大型非球面能動磨盤精磨技術探析

2013-04-29 17:16:33陳景柱

科技創新與應用 2013年8期

陳景柱

摘要：大型非球面能動磨盤精磨技術能夠優先去除物體表面最高點的特性，因而對中、高殘差有著很好的平滑加工作用，有效提高加工質量和加工效率。筆者在文中對能動磨盤的結構原理與工作特征進行了簡要分析，并建立基于Preston方程的相關函數，最后對能動磨盤的加工流程進行了探討。

關鍵詞：非球面；光學加工；能動磨盤

1 前言

經典加工方式不僅具有加工效率較低的缺陷，還存在著加工小尺寸磨具時易形成局部中、高殘差的不足；而由于能動磨盤技術采用的基于大尺寸剛性盤的基盤的盤形能夠依照周圍可變應力進行實時動態變形，所以該技術可以高度吻合地研磨非球面的各個位置，因而對中、高殘差有著很好的平滑加工作用，有效提高加工質量和加工效率。在本文中，筆者首先簡要分析了能動磨盤的結構原理與工作特征，其次給出了基于Preston方程的相關函數，在文章最后探討了能動磨盤的加工特性，希望能夠為有關人員的研究提供有益參考。

2 能動磨盤的結構原理與工作特征

能動加工技術最早可以追溯到上個世紀的八十年代，當時的美國人Nelson首先提出了應力加工相關構想、理論和技術雛形，而后的十年，美國的亞利桑那大學第一次在真正意義上進行了關于大尺寸磨具應力盤加工技術的相關研究。該工藝發展至今，憑借著當今日新月異的計算機技術，不僅工藝更加完善成熟，而且加工方式也日趨智能化。

能動磨盤的結構原理具體見圖1。正如下圖所示，能動磨盤的基盤所采用的材料為鋁合金，其尺寸大小為工件口徑尺寸的1/3。能動磨盤共裝配有12個驅動電機，每一個驅動電機均會產生一個變力矩，這些變力矩會作用于基本為圓形的磨盤，并使之出現低階變形，最終產生磨盤變形的力矩。每3個驅動電機構成一個形狀為等邊三角形的驅動組，一共4個驅動組，同時由于每1個驅動電機配套有測力傳感裝置和電機施力著力點，因而可以讓每1組驅動組輸出加工時所需要的扭矩與彎矩。但是我們知道，磨盤因為自重而產生的重力變形變形不可避免，尤其是在磨盤處于離軸加工狀態時必然會出現形變，影響加工精度。為了有效避免重力變形對磨盤的不利影響，該能動磨盤還加載了1組（3個）驅動電機，用來平衡磨盤的重力作用。為了確保加工精度，磨盤邊緣力矩的改變由計算機系統發出磨盤相對于鏡面的方向和位置等指令完成。

就其工作特征而言，由于基盤的盤形能夠依照周圍可變應力進行實時動態變形，所以該技術可以高度吻合地研磨非球面的各個位置，因而對中、高殘差有著很好的平滑加工作用，有效提高加工質量和加工效率。

3 基于Preston方程的相關函數分析

為了能夠用更加科學的數學和物理模型來更加準確地描述完整的光學加工過程，眾多的光學加工人員為此進行了不懈的努力。而到目前位置，Preston方程已經被公認是當今描述光學加工過程最為成功的數學模型。具體是：

dz（x，y）表示（x，y）點在dt時間的材料去除量；k表示工藝系數，和工作溫度、磨料、研拋模材料以及工件材料相關；v（x，y）表示研拋模在（x，y）點的瞬時相對速度；p（x，y）表示研拋模在（x，y）點的瞬時壓強。

由于上述函數（1）當中的比例常數k表示除了壓力、速度這兩個參數之外的所有因素的作用，因此，我們便獲得了一個與瞬時速度、壓強、材料去除量相關的線性關系。簡而言之，只要我們在加工過程中知道了某一個點的瞬時壓強p（x，y）、瞬時相對速度v（x，y）、作用時間t這三個關鍵的變量，便能夠輕易地獲得該段時間里面的工件表面的材料去除量△z。具體是：

z（x，y）表示在t時間點（x，y）的表面高度；z0（x，y）表示在t=0時間點（x，y）的表面高度。

本文所研究的大型非球面能動磨盤精磨技術的基本原理便是函數（1），而由函數（2）我們便可以知道，在能夠保證能動磨盤描述正確的前提下，依照已經知道被加工點的加工時間、瞬時相對速度、瞬時壓強這三個參數，我們便可以獲得該加工點的材料去除量；相應的，如果我們能夠對上述這三個參數進行精確控制，便可以控制加工點的材料去除量，進而獲得滿意的加工質量。

4 能動磨盤的加工流程分析

第一步，由高精度的面形測量儀器測量工件的面形誤差，取得目前工件表面的面形數據。

第二步，將檢測面形數據與工件加工精度指標相比較，如果檢測結果滿足加工精度指標，結束加工；否則，得到本加工周期所需要達到的材料去除分柿函數止。

第三步，根據預期的材料去除量位選擇加工參數，確定工件的轉速、能動磨盤的轉速和徑向的移動速度，加工路徑等。

第四步，根據設定的加工參數和建立的能動磨盤加工模型進行計算機模擬能動磨盤研拋。

第五步，預測計算機模擬研拋后的工件面形測量數據。如果模擬結果不符合要求，則需要重新選擇加工參數，再一次進行計算機模擬研拋和預測工件面形測量數據，重復上述模擬計算，直到模擬的加工結果符合要求。

第六步，將模擬的能動磨盤加工參數轉化成機床控制文件，并傳送到機床數控系統，機床數控系統讀入并執行控制文件，驅動能動磨盤驅動軸和其他機床各運動機構按照一定參數運行。

第七步，在機床的驅動下，能動磨盤根據工件的理想面形適時改變盤面，實現本劇期內能動磨盤對工件表面的加工。

第八步，這一個加工周期完成后，再次用面形檢測儀器檢測工件面形，重復上述操作。

如此反復迭代，直到得到符合加工精度指標要求的工件表面。

5 結束語

采用非球面光學元件能夠讓大型光學系統變得更加小型化、輕量化，同時也可以有效降低其系統結構復雜性，進而有效提高光學系統的性能水平。正是有鑒于此，為了能夠大力推動軍用光學、天文光學以及空間光學的發展，我們非常有必要投入巨大的人力和財力用于研發高質量的大尺寸高陡度非球面光學元件。