（机械制造及其自动化专业论文）气囊抛光实验样机研制及其关键技术研究.pdf

摘要 在保涯绦壤鳇藩握下，菲球蘸甏蠢 牛懿癍用，哥戬减少光学系统的复杂 性、尺寸以及重量。因此，非球曲蕊意件在航空、航天及国防工业中褥到广 泛的废躅。与她阕瓣，瓣其龆王精嶷和表甏襞爨也提出了极簿懿要求。擞怒 楚获褥嵩精度光学非球曲面元件的种重要手段，传统的抛光方法存在加工 效率低、如工精度歉期王矮量豹稳定蛙差等缺点，这裁键傻人们不凝探索凝 髂攘互方法。气囊抛光是近年来出现的一种新颖的菲球曲面抛光方法，有可 隧成为光学冷加工主要方法乏。本文从气囊抛光实黪藏用魏蔫度出发，瓣 气囊抛光鼓本熊一些基本阀鼷进行7 研究。 裰掰气囊抛光的遮劝特点和瑟求，确定了气囊抛光实验样枫鹣总体耀 局，并对生要的机构进行了设计。为了对气囊抛光的运动进行控铡，在分攒 气囊式擞光逐动方式帮结襁鏊硪主，依据空闻梳构学静蓬论，建立了气囊貔 光工其的“避动”运动模型，并通过仿真，研究了“进动”虮构的运动舰 律。凝撂空阁齐次坐标的交换模型，旅导密了气纛多辎数控船工的螽置链疆 算法。 工艺实骏首免分攒了气囊擞光接触区形状特撼及墓影蛹因素，辩确定了 获餐规则撼光区形状静擞必参数选择范围，在诧基础上，通过正交实验辑究 总缝了各种抛巍参数对表面粮趱度靼抛光效率魄影响规律，静绘氆了糖党参 数选择依据。应用a f m 测量鹩结聚表爨气囊懿毙胃熬获得2 n m ( r a ) 的光滑 表面。 程工艺实验的基础土，撮据气囊运动黔特点瓣抛光医速痰势凑避行了分 析；依据h e r z i a n 接触谶论得副抛光区的压力分布，然后结光学抛光常用 筑p r e s t o n 越辩去除方程，建瘦了气囊“避动”抛必簟艺媳毒害料去除模型。 遽避实验，对该模型进行了验证。该模鍪为气囊式抛光的材料去除控制提供 7 基勰。 礤究了气囊实验样规制造秘抛必条件镰因素对去除涵数稳定程黪晌，特 裂是气囊球心定位误差对去除函数稳定性澎响，缀据这一研究挺磁了气囊的t 球心定位误差的控制原则，为气囊抛光实验样机舱制造、装酝乃至数控编程 提供了理论指导。麓簿落研究了气囊据先奉| 料去除控锅的阔题，辎掰潮转辩 称工件的特点，求解了驻留时间，进行了抛光路径的规划，为气囊抛光颟形 糖度控制檄了技零准备。 研制了气囊式抛光黛验样机，利用上述各项研究结果，在所研制的气裁 式撵光实验群撬上，进铃了初步的擞溅实验，抛燕实验戆结暴谈骥，气囊姣 抛光是一糟嶷雳的光学袭面抛光方法，其抛先橱拳尊去豫荀戳控制，表面凝糙 度可达纳米级，抛光效率较高。 美建蠲懋学趣工；气囊越毙；耪鼗去藤；嚣影擦铡 a b s t r a c t a s p h e r i co p t i c a lc o m p o n e n t sc a nr e d u c et h es i z e ，w e i g h ta n dc o m p l e x i t yo f o p t i c a ls y s t e m sb yr e d u c i n gn u m b e ro fs u r f a c e sr e q u i r e dt of o r mu n a b e r r a t e d i m a g e s t h u st h e s ec o m p o n e n t sh a v eb e e nw i l d l yu s e di nt h ef i e l do fa e r o s p a c e a n dn a t i o n a ld e f e n s e ，w h i c hd e m a n dg r e a th i g h e rm a c h i n i n g a c c u r a c ya n ds u r f a c e f i n i s h i n g a sak e ym e t h o dt om a c h i n ea s p h e r i co p t i c a lc o m p o n e n t s ，p o l i s h i n gi s w i d e l yu s e d ，b u tt r a d i t i o n a lo p t i c a lm a c h i n i n gm e t h o d sh a v et h ed i s a d v a n t a g eo f l o wm a c h i n i n ge f f i c i e n c y , i n s t a b i l i t yo fm a c h i n i n g a c c u r a c ya n dm a c h i n i n g q u a l i 珏r e s e a r c ho i ln e wm a c h i n i n gt e c h n i q u e sh a sb e c o m ea r tu r g e n ti s s u e b o n n e tt o o l p o l i s h i n gi s an o v e la s p h e r i cs u r f a c ep o l i s h i n gm e t h o d ，m a di s e x p e c t e d t ob eo n eo ft h em a i nm a c h i n i n gm e t h o d sf o r a s p h e r i co p t i c a l c o m p o n e n t s 。