流变抛光机理,建立了磁流变抛光多因素耦合作用模型。基于该模型提出磁流变抛光去除函数获取的微分解耦方法,实现对抛光斑形成机制中的几何因素解耦,发现当工艺条件变化较小时,在空间中的特定点处,去除效率的变化量与工件浸入深度的改变量呈线性关系。实验观测的20个点中,有17处决定系数在90%以上,另外3处在80%以上,峰值去除率和体积去除率演变的决定系数分别达到92%和94%,实验验证了这一结论。

关键词：磁流变抛光去除函数微分解耦非球面抛光斑演变

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水射流抛光去除函数对面形误差修正的影响

中国激光 2016年第4期43卷 245-252页

作者：吕亮马平朱衡黄金勇王刚成都精密光学工程研究中心四川成都610041

研究了水射流抛光条件下的去除函数特征,根据去除函数的一维轮廓特征采用分段解析函数拟合方法建立了去除函数的解析表达式。根据解析表达式采用Matlab数值模拟方法对不同参数条件下的去除函数进行了一维叠加去除模拟,引入波纹度均方根... 详细信息

研究了水射流抛光条件下的去除函数特征,根据去除函数的一维轮廓特征采用分段解析函数拟合方法建立了去除函数的解析表达式。根据解析表达式采用Matlab数值模拟方法对不同参数条件下的去除函数进行了一维叠加去除模拟,引入波纹度均方根值Wrms指标,对均匀去除与线性去除条件下不同参数对去除函数一维误差修正的影响进行了讨论。通过两轮水射流抛光实验,使F50 mm熔石英玻璃面形峰谷值λPV由0.148λ收敛至0.062λ,90%与75%口径范围分别收敛至0.048λ与0.032λ。面形均方根值λrms由18.86 nm收敛至4.87 nm,90%与75%口径范围内分别收敛至3.67 nm与3.15 nm。

关键词：光学制造水射流抛光去除函数熔石英

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不同压力模型下边缘去除函数对比分析

中国激光 2014年第12期41卷 274-279页

作者：吉建伟魏朝阳胡晨张海超徐学科邵建达中国科学院上海光学精密机械研究所上海201800 中国科学院大学北京100049 上海恒益光学精密机械有限公司上海201800

在计算机控制光学表面成形(CCOS)技术中,由于边缘处压力分布的不均匀,会在工件边缘产生边缘效应,边缘效应会严重阻碍面形误差的收敛,边缘效应问题已成为数控加工技术中亟待解决的关键问题之一。针对边缘处压力阶跃分布模型和线性分布模... 详细信息

在计算机控制光学表面成形(CCOS)技术中,由于边缘处压力分布的不均匀,会在工件边缘产生边缘效应,边缘效应会严重阻碍面形误差的收敛,边缘效应问题已成为数控加工技术中亟待解决的关键问题之一。针对边缘处压力阶跃分布模型和线性分布模型进行了理论仿真及实验验证,实验结果表明,对于方形工件,在露边量较大(实验中露边量为去除函数束径的1/3)和露边量较小(实验中露边量为去除函数束径的1/24)的情况下,两种模型得到的去除函数结果相差不大,都能够在一定程度上反映出实际结果;当露边量适中(实验中露边量为去除函数束径的1/6)时,线性模型下的去除函数更接近实验结果,阶跃模型在去除函数中心区域与实验结果偏离较大。

关键词：光学制造计算机控制光学表面成形边缘效应去除函数线性模型阶跃模型

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磁流变抛光系统去除函数的原点位置标定

光学精密工程 2017年第1期25卷 8-14页

作者：郑立功李龙响王孝坤薛栋林张学军中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室吉林长春130033

为了实现磁流变抛光的确定性加工,对磁流变抛光去除函数的原点位置进行了标定。分析了磁流变抛光去除函数的产生过程及其去除率分布。利用标准圆柱,建立了抛光轮最低点与数控加工中心测头的相对位置坐标变换关系,实现了光学元件在机床... 详细信息

为了实现磁流变抛光的确定性加工,对磁流变抛光去除函数的原点位置进行了标定。分析了磁流变抛光去除函数的产生过程及其去除率分布。利用标准圆柱,建立了抛光轮最低点与数控加工中心测头的相对位置坐标变换关系,实现了光学元件在机床坐标系中的精确对准。通过在光学元件的特征点上进行去除函数实验测试,实现了抛光轮最低点对应的去除函数原点位置标定,对标定误差进行了分析。选择圆形平面光学元件,应用以金刚石颗粒为抛光粉的水基磁流液,对抛光轮直径为360mm的磁流变抛光系统进行去除函数原点标定,单次标定精度达到0.030mm。实验结果表明:本文提出的去除函数原点标定方法简单可靠,能够满足磁流变抛光技术的修形需求,可为磁流变抛光在光学制造中的应用提供有力支持。

关键词：光学制造磁流变抛光去除函数原点标定

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磁流变抛光去除函数形状动态预测方法

强激光与粒子束 2015年第9期27卷 142-147页

作者：杨航何建国黄文张云飞中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

提出了一种磁流变抛光去除函数形状的动态预测方法.建立了去除函数形状的演变机制,并根据实际的磁流变抛光应用范围,通过数值计算分析得到了较简单的去除函数形状的演变方法.分析表明,对于实际抛光过程,去除函数长度和宽度的改变量与浸... 详细信息

提出了一种磁流变抛光去除函数形状的动态预测方法.建立了去除函数形状的演变机制,并根据实际的磁流变抛光应用范围,通过数值计算分析得到了较简单的去除函数形状的演变方法.分析表明,对于实际抛光过程,去除函数长度和宽度的改变量与浸入深度的改变量有很好的线性关系,其决定系数均在95%以上.与实验结果对比,对去除函数的49次预测中,长度预测的相对误差在-4.52%～5.51%之间,宽度预测的相对误差在-7.20%～6.63%之间.

关键词：磁流变抛光去除函数抛光斑演绎动态预测