1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化非球面精密加工技术研究一、选题的背景与意义在市场需求不断变化和科学技术飞速发展这两个巨轮的推动下，先进制造技术在不断向精密化、多样化等方向发展1。非球面零件广泛应用上于军事方面、民用、光电产品和医疗仪器、实验仪器等诸多领域。目前,利用计算机自动控制技术,实现非球面元件的快速精密加工成型,能够保证非球面零件具有较高的面形精度和表面质量精度，然而如何对成型后的零件进行精确抛光,是制约中小口径非球面零件生产的瓶颈25。作为超精密加工领域中的一个关键性技术难题，非球面零件的研抛加工引起了各国的高度重视69。精密机床可以加工出较高的面形精度，然而对于表面质量要求高
2、的零件，需要对精加工后的零件进行进一步的精密、超精密加工，其方法基本有磨削加工和研抛两种。磨削设备比较精密而造价一般很昂贵，研抛虽然能带来很高的表面加工质量，但是其过程控制非常棘手。所以研究研抛技术要从新设备和新方法着手。为有效地提高工件的表面质量，一些学者提出了对研抛进行柔顺研抛。柔顺控制被分为主动柔顺和被动柔顺两类。所谓主动柔顺，是利用力的反馈信息采用一定的控制策略来主动控制作用力；而被动柔顺，就是凭借一些辅助的柔顺机构，使其在与环境接触中，能够对外部作用力产生自然顺从1013。由于被动柔顺装置的专用性强，适应能力较差，使用范围受到限制，主动柔顺控制进而成为一个主导的柔顺控制研究方向141
3、6，主动柔顺控制也就是力的控制。研抛过程中，通过控制研抛法向力的恒定，保证了研抛工件的表面去除量的恒定，达到了均匀去除的效果。所以利用主动柔顺控制的研抛加工，能够大大提高工件的表面质量。因而，怎样实现研抛主动柔顺控制，是一个关键性难题。传统设计通过控制位置达到控制力的效果，然而在研抛过程中，基于位置控制的加工对精度的影响远大于2对研抛力控制的影响，怎样解决力和位置的耦合问题是实现力的控制是一个棘手问题。效率方面，固着磨料砂轮研抛有着很高的加工效率，在研抛过程中固着磨料与工件产生面接触，避免了游离磨料抛光过程中磨料因与工件和抛光模单点接触而产生应力集中的现象，也有效的提高研抛工具的使用寿命。本文
4、在数控车床上研发一套可以柔顺研抛的加工装置，及通过控制研抛法向力实现柔顺研抛，对探索一种新型非球面柔顺精密研抛技术有着现实的意义。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容（1）利用数控自动编程软件生成数控代码，并在数控车床上完成非球面零件数控车削加工；（2）基于数控车床研究曲面研抛过程的柔顺控制方法；（3）利用数控自动编程软件生成研抛加工数控代码，并在数控车床上完成非球面零件的研抛加工。拟解决的主要问题（1）如何对成型后的零件进行精确抛光；（2）怎样实现研抛主动柔顺控制；（3）怎样进行研抛加工实验，如何分析研究实验结果。三、研究的方法与技术路线研究方法数控车床是一种高精度、高效率的自
5、动化机床，一般具有直线插补、圆弧插补等补偿功能，并在回转零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。在插补中，刀具不能严格地按照要求加工的曲线运动，只能用折线轨迹逼近所要加工的曲线。也可以说，已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，也称为“数据点的密化”，这就是数控车床的插补运算方法。非球面主要是靠数控车床的内外插补方法来加工，原理上存在着插补误差。图1是数控车床车削非球面的示意图，通过插补算法可以明显的看到加工后的非球面的表面是有一个个的微小的阶梯构成的，从而形成了较大的形状精度误差。因此，本项目建立了以数控车床为载体的柔顺研抛模型，如图2所示。3图1车削非球面示意图图2非
6、球面研抛示意图本项目在两轴数控车床的基础上增加了一个旋转的运动，可以看做是在X、Z和方向上运动的合成，系统的加工过程可以达到仿形加工的目的。通过在轴上输入一个恒定的扭矩，保证研抛过程中研抛工具的运动方向的切向矢量与该处工件轮廓的法向量垂直，即可确保加工力臂的恒定，从而达到了恒定研抛力的柔顺加工效果。技术路线本项目以控制研抛法向力为手段，综合应用数控技术、柔顺控制技术、现代控制理论等先进技术，在不改变原有数控车床的基础上，通过研制基于力反馈控制的柔顺研抛工具系统，实现数控研抛非球面通过研制基于力反馈控制的柔顺研抛工具系统，实现数控研抛非球面加工过程中的研抛法向力的控制，具体的内容如下（1）非球面
