中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

大口径光学镜面是先进光学系统实现高性能运行的核心元件。其制造精度与效率直接决定了系统的性能上限和工程建设周期。基于计算机控制光学表面成形技术（CCOS）的数控小工具研抛技术在过去几十年的发展中，逐步成为大口径镜面、尤其是非球面的主流加工技术。然而，随着镜面口径的增大以及对制造效率要求的提升，数控研抛技术面临两大关键问题：第一，受边缘效应与计算复杂度制约，镜面中间和边缘区域的面形误差难以在同一加工轮次中同步收敛，严重降低了全口径面形误差的收敛效率；第二，在镜面修抛后期，面形误差呈现多尺度混合分布的特征，单一尺寸工具难以兼顾不同尺度误差的修正需求，同样导致收敛效率大幅下降。针对上述瓶颈，本文以提升大口径光学镜面数控研抛效率为核心目标，从理论基础、加工方法、算法模型到工程应用，开展了系统性的研究工作。
在理论层面，本文首先系统梳理了镜面研抛的材料去除机理、Preston方程与CCOS技术中的材料研抛去除模型，明确了驻留时间求解在确定性加工中的核心地位。进而对基于卷积模型与线性方程模型的多种驻留时间求解算法进行了深入分析、比较与筛选，为后续的方法创新奠定了理论基础。
为解决全口径面形误差收敛效率低的问题，本文突破传统公转半径固定的双转子模式在边缘面形控制能力上的局限，提出了一种公转半径可变的镜面全口径数控研抛方法。该方法核心在于：（1）构建公转半径动态可调的双转子加工模式，实现边缘区域去除函数尺寸的连续调节，从而主动压缩边缘效应影响范围；（2）结合空间不变与空间变化去除函数模型，提出分区驻留时间求解策略。在镜面中间区域采用空间不变模型以降低计算量，在边缘区域采用空间变化模型以提升边缘面形控制精度；（3）设计融合公转半径变化的加工路径，实现加工模式在中间和边缘区域的平滑过渡。最终，该方法可在单个加工轮次内、无需更换工具的条件下，实现全口径面形误差的高效修正。仿真与实验结果表明，该方法能够在普通个人计算机上于数十秒内完成驻留时间求解，并实现镜面全口径面形误差的快速、一致收敛，显著提升加工和计算效率。
针对修抛后期多尺度误差混合分布导致的收敛效率下降问题，提出迭代式小波变换面形分解算法（IWTSD）和相应的多尺寸工具组合加工策略。算法在引入双树复小波变换作为面形分析工具的基础上，采取非负约束与迭代提取机制，实现了面形误差的多尺度非负分解。分解的各尺度分量无需额外处理即可直接用于驻留时间求解，从根本上避免了传统面形分解算法中负值分量带来的额外计算和加工效率损失。同时，通过构建特定的面形延拓方法和优化的延拓因子，使IWTSD算法能够有效处理常见的非矩形镜面数据。基于IWTSD算法，本文进一步构建了“尺度分解—工具匹配—独立计算”的多工具组合加工策略。该策略建立了误差尺度特征与工具校正能力之间的定量匹配关系，可实现各尺度分量的独立驻留时间求解与路径规划，保障多尺度误差在修抛后期能够同步、高效收敛。仿真结果表明，IWTSD算法能够在普通个人计算机上于十秒内完成面形分解。且在总驻留时间相当的条件下，基于IWTSD的组合加工的剩余误差RMS仅为单工具加工的1/3，面形精度显著提升。与基于其它面形分解算法的组合加工相比，在最终面形精度相当的条件下，基于IWTSD的组合加工的总驻留时间仅为其它方法的2/3，总驻留时间被大幅缩短，尤其是显著降低了小尺寸工具的加工时间，为后续精修工艺阶段创造了有利条件。
在工程应用方面，本文以我国在研的下一代先进天文观测设备——4.4米光谱望远镜的拼接子镜为对象，在自主研制的工业机器人数控研抛平台上，对1150mm口径的子镜开展了完整的研磨与抛光加工。研磨阶段耗时184.16小时，镜面全口径面形误差PV值从308.64μm降至8.28μm，RMS值从60.23μm降至1.48μm。抛光修形阶段，仅用3轮、25.68小时，便将RMS值从0.73λ收敛至0.124λ，实现了各尺度面形误差的同步、高效修正。上述工程应用结果表明，本文提出的全口径数控研抛方法、迭代面形分解算法与多工具组合加工策略在实际工程中具备优异的稳定性、收敛一致性与高效性。
综上所述，本文围绕大口径光学镜面高效数控研抛的需求，构建了一个包含加工模式、面形分解算法以及多工具组合加工策略的方法体系。该体系成功实现了全口径与多尺度面形误差的高效一致收敛，为大口径光学镜面在数控研抛加工的不同阶段提供了可行的技术路径与理论支撑。