基于NSGA-Ⅲ的机器人气囊抛光工具结构动力学多目标优化

为了提高机器人的加工质量,针对末端执行装置动刚度不足的问题,课题组开展了机器人气囊抛光工具结构动力学优化研究。分别进行了有限元模态分析和实验模态分析,对比验证仿真结果的准确性,找出抛光工具易发生振动的薄弱结构;基于模态分析对薄弱结构进行谐波激励得到工况下的振动响应加速度;建立动力学近似模型,以提高基频、降低质量及加速度响应为目标,分别采用非支配排序遗传算法NSGA-Ⅲ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅲ)和多目标粒子群算法(multi-objective particle swarm optimization, MOPSO)对薄弱结构进行多目标优化,获得最优动力响应的参数组合。结果表明:NSGA-Ⅲ具有更好的优化效果,基频提高了21.62%;4个薄弱部位的最大加速度响应分别下降了73.78%,69.06%,56.15%和28.28%;质量减少了3.32%。该方法有效提高了抛光工具的动态特性。

机器人气囊抛光位置误差建模及补偿

针对机器人气囊抛光中抛光压力波动的问题,分析影响抛光压力稳定的因素,提出误差补偿法来降低抛光压力波动对加工面形的影响。首先,分析气囊抛光的运动过程,根据Preston方程建立材料去除函数模型,使用MATLAB对去除函数进行仿真分析。然后针对由机器人末端位置波动引入的系统误差,提出网格式误差补偿法,根据误差数据模型对加工点位进行即时修正,从而降低由机器人引入的抛光压力波动误差。实验数据表明:补偿后机器人末端位置X,Y方向误差波动值分别下降了86.2%,67.6%,机器人末端位置精度明显提高,最终加工面形精度的RMS为0.118λ。证明了该方法能够有效的减小抛光压力的波动,改善加工面形质量。

多工序组合气囊抛光策略智能优化

针对进一步提高多工序气囊抛光效率和质量的技术需要,开展基于智能算法的多工序组合气囊抛光策略优化研究。以黄铜H62轴套为实验样件进行气囊粗抛与精抛实验,分析总结样件表面粗糙度变化规律;构建BP神经网络(Back propagation neural network, BP)模型,利用实验数据训练获得不同抛光工艺参数下表面粗糙度及抛光时间的映射关系;以获得最优表面粗糙度和抛光时间为目标,采用NSGA-II (Non-dominated sorting genetic algorithm-II, NSGA-II)多目标优化的方法优化多工序组合抛光中各工序的工艺参数,预测获得最佳转换工序的时间节点及最优多工序组合抛光参数。实验结果表明,当采用优化的多工序组合抛光策略进行抛光时,相比于优化后的单工序精抛所需总时长缩短了25%的时间,由16分钟下降至12分钟,而表面粗糙度Ra相比于优化后的单工序粗抛下降了0.317 μm。该研究针对多工序组合气囊抛光工艺优化需要,设计了基于NSGA-II多目标优化算法的多工序工艺参数优化策略,可以实现轴套零件多工序气囊抛光加工效率和质量的同步提升。

应用于模具自由曲面的新型气囊抛光技术

为提高模具自由曲面抛光的效率和品质,提出一种基于柔性抛光理念的新型气囊抛光技术。建立相应的机器人抛光系统,研究旋转型膨胀气囊抛光工具及抛光过程中各因素对抛光表面粗糙度的影响。对气囊抛光工具的位置和姿态控制问题以及抛光工具,以一定下陷深度和倾斜角度与被抛工件接触时的接触区域的相关特性进行分析。在机器人抛光系统上进行抛光正交试验和试验数据分析,获取表面粗糙度的不同影响因数的最优参数组合,试验中被抛光曲面平均表面粗糙度达到了0.007μm。研究结果表明,气囊抛光技术可实现抛光工具与被抛光工件的大面积柔性接触,通过气囊内部气压的调节和机器人抛光系统对抛光工具的运动轨迹和姿态的精确控制,可有效地提升自由曲面抛光的品质和效率。

气囊抛光技术及其研究现状

气囊抛光能够获得稳定的材料去除特性和高质量的抛光表面。回顾了气囊抛光的工作原理、特点和发展现状,对气囊抛光的关键技术进行了比较分析,包括抛光工具,进动抛光,脉动抛光,磁流体抛光,驻留时间,边缘控制和过程控制,抛光轨迹规划,磨粒场及气囊抛光应用等。研究结果表明,气囊抛光是一种值得关注的自由曲面高效精密抛光方法。

