磁流变抛光机床数控系统关键技术研究

论文摘要

磁流变抛光是国外近年来新兴的一种光学表面超精密加工技术。它将电磁学、流变学、化学综合作用于光学加工中,可以实现对光学器件的高效精密抛光,是获得超光滑光学表面的理想工艺之一,目前已经被应用于对平面、球面、非球面的超精密加工,可加工材料范围涵盖了光学玻璃、微晶玻璃、光学晶体等多数光学材料。磁流变抛光机床是实现磁流变抛光技术的重要基础设备,本论文结合“纳米级超光滑表面磁流变加工新技术研究”的课题,开发了磁流变抛光机床数控系统,并对其诸如面形控制、轮廓控制、伺服控制及插补算法等关键技术进行了比较深入的研究。本文首先综述了国内外磁流变抛光技术和数控系统的发展状况,对数控系统及超精密机床控制策略的发展和研究状况进行了总结。然后根据磁流变抛光机床的结构和运动方式,从工程实际应用出发,分析了磁流变抛光机床数控系统的功能和任务,研制了一套基于PC的具有开放式体系结构的数控系统,同时针对磁流变抛光的特点,提出了磁流变抛光数控系统的轨迹控制插补算法,运用该算法可对非球面等适用于光学通用方程表示的回转对称曲面进行磁流变抛光加工。磁流变抛光机床的伺服进给系统,在很大程度上决定了机床的加工精度、表面质量和生产效率。本文以磁流变抛光机床的伺服进给系统为研究对象,通过对伺服进给系统的结构分析,建立了伺服进给系统的传递函数模型,并运用频域建模的方法得到了系统模型参数。在综合考虑系统的跟随误差、伺服刚度、干扰抑制等因素后,设计了PID位置控制器。为改善系统的跟踪特性,在系统传递函数模型基础上设计了速度、加速度前馈控制器,提高了单轴位置跟踪能力,仿真实验结果表明位置跟随误差减小了一个数量级。为补偿系统中振荡模态的影响,设计了陷波滤波器,提高了系统的相对稳定性。超精密机床伺服系统的轮廓控制精度直接决定着所加工的光学表面的面形精度。理论分析结果表明机床的轮廓误差受机床的进给速度、加工曲面形状、伺服系统的动态特性及各联动轴的参数匹配程度的共同影响。因此,仅靠保证

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、目的及研究意义
• 1.2 磁流变抛光技术发展概述
• 1.2.1 磁流变抛光原理
• 1.2.2 国外磁流变抛光技术发展状况
• 1.2.3 国内磁流变抛光技术发展状况
• 1.3 磁流变抛光面形误差修正技术综述
• 1.3.1 光学非球面的磁流变抛光
• 1.3.2 各向异性材料的磁流变抛光
• 1.4 数控系统的发展状况
• 1.4.1 国外数控系统的发展状况
• 1.4.2 国内数控系统的发展状况
• 1.4.3 超精密机床数控系统现状分析
• 1.5 超精密机床控制策略综述
• 1.5.1 单轴伺服控制策略综述
• 1.5.2 多轴联动轮廓控制策略综述
• 1.6 论文的主要研究内容
• 第2章 磁流变抛光机床数控系统研制
• 2.1 引言
• 2.2 磁流变抛光机床结构
• 2.3 数控系统的功能和任务
• 2.3.1 系统基本功能
• 2.3.2 系统任务划分
• 2.4 磁流变抛光机床数控系统硬件结构
• 2.4.1 数控系统体系结构
• 2.4.2 数控系统硬件构成
• 2.5 数控软件的总体结构
• 2.6 系统软件的实现
• 2.7 磁流变抛光光学曲面插补算法
• 2.7.1 磁流变抛光加工特点
• 2.7.2 粗插补算法
• 2.7.3 插补算法仿真
• 2.7.4 精插补算法
• 2.8 本章小结
• 第3章 磁流变抛光机床伺服控制技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 磁流变抛光机床伺服系统模型的建立
• 3.3 超精密机床伺服系统位置控制器设计与实现
• 3.3.1 位置控制器形式的确定
• 3.3.2 对输入信号的跟踪误差
• 3.3.3 位置控制器的数字化实现
• 3.4 前馈控制技术
• 3.4.1 前馈控制算法
• 3.4.2 前馈控制仿真结果
• 3.5 陷波滤波器设计
• 3.5.1 陷波滤波器的参数计算方法
• 3.5.2 陷波滤波器的参数设定
• 3.5.3 仿真实验结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 磁流变抛光机床轮廓控制技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 轮廓误差模型
• 4.2.1 轮廓误差定义
• 4.2.2 轮廓误差模型
• 4.2.3 磁流变抛光轮廓误差模型
• 4.3 三轴预补偿交叉耦合轮廓控制器的设计
• 4.4 仿真实验及结果
• 4.4.1 两轴轮廓控制仿真结果
• 4.4.2 三轴轮廓控制仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 磁流变抛光面形误差修正技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 磁流变抛光加工过程
• 5.3 磁流变抛光面形控制原理
• 5.4 几种卷积反演方法及应用缺陷
• 5.4.1 模型拟合法
• 5.4.2 时域反卷积法
• 5.4.3 变换域法
• 5.5 磁流变抛光驻留时间算法研究
• 5.5.1 磁流变抛光去除函数
• 5.5.2 磁流变抛光中的驻留时间算法研究
• 5.5.3 驻留时间算法仿真
• 5.5.4 影响面形误差的因素
• 5.6 磁流变抛光实验结果
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 原创性声明
• 使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 图表索引
• Index of Charts and Tables
• 个人简历