專利名稱：一種四軸聯(lián)動(dòng)的氣囊拋光運(yùn)動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣囊拋光，尤其涉及針對(duì)各種光學(xué)元件氣囊拋光的一種四軸聯(lián)動(dòng)的氣囊拋光運(yùn)動(dòng)控制方法。
背景技術(shù)：
氣囊拋光技術(shù)作為近幾年發(fā)展迅速的拋光方法，已被廣泛應(yīng)用于光學(xué)元件的拋光。氣囊拋光采用充氣球形柔性氣囊作為拋光工具或氣囊外表面粘貼拋光墊作為拋光工具對(duì)曲面進(jìn)行拋光，不僅可以保證拋光頭與被拋光工件表面吻合性好，而且可以通過調(diào)節(jié)壓力控制拋光效率和被拋光工件的表面質(zhì)量。目前，氣囊拋光運(yùn)動(dòng)控制主要以五軸聯(lián)動(dòng)為主，即通過數(shù)控系統(tǒng)的3個(gè)進(jìn)給軸及2個(gè)進(jìn)動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件的高精拋光。(參見文獻(xiàn):1、LiJ F，Wang X H，F(xiàn)e i RY，e t a.1 Performance analysis and kinematics design of pure translationalparallel mechanism with vertical guideways[J].Chinese Journal of MechanicalEngineering, 2006，19(2):300-306 ;2、李研彪等，一種新型正交5-D0F并聯(lián)氣囊拋光機(jī)床的運(yùn)動(dòng)傳遞性能分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2010，34 (2):14-16)然而，由于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)實(shí)施的技術(shù)封鎖，使得高端五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的購(gòu)買較為困難；另外，采用五軸聯(lián)動(dòng)方式加工光學(xué)元件時(shí)，空間運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)過程復(fù)雜，容易降低光學(xué)元件的加工精度及效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)氣囊拋光非球曲面光學(xué)元件中高端五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)購(gòu)買困難及加工插補(bǔ)算法復(fù)雜等問題，提供使用四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的一種四軸聯(lián)動(dòng)的氣囊拋光運(yùn)動(dòng)控制方法。本發(fā)明包括以下步驟:1) I個(gè)選擇氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光作為加工方式，并以氣囊球心為原點(diǎn)進(jìn)行空間坐標(biāo)系建立的步驟；2) I個(gè)根據(jù)曲面方程，確定氣囊自轉(zhuǎn)軸與豎直方向夾角Rou的范圍的步驟；3)1個(gè)根據(jù)氣囊自轉(zhuǎn)軸與豎直方向夾角Rou的范圍來確定對(duì)應(yīng)適用的進(jìn)動(dòng)角范圍的步驟；4)1個(gè)根據(jù)加工點(diǎn)偏移控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光非球曲面過程中進(jìn)動(dòng)角的控制的步驟，從而實(shí)現(xiàn)非球曲面的四軸聯(lián)動(dòng)連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光。本發(fā)明區(qū)別于其他拋光方法的特征在于采用連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光的方式，即在工件的拋光過程中，氣囊自轉(zhuǎn)軸與工件上加工點(diǎn)的局部法線的夾角始終為一固定值。實(shí)驗(yàn)表明，氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光方式可以得到更好的光學(xué)元件表面質(zhì)量。本發(fā)明的數(shù)控類型為x、y、z、A-B (x、y、z為進(jìn)給軸，A，B為旋轉(zhuǎn)軸)，其中前四軸為聯(lián)動(dòng)軸。通過此算法控制A軸的旋轉(zhuǎn)來保持拋光過程中進(jìn)動(dòng)角不變，完成非球曲面的連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光。