大口径轴对称非球面气囊抛光进动运动建模及控制

研究大口径轴对称非球面气囊抛光进动运动建模及控制。分析气囊抛光机构及大口径轴对称非球面抛光进动工艺特点,确定以气囊自转轴线与气囊交点为研究对象,以气囊球心为原点建立气囊进动基础坐标系,根据大口径轴对称非球面连续进动抛光中各抛光点气囊自转轴与局部法线夹角值(即进动角)不变的原理,在分析每个抛光点时建立与其对应的坐标系,得到抛光该点时气囊自转轴与气囊交点在该点对应坐标系中的值,而后进行坐标变换,将抛光任意点时气囊自转轴线与气囊交点的位置换算至气囊进动基础坐标系中;根据大口径轴对称非球面方程、加工控制模型及前述的坐标变换运算结果,利用矩阵变换得到大口径轴对称非球面抛光的进动运动模型;在上述的运动模型中加入最有效率控制算法后进行运动学仿真,得到大口径轴对称非球面抛光的进动运动曲线,并通过仿真气囊自转轴线跟随加工点法线变化的趋势及比较仿真进动角与实际进动角验证所建立运动模型及控制算法的正确性。

光学元件气囊抛光系统动态去除函数建模

目前对于光学元件气囊抛光系统驻留时间的求解都是基于静态的去除函数,然而实际抛光过程中,抛光头不断地移动,故对于动态去除函数的研究显得尤为必要。通过有限元仿真分析的方法得到动静态接触区的轮廓和接触应力分布数据,发现对于平面工件,动静态接触区均为圆形,而且大小基本一致,且动态接触区应力分布与静态接触区应力分布相比,其峰值点沿抛光头移动的相反方向偏移。在此基础上,根据静态接触区应力呈类高斯分布的理论,利用最小二乘拟合的方法,推导出动态接触区的应力分布函数。通过搭建动静态接触区轮廓提取装置,设计不同下压量下动静态接触区的轮廓提取试验,验证有限元仿真结果的准确性。基于仿真和试验结果推导出动态去除函数,对其进行数值仿真,并与静态去除函数进行对比,发现前者去除率偏小,而且最低点也发生偏移。

自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制技术

针对自由曲面光学元件的加工特点,研究气囊抛光自由曲面光学元件进动运动控制技术,用于求出气囊工具进动过程中两虚拟轴的转角,实现对气囊自转轴空间位置的控制。以气囊自转轴为研究对象,由于自由曲面光学元件上每个点的法线三维坐标都不相同且气囊进动抛光过程中气囊自转轴与工件加工点局部法线夹角不变,提出建立基坐标系和抛光点对应三维空间坐标系的方法,得到抛光过程中气囊自转轴的空间位置变化情况,而后利用旋转坐标变换得到气囊抛光进动运动控制模型;在所建立的自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型中加入控制算法,求出抛光自由曲面光学元件各点时气囊工具两个虚拟旋转轴的转角。利用Matlab对自由曲面光学元件不同方向截面进行仿真抛光试验,得到自由曲面各方向上气囊抛光进动运动曲线以及仿真进动角曲线,结果证明了自由曲面光学元件气囊抛光进动运动控制模型及控制算法的正确性。

气囊抛光过程的运动精度控制

针对用于球面、非球面光学元件超精密光学加工的气囊抛光技术,提出了一套控制抛光过程中气囊运动精度的方法。该方法通过控制加工单元的温度,保证抛光过程中设备运动精度达到50μm;使用坐标传递法,使检测数据二维方向对准不确定度达到0.30-0.70mm。另外,基于磨头去除量估计与反馈修正法,提高精抛过程面形误差收敛效率。最后,通过磨头探测校准法,将磨头与加工工件法向位置精度提高至10μm。实际抛光实验显示：使用运动精度控制法在280mm口径的平面精密抛光中获得的面形加工精度为0.8nm（RMS）,在160mm口径的凹球面精密抛光中获得的面形加工结果为1.1nm（RMS）,实现了超高精度面形修正的目的,为超高精度球面、非球面光学元件加工提供了一套行之有效的方法。该方法同样适用于其他接触式小磨头数控抛光方法。

气囊抛光去除函数的数值仿真与试验研究

为提高光学元件的面形精度,提高加工效率,对超精密气囊抛光方法的去除函数进行了理论和试验研究。通过分析气囊抛光的原理,以Preston方程为基础,应用运动学原理推导了气囊抛光"进动"运动的材料去除函数,利用计算机仿真的方法,得到近似高斯分布的去除函数,通过仿真分析几个主要参数对"进动"抛光运动去除特性的影响,总结得到三点气囊抛光工艺过程中重要的结论。通过在一台超精密气囊式智能抛光机上的试验对比,两者吻合很好,并得到面形精度RMS=0.0126μm的超精密的光滑表面,为开展气囊抛光的工艺研究提供了理论依据。

气囊抛光工具的研制及特性测试

气囊式抛光是一种新颖的非球面抛光方法。气囊是该方法的关键部件,为控制它的变形和柔性,采用层合复合材料的制作方法,对气囊结构进行改进,然后从机械特性和应用两个方面,对改进的气囊进行试验和分析。研究结果表明,改进后的气囊具有变形小、柔性好的特点,能满足实际应用要求。

连续进动气囊抛光行间距优化及实验研究

为提高和调控模具加工质量,针对行切法连续进动气囊抛光的行间距优化问题进行了仿真分析和实验研究。在取得优化进给速度和叠加次数的基础上,兼顾抛光效率与抛光效果,运用二分法原理,通过MATLAB仿真分析了行间距对气囊抛光材料去除特性的影响,获得了优化行间距D=8.2mm。基于建立的连续进动气囊抛光离线规划原型系统进行了实验对比验证,实验结果与仿真结果吻合。

