Contact Pressure Intensity Distribution and Its Effects on Workpiece Flatness Error in Plane Polishing with Retaining Ring

In order to find out the contact pressure intensity distribution and its effects on the workepiece flatness error in plane polishing with retaining ring,the contact model and the boundary conditions are built up based on the axial symmetric elastic contact theory.The pressure intensity distribution is calculated and analyzed with the help of the Hankel transform theory and the constructing solution method of Chebyshev orthogonal polynomials.And then,the effects of the dimensionless ring-workpiece gap,the load ratio of the retaining ring and the dimensionless ring width on the contact pressure intensity distribution are obtained.Finally,based on the distribution theory of material removal volume,the effects of the pressure intensity distributions on the flatness errors of polished workpiece are also investigated experimentally.The results show that the contact pressure intensity distribution becomes more uniform and the better profile of polished workpiece can also be obtained,if the dimensionless ring-workpiece gap is reduced,the load ratio is selected as 0.6 to 0.85,and the dimensionless ring width is taken as 0.13 to 0.40.

复杂曲面机器人磨抛技术研究现状与趋势展望综述

在航空、能源、交通、军工等国家战略领域中,针对复杂曲面零件的自动化、高质量和高效率磨抛需求,对近年来国内外工业机器人磨抛加工关键技术及集成系统的研究和应用进展进行了综述。首先,从复杂曲面机器人磨抛机理及工艺优化、磨抛运动轨迹规划、磨削力控制等方面总结了复杂曲面机器人磨抛技术的研究成果;然后,介绍了国内外机器人磨抛集成系统应用现状;最后,分析了复杂曲面机器人磨抛技术的主要问题以及发展趋势,为该技术的发展提供了重要的指导和方向。研究结果表明:当前该技术存在的主要问题包括磨抛机理不够清晰,数学模型不够准确,复杂曲面机器人磨抛轨迹规划效率不高,磨抛力的控制仍不够精准等;另外,磨抛工艺参数优化、机器人力位混合控制、机器人高精度标定与误差补偿、基于数字孪生的机器人磨抛在线监控、机器人磨抛细分应用场景等方面的研究和实践将极大地推动机器人磨抛技术的发展和应用。

大口径非球面反射镜误差分离组合加工技术

为了解决大口径非球面反射镜材料去除效率与面形收敛效率之间的矛盾,提出了基于高低阶面形误差分离的组合加工技术。首先,分析了不同尺寸磨头对不同周期面形误差的控制能力。然后,比较了不同磨头的收敛效率与加工时间之间的关系。最后,根据大口径非球面反射镜加工过程中面形误差的特点,将大口径非球面反射镜的面形误差分离为低阶面形误差与高阶面形误差,使用不同加工方式分别对高、低阶面形误差驻留时间进行求解。通过多种加工方式组合加工的方法建立了具有针对性的加工策略,有效提高加工效率。结合工程实例,对一块口径为2.04m的非球面SiC反射镜进行了加工试验,单个组合加工周期内面形收敛效率达到61.2%。结果表明,高阶与低阶面形误差均得到较好的去除。材料去除效率与面形收敛效率均得到提高,达到了良好的效果,满足加工需求。

基于RP的电弧喷涂法快速制造模具的精度研究

研究了基于快速原型和金属电弧喷涂(RP-AMS)法快速制造金属模具过程中的精度问题。从理论和实验两方面对模具制造精度有直接影响的光固化原型“抛光误差”进行了定量分析并给出减小抛光误差的补偿方法;以实验为基础,合理利用电弧喷涂法制造模具过程中的收缩特性和微膨胀特性,可以达到较好的综合误差控制效果。

应用细小离子束加工小型精密光学零件

随着现代光学技术的发展,全频段误差控制已成为高精度光学零件制造的一个基本要求。基于小磨头抛光原理的先进修形技术虽然能有效修正低频面形误差,但对于中高频段的面形误差难以修正。中高频误差成为了现代光学加工普遍关注的难点。理论研究表明,减小小磨头尺寸可以提高工艺对中高频误差的修正能力,进一步提高光学加工精度。本文针对中高频面形误差的控制问题,开展细小离子束修形工艺研究,研究了获取小束径离子束的引束机理和引束结构,初步实现了稳定的细小离子束,针对某小型精密光学元件的具体加工问题,仿真研究了不同束径的加工效率和加工残差,并选择最优束径对元件进行了加工试验,使元件的精度从初始的0.111λrms减小到了0.015λrms(λ=632.8nm)。

