專利名稱：一種大口徑非球面氣囊拋光進(jìn)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件氣囊加工方法，尤其是涉及一種大口徑非球面氣囊拋光進(jìn)動(dòng)控制方法。
背景技術(shù)：
氣囊式拋光作為近幾年國(guó)內(nèi)外新興的拋光技術(shù)，由英國(guó)Zeeko公司的D. D. Walker等人提出，它采用具有一定充氣壓力的球形氣囊作為拋光工具，不僅可以保證拋光頭與被拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件表面吻合性好，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)部壓力控制拋光效率和被拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件的表面質(zhì)量，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ拇罂趶捷S對(duì)稱非球面元件拋光方法。氣囊式拋光采用進(jìn)動(dòng)加工方式，即拋光時(shí)氣囊自轉(zhuǎn)軸始終與局部法線成一固定角度(稱進(jìn)動(dòng)角)進(jìn)行拋光(WALKER D D, BROOKS D, KING A, FREEMAN R, MORTANR, MCCAVANA G，KIM S-W. The ‘Precessions’ tooling for polishing and figuringflat,spherical and aspheric surfaces[J]. Optical Express，2003，8，11:958_964)。 由于大口徑軸對(duì)稱非球面元件上每個(gè)拋光點(diǎn)的局部法線方向都不同，氣囊拋光系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)以相同進(jìn)動(dòng)角連續(xù)拋光整個(gè)大口徑軸對(duì)稱非球面元件表面第一，通過(guò)機(jī)床XYZ三個(gè)直線軸的進(jìn)給帶動(dòng)氣囊拋光頭的球心運(yùn)動(dòng)來(lái)跟蹤局部法線的變化，使氣囊球心與大口徑軸對(duì)稱非球面元件局部拋光點(diǎn)的連線為該點(diǎn)的法線；第二，利用氣囊工具的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)即氣囊工具兩個(gè)虛擬軸的旋轉(zhuǎn)來(lái)控制氣囊自轉(zhuǎn)軸在空間的位置變化，使得氣囊自轉(zhuǎn)軸在加工過(guò)程中與局部法線之間的夾角值(即進(jìn)動(dòng)角)始終不變。由于氣囊拋光系統(tǒng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單易于控制，氣囊拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件的運(yùn)動(dòng)控制王要集中在進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制上。目如文獻(xiàn)中涉及氣囊拋光系統(tǒng)進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制主要有哈工大的高波等人(高波，姚英學(xué)，謝大綱，袁哲俊.氣囊拋光進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)建模及仿真[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2006，42 (2))以及浙江工業(yè)大學(xué)的計(jì)時(shí)鳴團(tuán)隊(duì)的研究成果(張銀東.機(jī)器人輔助磨具氣囊拋光運(yùn)動(dòng)控制和軌跡規(guī)劃研究[D].浙江浙江工業(yè)大學(xué)，2009)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大口徑非球面氣囊拋光進(jìn)動(dòng)控制方法。本發(fā)明包括以下步驟I)選擇以氣囊工具進(jìn)動(dòng)拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件；2)建立氣囊拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型；( I)建立氣囊拋光進(jìn)動(dòng)坐標(biāo)系；以氣囊工具初始狀態(tài)建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系，分析每個(gè)拋光點(diǎn)時(shí)，都建立對(duì)應(yīng)的待拋光點(diǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行分析，所述待拋光點(diǎn)坐標(biāo)系的Y方向與待拋光點(diǎn)的切線方向平行，所述待拋光點(diǎn)坐標(biāo)系的Z方向?yàn)榇龗伖恻c(diǎn)的法線方向,所述待拋光點(diǎn)坐標(biāo)系的X方向與基礎(chǔ)坐標(biāo)系相同；
(2)建立初始狀態(tài)到初始加工點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模型；根據(jù)氣囊拋光進(jìn)動(dòng)坐標(biāo)系建立中的分析，建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系和初始加工點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系后，根據(jù)空間坐標(biāo)變換原理，將初始加工點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系中的氣囊自轉(zhuǎn)軸位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到基礎(chǔ)坐標(biāo)系中，再根據(jù)氣囊工具兩個(gè)虛擬軸轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣方程建立初始狀態(tài)到初始加工的運(yùn)動(dòng)模型；(3)建立大口徑軸對(duì) 稱非球面元件上任意兩相鄰拋光點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型；根據(jù)氣囊拋光進(jìn)動(dòng)坐標(biāo)系建立中的分析，建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系和任意兩相鄰拋光點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系后，根據(jù)空間坐標(biāo)變換原理，將任意兩相鄰拋光點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的氣囊自轉(zhuǎn)軸位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到基礎(chǔ)坐標(biāo)系中，而后根據(jù)此時(shí)氣囊工具兩個(gè)虛擬軸轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣方程建立大口徑軸對(duì)稱非球面元件上任意兩個(gè)相鄰拋光點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型；3)在上述建立的氣囊拋光大口徑非球面元件進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型中加入最有效率控制算法;在上述建立的氣囊拋光大口徑非球面元件進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型中加入最有效率控制算法，該算法核心思想是控制氣囊工具兩個(gè)虛擬軸的轉(zhuǎn)角，使得在保持大口徑軸對(duì)稱非球面元件連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光進(jìn)動(dòng)角不變的情況下，兩個(gè)虛擬軸轉(zhuǎn)過(guò)角度的絕對(duì)值和最小，從而減少工藝時(shí)間提高拋光效率。