7、研抛工具系统的研制设计一套研抛工具系统，在不干涉数控车床正常加工的条件下，研发一种能克服数控车床插补误差并能达到仿形加工效果的研抛系统。（2）非球面研抛法向力的控制探索一种数控研抛加工的力控制策略。在分析已有的力控制策略的基础上，提出一种适合于非球面研抛法向4力的控制策略，设计合适的力控制系统使研抛工具系统在能感知研抛力的基础上，能对研抛压力进行主动控制，保持研抛力的基本恒定，实现恒压力研抛加工。研抛加工实验研究在基于以上的研究结果的前提下，利用本项目的研抛工具系统进行必要的研抛加工实验，并分析研究实验结果。四、研究的总体安排与进度13周理解设计任务，收集资料；完成外文翻译；完成文献总数和开题
8、报告；47周数控编程与加工；812周柔顺研抛技术研究；13周完成毕业论文，准备答辩参考文献1杨辉，吴明根现代超精密加工技术J航空精密制造技术，2001，3312郑为民高陡度光学非球面自动成形的研究学位论文浙江浙江大学，19983吴敏镜超精密加工技术的现状和展望J航空精密制造技术，2002，3834王先逵，吴丹，刘成颖精密加工和超精密加工技术综述J中国机械工程，1999，1055倪颖，李建强，王毅，黄启泰，余景池一种高效率小口径非球面数控抛光方法J光学技术，2008，3416张学军数控非球面加工过程的优化研究D中国科学院长春光机所，19977杨福兴非球面光学零件的超精密磨削技术J机械工艺师，19
9、98，613148庞长涛，罗松保非球面加工先进技术J航空精密制造技术，2001，3159韩成顺，等大型光学非球面超精密磨削的几何模型研究J兵工学报，2004，6（741745）10王援朝充气天线结构技术概述J电讯技术，2003，261111NAGATA，FANDKUSUMOTO，Y，ETALPOLISHINGROBOTFORPETBOTTLEMOLDSUSINGALEARNINGBASEDHYBRIDPOSITION/FORCECONTROLLERJCONTROLCONFERENCE，20045THASIAN，2004，2512FUSAOMINAGATAANDKEIGOWATANABE，ETA
10、LPOLISHINGROBOTSYSTEMUSINGIMPEDANCEMODELFOLLOWINGFORCECONTROLJ18THANNUALCONFERENCEOFTHEROBOTICSSOCIETYOFJAPAN，2000，213冯之敬，汪劲松等自由曲面研磨的曲面形状自适应研磨方法及其工具中国专利公告号CN1180007A，公告日1998年4月29日14詹建明，赵继，祝佩兴机器人超声研抛自由曲面的精加工系统J中国机械工程，2000，885285415赵继，詹建明，祝佩兴，金仁成机器人超声弹性研磨自由曲面的过程识别与优化J中国机械工程学报，20001717416GREENWOODJAANA
11、LYSISOFELLIPTICALHERMANCONTACTSTRIBOLOGYINTENRATIONAL1997，3032352376毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化非球面精密加工技术研究摘要目前,利用计算机自动控制技术,实现非球面元件的快速精密加工成型,能够保证非球面零件具有较高的面形精度和表面质量精度，然而如何对成型后的零件进行精确抛光,是制约中小口径非球面零件生产的瓶颈。精密加工的方法基本有磨削加工和研抛两种。磨削设备比较精密而造价一般很昂贵，研抛虽然能带来很高的表面加工质量，但是其过程控制非常棘手。所以研究研抛技术要从新设备和新方法着手。关键词非球面精密加工数控技术柔顺研抛世界
12、各国都十分重视高精度光学零件的精密加工技术研究与设备研制，并为此投入了大量的人力、物力和财力。美国国防部所确定的未来22项关键技术中大部分都和光学零件有关1。在巨额资金的支持下，美国在光学零件的超精密加工设备和加工工艺方面取得了许多重大成果，居于世界领先地位2。美国光学零件加工技术的发展出于国防的需要，通过能源部激光核聚变的任务以及海陆空三军制造技术开发计划等对光学零件超精密加工技术的研究开发投入了巨额资金和大量人力，成功地研制了一系列的专用或通用机床。其代表作是LLL实验室1983年研制成功的第三号大型超精密金刚石车床DTM3型，该机床可加工2100MM、质量为4500KG的光学零件，以及1
