自适应磨抛机床系统设计及误差分析

发布时间：2020-05-07 03:19

【摘要】：作为天文望远镜、激光雷达系统等远距离探测设备的关键部位,空间反射镜的加工精度无疑是影响探测距离与探测精度的关键因素。碳化硅是空间反射镜的重要材料,其加工困难的特点却制约着空间反射镜大口径和轻量化的进程。新加工方法的尝试,对降低碳化硅镜面的加工难度,提高其加工精度,具有十分重要的意义。然而,这一切都离不开专用的设备的研制。本文根据碳化硅的电解砂带磨抛技术的设想,完成了自适应磨抛机床控制系统的研制工作。磨抛机床采用了开放式的系统方案,有利于后期机床的二次改进与开发。同时,以MFC工具开发了本磨抛设备专用的控制软件。从硬件和软件两个方面满足了磨抛设备使用过程中各种功能上的需求。所研制的机床需要满足高精度的加工要求,而机床几何误差和控制误差的存在对精密加工无疑是不利的。在几何误差方面,通过误差补偿法来提升机床的定位精度。建立了机床几何误差的数学模型。分析了传统的九线法参数辨识方法,并针对其原理误差,提出了相应的解决方案。利用激光干涉仪测量了机床的几何误差,并通过改进的九线法完成了误差参数的辨识。最后,通过PMAC控制卡的二维误差补偿表,有效提高了机床定位精度,并验证了改进之后的九线法的有效性。在控制误差方面,通过编写PLC程序,将模糊PID控制与PMAC自身的伺服算法相结合,实现了磨抛机床的PID控制参数的动态调整,达到了提升响应速度的和降低超调量的目的。通过单轴跟随误差控制实验和两轴圆弧插补跟随误差控制实验,发现机床的控制精度有了一定的提升,证明了模糊PID控制对于提高机床的控制精度是有利的。通过几何误差补偿和位置跟随误差的控制,机床精度有了很大的提升。然而,机床实际使用效果仍有待验证。通过砂带磨抛的单因素实验,分析了砂带磨粒粒度、线速度、法向压力等因素对材料去除量和加工表面质量的影响。并以此为基础选择合适的参数,进行了平面的磨抛加工工作,获得了较好的表面质量。从而证明了所研制的磨抛机床能够满足高精度的加工要求。
【图文】：

光学反射镜,碳化硅

口径和轻量化的需求使反射镜材料的选取条件变得十分苛刻｜１］。碳化硅具有优异逡逑的物理性能；在具有较小密度的同时，，较小的热膨胀系数、良好的尺寸稳定性和逡逑抗冲击性能使碳化硅逐渐成为一种重要的光学镜面材料Ｍ。图１．１（ａ）是以碳化硅逡逑镜片为基础的太空望远镜，图１．１（ｂ）是中科院研制的大型碳化硅镜面素胚。逡逑＿逡逑（ａ）法国Ｈｅｒｓｃｈｅｌ太空望远镜逦（ｂ）中科院０２．４ｍ碳化硅镜面素胚逡逑图１．１碳化硅光学反射镜的应用逡逑然而，良好的物理化学性能也造成了碳化硅镜面加工的困难，利用传统的加逡逑工方法很难获得期望的加工质量。表面改性是一种常用的碳化硅镜面加工与处理逡逑方法｜５＇例如，美国的Ｅｓａｔｍａｎ邋Ｋｏｄａｋ公司在碳化娃反射镜的表面进行“锻插逡逑膜”处理之后再进行抛光，获得的镜面精度高达２．５ｎｍ１６１。新加工方式的探索对逡逑碳化硅光学镜面的加工也有至关重要的作用。康念辉等利用表面改性和离子束逡逑抛光相结合的方式也得到了精度为纳米级的碳化硅镜面。逡逑砂轮在线电解修整技术（ＥＬＩＤ）具有低成本高效率的特点，被广泛应用于各逡逑种硬脆材料的超精密加工过程。ＥＬＩＤ镜面加工设备的研制，满足了单晶硅、碳逡逑１逡逑

示意图,整体结构,机床,滑台

２．２磨抛机床的整体结构逡逑本课题中的磨抛机床至少需要满足尺寸ｌＯＯｍｍｘｌＯＯｍｍｘｌＯＯｍｍ的零件的加逡逑工。电解砂带磨抛设备主要由机床本体和新型工具系统两个部分组成。图２．２是逡逑磨抛机床的整体结构示意图。逡逑１－龙门支架；２－Ｘ轴滑台；３－Ｙ轴滑台；４－大理石平台；逡逑５－Ｚ轴滑台；６－电解砂带工具系统逡逑图２．邋２机床整体结构逡逑质地均匀的大理石平台具有硬度高、耐腐蚀等优点。采用大理石平台能够在逡逑各种冲击和载荷下依然保持较高的精度，提高加工过程的稳定性。机床本体共有逡逑三个可移动滑台，有效行程为１５０ｍｍｘ３００ｍｍ＞＜１５０ｍｍ，三坐标轴均米用“伺服电逡逑机直接驱动滚珠丝杠”的传动方案，能够满足磨抛加工对机床位置、速度控制的逡逑高精度要求，定位精度均可达到ｌ＾ｒｎｉ。龙门支架增大了邋Ｙ轴滑台的有效行程，增逡逑加了机床在加工时的有效运动空间，便于对不同类型与尺寸的工件进行加工。Ｘ逡逑轴滑台置于Ｙ轴滑台上方，滑台配有安装孔，用于夹具、力传感器等部件的安逡逑装；电解砂带工具系统装配在竖直滑台Ｚ轴上；同时，Ｚ轴滑台有自锁装置，使逡逑滑台在电机断电时不会因自重而下滑
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG580.2

【参考文献】