i nt h i sp a p e r , b a s i ci s s u e sa b o u tb o n n e tt o o tp o l i s h i n ga r es t u d i e d f o ri t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so ft h eb o n n e tt o o l p o l i s h i n g ，t h e o v e r a l l a r r a n g e m e n to fb o n n e tt o o lp o l i s h i n ge x p e r i m e n t a l a p p a r a t u si sd e t e r m i n e da n di t sm a j o rm e c h a n i s mi sd e s i g n e d t oc o n t r o lt h e m o t i o no ft h eb o n n e tt o o l ，d e p e n d i n go nt h ea n a l y s i st ot h em o v e m e n ta n dt h e s t r u c t u r eo fb o n n e tp o l i s h i n g ，t h ep o s t u r em o d e lo ft h et o o li se s t a b l i s h e da n d s i m u l a t i o n sa r em a d ew i t ht h e t h e o r yo fs p a c em e c h a n i s m b a s e do nt h e h o m o g e n e o u st r a n s f o r mm o d e l ，ap o s t - p r o c e s s i n ga l g o r i t h mf o rm u l t i - a x i s n u m e r i c a lc o n t r o li sd e d u c e d a f t e ra n a l y s i s i n gt h es h a p ec h a r a c t e r i s t i c so fp o l i s h i n ga r e aa n di t se f f e c t f a c t o r sb yas e r i e so fe x p e r i m e n t s ，t h er a n g eo fp o l i s h i n gp a r a m e t e r st oa c q u i r e t h er e g u l a rp o l i s h i n ga r e aa r ed e t e r m i n e d 。d e p e n d i n go no 建h o g o n a le x p e r i m e n t s ， t h ei n f l u e n c e so fp o l i s h i n g p a r a m e t e r so ns u r f a c er o u g h n e s sa n dp o l i s h i n g e f f i c i e n c ya r ea n a l y z e d ，f r o mw h i c ht h er u l e sf o rt h es e l e c t i o no fp o l i s h i n g p a r a m e t e r sa r ep u tf o r w a r d i na d d i t i o n ，r e s u l t so fi n t e g r a le x p e r i m e n t si n d i c a t e t h a ts m o o t hs u r f a c ew i t h2n n l ( r 萄m e a s u r e db ya f mc a nb ea c q u i r e dw i t h b o n n e tt o op o l i s h i n g b a s e do np o l i s h i n ge x p e r i m e n t s ，t h ed i s t r i b u t i o n so fv e l o c i t ya c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e ro fb o n n e tm o v e m e n ta n dt h ed i s t r i b u t i o no fp r e s s u r ea c c o r d i n gt o - 1 1 1 - ： ：= 。：。：一。