一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真及加工方法技术

本发明专利技术适用于光学复杂曲面元件的超精密抛光领域，提供了一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真及加工方法，包括以下步骤：H1：根据干涉仪的检测图像和加工后预期面形，计算初始面形误差；H2：根据元件类型和初始面形误差选取合适的抛光轨迹；H3：对面形误差进行非球面区域划分，获得各个划分区域的位置、大小、球面半径和球心坐标，得到各个划分区域的去除函数；H4：进行磁流变抛光采斑实验，获取当前加工条件下实际抛光斑的三维形貌，并计算得到各个划分区域的抛光斑去除函数；H5：分配驻留点，并计算驻留时间矩阵。本方法可以达到高精度的磁流变抛光效果，为磁流变抛光工艺提供理论支持。持。持。

【技术实现步骤摘要】
一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真及加工方法


[0001]本专利技术涉及光学复杂曲面元件的超精密抛光领域，尤其是涉及一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真及加工方法。

技术介绍

[0002]早在2001年，国外已有学者开展了磁流变抛光实验，分析了光学元件磁流变抛光的材料去除机理，其特点是用磁场吸附磁流变液，液体在抛光轮的带动下实现表面材料的剪切去除。因为磁流变抛光具有低亚表面损伤、高加工效率、高去除稳定性和高表面精度等优势，且能够获得较小尺寸的柔性抛光斑，所以磁流变抛光适合小周期复杂曲面光学元件的超精密加工。
[0003]在相同加工工艺参数下，球面抛光斑与平面抛光斑的形貌和尺寸都是不同的，而加工非球面光学元件时，表面不同位置的局部拟合球面半径和抛光斑形貌也不尽相同。为保证非球面元件磁流变抛光时能够获取正确的抛光斑，需使抛光轮与元件接触中心点处的磁流变液运动方向与元件局部点处的切平面重合，因此加工时非球面元件上各点所对应的抛光轮姿态是不同的，造成抛光斑在切平面上的形貌与XOY平面上的形貌不同，这就涉及到抛光斑全局坐标与局部坐标的变换问题。因此，进行局部抛光斑的全局化处理和表面区域划分处理是十分必要的。
[0004]实际加工时，抛光斑的形貌每时每刻都在变化，传统的磁流变抛光加工仿真及驻留时间算法并未考虑非球面不同位置抛光斑的形貌差异。因此，对非球面进行区域划分，并保证划分区域精度达标是很有意义的，当然，磁流变抛光的加工仿真流程的简化也是有必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的加工仿真方法，实现复杂曲面光学元件的高精度加工。
[0006]本申请一方面提供一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真方法，包括以下步骤：
[0007]H1：根据干涉仪的检测图像和加工后预期面形，计算初始面形
[0008]误差；
[0009]H2：根据元件类型和初始面形误差选取合适的抛光轨迹；
[0010]H3：对面形误差进行非球面区域划分，获得各个划分区域的位置、大小、球面半径和球心坐标，得到各个划分区域的去除函数；
[0011]H4：进行磁流变抛光采斑实验，获取当前加工条件下实际抛光斑的三维形貌，并计算得到各个划分区域的抛光斑去除函数；
[0012]H5：分配驻留点，并计算驻留时间矩阵。
[0013]进一步地，步骤H3中，对非球面进行区域划分时，划分的原则为离轴量越大划分区
域越小。
[0014]进一步地，步骤H3中，局部最佳球面按下式进行计算：
[0015]A
·
t＝b；
[0016]式中，A、t、b的计算表达式为：
[0017][0018]式中，(x
0i
,y
0i
,z
0i
)为初始球心坐标，r
0i
为球半径，(x
i
,y
i
,z
i
)为原始数据坐标，x
0i+1
＝x
0i
+Δx、y
0i+1
＝y
0i
+Δy、z
0i+1
＝z
0i
+Δz、r
0i+1
＝r
0i
+Δr，经过多次迭代可求得各个划分区域的球面半径及球心坐标。
[0019]进一步地，步骤H4中，还包括将切平面抛光斑投影到全局坐标系中，获得各个划分区域的抛光斑形貌：
[0020][0021]O(x,y,z)为抛光斑上一点的全局坐标，O
′
(x0,y0,z0)为抛光斑上一点的局部坐标，O(x
′
,y
′
,z
′
)为划分区域中心对应的全局坐标；R
y
(α)为绕y轴转动α角的系数矩阵，R
x
(β)为绕x轴转动β角的系数矩阵，两者对应的方程为：
[0022][0023][0024]α为在XOZ平面中，局部坐标系与总坐标系之间的夹角，β为在YOZ平面中，局部坐标系与总坐标系之间的夹角。
[0025]进一步地，步骤H5中，采用脉冲迭代算法求解得到驻留时间矩阵：
