專利名稱：一種大口徑非球面氣囊拋光進動控制方法
技術領域：
本發明涉及一種光學元件氣囊加工方法，尤其是涉及一種大口徑非球面氣囊拋光進動控制方法。
背景技術：
氣囊式拋光作為近幾年國內外新興的拋光技術，由英國Zeeko公司的D. D. Walker等人提出，它采用具有一定充氣壓力的球形氣囊作為拋光工具，不僅可以保證拋光頭與被拋光大口徑軸對稱非球面元件表面吻合性好，而且可以通過調節氣囊內部壓力控制拋光效率和被拋光大口徑軸對稱非球面元件的表面質量，是一種極具發展潛力的大口徑軸對稱非球面元件拋光方法。氣囊式拋光采用進動加工方式，即拋光時氣囊自轉軸始終與局部法線成一固定角度(稱進動角)進行拋光(WALKER D D, BROOKS D, KING A, FREEMAN R, MORTANR, MCCAVANA G，KIM S-W. The ‘Precessions’ tooling for polishing and figuringflat,spherical and aspheric surfaces[J]. Optical Express，2003，8，11:958_964)。 由于大口徑軸對稱非球面元件上每個拋光點的局部法線方向都不同，氣囊拋光系統通過兩個方面實現以相同進動角連續拋光整個大口徑軸對稱非球面元件表面第一，通過機床XYZ三個直線軸的進給帶動氣囊拋光頭的球心運動來跟蹤局部法線的變化，使氣囊球心與大口徑軸對稱非球面元件局部拋光點的連線為該點的法線；第二，利用氣囊工具的進動運動即氣囊工具兩個虛擬軸的旋轉來控制氣囊自轉軸在空間的位置變化，使得氣囊自轉軸在加工過程中與局部法線之間的夾角值(即進動角)始終不變。由于氣囊拋光系統的進給運動簡單易于控制，氣囊拋光大口徑軸對稱非球面元件的運動控制王要集中在進動運動的運動控制上。目如文獻中涉及氣囊拋光系統進動運動控制主要有哈工大的高波等人(高波，姚英學，謝大綱，袁哲俊.氣囊拋光進動運動的運動建模及仿真[J].機械工程學報，2006，42 (2))以及浙江工業大學的計時鳴團隊的研究成果(張銀東.機器人輔助磨具氣囊拋光運動控制和軌跡規劃研究[D].浙江浙江工業大學，2009)。

發明內容
本發明的目的是提供一種大口徑非球面氣囊拋光進動控制方法。本發明包括以下步驟I)選擇以氣囊工具進動拋光大口徑軸對稱非球面元件；2)建立氣囊拋光大口徑軸對稱非球面元件進動運動模型；( I)建立氣囊拋光進動坐標系；以氣囊工具初始狀態建立基礎坐標系，分析每個拋光點時，都建立對應的待拋光點坐標系進行分析，所述待拋光點坐標系的Y方向與待拋光點的切線方向平行，所述待拋光點坐標系的Z方向為待拋光點的法線方向,所述待拋光點坐標系的X方向與基礎坐標系相同；
(2)建立初始狀態到初始加工點的運動模型；根據氣囊拋光進動坐標系建立中的分析，建立基礎坐標系和初始加工點對應的坐標系后，根據空間坐標變換原理，將初始加工點對應的坐標系中的氣囊自轉軸位置坐標轉換到基礎坐標系中，再根據氣囊工具兩個虛擬軸轉動對應的旋轉矩陣方程建立初始狀態到初始加工的運動模型；(3)建立大口徑軸對 