应用四轴联动磁流变机床加工曲面

以永磁型磁流变抛光机为基础,提出了在光栅式加工轨迹下结合四轴联动机床(不含抛光轮转动轴)和变去除函数实现磁流变抛光技术确定性加工曲面的方法。讨论了曲面上光栅式加工轨迹等面积规划原则和基于矩阵乘积运算的驻留时间求解算法。分析了磁流变四轴联动机床的机械补偿方式,同时以变去除函数模型为基础从算法上实现了机械的剩余补偿。应用以氧化铈为抛光粉的水基磁流液对口径为80mm、曲率半径为800mm的BK7材料凸球面进行了修形验证实验,一次加工(5.5min)后显示:面形误差分布峰谷值(PV)和均方根值(RMS)从117.47nm和22.78nm分别收敛到60.80nm和6.28nm。实验结果表明:结合四轴联动的低自由度机床和变去除函数算法补偿的磁流变加工工艺能够有效地实现球面及低陡度非球面等曲面的高效确定性加工,为磁流变抛光在光学制造中的应用提供了有力的支持。     

离子束抛光高陡度离轴非球面的去除函数修正

研究了三轴离子束系统抛光大口径高陡度离轴非球面过程中镜面曲率变化对离子束抛光去除函数的影响。提出了利用修正矩阵修正各驻留点处的去除函数信息,进而实现对高陡度离轴非球面高精度抛光的方法。该方法通过对离轴非球面进行坐标转换来降低陡度变化对去除函数的影响;基于Sigmund溅射理论分析离子束抛光非球面材料的去除率,建立离子束抛光非球面去除函数模型,计算了材料去除率在非球面各驻留点处的变化。最后,根据投影原理计算在各驻留点处去除函数的半宽,得到以驻留点矩阵为基础的去除函数修正矩阵,从而掌握每一个驻留点处的去除函数信息,然后根据计算机控制光学表面成形(CCOS)原理解得加工驻留时间分布。选取口径为900mm×680mm,离轴量为350mm的离轴体育场型非球面镜进行了抛光实验,实验显示抛光后非球面镜面形精度的RMS值由32.041nm达到11.566nm,收敛率达2.77,对实际加工具有指导意义。     

应用双摆动技术加工离轴碳化硅反射镜

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺。介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响。建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较。给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性。应用双摆动技术加工了一个224mm×108mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633nm)。因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展。     

矩形离轴非球面反射镜的数控加工

针对离轴TMA结构空间相机中使用的两块离轴非球面反射镜的加工过程,提出了一种新型的矩形离轴非球面的最接近球面半径的求解及其优化方法,并且开发了基于计算机虚拟加工技术的CCOS工艺参数计算方法.被加工工件分别为165mm×100mm的矩形凸面离轴非球面和770mm×200mm的矩形轻量化凹面离轴非球面,设计精度分别为任意100mm,200mm子孔径面形精度优于0.025λRMS(λ=632.8nm).经检验,工件的加工精度满足了设计要求,分别达到了0.023λRMS和0.013λRMS.     

Manufacture of SiC off-axis aspheric mirrors by double-swing method

研究了用双摆动技术抛光离轴非球面的工艺.介绍了用双摆动抛光加工离轴非球面的原理,分析了双摆动抛光过程中抛光盘与工件的相对运动特性及各个工艺参数对相对运动路径的影响.建立了双摆动抛光运动的数学模型,进行了计算机仿真,并对不同参数下的仿真结果进行了比较.给出了抛光模形状模型,实验验证了不同形状抛光模的材料去除特性.应用双摆动技术加工了一个224 mm× 108 mm离轴碳化硅反射镜,结果显示:应用该技术加工离轴非球面镜可以有效抑制光学表面中频误差,具有较高的材料去除效率,面形精度可以稳定达到λ/30(rms,@633 nm).因此,双摆动抛光技术的研究有助于推动离轴非球面制造技术的发展.     

自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制方法验证

自由曲面光学元件因其优越的光学性能得到越来越广泛的应用,当前已提出一些自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制方法。针对这些进动运动控制方法进行实验加工验证,首先介绍了较为主流的进动运动控制理论,并总结了实验加工操作方法,根据已有的进动运动控制方法计算出气囊抛光机器人两虚拟轴的转角,并将转角值输入到气囊抛光机床进行实验加工。最终加工的工件表面质量符合要求,证明了已有的自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制方法的正确性。     

电解-机械-磁力便携式抛光机的研制

针对具有高硬度、高韧性、高强度和低导热性的大型平面或曲面的难加工材料的工件,应用电解—机械—磁力复合抛光工艺原理,研制了便携式抛光机。试验证明,将与工件母材机械性能无关的电解作用和柔性抛光片的机械作用,以及磁场磁力作用的相结合,提高了抛光的效率和质量,解决了不便搬运的大型难加工材料工件的就地抛光问题。     