具有误差修正功能的叶片变预压量抛光技术

针对目前部分叶片铣削后具有较大轮廓度误差以及微小进排气边,采用力控抛光方法难以达到预定要求的状况,提出了一种利用柔性金刚石抛光轮的变预压量误差修正抛光方法。首先,利用在机快速测量装置测量获取叶片待加工余量情况,然后通过分析测量数据确定叶片抛光轨迹和抛光预压量,从而达到对抛光去除量大小的控制,实现叶片型面自适应抛光的结果。最后,利用常规3轴机床对某型号叶片进行了包含叶根过渡圆弧的全型面抛光试验,试验结果表明,用该方法抛光后,叶片型面轮廓度由抛光前的0.02~0.12mm改变为–0.04~–0.005mm,余量稳定控制到了公差带内。与传统的方法相比,采用高精度超硬磨料复杂母线弹性抛光轮可以实现叶片非均匀去量,有效地改善了叶片型面轮廓度。该技术可以广泛用于中小叶片的低成本高精度抛光加工。

曲轴连杆颈砂带抛光运动模型的研究

砂带研抛是一种很好的机械加工工艺,它在提高零件的表面光洁度,增强零件的耐磨性和疲劳寿命方面应用广泛。对砂带研抛曲轴连杆颈机构做了详细地分析,并讨论了不同抛光块以及不同接触方式对抛光质量的影响,同时还分析了随动误差对抛光质量的影响。

高精度离轴非球面透镜的制造与检测

针对强激光系统所需大口径非球面元件高精度、批量化的加工需求,提出了一种气囊抛光技术与柔性沥青小工具抛光技术相结合的大口径非球面元件高效制造方法。采用气囊抛光技术进行非球面保形抛光和快速修正抛光,实现磨削缺陷层快速去除以及低频误差快速修正。采用柔性沥青工具匀滑抛光技术,在低频误差不被恶化的情况下,控制元件中高频误差。在抛光过程中,利用球面干涉仪搭建的自准直波前干涉检测系统和粗糙度仪对非球面元件进行全频段误差检测。基于上述加工与检测方法完成了430 mm×430 mm口径离轴非球面透镜样件实验加工,实验结果为元件通光口径内透射波前PV=0.1λ,GRMS=5.7 nm/cm,PSD1 RMS=1.76 nm,PSD2 RMS=1 nm,Rq=0.61 nm,并且中频段功率谱密度曲线均在要求的评判曲线之下。实验结果表明,离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。所述制造方法也适用于其他类型大口径非球面光学元件的高精度加工。

确定性抛光非球面光学元件残余误差的评价方法

研究非球面光学元件确定性抛光中表面残余误差的评价方法。对两种非球面残余误差的评价方法,分别为轴向误差法和法向误差法,进行理论研究。指出非球面的残余误差理论上应使用法向误差法来评价,并提出一种基于轴向残余误差求解法向残余误差的方法,继而对二者进行比较发现两者存在一定的偏差,并且差值从非球面的中心向边缘方向逐渐增大。以气囊抛光和数控小磨头抛光为例,通过试验表明使用轴向误差法评价残余误差,进行确定性抛光引入了不同程度的加工误差,引入的加工误差的大小与非球面光学元件的口径和顶点曲率半径的比值(即'相对孔径')成正相关,故对于相对孔径较小的非球面光学元件在确定性抛光中可使用轴向误差法替代法向误差法作为残余误差的评价方法,反之,则应使用法向误差法。

