非球面光学曲面柔顺研抛伺服平台的研制及其试验研究

【摘要】非球面是指除球面和平面以外的所有曲面，具有良好的光学性能，因此主要应用于光学曲面元件。非球面加工的最后一道工序通常是研抛，在传统的加工方法中，该工序主要由工人手工操作来完成，质量不稳定且效率低。自上世纪八十年代以来，世界各国都在竞相开发能够实现非球面研抛全过程自动化所需的关键技术，基于磁流变液力矩伺服装置（Magneto-rheologicalTorqueServoDevices，简称MTSD）的非球面曲面柔顺研抛技术成为国内外学者研究的热点。本论文结合国家自然科学基金项目“基于磁流变液装置的非球面光学曲面柔顺研抛技术研究（51075188）”，以非球面工件（双曲面工件和椭球面工件）作为研究对象，针对非球曲面超精密研抛过程的柔顺控制这一核心难题展开研究。论文在系统深入地分析空间耦合原理的基础上，研究解耦机理，并研制了基于磁流变液力矩伺服装置的非球面柔顺研抛伺服平台。以磁流变液力矩伺服装置作为研抛加工的力伺服机构，并将该装置与数控车床相结合，使工件在一次装夹中完成了车削创成和表面的光整加工。论文创新性地将研抛加工过程中的压力伺服由传统的位置伺服控制方式转变为力矩伺服的控制方式，而研抛头的位姿则通过数控程序来实现控制，真正实现了非球面光学曲面柔顺研抛的力-位分离同步控制。论文主要研究内容和研究方法如下：1.研究磁流变液的流变效应以及本构方程，掌握本文所用磁流变液力矩伺服装置的工作特性。2.确定课题的整体方案，根据研抛原理和机械设计理论，完成系统的整体建模和关键零部件的设计，研制研抛系统试验台。3.分析非球面研抛基本理论，研究力-位耦合机理，建立解耦模型，并提出一种基于MTSD的力-位解耦控制的非球面研抛方案，绘制三维研抛轨迹示意图，并建立恒材料去除率数学模型。通过Matlab软件分析研抛压力和工件转速对材料去除率的影响。分别建立研抛过程中研抛压力控制模型以及工件转速控制模型，并根据该模型通过Matlab软件绘制研抛压力和工件转速随被加工点坐标的变化曲线，为后期的研抛试验提供控制依据。4.利用masterCAM软件生成数控程序，并使用专业通讯软件CIMCO，设置上位机和机床的通讯参数，实现上位机与数控车床的通讯。5.进行力矩控制非球面研抛试验研究，采集研抛点坐标，并将计算出的理论力矩值与实测的力矩值相比较，实时调控MTSD装置的激励电流以控制研抛力矩，实现材料的均匀去除，达到提高工件表面粗糙度的目的。
【作者】单翠云；
【导师】李国发；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】非球曲面；磁流变液；柔顺研抛；力-位解耦；

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