磁流變拋光機床數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、磁流變拋光是國外近年來新興的一種光學(xué)表面超精密加工技術(shù)。它將電磁學(xué)、流變學(xué)、化學(xué)綜合作用于光學(xué)加工中，可以實現(xiàn)對光學(xué)器件的高效精密拋光，是獲得超光滑光學(xué)表面的理想工藝之一，目前已經(jīng)被應(yīng)用于對平面、球面、非球面的超精密加工，可加工材料范圍涵蓋了光學(xué)玻璃、微晶玻璃、光學(xué)晶體等多數(shù)光學(xué)材料。磁流變拋光機床是實現(xiàn)磁流變拋光技術(shù)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，本論文結(jié)合“納米級超光滑表面磁流變加工新技術(shù)研究”的課題，開發(fā)了磁流變拋光機床數(shù)控系統(tǒng)，并對其諸如面形控

2、制、輪廓控制、伺服控制及插補算法等關(guān)鍵技術(shù)進行了比較深入的研究。
　　本文首先綜述了國內(nèi)外磁流變拋光技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展狀況，對數(shù)控系統(tǒng)及超精密機床控制策略的發(fā)展和研究狀況進行了總結(jié)。然后根據(jù)磁流變拋光機床的結(jié)構(gòu)和運動方式，從工程實際應(yīng)用出發(fā)，分析了磁流變拋光機床數(shù)控系統(tǒng)的功能和任務(wù)，研制了一套基于PC的具有開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，同時針對磁流變拋光的特點，提出了磁流變拋光數(shù)控系統(tǒng)的軌跡控制插補算法，運用該算法可對非球面等適用于

3、光學(xué)通用方程表示的回轉(zhuǎn)對稱曲面進行磁流變拋光加工。
　　磁流變拋光機床的伺服進給系統(tǒng)，在很大程度上決定了機床的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本文以磁流變拋光機床的伺服進給系統(tǒng)為研究對象，通過對伺服進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，建立了伺服進給系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，并運用頻域建模的方法得到了系統(tǒng)模型參數(shù)。在綜合考慮系統(tǒng)的跟隨誤差、伺服剛度、干擾抑制等因素后，設(shè)計了PID位置控制器。為改善系統(tǒng)的跟蹤特性，在系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型基礎(chǔ)上設(shè)計了速度、加速度前

4、饋控制器，提高了單軸位置跟蹤能力，仿真實驗結(jié)果表明位置跟隨誤差減小了一個數(shù)量級。為補償系統(tǒng)中振蕩模態(tài)的影響，設(shè)計了陷波濾波器，提高了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。
　　超精密機床伺服系統(tǒng)的輪廓控制精度直接決定著所加工的光學(xué)表面的面形精度。理論分析結(jié)果表明機床的輪廓誤差受機床的進給速度、加工曲面形狀、伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性及各聯(lián)動軸的參數(shù)匹配程度的共同影響。因此，僅靠保證單軸的控制精度也很難達到磁流變拋光加工的輪廓精度要求。為此，本文在對超精密機床

5、典型加工輪廓分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)磁流變拋光加工光學(xué)表面的特點，建立了磁流變拋光機床在兩軸聯(lián)動和三軸聯(lián)動時的輪廓誤差模型。針對磁流變拋光三軸聯(lián)動的特點，根據(jù)建立的輪廓誤差模型，提出了一種適合于磁流變拋光的三軸預(yù)補償交叉耦合控制器。仿真實驗結(jié)果表明，在跟蹤圓弧輪廓時，采用該控制器可使輪廓誤差由0.045mm減小到0.006mm，證明采用該控制器能有效地減小輪廓誤差，提高磁流變拋光機床零件加工的面形精度。
　　磁流變拋光時，材料去除量的多

6、少與駐留時間有關(guān)，通過調(diào)整各點駐留時間可以控制光學(xué)器件表面的去除量，達到面形誤差修正的目的。本文在分析了加工參數(shù)對磁流變拋光的影響和磁流變拋光面形控制原理的基礎(chǔ)上，分析和探討了幾種卷積反演方法，根據(jù)實測的去除函數(shù)，提出了磁流變拋光駐留時間算法，同時研究了計算次數(shù)、去除系數(shù)和最小面形誤差的關(guān)系，仿真結(jié)果表明，利用該算法可以使球形表面面形誤差收斂至十幾個納米。最后利用該駐留時間算法對平面和球面K9光學(xué)玻璃試件進行了磁流變拋光實驗，獲得了表面