大型非球面超精密光學磨床設計關鍵技術研究.pdf

1、空間光學的快速發(fā)展對大口徑非球面反射鏡的需求不斷增強，受運輸、安裝和使用條件的限制，空間大鏡往往采用質量輕、穩(wěn)定性強的SiC材料。傳統(tǒng)的SiC通常采用研磨成形工藝，效率極低，已經很難滿足當前市場的需求。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高效制造工藝鏈成為了當前研究的熱點。在整個工藝鏈中，超精密磨削對光學鏡面的表面及亞表面質量影響最大，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鍵因素之一，而大型光學磨床設計中存在的高剛度、大阻尼及長效穩(wěn)定性等多因素耦合也使其成為當前極復雜、風險極高的工程問題之一。
　　隨著計算機輔助設計和有限元分析等技術的快速發(fā)展，計算機以其強大的海量數據處理、計算和仿真能力，在產品設計中所起的作用不斷增強。然而，受到當前人工智能水平的限制，計算機在評估、決策等能力上仍存在內在缺陷，特別當處理包含定性分析、條件缺失或相互矛盾的復雜設計任務時，

3、人類豐富的知識經驗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磨床人機集成設計為研究對象，對人機集成設計的基本原理以及在大型光學磨床設計中的應用進行深入研究。針對大型非球面超精密光學磨床設計中存在的參數耦合、行為矛盾等問題，提出了少軸高剛度構型以及新的力位混合控制策略，并在此基礎上詳細設計并優(yōu)化了磨床的結構、控制、檢測系統(tǒng)以及關鍵零部件，最終成功研制出具有1.2米口徑光學非球面鏡加工能力的大型超精密光學磨床。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磨床人機集成設計的系統(tǒng)架構，定義了符合計算機推理并適合人類經驗集成的設計原型，闡述了大型光學磨床集成設計的規(guī)范化過程。此外，針對知識表達中存在的語義異構性對磨床集成設計中人機交互和設計協(xié)同的影響，提出了基于本體的知識表達和管理體系。在此基礎上，創(chuàng)建了包括產品本體、資源本體以及過程本體在內的大型光學磨床人機集成設計領域知識模型，并通過本體映射和本體融合實現了不同領域知識的集成，為大型光學磨

5、床設計知識、經驗的重用和共享奠定了基礎。
　　二、針對大型超精密光學磨床設計中存在的參數耦合、行為矛盾等難題，提出了基于機器“導航”的智能概念設計方法，并闡述了包括概念生成、概念評估以及概念完善三個階段的詳細設計流程。采用“Z”形映射方法創(chuàng)建了大型光學磨床的功能需求、設計參數以及期望行為概念樹，并運用商運動學理論實現了五軸磨床構型的自動生成和優(yōu)化。在此基礎上，分析了大型光學磨床運動空間與靜態(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型以及基于進給速度控制的新型力位混合控制策略。
　　三、基于虛擬機床技術，創(chuàng)建了大型光學磨床的三維虛擬模型，完成了磨床機械結構、電氣控制以及計量檢測等子系統(tǒng)的詳細技術設計。在此基礎上，運用ANSYS等有限元分析軟件對大型光學磨床整機和關鍵零部件的靜、動態(tài)特性、抗振性能和熱變形進行了分析和優(yōu)化，并運用Matlab等數值仿真軟件對磨床控制系統(tǒng)的參數進行了分析

7、和優(yōu)化，最終選擇出最合適的設計參數來滿足大型光學磨床的動力學性能需求。
　　四、針對大型光學磨床超精密軸系等關鍵零部件進行了詳細的設計。提出了基于模糊規(guī)則推理的超精密主軸軸承及驅動形式智能選擇方法，并構建了超精密靜壓主軸的幾何及有限單元模型。在此基礎上，對主軸的動力學及熱力學特性進行詳細分析，并以此為依據對主軸的結構參數進行幾何學優(yōu)化。此外，提出了一種新的表面節(jié)流自補償大型超精密靜壓轉臺，研究了大型轉臺靜壓軸承的表面節(jié)流和自補償原