光学自由曲面抛光力/位耦合控制研究

【摘要】超精密光学元件在航空航天、国防、太空遥测、军事侦察、科学仪器等现代尖端技术领域中应用日益广泛。具有光学自由曲面元件的光学系统因其特殊的曲面结构和多自由度设计，展现出了优于传统光学系统的光学性能。但由于其不规则的几何特征，光学自由曲面的加工精度和表面质量很难保证。抛光加工是在不破坏工件已达到几何形态的基础上提高其表面粗糙度。决定抛光质量的主要因素是抛光工具和工件表面之间的抛光压力，为最大限度地提高抛光精度，需要实时控制抛光工具和工件表面之间的抛光力，以实现确定性抛光。本文在自主研发的超精密实验平台上进行自动化抛光加工，通过对实际抛光力的实时检测和抛光工具位姿的实时控制来实现光学自由曲面抛光过程中的抛光力控制，以保证整个光学自由曲面高精度的表面质量。通过研究抛光的材料去除理论和抛光工具与工件之间的接触特性，建立了材料去除率数学模型和抛光力控制模型，并分别对其影响因素进行了分析，结合抛光加工的客观条件合理规划并设定了抛光参数。基于抛光力与抛光工具位姿之间的耦合关系，进一步将抛光轨迹上的期望抛光力转化为相应的法向位移补偿量。应用D-H法对超精密抛光机床进行了运动学建模，通过工件坐标系和工具坐标系之间的齐次坐标变换得到了机床的运动学逆解，利用MATLAB软件计算出了工件坐标系中的抛光轨迹所对应的机床四轴运动量，利用ADAMS软件进行了机床加工运动仿真，验证了机床运动学逆解模型的正确性。采用基于位置的阻抗控制策略，在MATLAB/Simulink环境下搭建了由位置控制内环及力控制外环构成的力/位耦合控制仿真模型，并对抛光机床的速度雅可比矩阵和力雅可比矩阵进行了求解。根据抛光工具与工件表面之间的力/位耦合关系和机床的运动学逆解模型，通过机床各轴的位置控制实现法向抛光力的跟踪控制。分别对位置控制环和力控制环独立进行了仿真实验并分析了仿真结果，结果表明位置控制器的位置跟踪效果和阻抗控制器的抛光力跟踪效果均较为理想；将位置控制环和力控制环嵌套进行了联合仿真，结果表明力/位耦合控制系统能够快速准确地跟踪输入力信号，对于旋转抛物面上螺旋线轨迹期望抛光力的稳态跟踪误差在0.01N以内，证明了采用基于位置的阻抗控制策略的抛光力控制系统对于位置和刚度不断变化的接触环境具有良好的力跟踪效果，可满足光学自由曲面加工的抛光力跟随控制要求。本文所建立的基于力/位耦合的抛光力控制方法为超精密抛光机床的光学自由曲面抛光加工和抛光力控制提供了理论基础。
【作者】范俊；
【导师】赵继；
【作者基本信息】吉林大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】光学自由曲面；抛光力；力/位耦合；材料去除；运动学逆解；力控制；

【参考文献】
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