13、984年研制成功的大型光学金刚石车床LODTM3（如图1示）。7图1美国LLL实验室的大型光学金刚石车床（LODTM）美国摩尔公司研制的NANOTEEH500FG超精密自由曲面而加工机床，主要用于光学零件和模具的加工，加工直径达250MM，加工长度达150MM。NANOTEEH500FG机床采用多轴动方式，直线坐标轴和高速磨削主轴采用液体静压轴承，旋转坐标轴和工件主轴采用空气静压轴承，选用高精度滚珠丝杠作为直线轴的驱动，工件的运动精度达到50NM4。1工作台2测量基准架3测头4向参考光束5溜板龙门架6砂轮轴图2英国CRANFIELD公司OAGM2500大型精密机床英国CRANFIELD大学精密
14、工程研究所CPPE与BRITISHSCIENCEANDENGINEERINGRESEARCHCOUNCILSERC联合研制了大型超精密金刚石镜面磨削机床OAGM2500（如图2示），可以加工大型X射线天体望远镜所用的非球面反射镜。该研究所还研制成功了可加工X射线望远镜的内侧回转抛物面和外侧回转双曲而的金刚石切削机床。CUPE生产的NANOCENTRE非球面光学零件加工机床，加工直径为600MM时，面形精度优011M，表面粗糙度优于001M56。此外，比较有影响的光学零件精密加工机床还包括德国KUGLER公司生产的超精飞切车床F系列（如图3示），微车床D系列，金刚石磨床A系列；美国PRECITE
15、CH公司生产的六种OPTIMUM系列；英国TAYLOR/HOBSONPNEUMO公司生产的OPTFORM、MICROFORM、NANOFORM等三个系列78。8图3德国KUGLER公司生产的FG001精密机床国内从20世纪80年代后期开始进行CCOSCOMPUTERCONTROLLEDOPTICALSURFACING技术的研究，南京紫金山天文台、北京理工大学、清华大学等单位分别研制了P型和XY型实验机床，开展了一些计算机控制研抛的原理性研究；1997年浙江大学进行了光学非球面自动加工的研究，取得了较好的结果；长春光机所研制出了FSGJ1数控非球面光学加工中心，加工面形精度可达/20；成都精密光
16、学加工中心也于1998年从俄罗斯引进了AD100型三轴抛光机床911。下面介绍几种新型的非球面研抛加工技术。如图4所示,是一种气囊式抛光技术12。气囊式抛光工艺方法，是20世纪90年代伦敦光学实验室提出来的一种新的抛光方法。伦敦光学实验室在UK粒子物理，天文学研究委员会和工商界的资助下，开展了气囊抛光理论与技术的研究，并与ZEEKO公司合作开发了IRP系列气囊抛光机床，取得了丰硕的成果，为气囊抛光技术的发展做出了很大的贡献。工作原理是被加工件随着工作台自转的同时在水平方向和垂直方向按一定的轨迹移动,以保证抛光头磨削被加工件任意点时都保持恒定的接触面积和压力。由于抛光过程中采用工件台转速为主切削
17、力,在整个加工口径内进给速度恒定。可通过抛光运动控制软件来控制抛光气囊与工件抛光表面的相对位置,改变抛光接触区面积,抛光压力可以通过气囊内部的压力而得到调节。9（A）气囊式抛光头结构简图（B）抛光示意图图4气囊式抛光示意图但是气囊式抛光技术抛光效率较低,越接近工件边缘,其粗糙度越大,去除量越低而对边缘处以外的地方去除量基本一致,抛光效率较边缘处高。随着磁流变技术的发展及应用，磁流体抛光技术又称磁流变抛光技术（QED）是电磁理论、流体力学、分析化学等应用于超精密制造的一项综合技术。磁流变抛光技术实际上是一种计算机控制小磨头抛光技术，这里的磨头是磁流变抛光液在磁场作用下形成的柔性磨头，其形状和硬度
18、可以根据磁场实时控制1315。通过对工件各个带区在抛光区滞留时间的控制便可以控制去除量进行修整面形（如图5示）。图5磁流变抛光原理图而现在的磁流变抛光技术还在探索建立起一套通用的科学的去除率模型，单一的通过控制磁场强度来控制接触剪切力的方法不能得到一致的加工表面精度。90年代兴起的新型化学机械抛光技术（CHEMICALMECHANICAL10POLISHING,简称CMP）则从加工性能和速度上同时满足了回转圆片形状加工要求。CMP技术是机械磨削和化学腐蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上而形成光洁平坦表面1617。其工作原理图如图6所示。图6CMP工