曲面磁流变抛光工艺与抛光头结构分析

由磁流变抛光材料去除机理出发,阐述了磁流变抛光去除函数传递的工艺流程特点,明确抛光过程中对抛光轮与工件位置关系恒定的工艺要求。在此基础上,针对设计的磁流变抛光头结构,结合抛光轮轮廓外形与整个抛光头结构特征点计算法,对可加工曲面工件曲率半径和曲面角度范围及其影响因素进行了分析,给出了整个工艺过程中带动测头升降的气缸分别在加工位置和测量位置所需的行程及计算方法,并指出测头设计安装原则。结论可用于异形结构工具曲面加工设备的分析与设计。     

三轴与五轴数控渐进复合成形轨迹规划

综合考虑挤压工具对待成形件曲面的可接近性和数控渐进成形效率,提出了三轴与五轴数控渐进复合成形策略及其成形轨迹规划方法。通过识别待成形件STL模型的三角面片各边的凸凹性,以三轴数控渐进成形挤压工具对模型各曲面的可接近性,将模型曲面划分出三轴数控渐进成形与五轴数控渐进成形加工的区域,进而对成形轨迹进行分区规划并在相应的曲面分区内分别生成出三轴数控渐进成形和五轴数控渐进成形加工轨迹。算法应用实例表明,该方法能够实现三轴与五轴数控渐进复合成形所需曲面分区及其成形轨迹规划与生成。     

五轴联动虚拟电火花成形加工机床设计与应用

针对复杂曲面电火花加工,建立了虚拟电火花成形加工机床。该虚拟机床在运动部件之间建立约束关系,采用组件矩阵变换技术对主动部件的位姿矩阵进行变换;采用软件插补技术对加工路径进行插补运算,驱动虚拟坐标轴运动,并在电极与工件之间作交割运算,去除工件材料。利用它可以解决复杂曲面的加工难题,提高工作效率。     

混联虚拟轴研抛机床的多柔体动力学研究

为了在自由曲面的弹性研抛中 ,获得稳定的动力学特性和加工效果 ,开发了一种由“3轴并联 + 2轴串联”构成的新型 5自由度混联虚拟轴研抛机床。采用柔性多体系统动力学方法 ,建立了基于Lagrange方程的空间刚 柔耦合动力学模型 ;考虑研抛机床整体的刚性运动与各支链弹性变形间的相互作用及耦合 ,将机床的各个支链和平台看作独立子结构 ,建立各自的动力学方程 ,根据子结构之间的约束关系建立了系统约束动力学方程 ;通过动力学仿真分析 ,获得了较稳定的动力学特性     

磁研磨装置设计中的磁力线分析

磁研磨是利用磁力的作用进行表面抛光处理的新方法.磁力线的分布情况,严重影响着加工效率.为此,在设计磁研磨装置时,利用计算机软件模拟工作条件,掌握磁力线的方向及强弱变化,及时调整设计结构,可以最大限度地利用磁力,提高工作效率.从磁研磨的加工原理出发,分析了影响加工效率的诸因素,提出一些解决办法.     

磁流变斜轴抛光及其路径控制

为解决磁流变抛光较小曲率半径(φ8 mm以下)非球面光学零件困难和抛光效率不高等问题,以四轴超精密机床为平台,开发出一种基于磁场辅助的磁流变斜轴抛光工艺,采用微小磁性工具头斜轴抛光方式,通过X轴、Y轴、Z轴、B轴四轴联动,控制抛光路径,防止干涉,实现微小非球面的超精密抛光.并对微小磁性斜轴抛光工具头的抛光路径轨迹进行了分析计算,采用驻留时间修正方法对误差进行修正,在此基础上开发出适用于微小非球面斜轴抛光的数控加工与修正软件.     

数控抛光机床后置处理方法及图形化编程软件

后置处理是为了将刀轨文件转换为机床各轴运动参数。图形化编程是一种针对复杂零件的重要的数控编程方法。以六轴五联动数控抛光机床为例,参照工业机器人运动学,通过建立一系列坐标系并进行运动学求解,进而推导出该机床的后置处理方法。图形化编程软件是在UG基础上二次开发得到,并将后置处理方法写入软件中。在VERICUT中搭建虚拟机床进行仿真加工,仿真结果证实了该后置处理方法的正确性、图形化编程软件生成NC代码的有效性。     

冗余轴解决五轴加工奇异问题的研究

为解决五轴加工在奇异点附近加工误差较大且易对工件和机床造成冲击的问题,对带有冗余ABC三转轴机床解决CA双摆头型五轴奇异问题进行了研究。建立了机床模型,依此得出了此冗余轴机床的运动关系,并根据加工刀位点特点对刀路进行初步研究。仿真结果表明,与其他解决奇异问题方法相比,该冗余轴机床可以有效克服五轴机床奇异问题,基本消除奇异区域的较大加工误差,并且各轴旋转角度得到了优化,从而使加工效率大大提高。     

