1、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
2、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1984年研制成功的大型光学金刚石车床LODTM3（如图1示）。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N
3、ANOTEEH500FG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大学精密工程研究所CPPE与BRITISHSCIENCEANDENGINEERINGRESEARCHCOUNCILSERC联合研制了大型超精密金刚
4、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PRECITECH公司生产的六种OPTIMUM系列；英国TAYLOR/HOBSONPNEUMO公司生产的OPTFORM、MICROFORM、NANOFO
5、RM等三个系列78。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
6、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
7、的压力而得到调节。（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
8、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（CHEMICALMECHANICALPOLISHING,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
9、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
10、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
11、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
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