超薄光学元件精密加工关键技术

针对超薄光学元件在加工过程中因重力和磨头产生应力形变的特点,提出了一种高效、先进的超薄光学元件综合加工方法。该方法综合运用了精密铣磨、精密抛光、离子束修形等先进技术进行面形控制。在铣磨阶段采用受力分析和误差补偿的方法降低了元件变形引入的面形误差;在抛光阶段通过气囊抛光和沥青抛光的迭代实现了面形快速收敛;在离子束加工阶段充分利用其非接触、无应力的加工特点实现了高精度面形修正。实验选择径厚比为34(边长152 mm,厚度6.35 mm)的方形融石英材料进行加工实验。结果表明:在铣磨、抛光、修形阶段的各项指标都达到了精密光学元件的加工水平,最终的面形精度为PV=25 nm,RMS=1.5 nm。该加工方法可以广泛应用于超薄光学元件的高精度加工。

旋量理论与CPA技术结合的机器人位置误差标定方法

采用圆点分析法(Circle Point Analysis,CPA)进行机器人标定,其测量过程简单,但由于标定结果不够精确,影响了该方法的实用价值。基于旋量理论采用POE法建立机器人的运动学模型,结合圆点分析法获得实际关节的轴线位置,从而得到机器人实际末端位姿。采用最小二乘法标定机器人的末端位置精度。该方法应用于固体火箭发动机绝热层打磨机器人的精度标定过程中,得到了较高的机器人末端执行器的精度,并使CPA法的应用得到了拓展;在有效提高精度的同时,可获得各关节轴线的实际位置信息,为机器人局部关节结构的完善与优化提供了数据参考。

高精度角度加工技术研究

激光陀螺不仅对合光棱镜角度精度有极高的要求,而且对角度和尺寸的一致性有严格的限制。为了加工这种高精度角度光学元件,提出通过手修工装母体复制出成盘加工工装,再复制出光学零件的加工方法,并分析了测角仪的测量精度、面形之间的匹配误差和平行的测量误差所引入的角度加工误差情况,提高了面形加工的平面度,避免了局部不规则现象,控制了温差对面形变化的影响。另外通过降低平行测量的误差以及减小闭合角度之间的叠加误差等具体措施也可以提高光学元件加工效率和角度加工精度。

基于PZT的非球面能动抛光盘定位误差分析

研制了一个口径为100 mm、含19个PZT驱动器的非球面能动抛光磨盘,用于加工口径为350 mm、k=-1.112 155、顶点半径为840 mm的双曲面镜。为研究定位误差对非球面能动抛光磨盘输出面形精度的影响,对磨盘上任意点所需变形量δ以及由定位误差引入的变形量误差Δδ进行了理论公式推导,并利用有限元分析方法计算得到了当非球面能动抛光磨盘中心到非球面工件中心的距离L为120 mm且δL分别为0,-1.0,-0.5,0.5,1 mm时,非球面能动抛光磨盘输出面形与理论面形比较剩余残差RMS相应分别为0.329,0.454,0.366,0.367,0.461μm,定位误差导致剩余残差RMS分别相应增加0,38%,10.9%,11.2%,40%。因此,定位误差应该控制在±0.5 mm以内。

硫化锌晶体加工工艺技术研究

随着军用光学仪器飞速发展,红外光学材料硫化锌(ZnS)广泛应用于红外光学系统中,以Φ35mm的硫化锌晶体为例,对硫化锌晶体加工研磨的工艺过程进行了研究,探讨了硫化锌晶体的抛光技术。通过使用不同的抛光粉及抛光模层材料,找到了使用数控抛光加工硫化锌晶体的最佳工艺匹配条件,解决了硫化锌晶体表面光洁度难以控制的加工技术难题。经过轮廓检测仪和Zygo干涉仪检测,硫化锌晶体表面光洁度达到III级以上,非球面面型精度能够达到0.2μm,中心偏差小于1μm,各项参数均满足红外光学系统的要求。

面向等残余面形误差的分层修形模具气囊抛光轨迹规划方法

气囊抛光方法可成功应用于模具自由曲面,实现自动化抛光。提出一种面向等残余面形误差的分层修形模具气囊抛光轨迹规划新方法,该方法可用于等残余面形误差工件的整个面形修正过程或非等残余面形误差状态下气囊抛光工艺中的某一阶段。针对光栅型抛光轨迹给出一种基于一次去除深度函数数值仿真的驻留点间距优选方法,并设计了对比性实验进行验证。实验结果表明,以X方向为进给方向的光栅型轨迹中,驻留点间距值选择去除模型中最大去除量1/2处对应Y值的两倍是合理的。