大口径非球面元件可控气囊抛光系统

根据大口径非球面光学元件的实际加工需要,设计并制造可控气囊抛光系统,并对机构进行运动学仿真,仿真结果表明,气囊自转轴的运动空间可以满足大口径非球面光学元件的连续进动加工要求。为了证明所设计系统的可加工性,以直径320mm的圆形平面光学元件进行加工实验。经过该气囊抛光工具24h的抛光后,工件达到较好的面型精度,光学元件的表面粗糙度由0.272λ减小到0.068λ(λ=632.8nm),PV值从1.671λ降低到0.905λ。对光学元件的实际加工实验结果表明:可控气囊抛光系统在加工过程中结构稳定性好,符合设计要求,可有效提高加工工件面型精度。

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。

用于模具自由曲面的新型气囊抛光中磨粒场的分析

为提高模具自由曲面抛光的效率和品质,提出一种基于柔性抛光理念的新型气囊抛光技术。研究了气囊抛光接触区内磨粒的运动轨迹、压力分布和抛光力的分布情况,建立了气囊抛光接触区内磨粒的运动模型、压力模型,揭示了气囊抛光接触区内磨粒直径对抛光力和被加工工件内部剪切应力的影响规律,研究了抛光过程中工件内部的剪切应力分布,明确了材料疲劳去除机理。为气囊抛光的应用奠定了理论基础。

气囊抛光曲面光学零件工艺参数对抛光区特征影响的研究

首先介绍了气囊抛光的原理,然后在自行研制的气囊抛光实验样机上,对曲面光学零件进行了抛光实验,研究了进动角、气囊压缩量、气囊内部压力、气囊转速以及工件的曲率半径几个重要的工艺参数对球面光学玻璃抛光区影响情况,总结了各工艺参数对抛光区的影响规律,给出了曲面光学零件工艺参数合理的抛光区取值范围。

气囊抛光工具的模块化设计及应用

针对主动式、磁控型和磁流变型气囊抛光工具的不同结构特点和使用功能的有效集成问题,基于模块化理论,将产品需求多变性和主体结构标准化有效结合起来,充分利用共用性和组合优化效应,完成了模块化气囊抛光工具的设计,并为产品族规划打下了基础;开展了模块化基础理论、功能模块划分、结构细化设计和产品族规划等方面的分析与研究,通过柔性工作模块、磁场发生器模块、气控容腔模块、动力模块、连接板模块和传感测控模块等,充分保证了新型气囊抛光技术自动、柔性、可控、多变的特点;在以模块化气囊抛光工具为核心的机器人辅助模具自由曲面抛光平台上,进行了相关的试验研究。研究结果表明:将模块化气囊抛光工具应用于模具钢抛光,能获得Ra0.006μm的高质量表面。

连续进动气囊抛光材料去除特性研究

为提高和调控模具自由曲面的加工效率与质量,提出了机器人辅助连续进动气囊抛光方法;运用运动学原理,推导了行切法加工方式下的切向速度数学模型;基于Preston方程,建立了连续进动气囊抛光材料去除模型;通过MATLAB仿真技术,分析了其它工艺参数一定的条件下,进给速度和叠加次数对气囊抛光切削方向分布和材料去除特性的影响;以材料快速均匀去除为目标,获得了优化进给速度v=0.7mm/s和叠加次数n=3.最后,通过机器人辅助气囊抛光系统,进行了试验对比验证,与仿真结果吻合,证实了连续进动气囊抛光方法应用于模具自由曲面抛光的有效性.

单点金刚石车削刀痕的螺旋正弦轨迹气囊抛光去除

单点金刚石车削技术已经广泛应用于高精度光学表面的制造,然而其残留在被加工表面的微纳织构将会影响部分光学系统的性能,需要光滑去除。文中对单点金刚石车削刀痕的抛光去除技术进行了研究,发现抛光方向与刀痕垂直时刀痕去除效率最高。基于此,提出了一种螺旋正弦抛光运动轨迹,介绍了螺旋正弦运动轨迹的设计原则,并应用气囊抛光的方式与螺旋式和光栅式运动轨迹进行了对比抛光实验,证明此运动轨迹下微纳织构的改善效果明显优于其他两种方式。最后应用螺旋正弦运动轨迹对一锗材料单点金刚石车削非球面进行了抛光光滑处理,在保持了面形精度的前提下,表面糙度Ra由1.28 nm降低到0.4 nm,规律性微纳刀痕变为随机织构,达到了表面织构改善的目的。

磁控式气囊抛光实验研究

基于磁控式气囊抛光实验平台,对抛光中的不同加工区域进行针对性的实验研究。首先,以材料去除率和加工工件表面粗糙度为目标,通过正交试验法获取加工接触区各个相应参数的影响程度以及优选方案;其次,对加工非接触区以不同的抛光形式进行实验对比,得到各自的抛光效果,以及粗糙度随时间变化曲线。