气动柔顺抛光工具系统开发与抛光边缘效应研究

发布时间：2017-05-21 18:19

  本文关键词：气动柔顺抛光工具系统开发与抛光边缘效应研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：现代光学系统对非球面和自由曲面光学元件表面质量、加工精度和有效口径等都有了更加严苛的要求。目前，高精度非球面和自由曲面光学元件的制造已经成为一个重大难题，且其生产效率和成本也成为衡量国家光学工业甚至制造业水平的一个重要标准。抛光工艺作为光学制造技术一道重要工序，往往直接决定光学曲面最终质量和使用寿命。由Preston方程可知，抛光力是抛光过程中重要的参数，对抛光后表面光洁度和面型精度都有重要的影响，所以为了实现工件表面确定性材料去除，需对抛光力进行精确控制。但当抛光工具经过工件边缘时，由于边缘效应的存在，导致整个表面质量降低。因此，本文将对抛光力控制以及边缘效应进行相关研究。 在传统抛光过程中，力控制往往是通过机床或机器人位控制来实现，这样就导致了力位耦合问题。本文开发了一套气动柔顺抛光工具，并将其安装在四轴精密数控机床上。抛光工具负责抛光力控制，而机床只负责位控制，也就形成了力位解耦控制，使得力控制变得相对简单。 系统精确的数学模型有助于控制系统和控制策略的分析设计。传统线性化建模过程中忽略了较多因素，因此难以获得精确模型，而系统辨识法是一种根据所记录的输入输出数据来选择模型的“黑箱”建模法，，特别适用于像气动伺服系统等复杂非线性系统模型的建立。本文将基于Matlab/Simulink实时工具箱RTW和研华PCI-1710U型数据采集卡搭建的实时系统平台上进行了在线辨识实验，通过辨识实验获得系统精确的数学模型，并利用验证实验来证明此模型的准确性。 在此实时系统平台上，分别采用PID、前馈补偿PID和单神经元自适应PID控制策略对恒力进行闭环控制实验，实验结果揭示了单神经元自适应PID控制策略在气动恒力控制方面的优越性。考虑到气动伺服系统强非线性、参数时变性以及旋转的抛光主轴给力控制系统带来更多不确定性，且实际抛光时抛光力往往需要变化，因此上述三种控制策略的控制效果可能并不太理想。由于神经网络有很好的学习适应能力以及强非线性跟踪性，同时恒力控制实验已初步验证了神经网络算法更加适用于气动系统的控制，因此本文设计了在线自整定神经网络PID控制策略，并采用此策略对不同抛光转速下的恒力和变力进行控制，力控制实验验证了该算法具有较强鲁棒性和信号跟踪能力，特别是在抛光力变化的时刻。此外，采用在线自整定神经网络PID控制器对三反镜抛光过程中抛光力进行控制，三反镜表面抛光后效果进一步证明该控制策略的有效性。 考虑到Matlab/Simulink实时工具箱RTW具有和数据采集卡直接相连的接口，所以基于RTW和数据采集卡构建实时系统平台的方法简单易行且成本低。在此实时系统平台上，控制系统设计研发、控制器仿真和现场测试都更便于实现，从而大大地缩短了控制系统开发时间。同时在线辨识实验和力控制实验也验证了基于RTW和数据采集卡搭建的实时系统能够满足气动伺服力控制系统对采样频率的要求。 实际抛光中，考虑到工件边缘的特殊性，因此要实现工件整个表面确定性抛光，还需对边缘效应进行研究。边缘效应会降低光学元件表面质量，缩短其有效口径，从而影响整个光学系统的分辨率和聚焦性。本文将从理论和实验两方面对边缘效应进行分析，建立了不同轨迹下边缘处材料去除模型，并对如何降低边缘效应的影响进行了一些定性分析。
【关键词】：光学曲面 气动柔顺抛光工具 RTW 在线辨识 抛光力 边缘效应
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 课题来源13
• 1.2 课题研究背景及意义13-14
• 1.3 国内外相关技术研究现状14-19
• 1.3.1 确定性抛光研究现状14-16
• 1.3.2 自动化抛光设备研究现状16-17
• 1.3.3 气动伺服系统控制策略研究现状17-19
• 1.4 论文主要研究内容19-21
• 第2章 气动柔顺抛光工具系统开发21-37
• 2.1 气动柔顺抛光工具机械结构22-25
• 2.2 气动柔顺抛光工具系统硬件构成及选型25-31
• 2.3 抛光力实时控制系统平台开发31-36
• 2.3.1 抛光力实时系统工作原理32-33
• 2.3.2 抛光力实时系统搭建33-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第3章 气动伺服抛光力控制系统数学建模37-51
