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杭州电子科技大学学报（自然科学版） 2024年第2期44卷 23-29页

作者：贺钊豪樊炜海阔臧仲明中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

锥面镜是激光仪器不可或缺的核心光学元件,气囊抛光具有加工效率高、贴合度好的优势,被广泛应用于超精密加工工艺中,然而当前气囊抛光工艺仅限于平面或低陡度曲面,对于主曲率差异巨大、曲率畸变严重的锥面镜,尚未建立其表面去除机制的... 详细信息

锥面镜是激光仪器不可或缺的核心光学元件,气囊抛光具有加工效率高、贴合度好的优势,被广泛应用于超精密加工工艺中,然而当前气囊抛光工艺仅限于平面或低陡度曲面,对于主曲率差异巨大、曲率畸变严重的锥面镜,尚未建立其表面去除机制的物理模型。由于锥面镜具有几何特异性,难以直接通过现有的仪器获得压力场分布。本文在切触点局部坐标系下采用有限元方法计算压力场,并计算了速度场分布,分析了沿母线不同位置和下压量变化时压力场、速度场和去除率的变化规律,实验证明,相比传统建模方法,本方法预测的去除函数与锥面实际去除函数轮廓误差降低了约12%,显示本文建模方法得到的结果与实际符合度更高。

关键词：锥面镜气囊抛光压力场速度场有限元方法

基于NSGA-Ⅲ的机器人气囊抛光工具结构动力学多目标优化

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轻工机械 2024年第3期42卷 37-45,53页

作者：焦培俊姜晨姜臻禹周勇宇上海理工大学机械工程学院上海200093

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... 详细信息

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。

关键词：机器人气囊抛光结构动力学 NSGA-Ⅲ 近似模型谐波激励

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机器人气囊抛光位置误差建模及补偿

机械科学与技术 2023年第5期42卷 724-729页

作者：毛记祥倪磊向北平舒龙飞西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室四川绵阳621010

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... 详细信息

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。

关键词：工业机器人气囊抛光去除函数误差补偿抛光压力

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M形去除函数在高效气囊抛光中的应用研究

制造业自动化 2022年第8期44卷 70-73页

作者：姜涛集美大学机械与能源工程学院厦门361021

气囊抛光技术是一种适用于大口径自由曲面光学元件精密加工且极具潜力的加工方法。在高效抛光阶段,气囊抛光具有充气压力大、压缩量大、转速高等特点,导致去除函数由理想的类高斯变为M形。针对高效气囊抛光中M形去除函数的产生原因,材... 详细信息

气囊抛光技术是一种适用于大口径自由曲面光学元件精密加工且极具潜力的加工方法。在高效抛光阶段,气囊抛光具有充气压力大、压缩量大、转速高等特点,导致去除函数由理想的类高斯变为M形。针对高效气囊抛光中M形去除函数的产生原因,材料去除效率的影响因素和中频误差控制等角度展开实验研究。研究结果表明,M形去除函数产生主要受气囊压缩量影响,最高材料去除效率可达33.0269mm~3/min,同时也验证了M形去除函数在高效气囊抛光中的适用性。

关键词：高效抛光气囊抛光 M形去除函数材料去除效率

机器人辅助气囊抛光难加工材料的去除特性研究

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机器人辅助气囊抛光难加工材料的去除特性研究

作者：吴威厦门理工学院

学位级别：硕士

碳化钨、钛合金等材料,由于其独特且优异的物理化学特性,目前广泛地应用于模具、刀具、航空发动机叶片等场合。然而,由于碳化钨质地硬、钛合金高强高韧的特点,因此都属于难加工材料。气囊抛光技术,是一种将球冠气囊作为抛光工具,并按照... 详细信息