與五軸聯(lián)動(dòng)的加工方式相比，本發(fā)明采用的四軸聯(lián)動(dòng)加工方式，可以克服空間運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)過程復(fù)雜的缺點(diǎn)，提高非球曲面的加工精度及效率。本發(fā)明基于四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的適用于平面、球面、非球曲面等光學(xué)元件的氣囊拋光運(yùn)動(dòng)控制算法。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光原理圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的氣囊拋光系統(tǒng)模型圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的氣囊工具簡(jiǎn)化模型圖。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的非球曲面五軸聯(lián)動(dòng)的氣囊拋光控制模型圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的氣囊自轉(zhuǎn)軸繞A軸旋轉(zhuǎn)形成的圓錐面圖。圖6為本發(fā)明實(shí)施例的氣囊自轉(zhuǎn)軸與豎直方向夾角范圍的確定流程圖。圖7為本發(fā)明實(shí)施例的理論上能夠?qū)崿F(xiàn)的最小連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光角度圖。圖8為本發(fā)明實(shí)施例的氣囊自轉(zhuǎn)軸與豎直方向夾角Rou值在不同進(jìn)動(dòng)角下的仿真進(jìn)動(dòng)角與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角的最小誤差值圖。圖9為本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)動(dòng)角的矯正控制算法流程圖。圖10為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用控制算法前的仿真進(jìn)動(dòng)角與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角誤差值圖。圖11為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用控制算法后的仿真進(jìn)動(dòng)角與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角誤差值圖。圖12為本發(fā)明實(shí)施例的非球曲面上理論加工點(diǎn)坐標(biāo)和實(shí)際加工點(diǎn)坐標(biāo)在X和y方向上的偏差圖。
具體實(shí)施例方式以加工非球曲面為例，以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明實(shí)施例的氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光原理區(qū)別于其他拋光方法的特征在于采用連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光的方式，連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光原理如圖1所示，即在非球曲面2的拋光過程中，氣囊自轉(zhuǎn)軸11與非球曲面2上加工點(diǎn)的局部法線12的夾角始終為一固定值(圖1中角度P )。圖2和圖3分別給出本發(fā)明實(shí)施例的氣囊拋光系統(tǒng)模型圖和氣囊工具簡(jiǎn)化模型圖。如圖2所示，氣囊拋光系統(tǒng)包括:氣囊1、支架3、工作臺(tái)4、底座5、Z軸底座6、A軸7、第I連接臂8、B軸9、第2連接臂10和氣囊自轉(zhuǎn)軸11。氣囊I安裝在氣囊自轉(zhuǎn)軸11上，氣囊自轉(zhuǎn)軸11和第2連接臂10聯(lián)接，第2連接臂10和B軸9聯(lián)接，B軸9和第I連接臂8聯(lián)接，第I連接臂8和A軸7聯(lián)接，A軸7安裝在Z軸底座6上，Z軸底座6固定在支架3，支架3固定在底座5，工作臺(tái)4安裝在底座5上。如圖3所示，氣囊工具主要包括三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(A軸7、B軸9、氣囊自轉(zhuǎn)軸11)和一個(gè)氣囊1，其中A軸7、B軸9用于控制氣囊自轉(zhuǎn)軸11的空間位置。圖2中機(jī)床xyz軸的進(jìn)給帶動(dòng)氣囊拋光頭的球心運(yùn)動(dòng)來跟蹤非球曲面2法線的變化，使氣囊球心14與非球曲面2局部拋光點(diǎn)的連線為該點(diǎn)的法線。圖4為通用的非球曲面2五軸聯(lián)動(dòng)的氣囊拋光控制模型圖。