稱非球面元件上任意兩相鄰拋光點的進動運動模型；根據氣囊拋光進動坐標系建立中的分析，建立基礎坐標系和任意兩相鄰拋光點對應的坐標系后，根據空間坐標變換原理，將任意兩相鄰拋光點對應坐標系中的氣囊自轉軸位置坐標轉換到基礎坐標系中，而后根據此時氣囊工具兩個虛擬軸轉動對應的旋轉矩陣方程建立大口徑軸對稱非球面元件上任意兩個相鄰拋光點的進動運動模型；3)在上述建立的氣囊拋光大口徑非球面元件進動運動模型中加入最有效率控制算法;在上述建立的氣囊拋光大口徑非球面元件進動運動模型中加入最有效率控制算法，該算法核心思想是控制氣囊工具兩個虛擬軸的轉角，使得在保持大口徑軸對稱非球面元件連續進動拋光進動角不變的情況下，兩個虛擬軸轉過角度的絕對值和最小，從而減少工藝時間提高拋光效率。最后，可利用大口徑非球面元件表面方程進行運動模型及控制算法的正確性驗證，仿真結果表明氣囊自轉軸跟隨大口徑非球面元件上待加工點法線變化的趨勢一致，且本發明所建立的進動運動模型及控制算法得到的仿真進動角值與實際進動角的誤差均值小于0. 01°，證明該運動模型及控制算法的正確性。本發明選擇以氣囊工具進動拋光大口徑軸對稱非球面元件；建立氣囊拋光大口徑軸對稱非球面元件進動運動模型；在上述運動模型中加入最有效率控制算法。利用本發明，可以實現對大口徑軸對稱非球面元件的連續進動拋光控制，當然，本發明內容不局限于大口徑軸對稱非球面元件，可以根據大口徑非球面元件表面方程進行擴展。本發明適用的氣囊工具具有兩個虛擬軸和一個自轉軸，氣囊位于氣囊自轉軸上，兩個虛擬軸和氣囊自轉軸相交于氣囊球心，通過控制兩個虛擬軸的旋轉角度可以控制氣囊自轉軸在空間的位置，使氣囊工具可以完成大口徑軸對稱非球面元件的連續進動加工。


圖I為大口徑軸對稱非球面元件進動拋光原理圖。圖2為進動拋光過程中氣囊自轉軸與拋光點局部法線可能存在的位置關系。圖3為氣囊工具模型。圖4為氣囊拋光大口徑軸對稱非球面元件加工控制示意圖。圖5為拋光任意點A時氣囊進動坐標系的建立及平移處理。圖6為空間坐標變換原理圖。圖I初始狀態到初始加工點的運動模型。圖8拋光大口徑軸對稱非球面元件上任意兩相鄰拋光點時所建立的與拋光點對應的坐標系。
圖9為圖8中所建立對應的坐標系原點平移至基礎坐標系。圖10初始狀態到初始加工點的運動控制算法流程。圖11大口徑軸對稱非球面元件上任意兩個拋光點運動控制算法流程。圖12根據運動模型及控制算法得到的法線位置及氣囊自轉軸OP位置示意圖。以下給出圖中主要配件標記1氣囊、2氣囊自轉軸、3拋光點局部法線、4大口徑軸對稱非球面元件、5工作臺。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步的說明。I)選擇以氣囊工具進動拋光大口徑軸對稱非球面元件。本發明采用氣囊工具以連續進動拋光方式加工大口徑軸對稱非球面元件4，氣囊I連續進動拋光大口徑非球面元件4原理圖如圖I所示，圖1、2中P表示氣囊拋光進動角，在拋光過程中，氣囊自轉軸2始終與拋光點局部法線3成固定夾角(即進動角)，但是由于與拋光點局部法線3成同一角度的氣囊自轉軸2位置可能為一個圓錐面如圖2所示，因此需要建立運動模型并加入限制條件(控制算法)得到合適的氣囊自轉軸2空間位置；2)建立氣囊拋光大口徑軸對稱非球面元件進動運動模型。( I)氣囊進動運動坐標系建立方法圖3為氣囊工具模型，氣囊工具具有兩個虛擬軸(Z3、Z4)和一個氣囊自轉軸2(Z2)，氣囊I位于氣囊自轉軸2 (Z2)下方，兩個虛擬軸Z3、Z4和氣囊自轉軸2 (Z2)相交于氣囊I球心，通過控制兩個虛擬軸的旋轉角度可以控制氣囊自轉軸2 (Z2)在空間的位置，使氣囊工具可以完成大口徑軸對稱非球面元件4的連續進動加工。