碳化钨、钛合金等材料,由于其独特且优异的物理化学特性,目前广泛地应用于模具、刀具、航空发动机叶片等场合。然而,由于碳化钨质地硬、钛合金高强高韧的特点,因此都属于难加工材料。气囊抛光技术,是一种将球冠气囊作为抛光工具,并按照一定的进动方式实现工件高效去除的抛光手段,目前已经很好地应用于BK7、熔石英等光学玻璃,以及碳化硅等超硬材料的精密抛光,并体现了良好的加工柔性和通用性。为了充分利用气囊高效、精密抛光的特点,并较为系统地研究气囊对碳化钨、钛合金等难加工材料的加工特性,本文以工业机器人为本体,搭建机器人辅助气囊抛光系统,并以碳化钨、钛合金材料作为加工对象开展相应抛光实验,从而验证气囊抛光对此类难加工材料的可行性与可靠性,并提出合理的加工参数及工艺流程。本文主要研究内容包括:(1)基于气囊抛光的原理,利用ABB IRB4600六轴工业机器人为本体,采用了“六轴工业机器人+气囊抛光工具”的联合加工方式,搭建了机器人气囊抛光系统平台;针对柔性抛光和高效抛光的各自需要,分别开发了纯橡胶气囊和半刚性气囊,以便钛合金和碳化钨材料的抛光工艺规划与实验。(2)以半刚性气囊为例,开展气囊抛光的去除函数建模与工艺参数研究。基于Preston方程,建立了半刚性气囊抛光的速度分布模型和接触区域的接触应力分布模型;采用实验法的方式,进行Preston方程系数的求解,从而实现静态去除函数建模,并进而完成气囊抛光的二维卷积模型求解;利用单因素实验方法,研究不同工艺参数,如驻留时间、进动角、下压量、主轴转速、气囊压力等对材料去除效率以及表面粗糙度的影响规律。(3)碳化钨的气囊抛光去除特性研究。完成碳化钨气囊抛光的实验准备,利用半刚性气囊高效去除的特点,开展两种不同碳化钨材料(带粘结剂WC-8Co。不带粘结剂WC-0Co)的气囊抛光实验,如不同参数下的去除效率分析、抛光斑的表面粗糙度分析、均匀抛光后的表面完整性实验等,并通过抛光前后的表面形貌和表面材料成分分析,从而较为系统地获取气囊抛光碳化钨材料的工艺特性。(4)钛合金(Ti6Al4V)的气囊抛光去除特性研究。针对钛合金高强高韧且易划伤的特点,采用“半刚性气囊+柔性纯橡胶气囊”的组合方式,开展钛合金的去除特性及表面完整性实验。同样地,完成钛合金的抛光实验准备,并开展材料去除特性实验、均匀性抛光等实验。实验研究表明,钛合金Ti6Al4V可以采用半刚性气囊粗抛光、纯橡胶气囊精抛光的方式,从而保证抛光效率和抛光表面质量。此外,通过对抛光后的面型、化学反应及相变的检测分析,进一步证明了气囊抛光钛合金的可行性。

关键词：气囊抛光机器人辅助碳化钨钛合金难加工材料

面向超精密光学元件制造的机器人气囊抛光平台搭建与工艺研究

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面向超精密光学元件制造的机器人气囊抛光平台搭建与工艺研究

作者：刘卓远西南交通大学

学位级别：硕士

随着高精度光学元件加工技术的进步,以光学玻璃等典型光学元件的复杂表面加工需求日盛。传统抛光既不能在加工方法上满足对工件表面的高精度要求,又无法针对复杂曲面进行抛光。目前,我国主要于实验室及研究所等场所内开展复杂表面光学... 详细信息