最后，可利用大口徑非球面元件表面方程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模型及控制算法的正確性驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明氣囊自轉(zhuǎn)軸跟隨大口徑非球面元件上待加工點(diǎn)法線變化的趨勢(shì)一致，且本發(fā)明所建立的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型及控制算法得到的仿真進(jìn)動(dòng)角值與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角的誤差均值小于0. 01°，證明該運(yùn)動(dòng)模型及控制算法的正確性。本發(fā)明選擇以氣囊工具進(jìn)動(dòng)拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件；建立氣囊拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型；在上述運(yùn)動(dòng)模型中加入最有效率控制算法。利用本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑軸對(duì)稱非球面元件的連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光控制，當(dāng)然，本發(fā)明內(nèi)容不局限于大口徑軸對(duì)稱非球面元件，可以根據(jù)大口徑非球面元件表面方程進(jìn)行擴(kuò)展。本發(fā)明適用的氣囊工具具有兩個(gè)虛擬軸和一個(gè)自轉(zhuǎn)軸，氣囊位于氣囊自轉(zhuǎn)軸上，兩個(gè)虛擬軸和氣囊自轉(zhuǎn)軸相交于氣囊球心，通過(guò)控制兩個(gè)虛擬軸的旋轉(zhuǎn)角度可以控制氣囊自轉(zhuǎn)軸在空間的位置，使氣囊工具可以完成大口徑軸對(duì)稱非球面元件的連續(xù)進(jìn)動(dòng)加工。


圖I為大口徑軸對(duì)稱非球面元件進(jìn)動(dòng)拋光原理圖。圖2為進(jìn)動(dòng)拋光過(guò)程中氣囊自轉(zhuǎn)軸與拋光點(diǎn)局部法線可能存在的位置關(guān)系。圖3為氣囊工具模型。圖4為氣囊拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件加工控制示意圖。圖5為拋光任意點(diǎn)A時(shí)氣囊進(jìn)動(dòng)坐標(biāo)系的建立及平移處理。圖6為空間坐標(biāo)變換原理圖。圖I初始狀態(tài)到初始加工點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模型。圖8拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件上任意兩相鄰拋光點(diǎn)時(shí)所建立的與拋光點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系。
圖9為圖8中所建立對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系原點(diǎn)平移至基礎(chǔ)坐標(biāo)系。圖10初始狀態(tài)到初始加工點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制算法流程。圖11大口徑軸對(duì)稱非球面元件上任意兩個(gè)拋光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制算法流程。圖12根據(jù)運(yùn)動(dòng)模型及控制算法得到的法線位置及氣囊自轉(zhuǎn)軸OP位置示意圖。以下給出圖中主要配件標(biāo)記1氣囊、2氣囊自轉(zhuǎn)軸、3拋光點(diǎn)局部法線、4大口徑軸對(duì)稱非球面元件、5工作臺(tái)。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。I)選擇以氣囊工具進(jìn)動(dòng)拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件。本發(fā)明采用氣囊工具以連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光方式加工大口徑軸對(duì)稱非球面元件4，氣囊I連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光大口徑非球面元件4原理圖如圖I所示，圖1、2中P表示氣囊拋光進(jìn)動(dòng)角，在拋光過(guò)程中，氣囊自轉(zhuǎn)軸2始終與拋光點(diǎn)局部法線3成固定夾角(即進(jìn)動(dòng)角)，但是由于與拋光點(diǎn)局部法線3成同一角度的氣囊自轉(zhuǎn)軸2位置可能為一個(gè)圓錐面如圖2所示，因此需要建立運(yùn)動(dòng)模型并加入限制條件(控制算法)得到合適的氣囊自轉(zhuǎn)軸2空間位置；2)建立氣囊拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型。( I)氣囊進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系建立方法圖3為氣囊工具模型，氣囊工具具有兩個(gè)虛擬軸(Z3、Z4)和一個(gè)氣囊自轉(zhuǎn)軸2(Z2)，氣囊I位于氣囊自轉(zhuǎn)軸2 (Z2)下方，兩個(gè)虛擬軸Z3、Z4和氣囊自轉(zhuǎn)軸2 (Z2)相交于氣囊I球心，通過(guò)控制兩個(gè)虛擬軸的旋轉(zhuǎn)角度可以控制氣囊自轉(zhuǎn)軸2 (Z2)在空間的位置，使氣囊工具可以完成大口徑軸對(duì)稱非球面元件4的連續(xù)進(jìn)動(dòng)加工。