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1、 方案背景與目標(biāo)

目前，大口徑光學(xué)元件被廣泛應(yīng)用于遙感衛(wèi)星、太空望遠(yuǎn)鏡等精密光學(xué)系統(tǒng)中，它是高性能高精度光學(xué)系統(tǒng)的核心，更是精密光學(xué)制造領(lǐng)域明珠。雖然眾多應(yīng)用場(chǎng)景中，光學(xué)元件的口徑變得越來越大，形狀也日趨復(fù)雜，但是其表面加工控制精度的要求越來越高，尤其是高端應(yīng)用光學(xué)元件表面控制精度要求甚至達(dá)到皮米量級(jí)。大口徑光學(xué)元件表面的粗糙度、平整度以及缺陷是研磨拋光過程中必須要檢測(cè)的重要參數(shù)，需要在加工過程中要做到精確定位、快速檢測(cè)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)、妥善處理，否則任何遺留缺陷的非正常能量聚集有可能損害器件乃至整個(gè)設(shè)備。

本方法針對(duì)大型光學(xué)元件由于尺度大、形狀復(fù)雜無法對(duì)其表面納米級(jí)物理參數(shù)進(jìn)行原位測(cè)量技術(shù)難題，突破低噪聲超高速納米測(cè)量、三維納米減振云臺(tái)設(shè)計(jì)及其振動(dòng)主動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，開發(fā)大口徑自由曲面光學(xué)元件的原位納米測(cè)量機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)高精度形貌（包括劃痕、缺陷）以及粗糙度等參數(shù)的精確測(cè)量，提升極端測(cè)量能力。

2、 方案詳細(xì)介紹

本項(xiàng)目主要借鑒鳥頭防抖增穩(wěn)原理構(gòu)建多自由度大行程納米操控與測(cè)量系統(tǒng)，重點(diǎn)解決機(jī)器人末端執(zhí)行器振動(dòng)抑制問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)超大尺寸、復(fù)雜曲面形狀工件任意點(diǎn)納米加工和測(cè)量。主要包括多自由度機(jī)器人及其控制器、末端執(zhí)行器及其控制系統(tǒng)、人機(jī)交互軟件系統(tǒng)，其中末端執(zhí)行器包括振動(dòng)抑制系統(tǒng)和AFM測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能利用多自由度機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大尺寸范圍運(yùn)動(dòng)定位，末端執(zhí)行器依靠自身振動(dòng)抑制系統(tǒng)消除機(jī)器人末端振動(dòng)，并利用AFM測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)納米加工和測(cè)量。本方法的整體規(guī)劃如圖：

主要研究?jī)?nèi)容包括：

（1）     低噪聲超高速納米測(cè)量技術(shù)；

（2）     三維納米減振云臺(tái)設(shè)計(jì)及其振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)；

（3）     基于末端三維坐標(biāo)實(shí)時(shí)反饋的機(jī)器人高精度定位補(bǔ)償控制；

（4）     多自由度機(jī)器人與自穩(wěn)定終端執(zhí)行器系統(tǒng)集成及應(yīng)用測(cè)試。

面向大口徑自由曲面光學(xué)元件的原位納米測(cè)量機(jī)器人示意圖

3、 代表性及推廣價(jià)值

光學(xué)器件制造產(chǎn)業(yè)中大口徑光學(xué)元件的原位納米測(cè)量技術(shù)在國際上一直是空白狀態(tài)，突破這項(xiàng)技術(shù)瓶頸將為先進(jìn)光學(xué)器件制造效率提升和制造工藝優(yōu)化提供有效技術(shù)支撐。利用本方法所開發(fā)的大口徑光學(xué)鏡面在線納米測(cè)量機(jī)器人具有拓展當(dāng)前納米測(cè)量應(yīng)用的作用，在光學(xué)元件制造領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。