1 季华实验室，广东 佛山 528200
2 佛山科学技术学院 机电工程与自动化学院，广东 佛山 528225
3 华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074
随着新能源、特高压需求爆发，以单晶碳化硅为代表的第三代半导体技术近几年得到了飞速发展，大口径单晶碳化硅材料制备已经成为现实，相比于目前已成熟应用的RB-SiC材料，单晶碳化硅不需要通过CVD或PVD改性就可以获得1 nm甚至更优的表面粗糙度，在光学元件领域的应用具有广阔前景，但同时加工难度高是亟待解决的问题。为了解决单晶碳化硅材料在光学加工过程中的粗糙度问题，提出了一种基于PSD评价及熵增理论的伪随机轨迹加工改善粗糙度的方法。相较于传统单一的Ra值评价方法，通过引入PSD曲线丰富了粗糙度评价的维度；利用对熵增理论的分析，从理论上讨论了确定性抛光轨迹和伪随机轨迹对粗糙度尺度下累计误差影响的区别。通过对6 in (1 in=2.54 cm)单晶碳化硅进行多轮抛光实验，结果表明：在相同初始粗糙度情况下，确定性轨迹与伪随机轨迹虽均得到了Ra约1 nm的粗糙度值，但PSD曲线可以明显看出确定性轨迹出现了尖峰，而伪随机轨迹则更为平滑。验证了特定采样区间下的PSD曲线作为粗糙度评价手段的有效性，同时论证了伪随机轨迹相较于确定性轨迹在单晶碳化硅材料抛光上的优势。
单晶碳化硅 伪随机轨迹 粗糙度 monocrystalline silicon carbide pseudo-random tool path roughness 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220838
Author Affiliations
Abstract
Department of Mechanical Engineering, Keio University, Yokohama 223-8522, Japan
Diamond turning based on a fast tool servo (FTS) is widely used in freeform optics fabrication due to its high accuracy and machining efficiency. As a new trend, recently developed high-frequency and long-stroke FTS units are independently driven by a separate control system from the machine tool controller. However, the tool path generation strategy for the independently controlled FTS is far from complete. This study aims to establish methods for optimizing tool path for the independent control FTS to reduce form errors in a single step of machining. Different from the conventional integrated FTS control system, where control points are distributed in a spiral pattern, in this study, the tool path for the independent FTS controller is generated by the ring method and the mesh method, respectively. The machined surface profile is predicted by simulation and the parameters for the control point generation are optimized by minimizing the deviation between the predicted and the designed surfaces. To demonstrate the feasibility of the proposed tool path generation strategies, cutting tests of a two-dimensional sinewave and a micro-lens array were conducted and the results were compared. As a result, after tool path optimization, the peak-to-valley form error of the machined surface was reduced from 429 nm to 56 nm for the two-dimensional sinewave by using the ring method, and from 191 nm to 103 nm for the micro-lens array by using the mesh method, respectively.
ultraprecision machining diamond turning fast tool servo freeform surface tool path optimization International Journal of Extreme Manufacturing
2022, 4(2): 025102
1 苏州大学机电工程学院, 江苏 苏州 215021
2 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏 苏州 215006
3 中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室, 陕西 西安 710065