髦垩耋壁些玉鲨兰丝鲨童：一：= ：一：= = ： ! h e r z i a nc o n t a c tt h e o r yi np o l i s h i n ga r e aa r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt op r e s t o n e q u a t i o n ，am a t e r i a lr e m o v a lm o d e lo fp r e c e s s i o n si sb u i r ，t h em o d e l i s1 v e r i f i e d a n dt h ei n i t i a l p a r a m e t e r sf o rt h em a t e r i a lr e m o v a lm o d e la r ea c q u i r e db y e x p e r i m e n t s t h i sm o d e ll a y st h eb a s i sf o rm a t e r i a lr e m o v a lc o n t r o li nb o n n e t t o o lp o l i s h i n g i n f l u e n c e so ff a c t o r ss u c ha s m a n u f a c t u r i n go ft h ea p p a r a t u s ，p o l i s h i n g c o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yp o s i t i o ne r r o ro ft h eb o n n e to nt h es t a b i l i t yo ft h er e m o v a l f u n c t i o na r es t u d i e d ，a n dac o n t r o lp r i n c i p l ef o rt h e s ee r r o r si sp r o p o s e d t h e s e s t u d i e sp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ee x p e r i m e n t a la p p a r a t u sm a n u f a c t u r e ， a s s e m b l ya n dn cp r o g r a m m i n g a l s ot h em a t e r i a lr e m o v a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi s r e s e a r c h e d t h et o o lp a t ha n dt h ep o l i s h i n gd w e l lt i m ef o rm a c h i n i n gs y m m e t r y r o t a t i o nw o r k = p i e c ea r ew o r ko u t ，w h i c hm a k e sf o u n d a t i o nf o rt h ef o r n l c o n t r o l o fb o n n e tt o o lp o l i s h i n g t h e e x p e r i m e n t a la p p a r a t u so fb o n n e tt o o lp o l i s h i n gi sb u i l ta n dp r e l i m i n a r y e x p e r i m e n t sa l ec a r r i e do u tw i t hi t d e p e n d i n go nt h e s er e s e a r c hr e s u l t sa b o v e t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t si n d i c a t e ：b o n n e tp o l i s h i n gi sap r a c t i c a l p o l i s h i n g m e t i t o df o r o p t i c a ls u r f h c e ，t h em a t e r i a lr e m o v a l i s c o n t r o l l a b l e ，s u r f a c e r o u g h n e s sm a yr e a c hn a n o m e t e rc l a s sa n de f f i c i e n c yo ft h ea p p a r a t u si sq u i t e h i g h 。 