Development and application of full gas hydrostatic ring polishing machine

ZHANG Chupeng; SUN Jiazheng; MEI Zijin; NONG Zhiyu; CHEN Xiao

doi:10.37188/OPE.20233108.1162

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Development and application of full gas hydrostatic ring polishing machine

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2023-05-04

- Development and application of full gas hydrostatic ring polishing machine
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 8, Pages: 1162-1173(2023)
- 作者机构：
  
  湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉 430068
- 作者简介：
  
  E-mail： chenxiao1987jz@163.com
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233108.1162
  CLC： TP394.1;TH691.9
- Received：22 November 2022，
  
  Revised：07 December 2022，
  
  Published：25 April 2023
- 稿件说明：
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张楚鹏,孙家政,梅子进等.全气体静压环形抛光机床的研制及应用[J].光学精密工程,2023,31(08):1162-1173.

ZHANG Chupeng,SUN Jiazheng,MEI Zijin,et al.Development and application of full gas hydrostatic ring polishing machine[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(08):1162-1173.
张楚鹏,孙家政,梅子进等.全气体静压环形抛光机床的研制及应用[J].光学精密工程,2023,31(08):1162-1173. DOI： 10.37188/OPE.20233108.1162.

ZHANG Chupeng,SUN Jiazheng,MEI Zijin,et al.Development and application of full gas hydrostatic ring polishing machine[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(08):1162-1173. DOI： 10.37188/OPE.20233108.1162.

摘要

针对单轴抛光机面形控制难度大、较多依赖人工经验，无法满足光学元件激增的数量和精度需求的问题，提出研制一种新型超精密环形抛光机床。首先引入抛光盘跳动为变量构建基于Preston公式和赫兹接触理论的材料去除模型；模型仿真分析表明抛光盘跳动误差变化会导致材料不均匀去除，而主轴跳动误差和导轨直线误差会直接影响抛光盘的面形修正和测量精度。然后基于此结论，利用静态、模态、谐响应分析对机床整体布局和横梁支撑形式进行优化；同时设计气体静压导轨和主轴以提高直线运动精度和主轴回转精度。最后为了验证机床精度和加工指标，采用LK-G5000激光传感器检测导轨和转台的运动误差分别优于1.2 μm/400 mm和0.4 μm。对⌀300 mm的UBK7光学元件进行抛光，8小时后粗糙度和PV值分别优于

0.56 nm和1/10

。结果表明：所研制的超精密环形抛光机床达到了设计要求。

Abstract

Considering key challenges that include controlling the surface shape of a single-axis polishing machine， greater reliance on manual experience， and the necessity to meet demands such as the increasing number and precision of optical elements， a new ultra-precision ring polishing machine is proposed. First， a material removal model based on the Preston formula and Hertz contact theory was constructed by introducing the thrown disc runout as variable. Model simulation analysis shows that runout error variation leads to uneven removal of materials， and that the runout error of the spindle and the linear error of the guide rail will directly affect the surface shape correction and measurement accuracy of the disc. Based on this conclusion， the machine tool overall layout and beam support form were optimized using static， modal and harmonic response analysis. At the same time， the hydrostatic guide rail and spindle were designed to improve linear motion and spindle rotation accuracy. Finally， to verify the machine tool accuracy and machining index， the motion errors of the guide rail and turntable are better than 1.2 μm/400 mm and 0.4 μm， respectively， using the LK-G5000 laser sensor. ⌀ 300 mm UBK7 optical element in polishing， roughness and PV value superior to eight hours after Ra0.56 nm and 1/10λ. Finally， the results demonstrate that the proposed ultra-precision ring polishing machine meets design requirements.

关键词

Keywords

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