超精密研拋機(jī)床設(shè)計(jì)

1、收稿日期：２０１２－０１－３１基金項(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（２００８０３５２）作者簡(jiǎn)介：李迎春（１９８４－），女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事光學(xué)自由曲面超精密研拋加工技術(shù)及切削加工技術(shù)方向研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｕｎ０４２３０５２５＠１２６ｃｏｍ＊聯(lián)系人：林潔瓊（１９６９－），女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事光學(xué)自由曲面及模具高效精密研拋加工技術(shù)、難加工材料光學(xué)自由曲面超精

2、密切削加工技術(shù)、微納精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)方向研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｎｊｉｅｑｉｏｎｇ＠ｍａｉｌｃｃｕｔｅｄｕｃｎ第３３卷第３期長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）Ｖｏｌ３３Ｎｏ３２０１２年０６月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｊｕｎ２０１２超精密研拋機(jī)床設(shè)計(jì)李迎春，林潔瓊＊，王磊，劉建華（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春１３００１２）摘要：采用一種新的復(fù)

3、雜光學(xué)曲面研拋方法，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)研拋工具與工件之間相對(duì)位姿主動(dòng)調(diào)整，并能高效、低成本加工創(chuàng)成非球面及自由曲面零件的超精密研拋機(jī)床。通過(guò)有限元分析軟件ＡＮＳＹＳ對(duì)機(jī)床進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的機(jī)床結(jié)構(gòu)合理。關(guān)鍵詞：研拋機(jī)床；復(fù)雜光學(xué)曲面；氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)；精密擺臺(tái)中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＨ１６４文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ文章編號(hào)：１６７４－１３７４（２０１２）０３－０２９２－０６Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｎｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｍａｃ

4、ｈｉｎｅＬＩＹｉｎｇ－ｃｈｕｎ，ＬＩＮＪｉｅ－ｑｉｏｎｇ＊，ＷＡＮＧＬｅｉ，ＬＩＵＪｉａｎ－ｈｕａ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈａｎｅｗｐｏｌｉｓｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｏｐｔｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇ

5、ｍａｃｈｉｎｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄＩｔｃａｎａｄｊｕｓｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｔｏｏｌａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅ，ａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｅｗｔｈｅｎｏｎ－ｓｐｈｅｒｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅａｎｄｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｗｃｏｓｔＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｈｒｏｕｇｈｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ

6、ａｎｄｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓｂｙｍｅａｎｓｏｆＡＮＳＹＳａｎａｌｙｓｉｓＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｉｓｈｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；ｃｏｍｐｌｅｘｏｐｔｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅ；ａｉｒ－ｂｅａｒｉｎｇｒｏｔａｒｙｓｔａｇｅ；ｐｒｅｃｉｓｅｓｗｉｎｇｓｔａｇｅ０引言復(fù)雜光學(xué)曲面涉及非球面和自由曲面等光學(xué)曲面，具有十分突出的優(yōu)越性，不僅在航天航空和國(guó)防等領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用，而且在其它面向消費(fèi)者的工業(yè)領(lǐng)域也將日益受到關(guān)注，它既可用于成像光學(xué)，也可

7、用于非成像光學(xué)［１－３］。在先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)中能否成功地利用非球面及自由曲面光學(xué)零件，其關(guān)鍵還在于能否實(shí)現(xiàn)非球面及自由曲面零件的高效、高精密、低成本的加工創(chuàng)成。利用研拋工具的亞口徑機(jī)械式研拋是目前加工創(chuàng)成復(fù)雜光學(xué)曲面主要方法，但無(wú)論是在創(chuàng)成原理還是在加工裝置上，都存在著難以逾越的固有缺陷。目前，許多研究主要是針對(duì)回轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)非球面光學(xué)零件的加工技術(shù)及裝備［４－５］。對(duì)于有復(fù)雜幾何特征的光學(xué)曲面，研拋去除量總是非均勻變化的，這使得研拋工具與被加工

8、工件之間的變形不一致，難以獲得均勻一致的面形精度；研拋工具去除工件材料所形成的加工表面殘高也總是非均勻變化的，因而難以獲得均勻一致的加工表面圖３氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)和擺臺(tái)的整體裝配圖將氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)和擺臺(tái)再裝配到機(jī)床本體上，得到所設(shè)計(jì)的超精密研拋機(jī)床整體裝配如圖４所示。１機(jī)床本體；２橫梁Ｘ軸；３Ｚ軸；４電主軸；５研拋工具；６機(jī)床Ｙ軸；７精密擺動(dòng)臺(tái)；８氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)圖４超精密研拋機(jī)床總體裝配２機(jī)床關(guān)鍵部件及床身的有限元分析２１精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)靜力分析將氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)

9、三維圖形導(dǎo)入ＡＮＳＹＳ中，網(wǎng)格單元類(lèi)型選擇Ｔｅｔ１０ｎｏｄｅ９２。氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的網(wǎng)格劃分如圖５所示。圖５氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)網(wǎng)格劃分設(shè)定氣浮平臺(tái)內(nèi)部最大壓強(qiáng)為３８０９８５Ｐａ，則氣浮面的極限支撐力為１０５７２３８Ｎ。邊界條件設(shè)為限制底面的３個(gè)自由度，并對(duì)頂面施加方向豎直向下的極限均布載荷１０５７２３８Ｎ。最后算出的結(jié)構(gòu)變形圖如圖６所示。圖６氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)變形圖由圖６可知，氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的最大變形量為４１８１０－５ｍｍ，遠(yuǎn)小于超精密機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)要求。所設(shè)計(jì)的氣

10、浮轉(zhuǎn)臺(tái)剛度完全可以保證精密加工時(shí)的精度要求。２２精密氣浮擺臺(tái)的結(jié)構(gòu)靜力分析２２１有限元模型的建立在ＣＡＴＩＡ中建立幾何模型，然后導(dǎo)入ＡＮＳＹＳ，單元類(lèi)型選擇ＳＯＬＩＤ１８６，材料模型定義參數(shù)：ＥＸ為７０Ｅ１０，ＰＲＥＸ為０３，ＤＥＮＳ為２８５Ｅ３，對(duì)模型劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格后的模型如圖７所示。圖７精密擺臺(tái)網(wǎng)格圖２２２加載及求解邊界條件設(shè)為限制底面位移的３個(gè)自由度，并對(duì)頂面施加方向豎直向下的極限均布載荷，運(yùn)行Ｓｏｌｕｔｉｏｎ中的Ｓｏｌｖｅ命