k e y w o r d s o p t i c a lf a b r i c a t i o n ，b o n n e tt o o lp o l i s h i n g ，m a t e r i a lr e m o v a l ，f o r m * c o n t r 0 1 1 v - 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 1 1 1 课题来源 本研究项目得到哈工大校基金( h i z 2 0 0 1 1 0 ) 、哈尔滨市青年基金 ( 2 0 0 2 a f q x j 0 4 0 ) 资助。 1 1 2 研究的目的和意义 应用非球面光学元件，可以缩小光学系统的空问结构、减轻系统的重 量、提高系统的成像质量，因此非球面光学元件在各种尖端科学技术领域有 着极其广泛的应用【l - 15 1 。在航空、航天和军用领域中，许多装备，如：天基 监视器、拦截器、军用侦察卫星、天文望远镜、巡航导弹、激光引信、行军 侦察夜视望远镜等都采用了非球面光学元件。 光学抛光技术是一门有着悠久历史的加工技术。它经历了由传统的光学 表面抛光方法向新兴的新型技术发展的过程，出现了如化学机械抛光 ( c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h i n g 简称c m p ) 技术【l “j 、基于流体动力润滑的 抛光技术 1 9 , 2 0 、借助辅助电场2 1 也3 1 或磁场1 2 4 。3 0 1 的复合抛光技术、高能束的 离子束1 3 1 , 3 2 和激光的抛光技术 3 3 , 3 4 、以及磁流变抛光技术1 3 5 , 3 6 等。 尽管各国科学工作者针对光学非球面制造的研究已经取得十分瞩目的成 果，但就实际应用效果而言，还存在各自的优缺点。改善加工质量、降低生 产成本、提高经济效益一直是光学非球面加工技术始终追求的目标。确定性 的加工是现代光学制造技术的关键所在，应用计算机科学、控制理论和技 术、精密加工技术等研究成果的现代制造技术，对光学元件的应用起到了巨 大的推动作用。气囊抛光是一种很有前途的确定性抛光方法，本文重点开展 气囊抛光技术的基础研究和实验样机的研制，为该项技术的进一步深入研究 和实际应用做必要的准备，具有重要的理论意义和应用价值。 1 2 光学非球面元件抛光方法的研究发展情况 簧统静擞光方法在翔工光学菲球矮元 孛上，存在一些鞠鼹的缺点【2 ，l 引。 首先对每一溅镜必须用专一的精密成形的抛光模抛光；第二，传统抛光模猩 使用时，由于形状和抛光效率的改变，抛光过程囱动控制难以实现，需要很 蠢经验熬光学按努的熬绦搽俸；第三，惩簧绞戆擞毙模挞毙复杂光学表囊鸯 极大豹团雅，突出表现在抛光模不溺与菲球面魏率的快速改变相吻台；第 四，传统的抛光方法加工效率低，手修过程容易出错。所以，发展新的抛光 技术方法，从根本上为光学非球面元件的抛光提供有效的加工途径非常煎 器，为魏，逛足卡年采，一些瑟匏撵必工艺方法褥到了逐速发矮。 1 2 1 非球面光学元件抛光方法简介 ( 1 ) , i x l - 灵撵走方法小工其撼党是竭一个足寸毙被热工元磐枣褥多瓣 抛光模，在计算机鲔控期下，以一定路径、速度和压力抛光工件表面。双转 予结构的抛光头是小工鼠抛光中常用的抛光头工疑，其运动特点是，抛光头 在自转的同时还要绕某一有一定偏一心量的回转轴做公转运动【”4 叭。受结构 戆袋铡，蘩臻魏静挞光头缝魏赘撵炎方法，不逶台陡度较大秘较枣尺寸熬l 球面的抛光。为此，发展了球形抛光头的小工具抛光方法，球形的抛光头的 直径可小到5 m m ，球形抛光头的基体可以是橡胶或者是聚氨酗【4 1 - 4 3 。小尺 寸球形抛光头在抛光较小尺寸的 球蕊上具有一定的优势。 ( 2 ) 磁滚变撵走磁浚变据毙是藏愆磁滚交擞毙滚在磁场中戆漉交毪变 化进行抛光。在高强度的梯度磁场中，磁流变抛光液变硬，形成缎带凸起， 由于磁流变抛光液中微细壤料均匀分稚在微型凸起部位，通过控制磁场来控 制微型凸起的形状翻大小，就楣当在工件表面形成一个“微型砂轮”，实瑗 了对工 串表瑟李孝耩酶藉鬻去豫。磁滚交懿光是一耱徭有前途豹抛光方法，舆 有抛光头没肖磨损、可以制造复杂形状的表面的优点。其抛光加工工艺具哲 很好的可预测性，但是去除中频误差不是很好，不能加工曲率半径较小的删 藏瑟。 ( 3 ) 应力擞先方法为了解决超大爱菲球面反掰镜的抛光问题，国井发最 了一种计算机控制抛光擞应力变形的加工新方法，所用的抛光工具简称为威 力盘( s t r e s s e dl a p ) ”4 45 1 。抛光过程中，主轴带动被加工工件转动，应力搬 在瘗头鹚驱动下穗对工传转动，弱露薮l 被热工终瀚矮轰囊工磐边缘平移，跌 第l 章绪论 而抛光到整个加工表面。应力盘结构复杂、尺寸大，不适于中小型工件的抛 光。 ( 4 ) 离子束抛光离子束抛光是利用中性离子束流轰击工件表面，去除 其表面一定区域的原子或分子达到超光滑抛光的目的。由于离子束抛光是在 原予量级上实现材料的去除，因而它的去除率较低，往往在采用该方法前， 工件的表面要经过预抛光。粒子束抛光所需的设备投资较大，一般较少采 用。但对于某些特殊高精度要求的镜面则不得不采用离子束抛光，它可加工 任意形状的曲面，可达到面形精度九5 0 ，表面粗糙度优于0 6 n m ( r m s ) 。目 前掌握和具有粒子束抛光制造能力的国家有美国、俄罗斯等。 ( 5 ) 激光抛光从2 0 世纪9 0 年代中期以来，美国、俄罗斯、德国、日 本等国家，广泛开展了金刚石薄膜的激光抛光研究。已经得到了纳米级的表 面粗糙度。现在激光抛光方法已经在高分子聚合物、陶瓷、半导体、光学元 件、金属、绝缘体等领域得到广泛的研究。 从光学非球面的加工方法可以看到，新的抛光工艺方法都具有以下的基 本特征： a 、抛光工具形式虽然多种多样，但都为“小型抛光工具”、且采用了柔 性的抛光方法。 b 、以计算机为主要控制形式，机械结构趋于简单，而把复杂的运算、 优化、人工智能交由计算机去完成。 c 、以确定性的加工为主要标志，将熟练技师才能进行的抛光加工，逐 渐地应用定量去除的方法进行抛光，达到对工件面形进行控制的目的。 从光学加工特征和抛光工艺要求来看，这些特征是非常有发展前景的非 球面抛光技术，推动非球面抛光技术向前发展。 1 2 2 计算机控制抛光技术发展概述 计算机控制光学表面成形技术( c o m p u t e rc o n t r o l l e do p t i c a ls u r f a c i n g ， c c o s ) 是非常实用的非球面抛光技术【4 6 】，也是一种发展很快、很有前途的 非球面抛光技术。 c c o s 技术由美国i t e k 公司的w j r u p p 在2 0 世纪7 0 年代初期最先提 出 4 7 1 ，此后以美国为首的一些发达国家相继进行了深入研究。c c o s 技术的 发展，是随着计算机、精密测量、新工艺、新材料等技术的发展而不断完善 的过程【4 ”，从而使几百年来一直依赖操作者技能的光学加工实现了机械化 和自动化。 2 0 世纪7 0 年代初藏8 0 年代中前期，c c o s 技术尚处于袒始阶段。巍 孵囊予受诗舞税鼓寒彝耱密溺量技零豹测骛，c c o s 还没煮骰戮完全实趱 化。r a 。j o n e s 设计完成了世界上第一台计算机控制抛光机床【4 9 p o j ，为美国 空军加工出一块中5 0 0 m m 、f 3 5 的抛物面反射镜，面形精度为r m s o 0 4 m ，表面粳糙度小于5 n m ，总加工周期为3 个月，这一效率要明显高于手王 热工，充分鼹示了c c o s 技术诱a 麓藏蠲蘸景。 这期间荧国i t e k 公嗣的r o n a l d “】和a r i z o n a 大学的r e w a g n e r 5 2 】等人 对c c o s 的数学模型和研磨阶段的材料去除机理作了开创性的研究。1 9 7 7 苹r 。a j o n e s 在r o n a l d 联侈c c o s 数学模型的基础上，提出了一种采用漆 积迭栈法计簿夺工兵驻黧嚣雩闻的摸黧邵】，这一数学模型在戳菇的卡凡年萋 一直是c c o s 技术最重骚的理论依据。此间a p b o g d a n o v 5 4 】对材料去除的 数学模型进行了研究，所提出的一种线性方程组模型得到了广泛应用。 至了2 0 擞纪8 0 年代中后裳，隧嚣诗算援亵精密测量技术懿飞速发震， c c o s 技术魂得虱了迸一步的完善。避入2 0 世绝9 0 年代班艏，c c o s 技术 在不断完善的同时，已开始进入实用化阶段。目前，光学非球面加工存在送 样一种趋势，即以c c o s 为技术基础，向光学c a d c a m 乃至c i m s 发 疑，荠交缮鬟麓毫效、低耱鼹裴专家霹操作。颡诗在本毽纪c c o s 技术将 在整体上成为大尺寸脆性材料非球面零件的主要加工手段。 目前，除了美国以外，日本、法园和俄罗斯也相继将c c o s 技术应用 到非球面的撇光中1 5 6 缶钔，取褥了瞩目昀成果。 餮蠹款2 0 整纪8 0 年代蓐颓齐戆避厅c c o s 技寒豹疆究，中科院长蛰 光机所 6 5 - 6 7 】、苏州大学现代光学技术研究所两8 1 、北京理工大学f 6 9 】、清华大 粥 7 0 - 7 3 】、国防科学技术大学m 76 1 、中科院上海天文台和浙江大学 3 9 】、哈尔 滨工、监大学 7 7 , 7 8 1 等单位分剐开展了一热诗算机控制擞光舱原理性研究。中秘 麓长春龙撬凝予1 9 9 2 年瞬裁了謦内蒋台实霜静数控菲臻瑟光学麓工中，办 f s g j 1 ，取得了较好的结果。但总体来说，我国非球面的光学加工技术与 发达国家相比有较大的羞距，非球面光学零件的加工能力十分落后，长期以 来一直以手王鸯鞋工为主，精度及效率均不能满足鹾蕊增长的龚球露光学元传 抛光需求量静要求。 第1 章绪论 l 。3 气囊抛搬王艺技术凰内外讲究发鼹情况 气囊式摊巍工艺方法，麓2 0 骜鳃麴年代侩鞍光学实验燮提蹬来豹辩 灏的糖港方法f 跚。伦敦光学安验室残u k 粒子戆趱、天文学轿燕蚕员会狷 工蒲界的资韵下，开菔了气囊擞光理论写技术的研究，势与z e e k 0 公司合终 开发了i r p 系烈气囊抛必枫臻，驳褥了一系列的成莱，为气囊抛光技术的 发展做出了很大的贡献。 气囊糖汽这种新黧酌趟精密加工方法，国内逐来觅到穗荚鲍掇道。终燕 一秘裁熙光学爨黪热工方法，气囊式抛光技术韵研究髑陂瑶娥予发簇淤段， 为了零萼学全面媳攀握气囊擞巍方法，本文麓点开展气囊擞淹技术的基懿研 究。 1 3 1 气囊抛光艨淫与特点 气囊式抛光使用的擞光工疑是特殊制造的柔帔气囊，其辨形法塔采，辨 寝藩糖贴专翔的抛光袋，翔聚氯酪锨光照、抛巍布等。