三轴离子束抛光系统驻留时间算法

在光学离子束抛光工艺中,驻留时间求解是一个关键问题。多数驻留时间求解算法要求离子束在工件表面的材料去除速率在加工过程中保持不变。然而,离子束在工件表面的材料去除速率与离子束入射角度有关。为此,在加工曲面工件时,通常采用精密五轴联动运动平台对离子源的运动及姿态进行实时控制,使得在加工曲面工件时离子束相对工件表面的入射角度始终保持不变,从而保证去除函数在整个离子束抛光过程中保持不变。提出了一种基于仿真加工的迭代驻留时间求解算法,在求解驻留时间的过程中考虑到入射角度带来的去除速率变化,从而使得在离子束抛光系统中只需采用三轴运动控制平台对离子源的运动进行控制,而不再需要对离子源的姿态进行实时控制。入射角度与去除速率曲线可以事先通过实验测得。与五轴运动平台相比,三轴平台更稳定、经济且易于控制。仿真结果表明,算法在三轴离子束抛光系统中具有较好的适用性。     

磁流变抛光曲率效应的量化评价方法

磁流变抛光目前已经可以用于平面、曲面等各类几何特征光学元件的最终表面修形与亚表面残余损伤修整,然而,工程实践中,曲率类元件往往难以获得和同级别平面元件相当的收敛精度与收敛效率。理论上由曲率元件曲率因素引入的磁流变抛光的不确定性无法被定量分析与评估。本文从磁流变抛光工艺特点出发,探讨了曲率特征和抛光工艺的依赖关系,进一步基于几何分析建立了曲率特征对各工艺环节的影响机制。包括:曲率对曲面误差展开、轨迹规划、去除函数获取、驻留时间求解以及机床误差容错能力等关键工艺环节的影响机制。最终,建立了面向曲率元件磁流变抛光的曲率效应评价理论。     

光学元件磁流变加工驻留时间粒子群优化算法

为实现光学元件磁流变高精度加工,基于脉冲迭代原理,提出基于粒子群算法的驻留时间优化方法。该方法在脉冲迭代法的基础上引入粒子群算法对整体面型残差进行优化,通过对整体驻留时间的判定,从而实现每个驻留时间点的最优选择,达到高精度面形加工。通过对Φ156mm光学表面仿真加工,均方根(RMS)值和峰谷(PV)值从初始的169.164和1161.69nm收敛到23.4925和807.2156nm。仿真结果表明,该算法能在保证面形收敛精度的同时快速获得稳定可靠的驻留时间分布,能有效降低中频误差,其算法性能优于常用的脉冲迭代法。该算法为磁流变抛光光学元件过程中的驻留时间计算提供了一种解决方案。     

光学元件面形误差的光滑延展算法

在离子束抛光工艺中,为了提高驻留时间求解算法在工件边缘处的求解精度,需要对原始面形误差数据进行有界光滑延展。推导并提出了一种基于高斯曲线的曲面延展算法,该算法利用了高斯函数的有界性、光滑性和参数连续性。将该曲面延展算法应用于带有高频噪声的面形误差工件的驻留时间求解过程中,驻留时间算法在光学元件边缘处的残余误差得到了抑制,使得驻留时间算法在整个通光口径内的收敛率达到了97%（RMS）。这表明基于高斯曲线的曲面光滑延展算法能实现光学元件面形误差的光滑延展,并具有良好的抗噪声干扰能力,改善了驻留时间算法的求解精度。     

液体喷射抛光技术研究

液体喷射抛光(FJP)技术是近几年提出的一种新型光学抛光工艺,本文简介了这种抛光技术的原理,介绍了我们的研究结果,其中包括在抛光机理方面提出抛光液中磨料粒子的径向流动对工件产生的径向磨削剪切作用是材料去除的关键;建立了较完善的描述FJP过程的数学模型;提出了获得较理想工作函数的方法;得到了求解时间驻留函数的一种算法;另外还研究了不同FJP溶液及一些工艺参数对样品表面粗糙度的影响、被抛光材料特性对材料去除率及表面粗糙度的影响等.结合这些研究建立了一套非球面数控液体喷射抛光没备和相关工艺,并利用其对实际非球面做了数控抛光实验,最后得到其截面的误差优于0.15靘PV,表面粗糙度Ra达到2.25nm,实验结果表明此技术可用于非球面的数控抛光.     