由于非球曲面2上每個(gè)點(diǎn)的法線方向都不相同，五軸聯(lián)動(dòng)氣囊拋光系統(tǒng)通過兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光非球曲面2:第一,通過圖2中機(jī)床xyz軸的進(jìn)給帶動(dòng)氣囊拋光頭的球心運(yùn)動(dòng)來跟蹤非球曲面2法線的變化，使氣囊球心14與非球曲面2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A軸7、B軸9的旋轉(zhuǎn)來控制氣囊自轉(zhuǎn)軸11在空間的位置變化，使得氣囊自轉(zhuǎn)軸11在加工過程中與非球曲面2局部法線12之間的夾角值(即進(jìn)動(dòng)角)始終不變，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光。氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光的過程中，采用如圖4所示的拋光路徑13。然而，由于氣囊拋光非球曲面光學(xué)元件中高端五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)購(gòu)買困難及加工自由曲面時(shí)插補(bǔ)算法復(fù)雜等問題，選擇以四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)配合運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)非球曲面2的連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光，數(shù)控系統(tǒng)類型為X、1、z、A-B，其中前四軸為聯(lián)動(dòng)軸，xyz軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)仍用于跟蹤非球曲面拋光點(diǎn)的法線變化，而連續(xù)進(jìn)動(dòng)控制則通過A軸7單獨(dú)旋轉(zhuǎn)配合運(yùn)動(dòng)控制算法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的主要實(shí)施步驟為:I)選擇氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光作為加工方式，并以氣囊球心14為原點(diǎn)進(jìn)行空間坐標(biāo)系建立的步驟；以氣囊球心14為原點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系Oxyz如圖3中所示，則氣囊工具A軸7旋轉(zhuǎn)的實(shí)質(zhì)就是氣囊自轉(zhuǎn)軸11 (OP)繞Z坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)氣囊自轉(zhuǎn)軸11與Z軸負(fù)方向呈一定角度時(shí)，氣囊工具A軸7的旋轉(zhuǎn)下氣囊自轉(zhuǎn)軸11的空間運(yùn)動(dòng)軌跡為與z軸負(fù)方向夾角不變的圓錐面如圖5所示。在圖5中，標(biāo)記M為氣囊自轉(zhuǎn)軸繞A軸旋轉(zhuǎn)形成的圓錐面。2)根據(jù)非球曲面2方程，確定氣囊自轉(zhuǎn)軸11與豎直方向夾角Rou的范圍的步驟；氣囊拋光系統(tǒng)選擇的數(shù)控類型為x、y、z、A-B，其中前四軸為聯(lián)動(dòng)軸，因此要完成非球曲面2的連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光進(jìn)動(dòng)角的控制，只能通過A軸7的旋轉(zhuǎn)來保持拋光過程中進(jìn)動(dòng)角不變。氣囊進(jìn)動(dòng)拋光加工中對(duì)拋光進(jìn)動(dòng)角的范圍有一定的要求，而在A軸7旋轉(zhuǎn)下，氣囊自轉(zhuǎn)軸11的空間運(yùn)動(dòng)軌跡為與z軸負(fù)方向夾角不變的圓錐面，對(duì)于不同的氣囊自轉(zhuǎn)軸11與z軸負(fù)方向夾角Rou值(圖5所示)，氣囊工具A軸7的旋轉(zhuǎn)可以得到不同的氣囊自轉(zhuǎn)軸空間運(yùn)動(dòng)軌跡圓錐面，因此可以通過改變Rou的值求解不同圓錐面與非球曲面2上加工點(diǎn)的所能達(dá)到的最小進(jìn)動(dòng)角值，而后根據(jù)加工中適用的進(jìn)動(dòng)角范圍來確定氣囊自轉(zhuǎn)軸11與豎直方向夾角值Rou的范圍。圖6給出本發(fā)明實(shí)施例的氣囊自轉(zhuǎn)軸11與豎直方向夾角范圍的確定流程圖。該方法的核心思想為:氣囊自轉(zhuǎn)軸11與豎直方向夾角Rou從0° 45°變化時(shí)，計(jì)算每個(gè)角度與豎直方向坐標(biāo)軸形成的圓錐面與所有非球曲面2上加工點(diǎn)的法線能夠達(dá)到的最小進(jìn)動(dòng)角。圖7給出本發(fā)明實(shí)施例的理論上能夠?qū)崿F(xiàn)的最小連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光角度圖。