氣囊工具的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)包括氣囊工具虛擬軸Z3先旋轉(zhuǎn)0 A，而后氣囊工具虛擬軸IA再旋轉(zhuǎn)0 B ;由于Z2、Z3、Z4軸線相交于氣囊球心，則進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)不改變氣囊球心的位置，因此以初始狀態(tài)氣囊球心位置為原點(diǎn)建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系=X-YOZ ;由于氣囊拋光系統(tǒng)中的進(jìn)給和進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)互不干涉影響，因此，建立氣囊進(jìn)動(dòng)拋光運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，以氣囊自轉(zhuǎn)軸2與氣囊I的交點(diǎn)P(圖3中所示)為對(duì)象，不考慮進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的效果，即假設(shè)氣囊球心位置不變，將大口徑軸對(duì)稱非球面元件4上所有拋光點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)過(guò)程平移到以初始狀態(tài)氣囊球心為原點(diǎn)建立的基坐標(biāo)系來(lái)計(jì)算拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件4上各個(gè)點(diǎn)時(shí)兩個(gè)虛擬軸Z3、TA需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。本發(fā)明的加工對(duì)象為大口徑軸對(duì)稱非球面元件4，其表面方程如下所示
權(quán)利要求
1. 一種大口徑非球面氣囊拋光進(jìn)動(dòng)控制方法，其特征在于包括以下步驟 1)選擇以氣囊工具進(jìn)動(dòng)拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件； 2)建立氣囊拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型； (1)建立氣囊拋光進(jìn)動(dòng)坐標(biāo)系； 以氣囊工具初始狀態(tài)建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系，分析每個(gè)拋光點(diǎn)時(shí)，都建立對(duì)應(yīng)的待拋光點(diǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行分析，所述待拋光點(diǎn)坐標(biāo)系的Y方向與待拋光點(diǎn)的切線方向平行，所述待拋光點(diǎn)坐標(biāo)系的Z方向?yàn)榇龗伖恻c(diǎn)的法線方向，所述待拋光點(diǎn)坐標(biāo)系的X方向與基礎(chǔ)坐標(biāo)系相同； (2)建立初始狀態(tài)到初始加工點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模型； 根據(jù)氣囊拋光進(jìn)動(dòng)坐標(biāo)系建立中的分析，建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系和初始加工點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系后，根據(jù)空間坐標(biāo)變換原理，將初始加工點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系中的氣囊自轉(zhuǎn)軸位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到基礎(chǔ)坐標(biāo)系中，再根據(jù)氣囊工具兩個(gè)虛擬軸轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣方程建立初始狀態(tài)到初始加工的運(yùn)動(dòng)模型； (3)建立大口徑軸對(duì)稱非球面元件上任意兩相鄰拋光點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型； 根據(jù)氣囊拋光進(jìn)動(dòng)坐標(biāo)系建立中的分析，建立基礎(chǔ)坐標(biāo)系和任意兩相鄰拋光點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系后，根據(jù)空間坐標(biāo)變換原理，將任意兩相鄰拋光點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系中的氣囊自轉(zhuǎn)軸位置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到基礎(chǔ)坐標(biāo)系中，而后根據(jù)此時(shí)氣囊工具兩個(gè)虛擬軸轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣方程建立大口徑軸對(duì)稱非球面元件上任意兩個(gè)相鄰拋光點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型； 3)在上述建立的氣囊拋光大口徑非球面元件進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型中加入最有效率控制算法; 在上述建立的氣囊拋光大口徑非球面元件進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型中加入最有效率控制算法，該算法核心思想是控制氣囊工具兩個(gè)虛擬軸的轉(zhuǎn)角，使得在保持大口徑軸對(duì)稱非球面元件連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光進(jìn)動(dòng)角不變的情況下，兩個(gè)虛擬軸轉(zhuǎn)過(guò)角度的絕對(duì)值和最小，從而減少工藝時(shí)間提聞拋光效率。
全文摘要
一種大口徑非球面氣囊拋光進(jìn)動(dòng)控制方法，涉及一種光學(xué)元件氣囊加工方法。選擇以氣囊工具進(jìn)動(dòng)拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件。建立氣囊拋光大口徑軸對(duì)稱非球面元件進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型建立氣囊拋光進(jìn)動(dòng)坐標(biāo)系；建立初始狀態(tài)到初始加工點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)模型；建立大口徑軸對(duì)稱非球面元件上任意兩相鄰拋光點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型。在上述建立的氣囊拋光大口徑非球面元件進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模型中加入最有效率控制算法。
文檔編號(hào)B24B51/00GK102699817SQ20121017808
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者潘日, 王振忠, 謝銀輝, 郭隱彪 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)