19、作原理图尽管CMP技术发展的速度很快，但它们需要解决的理论及技术问题还很多。如人们对诸多抛光参数（如压力，转速，温度等）对平面度的影响、抛光垫浆料片子之间的相互作用、浆料化学性质（如组成，PH值，颗粒度等）对各种参数的影响等比较基础机理了解甚少，因而定量确定最佳CMP工艺，系统地研究CMP工艺过程参数，建立完善的CMP理论模型，还有一定距离。总体来说，国内对非球面加工技术的研究尚处于原理性试验阶段，所研制的非球面加工设备还存在很多不足主要通过提高机床设备的精度来提高所加工的零件的表面质量精度，成本费用高多采用精细的刀具车削加工，所以加工过程中刀具与工件单点接触易出现应力集中现象，且加工效率低研
20、磨抛光工具的结构和加压方式尚需进行深入研究等。柔顺控制研究中，柔顺性被分为主动柔顺性和被动柔顺性两类。所谓主动柔顺性，就是利用力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制作用力；而被动柔顺性，就是凭借一些辅助的柔顺机构，使其在与环境接触时，能够对外部作用力产生自然顺从。一些可以使机器人在与工作环境作用时，能够吸收或储存能量的机械元件如弹簧，阻尼等而构成的机构，叫做被动柔顺机构。由于被动柔顺装置的专用性比较强，适应能力较差，使用范围受到限制，主动柔顺控制则11成为一个有效的控制方法。主动柔顺控制也就是力的控制，在设计机器人力控制结构，处理力/位置控制两者之间的关系，为主动柔顺控制研究的首要问题。有关
21、力控制的研究都是从不同的角度对控制策略进行阐述，从机器人实现依从运动的特点来看，目前主要可以总结为四大类阻抗控制策略、力/位混合控制策略、自适应控制策略和智能控制策略1820。但总体而言，目前在主动柔顺控制策略上，虽然已存在了很多方法，但是大多都处于理论研究和摸索阶段，一种切实可行的主动控制方法有待进一步的研究。参考文献1张学军数控非球面加工过程的优化研究学位论文中国科学院长春光机所，19972王毅，倪颖，余景池小型非球面数控抛光技术的研究J光学精密工程，2007，15（10）3庞长涛，罗松保非球面加工先进技术J航空精密制造技术，2001，37（3）4张坤领，林彬，王晓峰非球面加工现状J组合机
22、床与自动化加工技术，2007，55张建明，罗松保非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术J光学精密工程，2003，171756王洪祥，宋兴永，张龙江非球面超精密加工机床的发展状况J机械工程师，2005，514157余景池，张学军计算机控制光学表面成形技术J光学技术，1998，523258惠济云光学非球面加工和测试技术综述J西北光电，2000128339潘君骅光学非球面的设计、加工与检测J科学出版社1994，510罗松保，张建明非球面曲面光学零件超精密加工装备与技术J光学精密工程，2003，11（1）11袁哲俊，王先逵精密和超精密加工技术M北京机械工业出版社，199912CHLIU，CCACHEN
23、，JIANSHENGHUANGTHEPOLISHINGOFMOLDSANDDIESUSINGACOMPLIANCETOOLHOLDERMECHANISMJJOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY，200516623023613GINDERJM，TRIGGGENCYCLOPEDIAOFAPPLIEDPHYSICSJVOL16NEWYORKVCHPUBLISHERS，1996，4875031214KORDONSKY，WI，ETALPHYSICALPROPERTIESOFMAGNETIZABLESTRUCTUREREVERSIBLEMEDIA，JMAGNMAGNM
24、ATER，1990，85，114315CHOISB，ETALCOMPARISONOFFIELDCONTROLLEDCHARACTERISTICSBETWEENERANDMRCLUTCHESINTLMATSYSANDSTRUC，1999，1061561916MALIKF，HASANMMANUFACTURABILITYOFTHECMPPROCESSJTHINSOLIDFILMS，1995，27061261517JAIRATHR，FARKASJ，HUANGCKETALCHEMICALMECHANICALPOLISHINGPROCESSMANUFACTURABILITYJSOLIDSTATETECHN