在實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)動(dòng)角度為20° 25。時(shí)氣囊拋光光學(xué)元件的效果最佳，因此根據(jù)該結(jié)論結(jié)合圖7可得，非球曲面2四軸聯(lián)動(dòng)氣囊拋光中，氣囊自轉(zhuǎn)軸11與豎直方向夾角Rou取值范圍為20° 25°。3)根據(jù)氣囊自轉(zhuǎn)軸11與豎直方向夾角Rou的范圍來確定對(duì)應(yīng)適用的進(jìn)動(dòng)角范圍的步驟；非球曲面2四軸聯(lián)動(dòng)氣囊拋光控制中，氣囊自轉(zhuǎn)軸11與豎直方向夾角Rou的范圍確定之后，即可根據(jù)Rou的范圍來求對(duì)應(yīng)適用的進(jìn)動(dòng)角范圍。進(jìn)動(dòng)角范圍確定方法如下:令氣囊自轉(zhuǎn)軸11與豎直方向夾角Rou從20° 25°進(jìn)行變化，求出每個(gè)Rou值對(duì)應(yīng)氣囊自轉(zhuǎn)軸11空間軌跡圓錐面與所有加工點(diǎn)法線呈一定進(jìn)動(dòng)角時(shí)的仿真進(jìn)動(dòng)角與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角的最小誤差值，而后根據(jù)最小誤差值的大小進(jìn)行進(jìn)動(dòng)角范圍確定。圖8給出本發(fā)明實(shí)施例的氣囊自轉(zhuǎn)軸11與豎直方向夾角Rou值在不同進(jìn)動(dòng)角下的仿真進(jìn)動(dòng)角與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角的最小誤差值圖。由圖8可以看出，Rou取值20° 22.5°時(shí)，仿真進(jìn)動(dòng)角與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角的最小誤差值Λ P隨進(jìn)動(dòng)角P (P大于等于23° )的增大而減??；Rou取22.5° 25。時(shí)，進(jìn)動(dòng)角在22° 25° (P等于22°的最后一點(diǎn)除外)范圍內(nèi)仿真進(jìn)動(dòng)角與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角的最小誤差值都小于0.5°。4)根據(jù)加工點(diǎn)偏移控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)氣囊I連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光非球曲面2過程中進(jìn)動(dòng)角的控制的步驟，從而實(shí)現(xiàn)非球曲面的四軸聯(lián)動(dòng)連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光。圖9給出本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)動(dòng)角的矯正控制算法流程圖。算法的核心思想是，利用迭代法使得加工點(diǎn)的位置產(chǎn)生微量偏移(一 0.1 0.1mm范圍內(nèi))，并求解氣囊自轉(zhuǎn)軸11與ζ軸負(fù)方向夾角為Rou時(shí)氣囊工具A軸7旋轉(zhuǎn)形成的氣囊自轉(zhuǎn)軸11空間軌跡圓錐面上的所有母線(即拋光過程中氣囊自轉(zhuǎn)軸11所有可能達(dá)到的空間位置)與加工點(diǎn)附近小范圍內(nèi)所有點(diǎn)的法線中夾角最接近所設(shè)置的進(jìn)動(dòng)角的加工點(diǎn)位置以及其對(duì)應(yīng)的氣囊自轉(zhuǎn)軸11位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非球曲面2拋光過程中進(jìn)動(dòng)角的控制，使得非球曲面2在整面加工中保持進(jìn)動(dòng)角基本一致。利用MATLAB軟件對(duì)本發(fā)明中的非球曲面2進(jìn)行氣囊四軸聯(lián)動(dòng)拋光仿真，其中氣囊自轉(zhuǎn)軸11與ζ軸負(fù)方向夾角為Rou=22.5°，進(jìn)動(dòng)角P =23°，應(yīng)用該算法前后仿真進(jìn)動(dòng)角值與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角之間的誤差如圖10和11所示。圖10為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用控制算法前的仿真進(jìn)動(dòng)角與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角誤差值圖，圖11為本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)用控制算法后的仿真進(jìn)動(dòng)角與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角誤差值圖。根據(jù)圖10和11的對(duì)比結(jié)果可以看出，利用加工點(diǎn)偏移控制算法對(duì)非球曲面2氣囊拋光過程中進(jìn)動(dòng)角進(jìn)行控制后，拋光過程中仿真進(jìn)動(dòng)角與實(shí)際進(jìn)動(dòng)角誤差值從原來的
