超精密加工是得到中大口徑光學(xué)元件超光滑表面的主要手段�，F(xiàn)在傳統(tǒng)的行星式雙面拋光技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟,但這樣的加工方法僅適用于小口徑光學(xué)元件,無(wú)法滿足中大口徑的加工需求。而傳統(tǒng)中大口徑光學(xué)元件的超精密加工方法都是單面拋光,存在加工周期長(zhǎng)、表面精度低等缺點(diǎn)。因此,研制出適用于中大口徑光學(xué)元件的雙面拋光設(shè)備對(duì)于縮短中大口徑光學(xué)元件的加工周期短、提高光學(xué)元件的表面精度、實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的批量生產(chǎn)具有重要意義。本文通過(guò)對(duì)中大口徑雙面拋光機(jī)的拋光機(jī)理的研究,得出影響加工精度的主要因素:電氣控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)控制系統(tǒng)的加載壓力控制和伺服系統(tǒng)的電機(jī)控制。首先,硬件設(shè)備的性能以及硬件設(shè)備間的連接方式嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、有效控制。因此電氣控制控制系統(tǒng)中硬件的選型與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高精度拋光的重要保障。其次,在拋光過(guò)程中,不同的加載壓力會(huì)出現(xiàn)不同的加工效果。因此氣動(dòng)控制系統(tǒng)中加載壓力的高精度和穩(wěn)定性控制是實(shí)現(xiàn)高精度拋光的首要前提。最后,雙面拋光機(jī)是通過(guò)拋光盤與工件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)光學(xué)表面材料的去除。因此伺服系統(tǒng)中電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)高精度拋光的重中之重。下面針對(duì)這三個(gè)因素進(jìn)行設(shè)計(jì):1)設(shè)計(jì)了電氣控制系統(tǒng)的總體方案,開(kāi)發(fā)了SIMOTION D控制器+分布式I/O模塊ET200M的具有人機(jī)交互界面的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì),即SIMOTION D控制器、SINAMICS S120驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)及人機(jī)界面等模塊。2)設(shè)計(jì)了基于自整定模糊PID控制的拋光壓力控制器,通過(guò)與傳統(tǒng)PID控制AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真結(jié)果的對(duì)比分析,驗(yàn)證了自整定模糊PID控制可以有效地提高氣動(dòng)控制系統(tǒng)拋光壓力的穩(wěn)定性、加載精度和快速性。3)設(shè)計(jì)了伺服控制系統(tǒng)速度環(huán)的自整定模糊PID控制器,通過(guò)與傳統(tǒng)PID控制的Simulink仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了基于自整定模糊PID控制的伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)和震蕩小、抗干擾能力強(qiáng),更適用于大滯后、大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和強(qiáng)耦合性的復(fù)雜系統(tǒng),更好的保障了中大口徑雙面拋光機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和拋光效率。
【學(xué)位單位】：長(zhǎng)春理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP273;TH74
【部分圖文】：

a) b)圖 1.2 MRF 材料去除過(guò)程和設(shè)備a) MRF 的材料去除過(guò)程 b) Q22-2000F 型磁流變拋光機(jī)床.2 應(yīng)力盤拋光應(yīng)力盤拋光（Stressed Lap Polishing, SLP）技術(shù)是 20 世紀(jì) 80 年代末由美國(guó)亞大學(xué)提出的接觸式拋光方法[12]，主要用于有較大偏離量的大口徑高陡度非球面件的拋光。SLP 根據(jù)拋光要求改變應(yīng)力盤的加工角度實(shí)現(xiàn)非球面的超精密加工P 的拋光過(guò)程如圖 1.3 所示，在應(yīng)力盤上安裝驅(qū)動(dòng)器以接收由計(jì)算機(jī)發(fā)出的應(yīng)力于鏡面位置和方向的指令，通過(guò)改變邊緣力矩的大小，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力盤與被拋光的光學(xué)元件表面相吻合[11]。因?yàn)閼?yīng)力盤拋光可以實(shí)現(xiàn)不同面性的可控制加工，因著的高頻誤差修正效果。同時(shí)，可根據(jù)加工工件的面形來(lái)選擇不同規(guī)格的拋光現(xiàn)加工工件加工精度和表面粗糙度的有效控制，有效地提高了光學(xué)元件的加工2]。

圖 1.4 美國(guó)亞利桑那大學(xué)的應(yīng)力盤拋光設(shè)備1.2.3 小工具拋光小工具拋光（Small Tool Polishing，STP）是 20 世紀(jì) 70 年代由美國(guó) Itek 公司W(wǎng). J. Rupp 提出的一種計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)（Computer Controlled OpticSurfacing, CCOS）技術(shù)[18]。它采用小磨頭對(duì)工件表面進(jìn)行研磨或拋光，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制磨頭在光學(xué)元件表面不同位置的相對(duì)壓力和駐留時(shí)間等來(lái)控制材料去除量，實(shí)面形的修正和高精度加工[19]。與大尺寸磨頭相比，小磨頭可以更好的與光學(xué)元件加表面吻合，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的去除效果；同時(shí)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)操控避免了傳統(tǒng)拋光的經(jīng)和技巧不足帶來(lái)的影響，有效地提升了光學(xué)元件的加工效率。但基于接觸式的加工法都無(wú)法避免亞表面損傷和邊緣效應(yīng)等問(wèn)題，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)與非球面加工工件表面完全重合，并容易產(chǎn)生高頻誤差[19]。圖 1.5 b)為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所用于 4000m口徑光學(xué)元件加工的 FSGJ 設(shè)備[20]。

圖 1.4 美國(guó)亞利桑那大學(xué)的應(yīng)力盤拋光設(shè)備1.2.3 小工具拋光小工具拋光（Small Tool Polishing，STP）是 20 世紀(jì) 70 年代由美國(guó) Itek 公司的W. J. Rupp 提出的一種計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成型技術(shù)（Computer Controlled OpticalSurfacing, CCOS）技術(shù)[18]。它采用小磨頭對(duì)工件表面進(jìn)行研磨或拋光，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制磨頭在光學(xué)元件表面不同位置的相對(duì)壓力和駐留時(shí)間等來(lái)控制材料去除量，實(shí)現(xiàn)面形的修正和高精度加工[19]。與大尺寸磨頭相比，小磨頭可以更好的與光學(xué)元件加工表面吻合，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的去除效果；同時(shí)計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)操控避免了傳統(tǒng)拋光的經(jīng)驗(yàn)和技巧不足帶來(lái)的影響，有效地提升了光學(xué)元件的加工效率。但基于接觸式的加工方法都無(wú)法避免亞表面損傷和邊緣效應(yīng)等問(wèn)題，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)與非球面加工工件表面的完全重合，并容易產(chǎn)生高頻誤差[19]。圖 1.5 b)為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所用于 4000mm口徑光學(xué)元件加工的 FSGJ 設(shè)備[20]。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2881984