多杆机构复合摆动轨迹抛光方法对光学元件中频误差的抑制

针对高功率激光系统中传统小工具抛光方式带来的较大中频误差影响高功率激光系统稳定性和可靠性的问题,提出了基于简谐运动的复合摆动轨迹抛光方法,并建立了数控多杆机构复合摆动轨迹抛光系统;根据小工具抛光基本原理可知,规则、有序的平转运动轨迹是引入中频误差的重要原因之一。为了提高生成去除函数轨迹的复杂性,提出了基于复合摆动轨迹的去除函数模型,研究了复合摆动轨迹抛光的基本过程和离散化计算方法;选择合适的工艺参数和去除函数轨迹,进行了基于复合摆动轨迹的去除函数与基于传统平转运动的去除函数的对比加工实验。结果表明:通过干涉仪测量可知,复合摆动轨迹加工方法得到的面形干涉条纹比平转运动的更光顺,且无毛刺;在50 mm×50 mm范围内,复合摆动轨迹加工面形的功率谱密度曲线低于平转运动的功率谱密度曲线,整体加工效果优于传统平转运动;基于复合摆动轨迹的数控多杆抛光系统相对于传统平转工艺能有效抑制中频误差。     

光学元件磁流变加工不确定度误差工艺方法

为减少磁流变抛光过程中误差对加工精度的影响,实现光学元件磁流变高精度加工,采用一种不确定度误差工艺方法对加工中的误差进行抑制。通过对磁流变加工过程中的位置误差和去除函数误差进行不确定度分析,在理论分析与实验分析的基础上进行验证实验。由仿真与实验结果可知,加工中面形误差与中频误差均存在3.5 nm的不确定度误差值,通过验证实验,得到了加工后的面形误差RMS值为20 nm,中频误差RMS值为14 nm。结果表明,采用误差不确定度的方法可优化加工工艺流程,减少误差对加工过程的影响,可以达到不确定度下的面形精度。该方法为磁流变高精度确定性加工以及面形误差与中频误差的抑制问题提供了一种解决方案。     

计算机控制光学非球面的抛光

论述了计算机控制非球面抛光的基本原理－Ｐｒｅｓｔｏｎ方程，计算机控制非球面抛光机的抛光模的结构特点和去除特性及驻留函数，计算机模拟控制抛光过程的理论计算和实际实验的对比，最后，通过对实验结果的分析，获得一些初步的结论。     

小型磁流变抛光装置的设计与探究

针对小球面(Φ5mm～Φ50mm)的加工特点,在磁流变抛光原理的基础上,设计了小型磁流变抛光装置。详细介绍了抛光装置中的工件运动机构的设计原理,并且通过三维建模从理论上验证了此设计的可行性。     

磁流变抛光控制系统的研究与设计

提出一种面接触式磁流变抛光新方法并设计以西门子PLC和STM8S105单片机为核心的磁流变抛光设备智能控制系统,其中PLC实现对抛光速度、抛光间隙和抛光时间的控制,STM8S105单片机实现对磁极恒流控制。文中介绍了磁极控制 系统的软硬件设计,并给出了实验的测试结果,曲线表明磁极电流可以快速稳定地达到设定值,通过对两款316L材质的金属粉末注射成型冷饮机配件进行抛光实验,验证系统的抛光效果,经过抛光后,316L冷饮机配件的表面粗糙度都有明显下降,说明所研究的磁流变抛光机对于粉末冶金制品表面粗糙度具有较高的去除率。     

Magnetorheological finishing of optical surface combined with symmetrical tool function

This research is aimed at the development of computer-aided polishing technology for optical surfaces using magnetorheological (MR) fluid as medium.The mechanism of a dual-axis polishing wheel and the mathematical model combined with a symmetrical tool function are demonstrated.The effects of speed,gap,time and geometric parameters of the tool have been experimentally evaluated by polishing a parabolic BK7 mirror in 120mm diameter.The surface topography presented an obvious amelioration,and the shape accuracy decreased to 0.067λ from 0.519λ(λ=632.8nm,RMS) after 75min finishing.     

