光学自由曲面超精密车铣加工运动学分析及仿真研究

摘要

光学自由曲面是一类特殊的，具有非回转对称性和不规则形貌的复杂曲面，广泛地应用于现代光电系统，各类光学系统以及各种类型的光学镜片当中。本文针对光学自由曲面的加工进行了基于离散点的曲面重构研究，提出了基于NURBS插值理论的曲面重构算法以及基于此算法的刀具轨迹规划算法，将其应用于某型光学自由曲面超精密车铣机床，并针对该机床进行了运动学分析，进行相关的误差补偿算法研究，并通过仿真进行机床的响应与工件面形误差的验证。
　　由于光学自由曲面复杂的表面形貌难以用统一的数学表达式表达，因此一般的光学设计软件所设计的光学自由曲面一般以离散数据的形式给出。为了从离散的数据中获得精确的曲面形貌，本文提出了基于非均匀有理 B样条插值理论的曲面重构方法，通过合理的方法将其转化为基于数值解法的重构算法程序。
　　在重构曲面的基础上，基于传统的等残留高度法理论，用非均匀有理 B样条插值及求导理论将解析求解过程转化为数值求解过程。针对本文所涉及的光学自由曲面的特点进行离散点求导的优化设计，进行基于NURBS理论的等残留高度法算法研究，完成工件加工过程中的刀具轨迹规划。
　　本文针对文中所涉及的超精密车铣加工机床的飞刀铣削工序和快刀车削工序分别进行了独立的运动学分析，推导了加工过程中各轴的几何位置关系和相对运动关系，完成了各轴的运动量分配并完成了各轴的运动分配算法。此外，针对飞刀铣削过程中存在的过切问题，提出了基于非均匀有理B样条理论的过切补偿算法，并对飞刀铣削工序和快刀车削工序间的加工余量分配进行了探讨，完成了两个工序间的余量分配算法研究。
　　通过在SolidWorks中建立机床的结构模型，并导入Adams构建运动学仿真模型。将获得的真实光学数据通过本文提出的重构算法重构出光学自由曲面，利用程序求解加工轨迹，分配各轴运动量，最后将数据导入Adams进行仿真分析，通过各轴的响应分析与光学自由曲面的面形误差验证了本文所提出的理论与算法的正确性。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题的研究内容

第2章 基于NURBS的光学曲面重构

2.1 引言

2.2 NURBS曲线的定义与构造

2.3 NURBS曲面的定义与构造

2.4 NURBS曲面的偏导矢求解

2.5 NURBS曲线曲面上点的反求

2.6 本章小结

第3章 基于NURBS的等残留高度刀具轨迹规划

3.1 引言

3.2 刀具轨迹生成方法分析

3.3 基于等残留高度法的刀具轨迹规划

3.4 基于NURBS插值理论的等残留高度法

3.5 本章小结

第4章 飞刀铣削的运动学分析与仿真

4.1 引言

4.2 飞刀铣削工序的运动学分析

4.3 飞刀铣削工序中的补偿问题

4.4 飞刀铣削工序的运动学仿真研究

4.5 本章小结

第5章 快刀车削的运动学分析与仿真

5.1 引言

5.2 快速刀具伺服系统的调高方案

5.3.快刀车削工序的运动学分析

5.4 快刀车削工序与飞刀铣削工序间的余量分配

5.5 快刀车削工序的运动学仿真研究

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