气动并联抛光工具系统的研究

发布时间：2020-10-22 16:24

　　 随着科技进步,现代光学系统对成像元件的要求越来越高,传统球面镜因其成像存在像差的缺陷渐渐淡出高精度光学成像领域,自由曲面的应用有效的解决了像差问题,免去了补偿镜的使用,从而简化了成像系统结构,促使如今的光学成像系统向精度更高,尺寸更小、质量更轻的方向发展。自由曲面成像元件在太空遥感、航空航天、光学精密仪器等高科技领域得到了广泛的应用,能否加工出高精度的光学自由曲面元件成为衡量一个国家光学制造产业的重要标准。在自由曲面镜制造过程中,抛光工序是决定其表面质量的关键环节,以现代计算机为依托的确定性抛光技术实现了对抛光结果的预见性,大大提高了加工精度和良品率。在确定性抛光中,抛光头与工件之间的抛光压力控制是决定其表面质量的主要因素,本文针对自由曲面在抛光过程中力/位耦合问题开发了一套气动并联抛光工具系统,从理论上对抛光力检测、抛光力控制策略以及抛光系统运动学规律进行了研究,设计了工具系统抛光压力和抛光位置控制程序,实现了抛光加工时的抛光压力控制和位置精度控制。所开发的新型抛光工具系统包括四组并联的气动杆单元、抛光主轴、气动控制平台等。工具系统具有独立的三个自由度,可以实现抛光加工时抛光头沿工件接触点法线方向运动,通过法线方向位移补偿实现抛光压力的主动控制。在CATIA V5R21中设计了工具系统三维模型,绘制零件工程图并完成加工和装配,得到气动并联抛光工具系统实物,工具系统搭载于三轴机床组成自由曲面抛光实验台,确立了抛光实验平台的整体控制方案。推导出处于不同方位且角度多变的4组力传感器检测实际抛光压力的方法;结合赫兹接触理论和基于位置的阻抗控制原理将抛光压力误差转化为抛光接触点的法向位移补偿,确立了抛光力控制策略并采用齐次坐标变换法求得在期望抛光压力下的机床三维运动平台和工具系统各气动杆的运动学逆解;计算分析了并联工具系统的工作空间,得到工具系统的加工范围。气动伺服位置系统具有强非线性的特点,以理论分析和离线系统辨识相结合的方法得到了系统的近似数学模型,根据获得的数学模型在Matlab/Simulink中设计了仿真与实验控制程序,对PID控制器参数的进行了仿真整定与实际实验整定,分析实验结果并对传统PID控制器进行改进优化,使位置控制精度小于0.1mm,达到较为理想的控制效果;根据抛光力控制策略和工具系统运动学控制设计了整个气动并联抛光工具系统的控制程序;对工具系统处于初始状态时进行了力传感器和位移传感器的初值标定;对工件进行抛光压力控制实验,验证了气动并联抛光工具系统在所设计控制程序下对抛光压力控制的有效性;对接触点进行抛光实验,分析对比了接触点区域加工前后表面形貌变化。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 课题研究背景及意义
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 确定性抛光研究现状
        1.3.2 抛光设备研究现状
        1.3.3 柔顺控制研究现状
        1.3.4 气动伺服控制研究现状
    1.4 本文主要研究内容
第2章 气动并联抛光工具系统开发
    2.1 光学自由曲面抛光的工具系统功能要求
    2.2 针对自由曲面抛光的工具系统方案设计
    2.3 工具系统的气动并联结构确定
    2.4 气动并联抛光工具系统硬件选型
    2.5 本章小结
第3章 抛光力控制模型及系统运动学研究
    3.1 抛光压力分析及影响因素
        3.1.1 球形抛光工具抛光接触压力
        3.1.2 抛光压力的影响因素
    3.2 法向抛光压力的检测及计算
    3.3 基于位置的阻抗控制模型分析
        3.3.1 基于位置的阻抗模型建模
        3.3.2 阻抗模型参数的影响分析
        3.3.3 阻抗控制策略中抛光力的跟踪控制
    3.4 三轴机床搭载并联抛光工具系统抛光过程运动学研究
        3.4.1 抛光系统结构
        3.4.2 抛光系统运动学坐标系建立
        3.4.3 工具坐标系与工件坐标系之间的坐标变换
        3.4.4 抛光系统运动学逆解
        3.4.5 工具系统抛光头工作空间
    3.5 本章小结
第4章 气动伺服位置系统数学建模与PID控制研究
    4.1 气动伺服位置系统理论数学建模
        4.1.1 气缸活塞受力平衡方程
        4.1.2 气缸压力微分方程
        4.1.3 电气比例阀的压力流量方程
        4.1.4 气动系统传递函数
    4.2 气动伺服位置系统参数辨识
        4.2.1 测定系统频率响应和截止频率
        4.2.2 基于M序列系统数学模型的离线辨识
        4.2.3 运用MATLAB对气动伺服位移系统离线辨识
        4.2.4 系统辨识结果与分析
        4.2.5 数学模型稳定性判断
    4.3 气动伺服位置系统PID控制研究
        4.3.1 系统PID模型建立
        4.3.2 PID参数仿真整定
        4.3.3 PID参数实验整定及控制器优化
    4.4 本章小结
第5章 气动并联抛光工具系统控制程序开发及实验研究
    5.1 气动并联工具系统控制程序开发
    5.2 工具系统初始状态标定
    5.3 抛光实验研究
        5.3.1 实验方案设计
        5.3.2 实验结果及分析
    5.4 本章小结
第6章 总结与展望
参考文献
致谢

