超精密机床加工误差辨识与补偿方法研究

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1、超精密机床加工误差辨识与补偿方法研究Studyonidentificationandcompensationmethodofmachiningerrorsforultraprecisionmachines一级学科：仪器科学与技术学科专业：仪器科学与技术作者姓名：刘现磊指导教师：刘书桂教授房丰洲教授张效栋副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年五月万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或

2、撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师

3、签名：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据万方数据摘要光学自由曲面作为制造技术和光学工程领域相互促进而出现的典型特征表面，为光学领域发展注入了新的活力。它不但可以简化系统结构、减轻系统重量，也使系统光学性能有很大程度提高。为满足光学应用性能的要求，需要依靠高精度加工予以保证。超精密加工过程中不可避免地受到机床几何误差、刀具误差、热误差等各种误差的影响，降低光学元件的加工精度，进而影响光学元件的最终使用性能。目前加工误差的相关研究主要集中在加工误差建模、测量和补偿等方面，但超精密加工过程的误差项较多，难以实现对

4、所有误差项的测量和补偿，因此，需要研究各个加工误差项的影响本质及规律，确定主要加工误差。同时，超精密机床的精度高，传统测量方法难以实现对这类机床几何误差的测量，因此，进行加工误差的辨识和补偿也成为其研究的另一个重点。此外，被加工光学元件的光学性能是加工的最终目标，如能从光学性能评价入手，进行加工误差的辨识和补偿，直接提高最终光学性能，从而实现光学质量可控加工。基于上述分析，本课题拟建立超精密机床加工误差辨识与补偿模型，其主要研究工作如下：（1）提出借助于加工误差项建立加工与应用的直接关系，并建立加工误差与光学性能

5、映射模型。基于多体系统运动学理论和齐次坐标转换矩阵建立不同加工方法下的加工误差模型，研究加工误差对面形误差的影响规律；基于光线追迹理论建立光学性能模型，研究面形误差光学性能的影响规律；结合上述两个模型，建立加工误差项与光学性能的直接关系，为实现主要加工误差的辨识与补偿和光学性能可控制造提供有效途径及理论基础。（2）提出基于加工误差影响规律的加工误差辨识与补偿方法。基于加工误差模型，研究加工误差的影响本质和规律；结合坐标变换规律对不同加工方式下的加工误差项进行分析、简化和分类；研究加工误差项对不同类型元件的面形误差

6、影响规律及权重，确定不同类型元件的主要加工误差，并根据影响规律性提出主要加工误差的辨识与补偿方法。（3）提出基于光学性能评价的超精密加工误差辨识与补偿方法，直接实现光学性能的补偿和控制。基于映射模型，研究加工误差与光学性能之间的影响关系；根据光学元件的使用要求对元件进行分类，提出基于激光干涉法和视觉分析法对光学元件的光学性能参数进行测量和评价；根据测量结果和超精密加工误差与光学性能的映射模型的优化，辨识各个主要加工误差项的大小，从而进行误差补偿，最终实现光学性能的控制和提高。I万方数据（4）以透射元件、反射元件及

7、整机系统为研究对象，开展加工误差项对面形精度和光学性能的影响规律、性能指标测量及误差辨识补偿实验。针对典型透射元件微透镜阵列加工需求，提出采用定向离心加工方法提高单元面形精度和光学性能及一致性；针对典型反射元件离轴抛物面加工需求，基于波前像差测量评价实现光学性能的直接控制；针对光学自由曲面离轴三反系统加工需求，提出一种免装配一体化加工方法，实现系统主要加工误差的辨识和控制。关键词：超精密加工；加工误差；光学性能；波前像差；光线追迹II万方数据ABSTRACTThewiderapplicationofoptical

8、freeformsurfacesisbecauseofthedevelopmentofmanufactureandopticalengineering,whichaddsnewvitalitytotheopticalfield.Theopticalfreeformsurfacesnotonlysimplifythestructureandreducetheweightof