随着高精度光学元件加工技术的进步,以光学玻璃等典型光学元件的复杂表面加工需求日盛。传统抛光既不能在加工方法上满足对工件表面的高精度要求,又无法针对复杂曲面进行抛光。目前,我国主要于实验室及研究所等场所内开展复杂表面光学元件的超精密加工,取得进步较为有限,与欧美等高端装备行业仍存在较大差距,因此亟需一种针对大尺寸复杂表面光学元件抛光的加工平台及高效工艺流程。本文以Kuka机器人作为设备主体,为实现超精密气囊抛光,自主设计并制造气囊抛光末端执行器,并配置一系列抛光磨头,工件夹具及轮廓修整平台等装备。实现气囊抛光、在线修整、气囊抛光磨头表面质量检测及振动测量与重构等多种功能集成。并在此基础上,为解决抛光中的振动问题,提出一种新型的主轴变转速加工策略,将理论研究与实际加工方案相结合。在常用抛光转速范围内对振动进行有效抑制,且通过振动抑制策略降低了表面粗糙度。为了更好地贴合实际生产,从抛光单一点位出发,研究单因素作用趋势,探究了去除函数影响规律。基于去除函数优化了抛光路径,随后开展了正交实验,研究多因素复合条件下自主搭建平台的材料去除与提高表面质量的能力。在最优参数组合下,通过两轮抛光方案获得纳米级表面粗糙度表面,初步实现了超精密气囊抛光。(1)自主搭建面向超精密光学元件的气囊抛光平台从设备选型、功能优化、配件制造、集成搭建及后期修整等角度出发,自主搭建气囊抛光平台,为光学元件的超精密抛光提供装备。凭借机器人具有高自由度的特性满足不同宏观尺寸下的抛光需求,平台将气囊抛光、气囊实时修整及抛光振动实时反馈等多种功能集成,从设备角度满足了光学玻璃超精密气囊抛光需求,具有加工转速范围大及工况稳定的优势,为后续采用的超精密抛光方案提供高效率作业途径。(2)提出了一种新型的主轴变转速抛光振动抑制策略借助振动传感器开展基于自主搭建平台的振动测试,在以主轴变转速为主体的研究方案上,通过主动偏离共振频率带,改变设备整体自激系统,达到对实际加工的振动抑制。且进一步优化该策略,研究了幅值、主轴转速、运行周期等因素通过策略对实际加工振动的影响。为后续在可控条件下,采用两轮抛光加工光学元件预备了工艺流程与适用性方案。(3)建立面向光学元件的高效高质两步法超精密气囊抛光工艺及应用从抛光单点位的去除函数出发,研究关键抛光参数对材料去除率及表面粗糙度的影响,确定了主轴恒转速模式与变转速模式的加工区间,并通过关键参数研究与去除函数形貌变化规律为抛光路径提供理论支持。结合正交实验,获得了两步法抛光光学玻璃的最优工艺参数组合。前期加工以材料去除为目的,后期加工以保证工件表面质量为目的,以材料去除为加工目的的粗抛后表面粗糙度Sa为5.25nm,以修整面形为加工目的的精抛后表面粗糙度Sa为3.72nm。在25分钟内将样品表面粗糙度从2.5μm下降到3.72nm,在自主搭建气囊抛光平台上初步实现了光学玻璃的超精密气囊抛光加工。综上所述,自主搭建的气囊抛光平台具备超精密加工能力,为解决抛光中的振动问题,提出一种新型的振动抑制策略;将策略与工艺参数合理应用于实际加工,获得了纳米级表面粗糙度的光学元件,初步实现了光学元件的超精密气囊抛光。

关键词：光学元件振动检测气囊抛光

曲面光学元件气囊抛光过程仿真及表面粗糙度预测

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曲面光学元件气囊抛光过程仿真及表面粗糙度预测

作者：王栋燕山大学

学位级别：硕士

气囊抛光作为一种新型的处理高精尖曲面光学元件的抛光方法,在精密制造领域有着重要的地位,为曲面光学元件的广泛应用奠定了基础。本文主要研究的是气囊抛光的过程仿真情况以及抛光后的材料去除以及表面质量的预测,具体内容如下:(1)建... 详细信息

气囊抛光作为一种新型的处理高精尖曲面光学元件的抛光方法,在精密制造领域有着重要的地位,为曲面光学元件的广泛应用奠定了基础。本文主要研究的是气囊抛光的过程仿真情况以及抛光后的材料去除以及表面质量的预测,具体内容如下:(1)建立平面、凹凸球面以及自由曲面的气囊抛光加工仿真的模型结构,并选取柔性气囊和K9光学玻璃的材料属性参数;进行气囊抛光实验的前期和抛光后工件表面的材料去除情况和面粗糙度测量的准备工作。(2)研究了抛光接触区的形状和面积问题。通过不同抛光参数条件下的平面和球面的抛光实验,得到了抛光接触区的形状为椭圆形的结果以及接触区面积随参数的变化情况;进行了气囊抛光定点抛光的有限元仿真,比较了四种类型光学元件之间抛光接触区的压力分布和温度分布的差异,分析其影响规律并结合实验结果对比验证;推导了简易的抛光接触区理论速度计算公式,通过MATLAB分析,得到四种光学元件抛光接触区的速度分布情况及其影响规律,并与实验结果相互印证。(3)建立气囊抛光的材料去除模型。以Preston方程为核心,首先利用赫兹接触理论与旋转矩阵分别得到压力和速度分布的理论结果;之后,引入直线和曲线的抛光轨迹计算,来达到连续进动的目的。其次,通过介观尺度下磨粒对抛光头与工件的相互作用,结合3σ原则,求解有效磨粒数并分析不同单磨粒形状下的材料去除截面积,来得到材料去除总体积,利用单位长度抛光轨迹去除分析,化简可得Preston系数,得到气囊抛光材料去除数学模型。最后,通过抛光去除率正交实验,探究了各种影响因素对材料去除率的影响程度及最优参数;并利用MATLAB得到的理论材料去除模型计算结果,并与泰勒轮廓仪实测的结果对比印证,验证模型的可行真实性。(4)进行面粗糙度正交实验,探究各种影响因素对面粗糙度的影响程度及最优参数;构建面粗糙度预测模型,以正交实验的前12组参数结果作为训练数据集,后4组作为预测集,构建BP神经网络模型进行训练,得到的结果精度较差;随后采用遗传算法优化,迭代求解最佳阈值和权值,得到了优良的预测结果并对比相关误差情况,结果发生了显著改善。

