基于磨削力控制的大型光学少轴弧面磨削研究

发布时间：2021-09-03 10:01

　　我国空间技术的快速发展对空基光学观测系统的需求不断增强,以质量轻、刚度高和低膨胀系数等优势,SiC材料成为当前许多空间光学大镜的最佳选择。SiC镜面的传统制造工艺通常采用研磨成形,然而由于其加工周期长、效率低的特点,越来越难以满足当前的市场需求。因此,采用高去除效率的超精密磨削代替研磨直接获得高精度面形的加工方法,已经成为空间光学大镜高效高精制造的公认工艺。选用超精密磨削得到的镜面面形精度和亚表面损伤层深度将直接影响后续的抛光等工艺的加工效率。为同时保证大口径光学镜面的表面和亚表面质量,不仅需要超精密磨床具有高刚度,还需要充分保证高效磨削时磨削力控制的柔顺性,这种相互耦合和矛盾使得大型SiC镜面的超精密磨削成为当前极为复杂和高风险的工程难题。通过减少运动轴数量可以大幅增加磨床的系统刚度,因此,以少轴弧面磨削替代传统的五轴固定点磨削成为当前超精密光学磨削领域的研究热点之一。尽管国内外许多学者在相关领域做了很多研究,但少轴弧面磨削至今依然没有在大口径SiC超精密磨削领域得到广泛应用,其原因主要包括:一、大口径光学磨床的动态特性直接决定镜面的面形精度,需要磨床具有极高的系统刚度才能保证。二、... 

【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【部分图文】：

空间望远镜

目前大型复杂面形光学镜面超精密磨削还面临着诸多问题，大型超精密光学镜面的材料都是具有高硬度、好的热稳定性，并且要求加工完成的镜面为面形精度高（5-8μm）、亚表面损伤小（3-6μm）的自由曲面，采用超精密磨削获得的镜面表面和亚表面质量将决定后续抛光等工艺的加工效率。为了保证大型光学镜面的面形精度，需要超精密磨床具有较高的动态精度（<1μm）和较高的刚度，而为了降低镜面的亚表面损伤，还需要保证高效磨削时磨削力控制的柔顺性，这种相互耦合和矛盾使得大型复杂光学镜面超精密磨削成为目前极为复杂和高风险的加工工艺之一。1.2 研究目标少轴弧面磨削是三轴磨床采用弧面砂轮磨削空间曲面的新工艺，与传统 5 轴磨床相比，减少了运动轴数，提高了系统的刚性。与传统 5 轴磨床的固定点磨削图 1-2 大型光学镜面的加工工艺Figure 1-2 The processing technology of large optical mirror

是将传统五轴磨床中的两个自由度等效为磨削点在弧面砂轮的不断移动，因此弧面砂轮的面形会影响工件的面形精度，磨削力变化会导致砂轮的磨损不均匀，进一步引发砂轮轮廓和磨削深度改变，进而影响工件的面形精度，同时磨削力的波动也会加重镜面的亚表面损伤，如何精确的建立磨削过程模型和有效控制磨削力，以保证镜面的表面精度和亚表面质量。因此，本文以磨削力控制为目标，针对大型超精密光学磨床的动力学分析优化、少轴弧面磨削过程的建模以及磨削力的控制展开了深入的研究，如图 1-3 所示。首先，建立大型超精密光学磨床的动力学模型，分析和优化参数，使超精密磨床的动态特性达到最优；其次，通过少轴弧面磨削的运动学方程，实现砂轮运动轨迹规划；通过分析弧面砂轮磨削过程中，磨削力与磨削参数之间的关系，建立弧面砂轮磨削过程模型；通过磨削过程模型，对砂轮运动轨迹进行离线控力规划；最后，提出磨削力实时控制策略，并进行实验验证。

【参考文献】：
期刊论文
[1]超精密加工领域科学技术发展研究[J]. 袁巨龙,张飞虎,戴一帆,康仁科,杨辉,吕冰海.  机械工程学报. 2010(15)
[2]反应烧结碳化硅球面反射镜的光学加工与检测[J]. 范镝,张忠玉,牛海燕,丰玉琴,张学军.  光学技术. 2004(01)
[3]非球面零件超精密加工技术[J]. 杨福兴.  航空精密制造技术. 1997(05)
[4]交流电机数学模型及调速系统[J].   电气传动. 1989(03)

博士论文
[1]光学大镜加工中弧面磨削几何学原理及其实现方法[D]. 姜振华.上海交通大学 2017
[2]大型非球面超精密光学磨床设计关键技术研究[D]. 洪海波.上海交通大学 2016
[3]大型光学镜面相位恢复在位检测技术研究[D]. 胡晓军.国防科学技术大学 2008



本文编号：3380907