25、OLOGY，1994，7717518雷红，雒建斌，马俊杰化学机械抛光（CMP）技术的发展、应用及存在问题J润滑与密封，2002，419殷跃红，尉忠信，朱剑英机器人柔顺控制研究J机器人，1998，20323224020乔兵，吴洪涛，朱剑英，尉忠信面向机器人的力/位混合控制J机器人，1999，21321722213本科毕业论文（20届）非球面精密加工技术研究摘要14摘要在市场需求不断变化和科学技术飞速发展这两个巨轮的推动下，先进制造技术在不断向精密化、多样化等方向发展。非球面零件广泛应用上于军事方面、民用、光电产品和医疗仪器、实验仪器等诸多领域。目前,利用计算机自动控制技术,实现非球面元件的快速精
26、密加工成型,能够保证非球面零件具有较高的面形精度和表面质量精度，然而如何对成型后的零件进行精确抛光,是制约中小口径非球面零件生产的瓶颈。作为超精密加工领域中的一个关键性技术难题，非球面零件的研抛加工引起了各国的高度重视。本文以控制研抛法向力为手段，综合应用现代控制理论、柔顺控制技术、数控技术等先进技术，在不改变原有数控机床的基础上，通过研究基于力反馈控制的柔顺研抛系统，从而实现数控研抛非球面加工过程中的研抛法向力的控制。研抛加工实验研究在基于以上的研究结果的前提下，利用本文的研抛工具系统进行的研抛加工实验，并对实验结果进行分析研究。关键词非球面；精密加工；数控技术；柔顺研抛；恒速恒压。ABST
27、RACTWITHTHEDEVELOPMENTOFMARKETINGDEMANDANDRAPIDDEVELOPMENTOFSCIENCETECHNOLOGY,THEADVANCEDTECHNIQUEOFMANUFACTURETODIRECTIONSANDSOONPRECISION,DIVERSIFICATIONDEVELOPSUNCEASINGLYASPHERICALPARTSAREWIDELYUSEDIN15ASPECTSOFMILITARY,CIVIL,PHOTOELECTRICPRODUCTSANDMEDICALINSTRUMENTS,EXPERIMENTALINSTRUMENT,ETCA
28、TPRESENT,USINGTHECOMPUTERAUTOMATICCONTROLTECHNOLOGY,REALIZESTHEASPHERICSURFACEPARTSFASTPRECISIONSIZINGFORMATION,CANGUARANTEETHATTHEASPHERICSURFACECOMPONENTSHAVETHEHIGHFACESHAPEPRECISIONANDTHESURFACEQUALITYPRECISIONHOWEVER,HOWTOCARRYONPRECISEPOLISHINGAFTERTHEFORMATIONCOMPONENTSISINTHERESTRICTIONTHESM
29、ALLCALIBERASPHERICSURFACECOMPONENTSPRODUCTIONBOTTLENECKASANULTRAPRECISIONSIZINGDOMAINSINCRUCIALTECHNICALDIFFICULTPROBLEM,THEASPHERICSURFACECOMPONENTSGROUNDTHROWTHEPROCESSINGTOCAUSEVARIOUSCOUNTRIESTOTAKESERIOUSLYTHISARTICLETAKECONTROLSGRINDSTHROWSTHENORMALFORCEASTHEMETHOD,THESYNTHESISAPPLICATIONMODER
30、NCONTROLTHEORY,THEMILDMANNEREDCONTROLTECHNOLOGY,THENUMERICALCONTROLTECHNOLOGYANDSOONVANGUARDTECHNOLOGY,INDOESNOTCHANGEINTHEORIGINALNUMERICALLYCONTROLLEDMACHINETOOLSFOUNDATION,GRINDSMILDMANNEREDTHROUGHTHERESEARCHBASEDONTHESTRENGTHREACTIONCONTROLTHROWSTHESYSTEM,THUSREALIZESTHENUMERICALCONTROLTOGRINDTH
31、ROWSINTHEASPHERICSURFACEPROCESSINGPROCESSTOGRINDTHROWSTHENORMALFORCETHECONTROLGRINDSTHROWSTHEPROCESSINGEXPERIMENTALSTUDYINBASEDONUNDERTHEABOVEFINDINGSPREMISE,GRINDSUSINGTHISARTICLETHROWSTHETOOLSYSTEMTOCARRYONGRINDSTHROWSTHEPROCESSINGEXPERIMENT,ANDCONDUCTSTHEANALYTICALSTUDYTOTHEEXPERIMENTALRESULTKEYW