氣囊工具的進動運動包括氣囊工具虛擬軸Z3先旋轉0 A，而后氣囊工具虛擬軸IA再旋轉0 B ;由于Z2、Z3、Z4軸線相交于氣囊球心，則進動運動不改變氣囊球心的位置，因此以初始狀態氣囊球心位置為原點建立基礎坐標系=X-YOZ ;由于氣囊拋光系統中的進給和進動運動互不干涉影響，因此，建立氣囊進動拋光運動模型時，以氣囊自轉軸2與氣囊I的交點P(圖3中所示)為對象，不考慮進給運動的效果，即假設氣囊球心位置不變，將大口徑軸對稱非球面元件4上所有拋光點的進動過程平移到以初始狀態氣囊球心為原點建立的基坐標系來計算拋光大口徑軸對稱非球面元件4上各個點時兩個虛擬軸Z3、TA需要轉動的角度。本發明的加工對象為大口徑軸對稱非球面元件4，其表面方程如下所示
權利要求
1. 一種大口徑非球面氣囊拋光進動控制方法，其特征在于包括以下步驟 1)選擇以氣囊工具進動拋光大口徑軸對稱非球面元件； 2)建立氣囊拋光大口徑軸對稱非球面元件進動運動模型； (1)建立氣囊拋光進動坐標系； 以氣囊工具初始狀態建立基礎坐標系，分析每個拋光點時，都建立對應的待拋光點坐標系進行分析，所述待拋光點坐標系的Y方向與待拋光點的切線方向平行，所述待拋光點坐標系的Z方向為待拋光點的法線方向，所述待拋光點坐標系的X方向與基礎坐標系相同； (2)建立初始狀態到初始加工點的運動模型； 根據氣囊拋光進動坐標系建立中的分析，建立基礎坐標系和初始加工點對應的坐標系后，根據空間坐標變換原理，將初始加工點對應的坐標系中的氣囊自轉軸位置坐標轉換到基礎坐標系中，再根據氣囊工具兩個虛擬軸轉動對應的旋轉矩陣方程建立初始狀態到初始加工的運動模型； (3)建立大口徑軸對稱非球面元件上任意兩相鄰拋光點的進動運動模型； 根據氣囊拋光進動坐標系建立中的分析，建立基礎坐標系和任意兩相鄰拋光點對應的坐標系后，根據空間坐標變換原理，將任意兩相鄰拋光點對應坐標系中的氣囊自轉軸位置坐標轉換到基礎坐標系中，而后根據此時氣囊工具兩個虛擬軸轉動對應的旋轉矩陣方程建立大口徑軸對稱非球面元件上任意兩個相鄰拋光點的進動運動模型； 3)在上述建立的氣囊拋光大口徑非球面元件進動運動模型中加入最有效率控制算法; 在上述建立的氣囊拋光大口徑非球面元件進動運動模型中加入最有效率控制算法，該算法核心思想是控制氣囊工具兩個虛擬軸的轉角，使得在保持大口徑軸對稱非球面元件連續進動拋光進動角不變的情況下，兩個虛擬軸轉過角度的絕對值和最小，從而減少工藝時間提聞拋光效率。
全文摘要
一種大口徑非球面氣囊拋光進動控制方法，涉及一種光學元件氣囊加工方法。選擇以氣囊工具進動拋光大口徑軸對稱非球面元件。建立氣囊拋光大口徑軸對稱非球面元件進動運動模型建立氣囊拋光進動坐標系；建立初始狀態到初始加工點的運動模型；建立大口徑軸對稱非球面元件上任意兩相鄰拋光點的進動運動模型。在上述建立的氣囊拋光大口徑非球面元件進動運動模型中加入最有效率控制算法。
文檔編號B24B51/00GK102699817SQ20121017808
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月1日 優先權日2012年6月1日
發明者潘日, 王振忠, 謝銀輝, 郭隱彪 申請人:廈門大學