高次非球面加工檢測(cè)與控制技術(shù)的研究.pdf

1、高精度非球面光學(xué)零件加工是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的難題，為了獲得連續(xù)光滑沒(méi)有波紋的高精度非球面表面，需要依據(jù)準(zhǔn)確軌跡曲線和工具的合理的移動(dòng)方式以及有效的控制系統(tǒng)，才能解決波紋環(huán)帶誤差問(wèn)題。傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)成型加工工藝精度低，切線回轉(zhuǎn)法高次非球面加工技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)是在保證所要求的高精度、高質(zhì)量表面的前提下，加工效率高，加工成本低，因此該加工技術(shù)不僅是創(chuàng)新性技術(shù)，而且與現(xiàn)今所有非球面加工技術(shù)比較，將成為更為有效的非球面加工技術(shù)。但是，切線回轉(zhuǎn)法高次非球面

2、加工技術(shù)需要與之相適應(yīng)的的數(shù)控系統(tǒng)，傳統(tǒng)數(shù)控加工領(lǐng)域的CNC通常只有直線、圓弧及螺旋線等插補(bǔ)功能，并且存在擬合精度與生成數(shù)據(jù)之間的矛盾;加工工藝是將曲線離散成短直線，破壞了零件輪廓曲線的一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)性，影響了零件表面的光潔度;這些插補(bǔ)功能采用大量的微小線段逼近零件的輪廓曲線導(dǎo)致零件的加工速度難以達(dá)到要求的進(jìn)給速度。回轉(zhuǎn)切線法加工高次非球面光學(xué)零件原理是按照預(yù)定曲線的切線進(jìn)行控制，即曲線的一次導(dǎo)數(shù)，所以需要速度控制;為了保證光學(xué)零件表面的

3、光潔度，在速度控制過(guò)程中必須保證加速度的符號(hào)一致性，也就是說(shuō)曲線的二次導(dǎo)數(shù)符號(hào)不變，曲線無(wú)拐點(diǎn)出現(xiàn)。目前市場(chǎng)的伺服控制系統(tǒng)無(wú)法完成，所以研究以速度插補(bǔ)算法為內(nèi)核的數(shù)控系統(tǒng)為掌握先進(jìn)制造核心技術(shù)提供了契機(jī)。
　　本文通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)切線法加工高次非球面光學(xué)零件原理的分析，從理論方面深入研究加工高次非球面的控制規(guī)律，總結(jié)出三軸電子凸輪的聯(lián)動(dòng)控制模式，采用三次樣條插值的PVT控制方式，針對(duì)PVT控制模式在誤差補(bǔ)償上使用固定的誤差補(bǔ)償表的缺點(diǎn)，

4、在系統(tǒng)中引入隱馬爾可夫模型進(jìn)行前瞻預(yù)測(cè)，并在反復(fù)的驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題。本論文在以下幾個(gè)方面取得了一定的創(chuàng)新成果。
　　1.速度插補(bǔ)數(shù)控伺服系統(tǒng)模型的建立
　　分析回轉(zhuǎn)切線法加工高次非球面光學(xué)零件原理，以及對(duì)應(yīng)的數(shù)控機(jī)床軌跡運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，提煉出設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)的主要因素:回轉(zhuǎn)切線法的數(shù)學(xué)本質(zhì)是曲線的一次導(dǎo)數(shù)，對(duì)應(yīng)到控制系統(tǒng)則是速度控制方式;速度的控制需要調(diào)節(jié)加速度，為保證回轉(zhuǎn)切線法加工的光學(xué)零件的表面光潔度，速度和加速度在調(diào)節(jié)過(guò)程中必

5、須具有符號(hào)一致性。因此，以數(shù)控加工的要求作為約束條件，建立磨輪中心點(diǎn)在x軸、y軸上直線移動(dòng)及磨輪z軸旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的三軸聯(lián)動(dòng)速度插補(bǔ)控制模式的數(shù)學(xué)模型。
　　2.前瞻控制新方法——速度插補(bǔ)算法
　　速度插補(bǔ)算法的基礎(chǔ)是采用PVT速度樣條插補(bǔ)控制模式，在前瞻預(yù)測(cè)控制過(guò)程引入隱馬爾可夫模型(HMM)，原因是根據(jù)HMM對(duì)所研究的對(duì)象包含兩個(gè)狀態(tài)序列，一個(gè)狀態(tài)序列可以直接測(cè)量稱之為觀察符號(hào)，另一個(gè)狀態(tài)序列是不可見(jiàn)的稱之為隱狀態(tài)，但是觀察符

6、號(hào)和隱狀態(tài)存在著必然的聯(lián)系，二者的變化可以由概率模型規(guī)范。速度插補(bǔ)算法的目標(biāo)是控制速度在一個(gè)加工周期單調(diào)增加或減小，速度插補(bǔ)算法的依據(jù)是光柵尺檢測(cè)的實(shí)際位置值，速度和位置的關(guān)系符合HMM理論。所以采用隱馬爾可夫模型進(jìn)行線性預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)速度誤差的補(bǔ)償，通過(guò)概率分布將位置誤差和速度誤差聯(lián)系起來(lái)。
　　3.編制了基于隱馬爾可夫模型控制方法的數(shù)控軟件和計(jì)算機(jī)仿真軟件。
　　經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和仿真，速度插補(bǔ)總體誤差小于0.1μ m，能夠滿足系統(tǒng)加