散射抑制车削新方法及装置研究

发布时间：2016-11-25 22:26

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《吉林大学》 2013年

散射抑制车削新方法及装置研究

朱志伟

【摘要】：基于快速刀具伺服(Fast tool servo, FTS)的单点金刚石车削方法被广泛应用于光学自由曲面及微结构功能表面创成等，被认为是一项极具发展前途的加工方法。在传统切削过程中，刀具遵循恒径向进给运动，相对于工件则表现为空间标准螺旋线运动，这将导致加工表面产生强周期性残留刀痕结构。理论及实验研究表明：该周期性微结构将诱发加工表面产生强散射效应，从而恶化其光学性能。为了抑制加工表面散射效应，一些后续处理工艺诸如抛光等不得不用于去除加工表面的残留刀痕。这必将极大提高光学元件制造成本、降低其加工效率，而对于微结构功能表面，后续处理更是十分困难的。为了在车削过程中同时获得具有散射抑制性的光学元件而不降低相应的效率及精度，本文提出了一种伪随机金刚石车削(Pseudo-random Diamond Turning, PRDT)方法。其主要特征在于：主动控制金刚石刀具做空间伪随机螺旋线运动，从而打破加工表面残留刀痕结构的周期性，获得具有一定随机性分布的微结构表面。本文贡献主要在于： 1）提出了伪随机车削方法及其刀具路径生成策略。针对具有数学描述或仅由点云描述的待加工曲面，考虑刀具几何特征及空间位姿，提出了相应的刀具路径生成方法；考虑刀具运动动力学特征及加工表面残留刀痕结构分布要求，提出了伪随机车削刀具路径生成方法；进一步借助数值模拟方法，对所生成的不同路径切削过程进行模拟，验证了所提出刀具路径生成方法及伪随机车削方法的可行性及正确性。 2）设计了一种具有完全解耦运动的两自由度快速刀具伺服机构。提出了一种具有自放大特征的新型Z型柔性铰链，依赖于所提出铰链的运动特性及差动原理，实现了刀具两自由度解耦运动；考虑机构连接单元柔性特征，采用柔度矩阵分析方法，建立了该机构全自由度柔度模型，着重分析了所提出Z型铰链的力学特征；依赖于Lagrange原理，，构建了该机构动力学模型及其固有频率对机构结构参数的依赖模型；揭示了接触作用可能诱发的系统复杂非线性动力学行。解析计算结果与有限元分析结果具有很好的一致性，验证了所构建静力学及动力学解析模型的正确性。 3）进行了机构性能测试及具有散射抑制效应的微结构功能表面创成。开环条件下测试了所设计机构样机性能，获得了其诸如运动带宽、分辨率、行程、迟滞及两轴运动耦合量等特性参数；提出了该机构两轴伺服控制策略，通过阶跃响应及路径跟踪等测试了系统闭环响应特征及刀具定位精度；针对不同材料，采用伪随机车削方法及传统恒进给车削方法分别加工获得平面及一种典型微结构雨滴表面，通过表面散射定性测试验证了所提出PRDT方法用于创成具有散射抑制表面的可行性及正确性。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH74;TG51
【目录】：

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