大型非球面超精密光學(xué)磨床設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、空間光學(xué)的快速發(fā)展對(duì)大口徑非球面反射鏡的需求不斷增強(qiáng)，受運(yùn)輸、安裝和使用條件的限制，空間大鏡往往采用質(zhì)量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)的SiC材料。傳統(tǒng)的SiC通常采用研磨成形工藝，效率極低，已經(jīng)很難滿足當(dāng)前市場(chǎng)的需求。因此，以高效超精密磨削代替研磨直接獲得高精度拋光表面的新型光學(xué)高效制造工藝鏈成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在整個(gè)工藝鏈中，超精密磨削對(duì)光學(xué)鏡面的表面及亞表面質(zhì)量影響最大，其加工效果將直接決定拋光等后續(xù)加工的效率及可行性。因此，研制大口徑光學(xué)非球面

2、鏡超精密磨床成為提高大口徑反射鏡制造能力的關(guān)鍵因素之一，而大型光學(xué)磨床設(shè)計(jì)中存在的高剛度、大阻尼及長(zhǎng)效穩(wěn)定性等多因素耦合也使其成為當(dāng)前極復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)極高的工程問題之一。
　　隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和有限元分析等技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)以其強(qiáng)大的海量數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和仿真能力，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所起的作用不斷增強(qiáng)。然而，受到當(dāng)前人工智能水平的限制，計(jì)算機(jī)在評(píng)估、決策等能力上仍存在內(nèi)在缺陷，特別當(dāng)處理包含定性分析、條件缺失或相互矛盾的復(fù)雜設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，

3、人類豐富的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)以及直覺仍起著不可替代的作用。因此，本文以大型超精密光學(xué)磨床人機(jī)集成設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，對(duì)人機(jī)集成設(shè)計(jì)的基本原理以及在大型光學(xué)磨床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。針對(duì)大型非球面超精密光學(xué)磨床設(shè)計(jì)中存在的參數(shù)耦合、行為矛盾等問題，提出了少軸高剛度構(gòu)型以及新的力位混合控制策略，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了磨床的結(jié)構(gòu)、控制、檢測(cè)系統(tǒng)以及關(guān)鍵零部件，最終成功研制出具有1.2米口徑光學(xué)非球面鏡加工能力的大型超精密光學(xué)磨床。本文的主要工作及

4、成果歸納如下：
　　一、提出了大型超精密光學(xué)磨床人機(jī)集成設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)，定義了符合計(jì)算機(jī)推理并適合人類經(jīng)驗(yàn)集成的設(shè)計(jì)原型，闡述了大型光學(xué)磨床集成設(shè)計(jì)的規(guī)范化過程。此外，針對(duì)知識(shí)表達(dá)中存在的語義異構(gòu)性對(duì)磨床集成設(shè)計(jì)中人機(jī)交互和設(shè)計(jì)協(xié)同的影響，提出了基于本體的知識(shí)表達(dá)和管理體系。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了包括產(chǎn)品本體、資源本體以及過程本體在內(nèi)的大型光學(xué)磨床人機(jī)集成設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)模型，并通過本體映射和本體融合實(shí)現(xiàn)了不同領(lǐng)域知識(shí)的集成，為大型光學(xué)磨

5、床設(shè)計(jì)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的重用和共享奠定了基礎(chǔ)。
　　二、針對(duì)大型超精密光學(xué)磨床設(shè)計(jì)中存在的參數(shù)耦合、行為矛盾等難題，提出了基于機(jī)器“導(dǎo)航”的智能概念設(shè)計(jì)方法，并闡述了包括概念生成、概念評(píng)估以及概念完善三個(gè)階段的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程。采用“Z”形映射方法創(chuàng)建了大型光學(xué)磨床的功能需求、設(shè)計(jì)參數(shù)以及期望行為概念樹，并運(yùn)用商運(yùn)動(dòng)學(xué)理論實(shí)現(xiàn)了五軸磨床構(gòu)型的自動(dòng)生成和優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，分析了大型光學(xué)磨床運(yùn)動(dòng)空間與靜態(tài)剛度以及位置伺服高剛性與磨削力控制柔順性

6、之間的矛盾，闡述了基于啟發(fā)式思維的矛盾解決策略，并提出了基于虛擬軸原理的少軸構(gòu)型以及基于進(jìn)給速度控制的新型力位混合控制策略。
　　三、基于虛擬機(jī)床技術(shù)，創(chuàng)建了大型光學(xué)磨床的三維虛擬模型，完成了磨床機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制以及計(jì)量檢測(cè)等子系統(tǒng)的詳細(xì)技術(shù)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS等有限元分析軟件對(duì)大型光學(xué)磨床整機(jī)和關(guān)鍵零部件的靜、動(dòng)態(tài)特性、抗振性能和熱變形進(jìn)行了分析和優(yōu)化，并運(yùn)用Matlab等數(shù)值仿真軟件對(duì)磨床控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了分析

7、和優(yōu)化，最終選擇出最合適的設(shè)計(jì)參數(shù)來滿足大型光學(xué)磨床的動(dòng)力學(xué)性能需求。
　　四、針對(duì)大型光學(xué)磨床超精密軸系等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。提出了基于模糊規(guī)則推理的超精密主軸軸承及驅(qū)動(dòng)形式智能選擇方法，并構(gòu)建了超精密靜壓主軸的幾何及有限單元模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)主軸的動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)分析，并以此為依據(jù)對(duì)主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行幾何學(xué)優(yōu)化。此外，提出了一種新的表面節(jié)流自補(bǔ)償大型超精密靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)，研究了大型轉(zhuǎn)臺(tái)靜壓軸承的表面節(jié)流和自補(bǔ)償原