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大型非球面超精密光学磨床设计关键技术研究导向
发布时间:2019-08-05   点击次数:211次

空间光学的快速发展对大口径非球面反射镜的需求不断增强,受运输、安装

和使用条件的限制,空间大镜往往采用质量轻、稳定性强的 SiC 材料。传统的 SiC

通常采用研磨成形工艺,效率极低,已经很难满足当前市场的需求。因此,以高

效超精密磨削代替研磨直接获得高精度抛光表面的新型光学制造工艺链成

为了当前研究的热点。在整个工艺链中,超精密磨削对光学镜面的表面及亚表面

质量影响大,其加工效果将直接决定抛光等后续加工的效率及可行性。因此,

研制大口径光学非球面镜超精密磨床成为提高大口径反射镜制造能力的关键因

素之一,而大型光学磨床设计中存在的高刚度、大阻尼及长效稳定性等多因素耦

也使其成为当前极复杂、风险极高的工程问题之一。

随着计算机辅助设计和有限元分析等技术的快速发展,计算机以其强大的海

量数据处理、计算和仿真能力,在产品设计中所起的作用不断增强。然而,受到

当前人工智能水平的限制,计算机在评估、决策等能力上仍存在内在缺陷,特别

当处理包含定性分析、条件缺失或相互矛盾的复杂设计任务时,人类丰富的知识

经验以及直觉仍起着不可替代的作用。因此,本文以大型超精密光学磨床人机集

成设计为研究对象,对人机集成设计的基本原理以及在大型光学磨床设计中的应

用进行深入研究。针对大型非球面超精密光学磨床设计中存在的参数耦、行为

矛盾等问题,提出了少轴高刚度构型以及新的力位混合控制策略,并在此基础上

详细设计并优化了磨床的结构、控制、检测系统以及关键零部件,终成功研制

出具有 1.2 米口径光学非球面镜加工能力的大型超精密光学磨床。本文的主要工

作及成果归纳如下:

一、提出了大型超精密光学磨床人机集成设计的系统架构,定义了符合计算

机推理并适人类经验集成的设计原型,阐述了大型光学磨床集成设计的规范化

过程。此外,针对知识表达中存在的语义异构性对磨床集成设计中人机交互和设

计协同的影响,提出了基于本体的知识表达和管理体系。在此基础上,创建了包

括产品本体、资源本体以及过程本体在内的大型光学磨床人机集成设计领域知识

模型,并通过本体映射和本体融合实现了不同领域知识的集成,为大型光学磨床

万方数据上海交通大学博士学位论文

II

设计知识、经验的重用和共享奠定了基础。

二、针对大型超精密光学磨床设计中存在的参数耦、行为矛盾等难题,提

出了基于机器“导航”的智能概念设计方法,并阐述了包括概念生成、概念评估

以及概念完善三个阶段的详细设计流程。采用“Z”形映射方法创建了大型光学

磨床的功能需求、设计参数以及期望行为概念树,并运用商运动学理论实现了五

轴磨床构型的自动生成和优化。在此基础上,分析了大型光学磨床运动空间与静

态刚度以及位置伺服高刚性与磨削力控制柔顺性之间的矛盾,阐述了基于启发式

思维的矛盾解决策略,并提出了基于虚拟轴原理的少轴构型以及基于进给速度控

制的新型力位混控制策略。

三、基于虚拟机床技术,创建了大型光学磨床的三维虚拟模型,完成了磨床

机械结构、电气控制以及计量检测等子系统的详细技术设计。在此基础上,运用

ANSYS 等有限元分析软件对大型光学磨床整机和关键零部件的静、动态特性、

抗振性能和热变形进行了分析和优化,并运用 Matlab 等数值仿真软件对磨床控

制系统的参数进行了分析和优化,终选择出适的设计参数来满足大型光学

磨床的动力学性能需求。

四、针对大型光学磨床超精密轴系等关键零部件进行了详细的设计。提出了

基于模糊规则推理的超精密主轴轴承及驱动形式智能选择方法,并构建了超精密

静压主轴的几何及有限单元模型。在此基础上,对主轴的动力学及热力学特性进

行详细分析,并以此为依据对主轴的结构参数进行几何学优化。此外,提出了一

种新的表面节流自补偿大型超精密静压转台,研究了大型转台静承的表面节

流和自补偿原理,并分析了静压转台的结构特点以及性能参数。终,研制出大

型超精密光学磨床并进行了精度测试,测试结果验证了磨床设计的有效性。

综上所述,大型非球面超精密光学磨床的成功研制,不仅在理论层面验证了

人机集成设计的有效性,而且将会为提升我国大型光学零件的制造能力奠定坚实

基础,并为我国空间光学、军事遥感等关键领域的发展做出重要贡献。

关键词:大型非球面光学磨床,超精密磨床,设计方法,优化设计,人机集

成,有限元分析,静承

万方数据

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