三坐标数控磨床加工直纹面的刀位计算

提出一种用三坐标数控磨床加工直纹面的刀位计算方法,这种方法利用基于曲面的“点－向量”（point-vector)法用一系列小平面逼近直纹面,通过将工件坐标系旋转和平移使这些小平面依次与砂轮表面重合,然后对相关节点和矢量进行坐标变换,可以计算出床床的3个轴在相应位置的绝对坐标和相对坐标,应用这种方法,作者成功地解决了一个实际工程问题。     

磁场分布对多磨头磁流变抛光材料去除的影响

为研究磁场分布对材料去除的影响,设计轴向充磁异向排布、轴向充磁同向排布、径向充磁异向排布、径向充磁同向排布4种磁铁充磁和排布方式,利用有限元软件Maxwell仿真不同磁场的磁力线分布及抛光轮表面的磁感应强度分布,并采用数字特斯拉计测量实际磁感应强度。对单晶硅基片进行定点抛光试验,检测抛光斑沿抛光轮轴向的去除轮廓及峰值点的表面形貌。仿真和实际磁感应强度检测结果表明,不同磁场分布方式对抛光区的磁场分布有很大影响,磁铁轴向充磁同向排布与径向充磁异向排布时,具有较高的磁场强度和较好的多磨头效果。定点抛光试验表明,采用轴向充磁同向排布与径向充磁异向排布这两种方式时,能实现多点加工,其中轴向充磁同向排布时加工效率较高;但采用径向充磁同向排布时,由于抛光区磁感应强度较低,磁流变微磨头无法对工件进行有效地抛光。峰值点表面形貌检测结果表明,采用不同磁场分布方式时,对工件表面均是以塑性去除方式去除。研究表明,通过优化磁铁充磁和排布方式,可实现多磨头磁流变抛光的加工原理。     

集群磁流变变间隙动压平坦化加工试验研究

为了提高光电晶片集群磁流变平坦化加工效果,提出集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法,探究各工艺参数对加工效果的影响规律。以蓝宝石晶片为研究对象开展了集群磁流变变间隙动压平坦化加工和集群磁流变抛光对比试验,通过检测加工表面粗糙度、材料去除率,观测加工表面形貌、集群磁流变抛光垫中磁链串受动态挤压前后形态变化,研究挤压幅值、工件盘转速、挤压频率以及最小加工间隙等工艺参数对加工效果的影响规律。试验结果表明：集群磁流变平坦化加工在施加工件轴向微幅低频振动后,集群磁流变抛光垫中形成的磁链串更粗壮,不但使其沿工件的径向流动实现磨粒动态更新、促使加工界面内有效磨粒数增多,而且在工件与抛光盘之间的加工间隙产生动态抛光压力、使磨粒与加工表面划擦过程柔和微量化,形成了提高材料去除效率、降低加工表面粗糙度的机制。对于2英寸蓝宝石晶电（1英寸=2.54 cm）集群磁流变变间隙动压平坦化加工与集群磁流变抛光加工效果相比,材料去除率提高19.5%,表面粗糙度降低了42.96%,在挤压振动频率1 Hz、最小加工间隙1 mm、挤压幅值0.5 mm、工件盘转速500 r/min的工艺参数下进行抛光可获得表面粗糙度为Ra0.45 nm的超光滑表面,材料去除率达到3.28 nm/min。证明了集群磁流变变间隙动压平坦化加工方法可行有效。     

考虑热误差的双转台机床工艺误差谱预测方法

五轴数控机床的几何误差和热误差是影响工件加工精度的两个重要因素,对这些误差因素进行分析可以有效提高薄壁件工件的加工精度。本文首先基于齐次坐标变换法,建立了双转台五轴数控机床的旋转轴几何误差模型;然后基于对标准球进行在机接触测量,辩识得出两旋转轴的12项几何误差,这些误差考虑了两旋转轴之间的相互影响和其热误差的影响;最后分析五轴数控机床加工空间的几何误差场,在该加工空间内几何误差从中心到外侧逐渐增加,当A轴旋转角度增加时,误差的最大值也随之增加。与其它位置误差辨识方法相比,本方法的测量精度符合加工要求,测量时间只需要30 min。     

磁性液体研磨加工机理

在以前研究的基础上,改磁性液体悬浮研磨为流性液体堆积研磨,并在研磨中附加振动,大大地提高了加工效率和加工精度,加工出表面粗糙度只有Ra0.005～0.006μm的钢试件和Ra0.005～0.010μm的铜试件表面。还就这种新研磨方法中各种因素的影响以及其研磨作用机理进行了深入的研究探讨。