大口径非球面镜加工建模与控制技术

数控(NC)加工技术是解决非球面镜加工困难的一种方法。针对激光装置所使用的大口径光学玻璃非球面透镜,提出采用超精密磨削技术来实现高效、高精度的成型加工。通过加工实验研究了控制磨削切深和进给速度对表面加工质量的影响,寻找出大切深缓进给的磨削加工方式,改善了元件表面加工质量,有效抑制了加工过程引入的亚表面缺陷。开展了非球面补偿加工技术实验研究,采用等面形误差曲线补偿加工方法,能有效降低元件面形峰谷(PV)值,通过两次补偿加工,330 mm×330 mm非球面镜的磨削面形误差可控制在约3μm,获得较为理想的面形加工精度。     

飞秒激光精修面齿轮工艺参数的多目标优化

基于面齿轮传统机械加工精度欠佳的局限性,最后工序采取飞秒激光对面齿轮进行精修加工,在满足面齿轮烧蚀深度和齿面粗糙度约束的前提下,建立了以飞秒激光精修效率和表面质量为目标函数的多目标优化数学模型。利用内点罚函数并行以gamultiobj函数为基础的改进遗传算法求解优化模型,得到两组较优的飞秒激光加工面齿轮参数方案,与参数优化后的激光实验结果相对比,最大相对误差均在合理范围内,证明了优化的合理性,提供一定的理论指导在实际生产领域对飞秒激光精修面齿轮的运用。     

Simulation of a modified rotary timber machining process to improve surface form

Rotary machining is extensively used for planing and moulding operations within the woodworking industry. Although the surface form produced by this machining method is acceptable, the rotary machining action produces cutter marks on the wood surface so that further finishing operations, such as sanding, are often required to generate a product of acceptable standard. It has been theorised that the surface finish of planed and moulded timber products may be improved by oscillation of the cutter block in either a vertical or horizontal plane. This paper describes the use of a graphical simulation based on Simulink^® software to predict surface finish, and the use of computer simulation to model cutter-block oscillation. The result is a complete tool for effective design and optimisation of a hydraulic oscillation system, in combination with a surface form generator in order to improve surface form.     

用于在线检测的紧凑型多测量模式干涉仪

光学干涉仪由于高精度、全口径、非接触特点在光学元件的检测中具有极其广泛的应用。针对光学元件加工在线检测需要,提出了一种紧凑型的多测量模式瞬态干涉仪。该系统可同时实现单波长激光干涉、多波长激光干涉以及LED干涉显微测量等多种工作模式,以分别满足不同动态范围宏观面形以及表面粗糙度等显微结构的干涉检测。针对在线检测应用中复杂的环境振动影响,系统采用偏振相机来实现瞬态的偏振移相波前检测。为验证系统方案的可行性,对测量系统的主要误差因素进行了分析,并对不同工作模式下的金刚石车削机床在线检测结果与Zygo激光干涉仪和Zygo光学轮廓仪进行了比对实验,同时也利用多波长技术对自由曲面进行了在线检测。结果表明该系统可实现高精度的多测量模式,并且还可以满足大动态范围波前测量要求。该系统结构紧凑,整体尺寸仅为195 mm×160 mm×65 mm,极其适合车削机床的在线安装及检测。同时系统基于瞬态波前检测,具有对环境扰动不敏感的特点,在机床对中工具在线调整以及加工元件等在线检测中具有广泛的应用前景。     