0.1°級(jí)降低到0.01°級(jí)，使得所有點(diǎn)的拋光過程進(jìn)動(dòng)角度基本保持不變，達(dá)到非球曲面2氣囊拋光連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光要求。圖12給出本發(fā)明實(shí)施例的非球曲面2上理論加工點(diǎn)坐標(biāo)和實(shí)際加工點(diǎn)坐標(biāo)在X和y方向上的偏差圖。由圖12可以看出，通過控制算法的調(diào)節(jié)，在實(shí)際加工中加工點(diǎn)出現(xiàn)了微量偏移，但是偏移量小，基本接近于理論上的加工點(diǎn)，再結(jié)合圖11可知通過加工點(diǎn)的偏移可以實(shí)現(xiàn)非球曲面2的四軸聯(lián)動(dòng)連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光。如上所述，本發(fā)明的非球曲面2四軸聯(lián)動(dòng)的氣囊拋光控制算法具有高精度及可行性，克服了五軸聯(lián)動(dòng)方式加工非球曲面2時(shí)，空間運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)過程復(fù)雜，容易降低非球曲面2的加工精度及效率的缺點(diǎn)。另外，本發(fā)明并不僅限于上述的實(shí)施形式，自然可在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更。
權(quán)利要求
1.一種四軸聯(lián)動(dòng)的氣囊拋光運(yùn)動(dòng)控制方法，其特征在于包括以下步驟: 1)I個(gè)選擇氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光作為加工方式，并以氣囊球心為原點(diǎn)進(jìn)行空間坐標(biāo)系建立的步驟； 2)I個(gè)根據(jù)曲面方程，確定氣囊自轉(zhuǎn)軸與豎直方向夾角Rou的范圍的步驟； 3)1個(gè)根據(jù)氣囊自轉(zhuǎn)軸與豎直方向夾角Rou的范圍來確定對(duì)應(yīng)適用的進(jìn)動(dòng)角范圍的步驟； 4)1個(gè)根據(jù)加工點(diǎn)偏移控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光非球曲面過程中進(jìn)動(dòng)角的控制的步驟，從而實(shí)現(xiàn)非球曲面的四軸聯(lián)動(dòng)連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光。
全文摘要
一種四軸聯(lián)動(dòng)的氣囊拋光運(yùn)動(dòng)控制方法，涉及一種氣囊拋光。1個(gè)選擇氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光作為加工方式，并以氣囊球心為原點(diǎn)進(jìn)行空間坐標(biāo)系建立的步驟；1個(gè)根據(jù)曲面方程，確定氣囊自轉(zhuǎn)軸與豎直方向夾角Rou的范圍的步驟；1個(gè)根據(jù)氣囊自轉(zhuǎn)軸與豎直方向夾角Rou的范圍來確定對(duì)應(yīng)適用的進(jìn)動(dòng)角范圍的步驟；1個(gè)根據(jù)加工點(diǎn)偏移控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)氣囊連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光非球曲面過程中進(jìn)動(dòng)角的控制的步驟，從而實(shí)現(xiàn)非球曲面的四軸聯(lián)動(dòng)連續(xù)進(jìn)動(dòng)拋光。在不改變?nèi)本€軸實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的條件下，利用單旋轉(zhuǎn)軸配合控制算法實(shí)現(xiàn)氣囊工具的連續(xù)進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件四軸聯(lián)動(dòng)的氣囊拋光。可以克服空間運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)過程復(fù)雜的缺點(diǎn)，提高非球曲面的加工精度及效率。
文檔編號(hào)B24B51/00GK103100975SQ20131004168
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者王振忠, 謝銀輝, 潘日, 郭隱彪, 王詹帥 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)