磁流變拋光機(jī)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(jī)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(jī)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(bǔ)算法等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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?fàn)顩r，對數(shù)控系統(tǒng)及超精密機(jī)床控制策略的發(fā)展和研究狀況進(jìn)行了總結(jié)。然后根據(jù)磁流變拋光機(jī)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(jī)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(bǔ)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(jìn)行磁流變拋光加工。
　　磁流變拋光機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，在很大程度上決定了機(jī)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(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)為研究對象，通過對伺服進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，建立了伺服進(jìn)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(bǔ)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(jī)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(jī)床的輪廓誤差受機(jī)床的進(jìn)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(dá)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(jī)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(jī)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(bǔ)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(jī)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(dá)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(jìn)行了磁流變拋光實驗，獲得了表面