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 鲁志勤;;孔用抛光工具[J];北京机械;1982年06期

2 牟志超;郑子文;王贵林;;确定性球形抛光工具的加工特点和去除能力研究[J];航空精密制造技术;2011年03期

3 金明生;计时鸣;张利;;气囊抛光工具的模块化设计及应用[J];机电工程;2012年12期

4 ;旋转抛光工具[J];电力技术通讯;1977年03期

5 曹顺平;;一种简单的珩磨抛光工具[J];机械制造;1988年06期

6 张云,冯之敬,赵广木;磁流变抛光工具及其去除函数[J];清华大学学报(自然科学版);2004年02期

7 吴贵生;宋振武;;一种新型的抛光工具—砂片轮[J];机械工人.冷加工;1988年12期

8 郑高安;方贵盛;金明生;;气囊抛光工具与工件接触区压力及应力的分布规律研究[J];浙江水利水电专科学校学报;2013年02期

9 张旭忠;;镗床使用的内孔抛光工具[J];机械工人.冷加工;1982年12期

10 高世雄;;简易抛光工具[J];机械工人.冷加工;1984年03期

相关博士学位论文 前1条

1 贺新升;电流变抛光设备开发与关键技术研究[D];吉林大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 徐钉;液动压悬浮抛光流场的数值模拟及其试验研究[D];浙江工业大学;2015年

2 周海锋;液动压悬浮抛光装置研制及试验研究[D];浙江工业大学;2015年

3 耿健;气压砂轮抛光工具的有限元建模及动力学分析[D];浙江工业大学;2016年

4 张祚华;气动并联抛光工具系统的研究[D];吉林大学;2017年

5 於加峰;抛光工具表面构造对液流悬浮加工特性影响的研究[D];浙江工业大学;2012年

6 白志扬;离线式气囊抛光工具修整与检测技术研究[D];厦门大学;2014年

7 袁博;粘弹性材料研抛工具的抛光加工[D];吉林大学;2015年

8 周宛松;气动柔顺抛光工具系统开发与抛光边缘效应研究[D];吉林大学;2015年

9 张莹;环形集成电极工具电流变抛光研究[D];吉林大学;2011年

10 杜学山;基于顺滑控制与时间最优气囊抛光轨迹优化研究[D];浙江工业大学;2012年

本文编号：2851827