关键词：气囊抛光 Preston方程材料去除 BP神经网络遗传算法

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气囊抛光去除函数的数值仿真与试验研究

机械工程学报 2009年第2期45卷 308-312页

作者：张伟李洪玉金海哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心哈尔滨150001

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... 详细信息

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。

关键词：气囊抛光进动运动 Preston方程去除函数

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基于网格参数化的气囊抛光空间偏置轨迹研究

基于网格参数化的气囊抛光空间偏置轨迹研究

作者：潘晨昊长春工业大学

学位级别：硕士

当前,在航空航天、汽车制造、电子制造、医疗器械及光学制造领域,对曲面精密加工的需求越来越高。气囊抛光作为超精密抛光技术的一种,因气囊整体柔韧贴合度高,常用于曲面工件的精密抛光处理。在气囊抛光中,由于加工工艺、轨迹规划等原因... 详细信息

当前,在航空航天、汽车制造、电子制造、医疗器械及光学制造领域,对曲面精密加工的需求越来越高。气囊抛光作为超精密抛光技术的一种,因气囊整体柔韧贴合度高,常用于曲面工件的精密抛光处理。在气囊抛光中,由于加工工艺、轨迹规划等原因,常常会造成工件边缘效应不收敛。针对这种现象,本文提出一种可维持抛光边缘形貌的抛光偏置轨迹生成方法。该方法基于工件的网格曲面模型,以网格参数化技术为基础进行工件表面的轨迹规划,从而解决工件边缘效应收敛问题。本文主要研究内容如下:(1)研究网格分割点的识别方法并优化。首先使用最小二乘共形映射方法进行轨迹生成,对网格模型可展性公式进行改良。其次分析网格参数化共形能量产生的原因,研究了共形能量与高斯曲率的关系。最后基于两者的相关性提出了一种识别分割点方法,仿真结果表明该方法可降低网格参数化的共形能量。(2)研究气囊抛光的边缘效应处理方法。首先分析气囊抛光中边界效应的应对方法,确定使用提气囊法控制偏置轨迹行距的方法生成偏置轨迹。其次依据气囊抛光原理建立速度函数,使用赫兹接触理论建立抛光区的压力函数,利用Preston方程建立气囊抛光去除函数。最后基于去除函数确定偏置行距生成规则。仿真分析表明这种偏置规则可为提气囊法的行距控制提供保证。(3)提出一种偏置轨迹的生成方法。首先使用贝塞尔曲线分段拟合边界,利用贝塞尔曲线的法线进行偏置轨迹生成。提出一种偏置距离的改良方法,用于改良网格分割后,在残留变形下的轨迹映射。经计算,该方法可令映射后的轨迹间距更均匀。(4)基于偏置轨迹的气囊抛光实验验证。首先使用MATLAB生成改良偏置轨迹,其次使用Mastercam对比扫描轨迹、等高轨迹、网格参数化改良前后共四种轨迹进行仿真加工,对比四种轨迹变形程度,分析轨迹映射的均匀性。最后使用机器人气囊抛光系统开展抛光表面的边缘效应对比实验及光整抛光实验,最终表明该偏置轨迹可在一定程度上使边缘效应收敛,表面粗糙度可达(6=0.058)。

关键词：气囊抛光偏置轨迹网格参数化网格分割边缘效应