气囊抛光可用于加工具有纳米级表面粗糙度和亚微米级形状精度的非球面光学元件，在光学元件加工领域应用广泛。传统气囊工具磨损检测方法成本高、耗时长、效率低，针对该问题，提出一种基于拼接数据采集平台的改进迭代最近点（ICP）拼接算法的气囊磨损检测方法。该方法通过点云拼接实现大尺寸气囊工具的磨损检测，并结合气囊磨损检测算法计算磨损量。采用体素下采样和半径滤波对拼接数据进行点云预处理，利用搭建的拼接检测数据采集平台获取良好的初始配准变换矩阵，最后利用双向K-D树近邻搜索结合ICP算法实现点云精配准。实验结果表明，所提拼接算法在保证配准精度的同时可大幅提高配准效率，并且不影响后续气囊磨损检测的精度，为大尺寸气囊工具磨损检测提供了保证。

针对强激光系统所需大口径非球面元件高精度、批量化的加工需求, 提出了一种气囊抛光技术与柔性沥青小工具抛光技术相结合的大口径非球面元件高效制造方法。采用气囊抛光技术进行非球面保形抛光和快速修正抛光, 实现磨削缺陷层快速去除以及低频误差快速修正。采用柔性沥青工具匀滑抛光技术, 在低频误差不被恶化的情况下, 控制元件中高频误差。在抛光过程中, 利用球面干涉仪搭建的自准直波前干涉检测系统和粗糙度仪对非球面元件进行全频段误差检测。基于上述加工与检测方法完成了430 mm×430 mm口径离轴非球面透镜样件实验加工, 实验结果为元件通光口径内透射波前PV=0.1λ, GRMS=5.7 nm/cm, PSD1 RMS=1.76 nm, PSD2 RMS=1 nm, Rq=0.61 nm, 并且中频段功率谱密度曲线均在要求的评判曲线之下。实验结果表明, 离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。所述制造方法也适用于其他类型大口径非球面光学元件的高精度加工。

本文提出一种高精度非回转对称非球面加工方法。首先, 通过范成法铣磨出非回转对称非球面的最佳拟合球; 然后, 利用古典抛光修正小磨头确定抛光难以修正的中频误差; 最后, 利用高精度气囊抛光设备(IRP)精确对位精修面形, 在不引入额外中频误差条件下, 通过高精度对位检测技术实现非回转对称非球面高精度加工。将该方法应用于定点曲率半径为970737 mm、k=-1、口径为106 mm三次非球面加工, 降低了加工难度, 提高了加工精度, 面形误差收敛到1/30λ(RMS)。实验结果验证了本文加工方法的正确性和可行性, 对高精度非回转对称非球面加工具有一定的指导意义。

针对用于球面、非球面光学元件超精密光学加工的气囊抛光技术, 提出了一套控制抛光过程中气囊运动精度的方法。该方法通过控制加工单元的温度, 保证抛光过程中设备运动精度达到50 μm; 使用坐标传递法, 使检测数据二维方向对准不确定度达到0.30~0.70 mm。另外, 基于磨头去除量估计与反馈修正法, 提高精抛过程面形误差收敛效率。最后, 通过磨头探测校准法, 将磨头与加工工件法向位置精度提高至10 μm。实际抛光实验显示: 使用运动精度控制法在280 mm口径的平面精密抛光中获得的面形加工精度为0.8 nm(RMS), 在160 mm口径的凹球面精密抛光中获得的面形加工结果为1.1 nm(RMS), 实现了超高精度面形修正的目的, 为超高精度球面、非球面光学元件加工提供了一套行之有效的方法。该方法同样适用于其他接触式小磨头数控抛光方法。

单点金刚石车削技术被广泛应用于光学表面的超精密加工。然而，车削表面固有的周期性残留刀痕结构将增强表面散射效应，恶化元件光学性能。为了抑制散射以获得高质量光学表面，采用气囊抛光技术主动改变车削表面周期性刀痕结构。基于Taguchi正交试验，以表面粗糙度及功率谱密度的改善率为设计指标，分析获得了最优抛光参数。采用该最优参数对一精车表面进行了抛光试验，抛光后表面粗糙度Ra 由3.81 nm 降到1.42 nm，各空间频率功率谱密度大幅降低，同时表面的衍射条纹消失。试验结果验证了所采用的抛光及相应优化方法的有效性，具有重要的工程应用价值。

提出了一种新的进动气囊抛光驻留时间算法, 用于实现高精度的光学玻璃零件的加工。首先, 通过抛光工艺试验确定抛光去除率函数; 在矩阵迭代算法的基础上, 给定一个合适的驻留时间初值函数。然后, 采用分层阈值去除法进行驻留时间的优化求解, 并加上残余误差方差最小的判定条件, 从而得到完整的驻留时间函数。该算法适用于非球面、自由曲面等光学玻璃元件的抛光加工。用MATLAB对残余面形误差进行了仿真, 仿真结果表明残余误差精度PV值可以收敛到0.1 μm左右。最后, 对光学玻璃平面进行了抛光。实际抛光后, 该玻璃表面粗糙度Ra从抛光前的0.159 μm减小到0.024 μm, 面形精度PV值由抛光前的0.756 μm减小到0.158 μm。得到的结果验证了提出驻留时间算法的合理性, 表明该算法可为以后进行复杂面形工件的气囊抛光研究提供理论基础。