通过研究弧面扭曲结构件激光熔覆成形轨迹规划难点,解决了以弧线为渐变路径的扭曲结构分层问题。基于中空激光内送粉熔覆成形技术并结合结构件自身几何特征,提出离散渐变分层法。首先在基体法平面内纵向分层,随后将各层二次离散成独立单元,最终按等圆心角将离散单元拼接成熔覆路径,成功实现了弧面扭曲结构件激光熔覆成形。所得成形件尺寸精度较高,表面平均粗糙度低至1.323 μm,抗拉强度为765.81 MPa;不同区域的微观组织和显微硬度分布均匀,无明显气孔或夹杂缺陷。
激光加工 激光熔覆 光内送粉 弧面扭曲结构件 离散渐变分层 路径规划 中国激光
2021, 48(22): 2202015
1 苏州科技大学 物理科学与技术学院，江苏苏州25009
2 苏州苏大明世光学股份有限公司，江苏苏州1508
为了改进大离轴量非球面反射镜加工方式，降低外界因素导致的反射镜面型误差，以及提高效率，本文基于慢刀伺服技术提出一种适用于大离轴量、且不受车床加工口径限制的刀具路径规划方法。以离轴反射镜坐标平移变换的方式，将镜面外边缘与车床主轴中心之间的距离控制在车床加工半径内，减少刀具离轴量和加工区域。坐标平移后的反射镜以主轴中心为原点，多个与之相同的反射镜均匀分布在圆周上，形成一种切削区和过渡区并存的离轴阵列样式。建立样条和正弦混合插值方程，以刀具在边缘切削点的Z向切削速度和切削加速度连续无突变为前提，补正过渡区刀具路径。最后通过实验分析证明：在整个加工区域，过渡区和切削区刀具路径平滑连续，Z轴和C轴平稳运行，加工精度达PV0.4波长@632.8 nm。通过坐标平移的方式，可以有效降低刀具离轴量，补正的刀具路径保证了车床的平稳运行，满足大离轴量的非球面反射镜加工，且一次加工可完成多个反射镜，加工精度和效率高。
非球面反射镜 大离轴量 慢刀伺服 刀具路径规划 aspheric mirror large off-axis slow tool servo tool path planning
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
慢刀伺服(STS)车削技术是加工自由曲面光学元件的一种有效方法。但是在慢刀伺服车削过程中,面形的矢高和口径大小会影响加工精度。针对这种情况,通过研究慢刀伺服车削等弧长法和等角度法的线性化误差趋势,提出了一种先等弧长、后等角度的组合车削轨迹优化方法。为实现车削轨迹的合理规划,对新的车削轨迹衔接点的选取进行了优化设计,利用MATLAB软件以正弦网格曲面为例进行仿真,结果表明该车削轨迹优化方法能够有效提高其面形精度。
光学设计 慢刀伺服车削 自由曲面 线性化误差 车削轨迹 激光与光电子学进展
2020, 57(5): 052203
1 江苏大学机械学院, 江苏 镇江 212000
2 上海团结普瑞玛激光设备有限公司, 上海 201111
介绍了激光叠焊幅面为2.4 m×1.2 m, 厚度为1.2 mm的不锈钢板式热交换器的焊接要求和焊接工艺。板式热交换器属压力容器, 因此焊接质量有严格的要求, 针对大幅面不锈钢的尺寸大和易变形等特点, 采取先点焊, 再焊边框, 最后焊内部小圆的工艺流程。点焊有效地控制了焊接过程中变形问题, 并有效地消除了上下板材的间隙问题。内部圆采用了不闭合焊接的处理方法, 显著地减少了气孔现象。对实际焊接后的板材进行耐压试验表明, 采用新焊接工艺的成品件可以承受110 MPa的压力。
气孔现象 板材间隙 焊接强度 走刀路径 pore phenomenon gap between plates welding strength tool path
国防科技大学 机电工程与自动化学院,湖南 长沙 410073
自由曲面光学元件具有许多优异的光学性能,越来越多地应用到现代光学系统设计中。而自由曲面光学元件制造的复杂性和不确定性是制约其应用的瓶颈之一。慢刀伺服单点金刚石车削是一种可以加工很高精度自由曲面光学表面或非回转对称光学曲面的新技术。机床伺服执行能力是自由曲面能否加工的基本条件。金刚石刀具几何参数的选择、刀具路径规划及刀具半径补偿是确保加工精度的关键。在理论上,对伺服执行能力进行了分析;发展了基于曲面特性分析的刀具参数确定方法;研究了稳定X轴的刀具圆弧半径补偿及刀具路径生成技术。使用慢刀伺服技术加工了多种典型的自由曲面光学元件,取得了较好的结果。
自由曲面 单点金刚石车削 慢刀伺服 刀具路径 激光与光电子学进展
2010, 47(2): 022202
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 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
2 中国科学院 研究生院,北京 100039
根据质点系平衡的加权平均思想,提出了一种新的适用于离轴非球面数控抛光的路径规划方法。根据影响抛光结果的因素,给出了权因子的组成元素及其计算方法,包括常数、加工残差分布以及与工件边缘的距离,并给出了权因子间影响系数的粗略确定方法。对一组面形数据进行虚拟加工,与常规的X-Y直角坐标系型加工路径相比,面形均方根收敛率从0.36提高到0.62,其它各项数值的表现也均优于常规方法。最后,对算法中的一些问题做了简要的说明和讨论。这种规划方法原理简单,效果显著,满足实际使用要求。
非球面加工 离轴非球面 抛光路径 自适应规划算法 aspheric processing off-axis aspheric polishing tool-path adaptive programming algorithm
基于双三次B样条曲面对光学自由曲面的描述，采用参数变化量控制法进行刀具轨迹的计算。通过分析飞刀加工的特点，推导出单晶金刚石飞刀加工光学自由曲面的刀位点的计算方法，编程实现了该算法。根据走刀路径规划和刀位轨迹计算方法可以生成飞刀加工的数控程序，成功地应用该算法进行了光学自由曲面的加工。
光学自由曲面 超精密加工 飞刀 刀位轨迹 freeform optics ultra-precision machining flycutter tool path