• 3.1 气动伺服系统数学模型推导37-45
• 3.1.1 气动动力机构数学模型38-41
• 3.1.1.1 气缸活塞力平衡方程38-39
• 3.1.1.2 流量连续性方程39-40
• 3.1.1.3 电气比例阀阀口流量方程40
• 3.1.1.4 气动动力机构模型推导40-41
• 3.1.2 电气比例阀数学模型41-45
• 3.1.2.1 阀芯力平衡方程41-42
• 3.1.2.2 质量流量连续性方程42-43
• 3.1.2.3 电气比例阀模型推导43-45
• 3.1.3 气动伺服系统总模型推导45
• 3.2 气动伺服系统数学模型在线辨识45-49
• 3.2.1 系统辨识概述45-46
• 3.2.2 模型参数在线辨识实验46-49
• 3.3 本章小结49-51
• 第4章 气动抛光力实时控制策略研究51-79
• 4.1 抛光力 PID 闭环控制52-58
• 4.1.1 PID 控制原理52
• 4.1.2 数字 PID 控制52-54
• 4.1.2.1 位置式 PID 控制算法53
• 4.1.2.2 增量式 PID 控制算法53-54
• 4.1.3 抛光力 PID 闭环控制实验54-57
• 4.1.3.1 PID 参数初值确定54-55
• 4.1.3.2 PID 控制实验55-57
• 4.1.4 Kistler 验证实验57-58
• 4.2 抛光力前馈补偿 PID 闭环控制58-59
• 4.2.1 前馈补偿 PID 控制原理58
• 4.2.2 抛光力前馈补偿 PID 闭环控制实验58-59
• 4.3 抛光力单神经元自适应 PID 闭环控制59-63
• 4.3.1 有监督的 Hebb 学习规则60
• 4.3.2 单神经元自适应 PID 控制原理60-61
• 4.3.3 抛光力单神经元自适应 PID 闭环控制实验61-63
• 4.4 抛光力在线自整定神经网络 PID 闭环控制63-78
• 4.4.1 在线自整定神经网络 PID 控制算法63-66
• 4.4.2 神经网络 PID 控制算法稳定性分析66-69
• 4.4.3 在线自整定神经网络 PID 控制实验69-78
• 4.4.3.1 恒力控制69-70
• 4.4.3.2 变力控制70-78
• 4.5 本章小结78-79
• 第5章 边缘效应研究79-101
• 5.1 考虑边缘效应时抛光材料去除的研究79-89
• 5.1.1 接触压强分布模型80-85
• 5.1.1.1 线性模型80-81
• 5.1.1.2 Skin 模型81-83
• 5.1.1.3 线性 Skin 模型83
• 5.1.1.4 Divided skin 模型83-85
• 5.1.2 相对速度模型85-86
• 5.1.2.1 沿直线轨迹的相对速度模型85
• 5.1.2.2 沿曲线轨迹的相对速度模型85-86
• 5.1.3 材料去除廓形86-89
• 5.1.3.1 正交于直线轨迹的材料去除廓形87-88
• 5.1.3.2 正交于曲线轨迹的材料去除廓形88-89
• 5.2 材料去除实验验证及仿真分析89-100
• 5.2.1 抛光实验条件89-90
• 5.2.2 实验验证及仿真分析90-100
• 5.2.2.1 沿直线轨迹的抛光实验90-94
• 5.2.2.2 沿曲线轨迹的抛光实验94-98
• 5.2.2.3 关于边缘效应的讨论分析98-100
• 5.3 本章小结100-101
• 第6章 结论101-103
• 参考文献103-113
• 作者简介及攻读学位期间的主要研究成果113-115
• 致谢115-116

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 谢晋;阮兆武;;光学自由曲面反射镜模芯的镜面成型磨削[J];光学精密工程;2007年03期

2 史兴宽，杨健，任敬心;控制力精密抛光装置的设计与实验研究[J];光学技术;1999年04期

3 杨福兴;光学零件的超精密加工技术[J];航空制造技术;2004年05期

4 李小虎,杜彦亭,朱仁宗,董龙雷;基于补偿原理的I-PD算法对气动位置伺服系统的控制[J];机床与液压;2004年01期

5 王燕波,包钢,李军,王祖温;气压垂直伺服定位系统的实验研究[J];机床与液压;2004年05期

6 史永杰;郑堤;胡利永;王龙山;;非球面件数控研抛力、研抛工具位置和姿态解耦技术[J];吉林大学学报(工学版);2012年01期

7 郎志;李成群;

本文编号：384448