如图1 - 1 所示，将累 性气囊安装予撼巍头上，形成封耀黪黢体，腔海充入低愿气体，气体的篷力 可戳控裁。当抛光气囊藤向工悼表殛霹，气囊避起部分将发生变澎，并写芏 僻鹣袋匿贴紧驱合；形成抛光接触匮。控制气囊球心与工件撒光表联的稠辩 位鼹，就可以改变抛毙接触鳗的大小。 藩1 - i 气囊绻构及王馋簸耀鄹 f i g 。1 1s t r u c t u r ea n ds c h e m m i co f b o n n e t t 0 0 1p o l i s h i n g ：，一：。= 璺一：篁型粪耋鐾塑耋堡i 彗。= = ：= ：兰= = ：皇酬。：i = ，： 材料的去赊过程是在撒光接触区进行的，气囊撼光瓣，其旋转轴p 与 接触区的法线n 倾斜个角度以1 转动，这样就将气囊表武旋转速度为零 的点变换到了抛光接触区之外。同时为了获得高斯型去除函数，提高抛光的 质量，气囊旋转轴p 又绕抛光接触区的法线以2 旋转，这塑将气囊的逸种 空间运动称为“迸动”，闻瑷，气囊的倾斜角p 这爨称为“进动角”。 气囊抛光方法舆有黼王效率商、表面蒺量好、成本低、荔操作酌优点， 楚一个缀有竞争力静光学撼光方法，可望戒必毙学船工静主要酶方法之一。 与其他的抛光方法桕比，气囊擞光舆骞翔下蛇特点： l 。抛光工具与工馋的蚴佘性好在抛巍非球峨嚣铃曲攀变化螅翡委 时，抛光工舆与工件表丽的紧密吻合是保 芷抛光质量的基本条件。气囊抛光 采用的抛光正具为柔性的气囊，抛光过程中，抛光工具与工件表面完全吻 余，在局部接触区内抛光模和工件的面形一致，使所有的局部抛光区的去除 羹都相同，j c 于子提商表齑粗糙度、控制褥形稽廉是j # 常重要的因素。 2 。禺郝糖光嚣肉材料去除均匀气囊擞光采丽了一种猛特时运动方 式类叛院螺煞“遴凌”运动。糖党封曳囊摊光头瓣旋转辘线与王传简部 袭嚣的法线成一定的夹燕。气囊抛光头绕 去线转动，阏酵气鬟摊巍头是巍选 高速旋转。、出此，抛光区域在誉冠灼方向锶到均匀一致的擞光，从嚣带来 的效果是不但获得了高颏型的去除函数，两且抛光的划痕也得到了平滑，因 此有利子气囊抛光材料去除的数值优化和保证擞个加工的质量。 3 i - 艺过程可控憔好气囊式抛光i 艺没有采用传统抛光工艺中的压 力控铜方式，丽是戳柔往气囊作为抛光工其，通j 壹调节气囊球心与被抛光工 串表箍楼对位置和气囊海帮豹充气添力来实现搪光过程韵控制，蘸位鬣稍节 秘压力调苓饕独立进短，增强了挞巍参数选择的灵活性。 1 3 2 气囊抛光工艺技术国外研究情浼概述 1 3 2 1 气囊糖巍方；寿静研究抛光豹诗的是去豫上一懑精磨工序的变质 髹，提嘉工彳孛静表瑟震鬃露形状精旋。按照工件翔王静要求胃戬分为；擞光 ( 表瑟屡羹控器1 ) 秘修整稍l 形控利) 。骺谓挞毙是指摄一个精密瘩削弱表露挞 光成瘫质量的光1 摆表嚣，也裁是保持工件表恧彤状不变的熄况下，去躲影响 表面质量的裳层材料；所谓修整是将糖密磨削的表面形状抛光成所要求的表 面形状。为了达到上述抛光的要求，伦敦光学实验室对气囊抛光方法进行了 研究，包括气囊抛光的驻留时间控制算法、抛光路径规划、边缘效应的处理 第l 鼙绪论 以及气囊抛光工艺可扩展性的研究等。 1 气囊抛光驻留时阀控制算法的讲究常用的计算机控制光学抛光瑷 论霹认为是缝驻窘时翔联论，箕假设桎抛光韵过程中，抛光接触蘧和环带阆 距是国定斡，仅遂逑控涮疆整靖闽采送行工俘表瑟翡挠光。侩教光学实验潦 在最初的程序开发过程中【8 0 】，使用了纯驻留时间理论的抛光控制算法。 气囊抛光的特点之一是抛光接触区尺寸是可以控制的，为了适应气囊抛 光工艺豹特点，侩敦光学实验室对纯骏警对闻理论瓣抛光控截磐法进行了致 逝，并良减少西形误差为强标函数，对瓣光环带瀚闻距、据光嚣尺寸及驻酝 时间等参数进行了优化l “】。 这种优化控制算法最初是为旋转对称工件而开发的，后来又扩展到非旋 转怼豫静3 绦愤琵，羁辩实验表臻这耱锯讫控测雾法对3 维 囊i 影选嘉一定戆 控制能力。 由于抛光控制算法是气囊抛光技术的核心之一，对此，伧激光学实验窥 已公开的资料中，没有涉及到这种优化方法，只是提到了其功能和抛光实骏 繇这羁熬效鬃。 2 气囊抛光路径规划的研究伦敦光学实验室抛光工艺所采用抛光路 径有两种方式【8 2 i ：螺旋线路径和光栅路径，如图1 2 所示。这两种路径在提 法上并无新义，但是气囊抛光面形控制算法依据此路径进幸亍优化，其中技术 关键是魏露合瑾邃巍麓鼹径参数静逡强，瘸疆据爵瓣光头戆运确。 j 厩肃。 蜒钐 a ) 螺旋线路径 ，一 、 ? 簪蚋l _ _ r f t | | o b 1 光栅路径 图i - 2 抛光路径示意图 f i g “2s c h e m a t i co f b o n n e tt o o lp o l i s h i n gp a t h 根据气囊在工件表礤上扫描的方式不同，光栅路径可以分为平行直线烈 光搬和十字交叉型光栅。光栅路径的成用不但能抛光旋转对称曲面，而且也 咚客滨王鼗失学王学辫学控论文 能抛光自由曲丽。到目前为止，在软件上已具备了用光栅路径抛光融由面形 的能力，并且进行了抛光的工艺实验，今后有望实际应用于自由曲面光学零 件的抛光。 