基于旋量理论的打磨机器人位置精度分析

为建立各误差源与打磨机器人的末端位置误差的对应关系,在基于旋量理论建立了打磨机器人的运动学模型的同时,对可能产生的主要误差源进行了分析,通过误差源之间的几何关系建立误差旋量,从而得到静态误差模型;分析了各单项误差对机器人末端执行器位置误差的影响及各误差源对末端位置误差的显著性影响,为机器人精度优化方案的提出提供可靠的分析参考。分析结果表明:结构误差及传动误差是机器人静态位置精度的主要影响因素,其中结构误差为稳态误差,可以通过精度设计减小或补偿,传动误差需要通过后期的标定来解决。

砂带随动研磨曲轴连杆颈运动模型的理论研究

砂带随动研磨技术是针对曲轴、凸轮轴、偏心轴等复杂曲面零部件的研磨加工而提出的。在研磨过程中,其运动复杂并且难以控制。虽然该技术已经广泛应用于复杂曲面零部件的研磨加工,而且常常是直接影响复杂曲面表面质量的最终精加工手段,但是对机构运动模型以及误差的分析都比较少,因此笔者主要对砂带随动研磨曲轴连杆颈的运动模型以及由其带来的误差进行分析,并且得到了误差补偿数学模型。通过理论分析可以得到,机构运动的误差将直接影响加工表面,特别是对圆度的影响,同时可以通过对表面质量的分析判断运动误差的来源,通过误差补偿改善工件的表面质量。

用于超精密抛光机床的Spline+GLS定位误差补偿模型

针对三次样条插值定位误差补偿模型难达到超精密抛光机床大行程轴(1470 mm)的定位误差补偿精度要求问题,提出Spline+GLS定位误差补偿模型。首先,使用XL-80激光干涉仪测量超精密抛光机床直线电机轴的定位误差,建立三次样条插值定位误差补偿模型进行初补偿;然后,对补偿后的定位误差再次测量并建立最小二乘拟合定位误差补偿模型;最后,将两种定位误差补偿模型相连构成Spline+GLS定位误差补偿模型。在超精密抛光机床上进行补偿实验,结果表明,Spline+GLS定位误差补偿模型补偿后的最大定位偏差值较三次样条插值定位误差补偿模型下降约61.62%,且定位误差由86.12μm降低到0.5μm,满足超精密抛光机床的定位精度需求。

基于正交与插值算法的精密抛光平台综合误差建模与补偿

为了提高四轴抛光平台的加工精度,本文针对以气浮平台和旋转台为主要运动方式的四轴抛光平台进行了几何与热综合误差建模与补偿研究。采用激光干涉仪、温度传感器等测量仪器分别对平台X、Z轴在不同温度下的定位误差进行重复测量与分析,证实了不同进给速度对定位误差没有显著影响。得到了四轴抛光平台X、Z轴的定位误差与温度之间的变化规律。基于正交多项式和插值算法分别建立了X、Z轴的几何与热综合误差模型。根据综合误差模型计算出预测数据曲线,并分别对X、Z轴的7组实验数据进行了数据拟合,拟合残差绝对值均不超过0.2μm。依据预测数据进行了补偿实验。结果显示,补偿后四轴抛光平台在常温下、温升(60 min)下和稳态下的Z轴定位误差分别降低了93.05%、92.45%、85.71%,X轴定位误差分别降低了89.28%、93.59%、93.33%。实验结果证明本文所提出的综合模型及补偿方法精度高,鲁棒性好。

磁流变加工对中频误差的影响

基于传统抛光的亚表面损伤层厚度,进行磁流变去除亚表面损伤层的实验以便验证在该加工方式下对元件中频误差的影响。计算机模拟结果及实验数据表明:磁流变加工的走刀间距会引起中频误差评价指标PSD曲线出现对应频率的峰值;抛光斑的不稳定性会引起PSD曲线出现不确定的次主峰;去除深度与PSD曲线峰值之间有近似的线性关系。采用磁流变作为亚表面损伤层的去除手段,元件的中频误差质量受加工参数影响很大。如果前级加工不佳导致留下的亚表面损伤层较深,用磁流变加工进行去除时会造成中频误差质量超过限定指标。