高速数控非球面加工技术研究

摘要

随着国防工业、航空、民用光学技术的发展，各种高精度的非球面光学元件越来越多地应用于高性能要求的光学系统中。非球面光学元件具有矫正像差、简化系统、提高光学系统精度等优点。当前，光学非球面器件的使用主要受到其加工精度、表面质量和制造成本的限制。单点金刚石超精密车削加工技术以其高表面质量、低制造成本成为超精密加工光学元件的热点。 由于工件与刀具相对运动形式决定了非球面的加工精度，本文针对光学非球面的加工机理，提出改善加工效率、提高加工精度的加工方法，完成了实验系统的搭建与测试实验的进行，主要包括以下几个方面： (1)从机床加工运动原理着手，由直线导轨驱动刀具，完成了刀具x轴高频微进给，主轴y轴的水平移动，以及主轴的回转所形成三轴联动系统的搭建。不仅可以提高复杂球面超精密加工的加工精度和加工效率，在此基础上还提出了非球面切削中工件均匀切削量的控制方法。 (2)根据所搭建硬件系统的特征，设计了高精度非球面制造系统的软件模块，包括非球面切削加工的工件安装定位、加工轨迹规划、加工精度影响因素控制整套流程以及人机交互界面的设计。 (3)分析了超精密切削加工中误差产生的原因和规律，提出了一种补偿加工方法：从误差数据中分离出主轴长度误差、插补残差等所引起的误差，更新系统参数，将分离后剩余数据作为新的补偿误差数据进行补偿加工。 最后对系统进行了测试实验，结果表明所搭建的机构及调试的平台能够平稳有效地运动，并且达到了误差要求。本文的研究将为研制超精密加工设备，实现光学非球面元件的低成本、高效率的超精密加工提供理论支持与实践指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.1.1非球面应用

1.1.2非球面加工方法

1.2非球面超精密切削加工技术现状

1.2.1非球面切削技术

1.2.2非球面超精密切削技术现状

1.3本课题的研究工作

第二章高速数控非球面加工建模

2.1非球面面形表达方式

2.2表面加工轨迹规划

2.2.1工件安装及定位精度分析

2.2.2确定最适球面

2.2.3确定最适球面的方法

2.2.4最小二乘法

2.2.5非球面度和最适球面的算法

2.3工件均匀切削量控制方法

2.3.1线速度与车削量计算模型

2.3.2有效切削面积控制模型

2.3.3工件均匀切削量控制模型

2.4高速数控系统的建模与分析

2.4.1音圈电机的机电耦合特性分析

2.4.直线进给机构的整体运动模型分析

2.4.3进给系统的控制方法设计

2.5小结

第三章高速数控非球面加工系统硬件设计

3.1加工系统工作原理

3.1.1机床的基本运动形式

3.1.2直线进给机构的定位方式

3.2加工系统硬件结构

3.2.1加工系统控制方案

3.2.2主要部件的选型

3.3加工系统部件连接

3.4小结

第四章高速数控非球面加工系统软件设计

4.1软件开发平台

4.2系统软件设计

4.2.1系统数据流分析

4.2.2系统功能分析

4.3功能模块设计

4.3.1参数输入模块

4.3.2初始加工模块

4.3.3补偿加工模块

4.3.4误差测量模块

4.3.5机床通讯模块

4.4系统软件实现

4.4.1界面设计

4.4.2代码实现

4.4.3软件功能测试

4.5小结

第五章高速数控非球面加工系统误差分析与补偿

5.1加工系统静态误差分析

5.2加工系统动态误差分析

5.2.1弹性变形对加工精度的影响

5.2.2车削热对加工精度影响

5.3加工误差补偿方法

5.3.1误差补偿原理

5.3.2补偿加工方法

5.4小结

第六章系统实验

6.1 PID调节

6.2平台运动控制实验

6.2.1初始运动控制实验

6.2.1补偿后的运动控制实验

6.3小结

第七章总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文