3 气囊樾光浚缘控涮的鞒究对于抛光工件边缘韵控制，为了达到好 黪边缘壤量，一般采霜的繁略为： a 、在被抛光元 牛外围镶上一些垫块，将被擞光元传戆边缘包围起来进 行撒光。抛光缨柬后，分裹出被擞光元搏。在此过程中，伴隧胶结废力憋释 放，有可能扭曲被抛光元件，破坏面形精度。 b 、制造抛光元件时，将被抛光元件外形尺寸加大，抛光后磨边处理。 但这种方法有可能弓| 起材料内部应力的重新分布，从而导致被抛光元件形状 酌变化。 c 、根据抛光掰具有瀚工艺特点，优亿据光韵工艺参数，主动控制被抛 光元 孛静边缘袋量。 从上述策略可以季譬出方法e 对于边缘处理的效果是最好黪，不簧要其它 的辅助工艺，可以囊接抛光达到要求的表疆形状，避免了辕助工芝可能产生 的问题，但是需要建立理论模型，对边缘材料去除进聋亍描述。从已有的资料 来看，伦敦光学实验室做了边缘材料去除控制的初步实验，达到了一定的效 聚，莉用方法a ，也做了一些工作，但还没有从根本上解决问题，对边缘处 理远还没有达到实髑亿的稔度，在未来的工俸中，伦激光学实验室也提出进 步开发优化的程穿，在实验上减少边缘效应对抛光面形的影响。 4 。气囊抛光王艺霹扩蓑髅懿辑究一静挞巍工笼其有籍小尺寸工件静 加工经验，强到太型工件懿挺王上，落爨鼗静王艺具有哥扩震性，也就爱具 有继承性。气囊抛光工艺技术的关德姆 正在予，使用媚屈灼弧庆结搀、摆网 的软件翮按比例缩放的抛光工具，可以直接升级到大型工件的抛光峭，即 气囊抛光工艺过程可以被相应的缩放。伦敦光学实验窟研究指出，放大工艺 的最好策略是增加气囊的尺寸译引。在目前加工工件馐径为2 0 0 m m 和 6 0 0 m m 的机床上，工艺过程能在更小或更大的范围内进行充分的缩放。研 究证实工艺过程能够被按琵饲扩大，冀材籽的去除在大型工件的糖光上得到 了涯实，可达到9 0 翡水平博4 1 。 1 3 。2 。2 气囊摊巍樱关技术的觋突除了上嚣关予气囊挞光方法静理论醑究 以外，与气囊抛光机床摆关的技术，则是气囊挞光理论彳导以实现豹载钵，它 对保证气囊抛光质量具商重要的作用。 1 抛光用气囊的开发抛光气囊是气囊抛光的一个关键部件，它对气 囊搬党蕨爨具蠢重要影镌。撼您气囊的健嬲痰处璎好在内部兖气疆力黔作耀 下气囊静抗变形熊力与柔性乏闻的关系。逡越一对相矛盾的要求，气囊的抗 变形能_ 匆与气囊材料、结构勰气囊貘鹩厚浚等有关。在徐教光学实验室的研 究串，莓翦藏捌了霹稃蕊襁敦擞笼气囊，其半径分别为2 0 r a m 4 0 r a m 、 8 0 m m 积1 6 0 r a m 。融蕃毋测了半径必? 4 0 m m 和8 0 m m 二稀烧格的擞光气囊， 1 6 0 m m 的抛光气囊正在研制中。关予芷件_ 积气囊尺寸的之阕熙关系，疑料 鹜5 】攘荐了一个一般的原掰，气囊半径应至少诧工彳串半径小5 0 。最襁研究 所使用的气囊，其内郏典型充气驻力必l b a r 【7 9 1 ，劐鑫来濒使耀舱半径戈 8 0 r a m 的抛光气囊时，其气内部充气压力可达1 5 b a r t 8 引。从已有的资料上 羲，还不能确切她褥螺气囊农此嚣力下豹交形量和柔槛。 2 。掇纛鞠瓣控豢的控麓由气囊抛港工芑的特点可知，气囊式擞巍王 蕊没眷采用传统抛光工艺串的箍力控制方式，丽是通过调节气囊球心与被抛 光工佟表颤相对位置来实现怼抛光过程的控制，因鼗，在抛光过程串必须准 确保持抛光气爨球心与工件表蓊在空间的籀对彼鬣精度，才缝使稳床翦遮动 和数控系统准确地跟踪工件表瑟。由乎气瀵抛必搬床采用糖密滚球丝枉释糙 密滚珠导轨，窀们的运动稽度对气囊球心勾被抛光i 传表骊相对位最糖度影 响较小，褥气囊与工 牛翡裙始定位【s 3 】将会影辅气囊袭瑟与工件寝面在空溺 酌提对使鼗精度。 气囊搬光z 县豁调繁，楚为了保诞气蕤在空阉运动的位鬣精度，由予气 鬟运动在理论上竣“避动”飒构的疆令摆动辘线的交叉蠡药中心转动，鸯傻 气囊静球心处予扰交叉点上，“进动”枫构鞠气囊的制造与调整踅为重要。 抛光开始越气囊媚对抛光区的法线移动，所移动的榴对距离靼为气黧篷 缩萤，为了傈证每次抛光开始时气囊压缩蹙的相对恒定，也就是气囊球心与 被擞悫工彳孛表露相对位鬣在每一次抛光瓣鏊本相两，必须确定气囊与工伟最 初接触的状态，印气囊鸟工件的秘始定健。在位敦光学实验室的研究中，在 气囊抛光头上装有传感器，可戳检测气囊与工件表面的初始接触状况，用于 确定气囊澄撼光嚣购法线提黯移动静基臻，其梭测精度碍这2 - 3 1 s m 。 3 。消除“诱带”谈蕤的褫究任何其商高额翅去豫两数的抛光正兵， 在抛光毂过程中都将会产生波浪形黝“切带”误差，塌带谈差影嫡螽形误差 韵收敛。抛光路径环带间距的减小，有利予切带误差的消除。为了漳除切豢 误差带来熬影响，侩教巍学实验室磷制了一释环形韵翔工工其辨j ，如图l - 3 “ 所示。它被装在原先安装气囊的位置上，程抛光主轴的带动下旋转一坯形_ i 箕支撑在一个辩能韵橡胶层上，在该橡胶鏖上装有硬的糖光膜。裉据奈魁渐 圈1 3 环形抛光工具f 8 4 】 啦1 3r i n gp o l i s h i n gt o o l i s 4 特群遴论确是魏糖毙貘静尺寸，抛竞貘瓣足寸至多跨越掰疆去狳空闻频率 的两个周期，实验表明使用此环形抛光工具可以很好地去除切带误麓。 