[0026][0027]H(x,y)＝R(x,y)*T(x,y)
[0028]其中，H(x,y)为元件的残差矩阵，R(x,y)为抛光斑去除函数矩阵，T(x,y)为驻留时间矩阵，＊表示卷积运算；当元件残余误差矩阵的RMS值满足要求，则导出驻留时间矩阵，否则继续迭代。
[0029]本申请另一方面还提供一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的加工方法，采用如前所述的一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真方法进行仿真，得到抛光轨迹、驻留点和驻留时间矩阵，然后进行磁流变抛光加工。
[0030]采用本申请的一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真及加工方法，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：
[0031](1)本申请将复杂的非球面进行区域划分，划分为多个小区域，并对每个小区域进行球面拟合，以球面代替局部非球面形面进行加工，从而提高了复杂曲面光学元件磁流变抛光的精度；
[0032](2)本申请提出在进行区域划分时需要考虑离轴量的影响，并进行拟合计算得到拟合误差随着离轴量的增加而增加，因此在进行区域划分时，划分的原则为离轴量越大划分区域越小，从而进一步提高复杂曲面光学元件磁流变抛光的精度；
[0033](3)本申请提出了抛光斑坐标变换方法，设定一个区域对应一个固定的抛光斑形貌，大幅度简化了仿真模型；
[0034](4)本申请采用脉冲迭代算法求解得到驻留时间矩阵，设置的迭代步越小，精度越高。
附图说明
[0035]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]图1是本申请实施例1的一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真方法的流程示意图；
[0037]图2是离轴量与拟合误差的关系曲线；
[0038]图3是本申请实施例1的抛光斑坐标变换中的局部坐标系和全局坐标系转换示意图；
[0039]图4是本申请实施例1的脉冲迭代算法流程示意图。
具体实施方式
[0040]以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本专利技术的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本专利技术，其仅作为例子，而并非用以限制本专利技术。
[0041]实施例1
[0042]一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0043]H1：根据干涉仪的检测图像和加工后预期面形，计算初始面形误差；
[0044]初始面形误差是基于初始面形和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：H1：根据干涉仪的检测图像和加工后预期面形，计算初始面形误差；H2：根据元件类型和初始面形误差选取合适的抛光轨迹；H3：对面形误差进行非球面区域划分，获得各个划分区域的位置、大小、球面半径和球心坐标，得到各个划分区域的去除函数；H4：进行磁流变抛光采斑实验，获取当前加工条件下实际抛光斑的三维形貌，并计算得到各个划分区域的抛光斑去除函数；H5：分配驻留点，并计算驻留时间矩阵。2.根据权利要求1所述的一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真方法，其特征在于，步骤H3中，对非球面进行区域划分时，划分的原则为离轴量越大划分区域越小。3.根据权利要求2所述的一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的加工仿真方法，其特征在于，步骤H3中，局部最佳球面按下式进行计算：A
·
t＝b；式中，A、t、b的计算表达式为：式中，(x
0i
,y
0i
,z
0i
)为初始球心坐标，r
0i
为球半径，(x
i
,y
i
,z
i
)为原始数据坐标，x
0i+1
＝x
0i
+Δx、y
0i+1
＝y
0i
+Δy、z
0i+1
＝z
0i
+Δz、r
0i+1
＝r
0i
+Δr，经过多次迭代可求得各个划分区域的球面半径及球心坐标。4.根据权利要求3所述的一种复杂曲面光学元件磁流变抛光的仿真方法，其特征在于，步骤H4中，还包括将切平面抛光斑投影到全局坐标系中，获得各个划分区域的...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯晶，许乔，李洁，钟波，陈贤华，郑楠，李海波，邓文辉，王健，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心，
类型：发明
国别省市：