32、ORDSASPHERICSURFACE；PRECISIONSIZING；NUMERICALCONTROLTECHNOLOGY；GRINDSMILDMANNEREDTHROWS；CONSTANTSPEEDCONSTANTPRESSURE目录摘要13目录15161绪论1811选题的背景与意义1812国内外研究现状分析19121非球面精密加工设备现状19122非球面精密加工技术研究现状21123柔顺控制技术研究现状2313本文研究方法与技术路线24131研究方法24132技术路线252非球面精密研抛系统设计2521非球面研抛技术工作原理2522恒速恒压研抛系统设计2723硬件部分273柔顺研抛去除机
33、理与成型机理研究3331柔顺研抛去除机理3332柔顺研抛工具系统接触应力分析3933柔顺研抛成型机理42331研抛工件动力学分析及工具路径规划42332恒研抛力分析444实验与实验结果分析4641实验目的4642实验设备4643实验准备47431数控机床坐标系47432切削要素48433对刀4944实验步骤50441轨迹点生成50442速度数据52443数控代码5245实验结果5317451精加工工件检测结果53452研抛实验工件检测结果5446实验总结555结论57参考文献58致谢错误未定义书签。181绪论11选题的背景与意义由于市场需求不断变化和科学技术的飞速发展，先进制造技术不断向精密化
34、、多样化等方向发展12。非球面零件广泛应用上于军事、民用、光电产品和医疗仪器、实验仪器等诸多领域。目前,利用计算机数控技术,实现非球面零件的快速精密加工成型,保证非球面零件具有较高的精度和质量，然而制约中小口径非球面零件生产的瓶颈是如何对成型后的非球面零件进行精确抛光36。由于非球面零件的研抛加工是超精密加工领域中的一个关键性技术难题，因此引起了世界的高度重视710。精密机床可以加工出较高的外形精度，但对于表面质量要求较高的零件，需要对精加工后的零件进行进一步的超精密加工，其常用方法有磨削加工和研抛加工两种。磨削设备比较精密但造价一般很昂贵，而研抛技术虽然也能实现很高的表面质量，但其加工过程控
35、制非常困难。所以研究研抛技术要从新设备和新方法着手。为有效地提高加工零件的表面质量，一些学者提出了柔顺研抛技术。柔顺研抛分为主动柔顺和被动柔顺两种。主动柔顺，是利用力的反馈信息采用一定的控制策略来主动控制作用力；而被动柔顺，就是凭借一些辅助的柔顺机构，使其在与环境接触过程中，能够对外部作用力产生自然顺从1114。由于被动柔顺装置的专用性强，适应能力较差，使用范围受限制，从而主动柔顺成为一个主导的柔顺控制研究方向1517。主动柔顺控制也就是力的控制，在研抛过程中，通过控制研抛法向力的恒定，保证了研抛工件的表面去除量的恒定，从而达到了均匀去除的效果。所以利用主动柔顺控制的研抛加工，能够大大提高工件
36、的表面质量。所以，关键性的难题是如何实现主动柔顺控制。传统的设计是通过控制位置达到控制力的效果，而在研抛过程中，基于位置控制的加工对精度的影响远大于对研抛力控制的影响，所以怎样解决力和位置的耦合问题是实现力的控制是一个棘手问题。在效率方面，固着磨料砂轮研抛有着很高的加工效率，在研抛过程中固着磨料与被加工工件表面接触，避免了研抛过程中磨料因与工件和抛光模单点接触而产生应力集中的现象，同时有效的提高研抛工具的寿命。本文在数控车床上研发一套恒速恒压的柔顺研抛加工装置，即通过控制研抛19法向力实现柔顺研抛，对探索新型非球面精密加工技术有着现实性意义。12国内外研究现状分析121非球面精密加工设备现状世
37、界各国都非常重视非球面精密加工技术的研究与设备的研制，并为此投入了大量的人力、物力和财力。我国从20世纪80年代后期开始进行CCOSCOMPUTERCONTROLLEDOPTICALSURFACING技术的研究，南京紫金山天文台、北京理工大学和清华大学等单位分别研制了P型和XY型实验机床，并进行了一些计算机控制研抛过程的原理性研究；1997年浙江大学对光学非球面自动加工技术进行了研究，取得了一定的成果；长春光机所研制出了FSGJ1数控非球面光学加工中心，加工精度可达/20；1998年成都精密光学加工中心从俄罗斯引进了先进的AD100型三轴抛光机床1820。美国国防部所确定的未来的22项关键技术