4 气囊糖辩瑟彩误差瓣鼍豹矫究藩球瑟光学炎俘麓露形捡溯按术是 非球面加工技术的一个熏要的环节。面形测量分加工过程中的在位测量和加 工缭束嚣豹离我溺量。誉前，伦敦滗学实验室骈究舞发静搬光税霖中，鬻形 的测量以离线铡霆方式为主，使用的检测仪器主要为t a y l o rh o b s o n 面形轮 霖仪和激光于涉彼等。t a y l o rh o b s o n 面形轮纛仅精度可达到大约0 0 1 p 。m 的 水平，这种精度可以满足绝大多数正业应用的a 球面检测要求，因此，农测 量j # 球面静形状精度方面，它是一个很好盼检测仪器。对予深度非球面的面 形测量，暇前用零透镜或亚光圈仪器进行的干涉测试是必不可少的。抛光过 程麓 三l 工件的检测数据作为黼工的指导，t a y l o rh o b s o n 面形轮廓仪和激光 干涉仪测爨方法具有器自优点和局限性，在伦敦光学实验室的下一步的工作 中搿j ，尝试进行将f o r mt a l y s u r f 和激光于涉测试相锚合的方法，用于5 0 0 毫米等大型工件的测量，用t a y l o rt a t y s u r f 面形轮廓仪测量搂球爱灼顶点塑 率半径，用可见光干涉方法标定和纠正非球曲面的几何变形和尺寸，他们希 望在不久的将来黠嚣球藏耍弱霞形攘裁上达到“1 0 故爨标f 妒o 6 3 2 8 p m ) 。 1 3 2 3 气囊抛光正艺邋程的实验研究在对鼠囊抛光工艺理论研究的同 时，俭敦光学实验室搬开展7 搪光工艺懿实验磷究，这里篱豢穷缨其赝徽瓣 有关气囊抛光工蕊的实验。 l 。“避蔻”擞光效果实羧气囊撵必王艺每其它滋走王艺不瓣，经溪 了“进动”抛光工艺，图卜4 表泳了用w y k o 6 0 0 0 干涉仪测量气囊“进 羲”熬毙辩匏毒葶辩去除蘧数【8 壤，扶藿串觅气蕤挞巍魏去狳莲鼗逅钕必齑 新形状。 诽； v t 畦# t 、 擞a h # 铀l s n m ：# c ” x ，l “，m i _ 蕊，纛酒隰 鼹鬟；霞 # 霉季器臼匿j 车：茸葚逆譬 二瑚瓣誊 鼹1 - 4 “迸动”抛光的去除鲻数形状1 8 6 l f i g 1 4r e m o v a lf u n o f i o no f p r e c e s s i n gp 0 1 i s h l n g ( s 瑚 气囊抛光的效果如图i - 5 艇示。圈1 5 a 为没霄采用“进动”芏艺赝避行 的抛光结果，在王件的袭面盛魂了比较小的弧形划痕；露图、l k 为采雳 “进幼”工艺所谶行的抛光结桑，在工件的表谣上没有明显可觅的划痕，o 置 撇壳麓豹豪蘅褪穗度r 缸约瓣o s n m 。实验穰始渔说明了“溢动撇光工艺 掰具窍效基。 a ) 未采箱“避动”z 芑耩筇b ) 采阑“避动”工毽脚1 蹿1 - 5 气囊糍炎戆效果脚 f i g 1 ，5s u r f a c et e x t u r ep r o d u c e di nb o n n e tp o l i s h i n g 8 目 2 。气襄擞搬昀表藏质量 id 。玲。w a l k e r 在实验窒豹条传下，傻震具骞 “避渤”遴动特鬣的实验盘，对各种材料进行7 抛光实验，得到了袭1 - 1 的 初步撒光结果辫1 。从缩果研以看出，气囊抛光能获得商质量的抛光表面 鼷挞搬斡榜糕不仪仅爨鞭予毙学玻璃一类孝彦辩，它疯耀瓣范潮较, e - ，嚣蓠获 咯尔滨工韭大学工学博士学位论文 所报道的成果采看，研究工作大部分集中在b k 7 光学玻璃材料上，其它楗 料所涉及的研究甚少。关于抛光参数对抛光质辍的影响也沭见详细的报道。 表1 - 1 不褥实验材料糖毙詹表甏褪糙度i s l l s t a v a x 不锈稍 石墨纤维r s - 3 材料 b k 7镀镍镅氰酸盐硝树脂 ( 硬虞) ( 蜂窝状) 应用遴射光学金属镜透镜模舆超薄辘 r a0 5 n m1 n ml n m5 r i m 3 气囊抛光面形精度控制的实验研究气囊抛光面形精度控制是根据 驻留时问控制工件表面各点的材料去除量来实现的，其基本假设是材料去除 率不交和材拳率去除的叠加。d d w a l k e r 等所做的工艺稳定性实验对此进行 了验证【8 l 】，实验设计如下：便抛毙接触隧韵中心，沿系鳓环带路径运 动，挞巍接触区熬尺寸图寇不交。选择环带使搪光区毽括工 牛的中心，如圈 1 - 6 掰示。农珏带运行爨霉躲骥壁黠阁后，耪j l ； 去除涤度瓣测量结果翅墅l 一 7 所示。从网中可以看到，在抛光区不包撼工传中心的抛光联壤，枣孝料去除 深度基本处于一个平面上；而在抛光区包括工件中心的抛光区域，出现了一 个中心凹坑，平面和凹坑都是由于材料去除线性“叠舶”的效果。在进行上 述实验前后，他们愈测量了材料去除率，在铡潼误差范围内，材料去除率是 一致的。蓝实验结栗为气囊抛光面形精度控制奠定了基础。 图t - 6 抛光规划【8 1 1 f i g 1 6p o l i s h i n gp l a n 8 1 图1 - 7 加工稳定性验证【8 1 】 f j 未i 7v a l i d a t i o no f p r o c e s ss t a b i l i t y l 8 1 j 第1 嚣绪论 最初的面形精度控制实验是在他们的实验装鞭上开展的，此实验装置的 定位精度不高，所用的试件为直径