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大型非球面超精密光學磨床設計關鍵技術研究導向

點擊次數:1127 發布時間:2019-08-05

空間光學的快速發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、穩定性強的 SiC 材料。傳統的 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

質量影響大,其加工效果將直接決定拋光等后續加工的效率及可行性。因此,

研制大口徑光學非球面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、大阻尼及長效穩定性等多因素耦

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,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、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

詳細設計并優化了磨床的結構、控制、檢測系統以及關鍵零部件,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架構,定義了符合計算

機推理并適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,為大型光學磨床

萬方數據上海交通大學博士學位論文

II

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、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化。在此基礎上,分析了大型光學磨床運動空間與靜

態剛度以及位置伺服高剛性與磨削力控制柔順性之間的矛盾,闡述了基于啟發式

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

制的新型力位混控制策略。

三、基于虛擬機床技術,創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、動態特性、

抗振性能和熱變形進行了分析和優化,并運用 Matlab 等數值仿真軟件對磨床控

制系統的參數進行了分析和優化,終選擇出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化。此外,提出了一

種新的表面節流自補償大型超精密靜壓轉臺,研究了大型轉臺靜承的表面節

流和自補償原理,并分析了靜壓轉臺的結構特點以及性能參數。終,研制出大

型超精密光學磨床并進行了精度測試,測試結果驗證了磨床設計的有效性。

綜上所述,大型非球面超精密光學磨床的成功研制,不僅在理論層面驗證了

人機集成設計的有效性,而且將會為提升我國大型光學零件的制造能力奠定堅實

基礎,并為我國空間光學、軍事遙感等關鍵領域的發展做出重要貢獻。

關鍵詞:大型非球面光學磨床,超精密磨床,設計方法,優化設計,人機集

成,有限元分析,靜承

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