38、中大部分都和光学元件有关21。在巨额资金的支持下，美国在光学元件的超精密加工技术和设备方面取得了很多重大成果，居于世界领先地位22。美国光学零件加工技术的发展是为了满足国防的需要，能源部激光核聚变任务以及海陆空三军制造技术开发计划等对光学零件超精密加工技术的研究开发投入了大量人力和物力，成功地研制了一系列的专用及通用机床。其代表作是1983年LLL实验室研制成功的DTM3型超精密金刚石车床，该机床可加工2100MM、质量为4500KG的光学零件，及1984年研制成功的大型光学金刚石车床LODTM23，如图11示。图11美国LLL实验室的大型光学金刚石车床（LODTM）20美国摩尔公司研制的主要
39、用于光学零件和模具加工的NANOTEEH500FG超精密自由曲面加工机床，加工直径达250MM，长度达150MM。该机床采用多轴动方式，直线坐标轴和高速磨削主轴采用液体静压轴承，旋转坐标轴和工件主轴采用空气静压轴承，并选用高精度滚珠丝杠作为直线轴的驱动，工件的加工精度达到50NM24。1工作台2测量基准架3测头4向参考光束5溜板龙门架6砂轮轴图12英国CRANFIELD公司OAGM2500大型精密机床英国CRANFIELD大学精密工程研究所CPPE与BRITISHSCIENCEANDENGINEERINGRESEARCHCOUNCILSERC联合研制了可以加工大型X射线天体望远镜所用的非球面反
40、射镜的大型超精密金刚石镜面磨削机床OAGM2500（如图12示）。该研究所还成功研制了可加工X射线望远镜的内侧回转抛物面和外侧回转双曲面的金刚石切削机床。CUPE生产的NANOCENTRE非球面光学零件加工机床，加工直径为600MM时，面形精度高于011M，表面粗糙度优于001M2526。此外，比较有影响的光学零件精密加工机床还包括美国PRECITECH公司生产的六种OPTIMUM系列；英国TAYLOR/HOBSONPNEUMO公司生产的OPTFORM、MICROFORM、NANOFORM等三个系列2728；德国KUGLER公司生产的金刚石磨床A系列，微车床D系列，超精飞切车床F系列（如图13
41、示）。21图13德国KUGLER公司生产的FG001精密机床122非球面精密加工技术研究现状下面介绍几种新型的非球面研抛加工技术如图14所示,是一种气囊式抛光技术29。（A）气囊式抛光头结构简图（B）抛光示意图图14气囊式抛光示意图气囊式抛光工艺方法，是20世纪90年代伦敦光学实验室提出来的一种新型抛光方法。伦敦光学实验室在UK粒子物理、天文学研究委员会和工商界的资助下，对气囊抛光理论和技术进行研究，并与ZEEKO公司合作22开发了IRP系列气囊抛光机床，取得了丰硕的成果，为气囊抛光技术的发展做出了很大的贡献。气囊式抛光工作原理是被加工件随着工作台自转的同时在水平方向和垂直方向按一定的轨迹移动
42、,以此来保证抛光头磨削被加工件任意点时都保持恒定的接触面积和研抛压力。由于抛光过程中采用工件台转速为主切削力,在整个加工口径内进给速度恒定，可通过抛光运动控制软件来控制抛光气囊与被抛光工件表面的相对位置,改变抛光接触区面积,可通过气囊内部的压力而调节抛光压力。气囊式抛光技术的缺点是抛光效率较低,越接近工件边缘,其粗糙度越大,去除量越低，而对边缘处以外的地方去除量基本一致,抛光效率比边缘处高。随着磁流变技术的发展及应用，磁流体抛光技术又称为磁流变抛光技术（QED），是将电磁理论、分析化学、流体力学等应用于超精密加工的一项综合技术。磁流变抛光技术实际上是一种计算机控制磨头的抛光技术，这里的磨头是磁
43、流变抛光液在磁场作用下形成的柔性磨头，其形状和硬度可以通过磁场对其实时控制3032。通过对工件各个带区在抛光区滞留时间的控制来控制去除量进行加工面形，如图15示。图15磁流变抛光原理图但是单一的通过控制磁场强度来控制接触剪切力的方法不能得到一致的加工表面精度，所以现在的磁流变抛光技术在探索建立一套通用的去除率模型。20世纪90年代兴起的新型化学机械抛光技术（CHEMICALMECHANICAL23POLISHING,简称CMP）从加工性能和速度上同时满足了回转圆片形状的加工要求。CMP技术是机械磨削和化学腐蚀的组合技术，它借助超微粒子的研磨作用及浆料的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平