大尺寸SIC空间反射镜离子束加工热效应分析与抑制

离子束加工中从离子源射出的高速离子撞击光学反射镜表面,离子的动能转化成热能以及中和灯丝的热辐射作用,使反射镜温度急剧升高。反射镜温升过快,会导致柔性连接结构胶结部位发生不可逆的非线性变化,并且热膨胀使实际加工位置和理想加工位置发生偏移,增加了加工误差,因此需要对加工过程中产生的热效应进行抑制。提出了通过规划加工路径和增强散热的方法,增强加工过程的散热,控制反射镜的温度。针对600 mm260 mm的某主反射镜,对增强散热前后不同加工路径的离子束加工进行了研究和有限元分析。分析表明:加工路径的选择、增强散热对反射镜的温度分布有较大影响,增强散热前,采用横栅格加工路径,反射镜最高温度为35.8 ℃,对应全口径PV=/5,采用分区纵栅格加工路径,反射镜最高温度则达到52 ℃,PV=/10。增强散热后,不同加工路径离子束加工中,反射镜温度均有所下降,采用横向栅格加工路径反射镜温度最高为28.2 ℃,对应全口径PV=/20,采用分区纵栅格加工路径反射镜温度最高为41 ℃,PV=/7。通过对比,最终采用增强散热的横栅格加工路径的加工方式。对优选的加工路径进行了试验验证,试验结果与仿真结果一致。结果表明:优化加工路径,增强散热措施能够抑制离子束加工的热效应,为离子束加工热效应抑制提供理论基础。     

基于法向特征提取的曲面自适应检测算法研究

为了使机械臂探头端在扫描过程中始终垂直于待测件表面, 提出了一种基于法向特征提取的曲面自适应检测算法。系统采用光学扫描的方法获取待测件表面3维数据, 再通过法向提取算法推导用于位姿校正的映射函数, 最后完成扫描路径的自适应规划。在MATLAB中对样件点云进行了杂散点剔除, 并通过QUALIFY软件完成待测件的3维重建; 对150mm×200mm×10mm的曲面样块进行了光学扫描与路径优化实验。结果表明, 位置测试精度在x轴、y轴、z轴方向上的最大偏差分别为0.5142mm, 0.2645mm和1.4265mm; 整体位置偏差最大值为1.1135mm, 平均值为0.5647mm; 在将该偏差作为补偿参量代入机械臂规划路径后, 可以实现扫描过程中探头位姿的在线调整。此研究对自动化测试系统中要求探头与待测件严格垂直的应用领域具有重要意义。     

A novel 3D path following control framework for robots performing surface finishing tasks

We describe a novel 3D path following control framework for articulated robots in applications where constant speed travel along a path is desirable, such as robotic surface finishing tasks. Given the desired robot configuration sequence with a list of waypoints along a path, a trajectory optimization scheme based on direct collocation is proposed to determine the Cartesian path and the maximum constant translation speed that are dynamically feasible. Employing the Hermite–Simpson collocation method, a Cartesian path is developed that not only preserves the characteristics of the original motion sequence but also satisfies the physical requirements of the robot kinematics and dynamics. Since joint velocity control is quite common in many industrial robots, we consider a 3D kinematic control in the robot tool frame with control inputs as rate of change of orientation. The objective for the translation motion is to achieve constant speed along the path tangent direction, and that of the orientation control is to orient the robot properly based on the path provided by a converging path planner. We describe the optimization procedure employed with the direct collocation method to obtain the desired Cartesian path, an arc-length based re-parametrization of the desired path, and a path planner that provides a converging path to the desired path. To perform the surface finishing operation, we further present the joint space control law that is converted from the synthesis of the proposed path following and impedance force control in the tool frame. To verify and evaluate the performance of the proposed framework, we have conducted extensive experiments with a six degrees-of-freedom (DOF) industrial robot for several paths that can be employed for surface finishing of a variety of industrial parts.