44、坦的加工表面3334。其工作原理图如图16所示。图16CMP工作原理图虽然CMP技术发展的速度很快，但需要解决的理论及技术问题也很多。如人们对诸多抛光参数（如温度、压力、转速等）对平面度的影响、抛光垫浆料片子之间的相互作用、浆料化学性质（如组成、颗粒度、PH值等）对参数的影响等机理的了解比较少，因而要定量确定最佳CMP工艺，系统研究CMP工艺过程，建立完善的CMP理论模型，还有一定的距离。总体来说，国内对非球面精密加工技术的研究还处于试验阶段，所研制的非球面精密加工设备还存在很多问题，如主要通过提高机床设备的精度来提高所加工的零件的加工精度，成本费用很高；由于多采用精细的刀具车削加工，所以加工
45、过程中刀具与工件表面单点接触容易出现应力集中的现象，而且加工效率较低；研磨抛光工具的结构和加压方式仍需进行深入的研究探索等。123柔顺控制技术研究现状在柔顺控制研究中，柔顺性被分为主动柔顺性和被动柔顺性两种所谓主动柔顺性，是利用力的反馈信息采用一定的控制策略去主动控制作用力；而被动柔顺性，是凭借一些辅助的柔顺机构，使其在与环境接触时，能够对外部作用力产生自然顺从。被动柔顺机构是指一些可以使机器人在与工作环境作用时，能够吸收或储存能量的机械元件（如弹簧、阻尼等）而构成的机构。由于被动柔顺装置的专用性24比较强，适应能力较差，使用范围受到限制，所以主动柔顺控制成为一个有效的控制方法。主动柔顺控制也
46、就是力的控制，在设计机器人力控制结构中，主动柔顺控制研究的首要问题是处理力与位置控制两者之间的关系。有关力控制的研究都是从不同的角度对控制策略进行分析，目前从机器人依从运动的特点来看，主要可以总结为四大类阻抗控制策略、力与位混合控制策略、自适应控制策略和智能控制策略3537。但总体而言，虽然目前在主动柔顺控制策略上已经有了很多方法，但是大多都处于理论研究和探索阶段，切实可行的主动控制方法仍在进一步研究。13本文研究方法与技术路线131研究方法数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，而且一般具有直线插补、圆弧插补等功能，并在回转零件的批量生产中具有良好的经济效果。在插补中，刀具不能严格地按照要
47、求加工的曲线运动，只能用折线逼近所要加工的曲线轨迹。也可以说，数控车床的插补运算方法是已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点，此方法也称为“数据点的密化”。由于非球面加工主要是靠数控车床的内外插补方法来实现，所以原理上存在着插补误差。图17是数控车床加工非球面的示意图，通过插补算法可以明显看到加工后的非球面的表面是由一个个微小的阶梯构成的，从而形成了较大的形状精度误差。图17车削非球面示意图因此，本文建立了以数控车床为载体的柔顺研抛模型，如图18所示。25图18非球面研抛示意图本文在两轴数控车床的基础上增加了一个旋转的运动，可以看做是在X、Z和方向上运动的合成，因此系统的加工
48、过程可以达到仿形加工的目的。通过在轴上输入一个恒定的扭矩，保证在研抛过程中研抛工具的运动方向的切向矢量与该处工件轮廓的法向量垂直，进而确保加工力臂的恒定，从而达到了恒定研抛力的柔顺研抛效果。132技术路线本文以控制研抛法向力为手段，综合应用现代控制理论、柔顺控制技术、数控技术等先进技术，在不改变原有数控机床的基础上，通过研究基于力反馈控制的柔顺研抛系统，从而实现数控研抛非球面加工过程中的研抛法向力的控制，具体的工作内容如下（A）非球面研抛工具系统的研制在不干涉数控机床正常工作的条件下，设计一套能克服数控车床插补误差并能达到仿形加工效果的研抛工具系统。（B）非球面研抛法向力的控制探索一种数控研抛
49、力控制策略，在分析已有的力控制策略的基础上，设计一种适用于非球面研抛法向力的控制策略，能对研抛压力进行主动控制，保持研抛力基本恒定，从而实现恒压力研抛加工。研抛加工实验研究在基于以上的研究结果的前提下，利用本文的研抛工具系统进行的研抛加工实验，并对实验结果进行分析研究。2非球面精密研抛系统设计21非球面研抛技术工作原理26研抛加工一般是零件加工的最后一道工序，对表面质量和精度要求很高。目前，繁琐复杂的加工过程及较低的自动化程度，导致非球面精密加工中存在许多难题3839（1）研抛加工质量的影响因素很多，如工作温度、研抛工具与工件的相对速度、研抛压力、研抛路径等。现有的条件无法对其所有的因素进行全面的研究与分析，只能得出局部适用的经验公式或定性结论。（2）研抛工艺和研抛过程十分复杂。研抛工艺系统是一个非线性系统，研抛参数与研抛质量不存在简单的线性关系，目前为止无法给出较准确的数学模型；研抛工艺系统是一个分布参数系统，组成系统的参数与空间坐标有关，如研抛工具与工件之间的相对运动在工
