專利名稱：一種四軸聯動的氣囊拋光運動控制方法
技術領域：
本發明涉及一種氣囊拋光，尤其涉及針對各種光學元件氣囊拋光的一種四軸聯動的氣囊拋光運動控制方法。
背景技術：
氣囊拋光技術作為近幾年發展迅速的拋光方法，已被廣泛應用于光學元件的拋光。氣囊拋光采用充氣球形柔性氣囊作為拋光工具或氣囊外表面粘貼拋光墊作為拋光工具對曲面進行拋光，不僅可以保證拋光頭與被拋光工件表面吻合性好，而且可以通過調節壓力控制拋光效率和被拋光工件的表面質量。目前，氣囊拋光運動控制主要以五軸聯動為主，即通過數控系統的3個進給軸及2個進動軸聯動實現對光學元件的高精拋光。(參見文獻:1、LiJ F，Wang X H，Fe i RY，e t a.1 Performance analysis and kinematics design of pure translationalparallel mechanism with vertical guideways[J].Chinese Journal of MechanicalEngineering, 2006，19(2):300-306 ;2、李研彪等，一種新型正交5-D0F并聯氣囊拋光機床的運動傳遞性能分析[J].機械傳動，2010，34 (2):14-16)然而，由于國外發達國家對我國實施的技術封鎖，使得高端五軸聯動數控系統的購買較為困難；另外，采用五軸聯動方式加工光學元件時，空間運動插補過程復雜，容易降低光學元件的加工精度及效率。

發明內容
本發明的目的在于針對氣囊拋光非球曲面光學元件中高端五軸聯動數控系統購買困難及加工插補算法復雜等問題，提供使用四軸聯動數控系統的一種四軸聯動的氣囊拋光運動控制方法。本發明包括以下步驟:1) I個選擇氣囊連續進動拋光作為加工方式，并以氣囊球心為原點進行空間坐標系建立的步驟；2) I個根據曲面方程，確定氣囊自轉軸與豎直方向夾角Rou的范圍的步驟；3)1個根據氣囊自轉軸與豎直方向夾角Rou的范圍來確定對應適用的進動角范圍的步驟；4)1個根據加工點偏移控制算法實現對氣囊連續進動拋光非球曲面過程中進動角的控制的步驟，從而實現非球曲面的四軸聯動連續進動拋光。本發明區別于其他拋光方法的特征在于采用連續進動拋光的方式，即在工件的拋光過程中，氣囊自轉軸與工件上加工點的局部法線的夾角始終為一固定值。實驗表明，氣囊連續進動拋光方式可以得到更好的光學元件表面質量。本發明的數控類型為x、y、z、A-B (x、y、z為進給軸，A，B為旋轉軸)，其中前四軸為聯動軸。通過此算法控制A軸的旋轉來保持拋光過程中進動角不變，完成非球曲面的連續進動拋光。
與五軸聯動的加工方式相比，本發明采用的四軸聯動加工方式，可以克服空間運動插補過程復雜的缺點，提高非球曲面的加工精度及效率。本發明基于四軸聯動數控系統的適用于平面、球面、非球曲面等光學元件的氣囊拋光運動控制算法。


圖1為本發明實施例的氣囊連續進動拋光原理圖。圖2為本發明實施例的氣囊拋光系統模型圖。圖3為本發明實施例的氣囊工具簡化模型圖。圖4為本發明實施例的非球曲面五軸聯動的氣囊拋光控制模型圖。圖5為本發明實施例的氣囊自轉軸繞A軸旋轉形成的圓錐面圖。圖6為本發明實施例的氣囊自轉軸與豎直方向夾角范圍的確定流程圖。圖7為本發明實施例的理論上能夠實現的最小連續進動拋光角度圖。圖8為本發明實施例的氣囊自轉軸與豎直方向夾角Rou值在不同進動角下的仿真進動角與實際進動角的最小誤差值圖。圖9為本發明實施例的進動角的矯正控制算法流程圖。圖10為本發明實施例的應用控制算法前的仿真進動角與實際進動角誤差值圖。圖11為本發明實施例的應用控制算法后的仿真進動角與實際進動角誤差值圖。圖12為本發明實施例的非球曲面上理論加工點坐標和實際加工點坐標在X和y方向上的偏差圖。
具體實施例方式以加工非球曲面為例，以下實施例將結合附圖對本發明作進一步的說明。本發明實施例的氣囊連續進動拋光原理區別于其他拋光方法的特征在于采用連續進動拋光的方式，連續進動拋光原理如圖1所示，即在非球曲面2的拋光過程中，氣囊自轉軸11與非球曲面2上加工點的局部法線12的夾角始終為一固定值(圖1中角度P )。圖2和圖3分別給出本發明實施例的氣囊拋光系統模型圖和氣囊工具簡化模型圖。如圖2所示，氣囊拋光系統包括:氣囊1、支架3、工作臺4、底座5、Z軸底座6、A軸7、第I連接臂8、B軸9、第2連接臂10和氣囊自轉軸11。氣囊I安裝在氣囊自轉軸11上，氣囊自轉軸11和第2連接臂10聯接，第2連接臂10和B軸9聯接，B軸9和第I連接臂8聯接，第I連接臂8和A軸7聯接，A軸7安裝在Z軸底座6上，Z軸底座6固定在支架3，支架3固定在底座5，工作臺4安裝在底座5上。如圖3所示，氣囊工具主要包括三個旋轉軸(A軸7、B軸9、氣囊自轉軸11)和一個氣囊1，其中A軸7、B軸9用于控制氣囊自轉軸11的空間位置。圖2中機床xyz軸的進給帶動氣囊拋光頭的球心運動來跟蹤非球曲面2法線的變化，使氣囊球心14與非球曲面2局部拋光點的連線為該點的法線。圖4為通用的非球曲面2五軸聯動的氣囊拋光控制模型圖。由于非球曲面2上每個點的法線方向都不相同，五軸聯動氣囊拋光系統通過兩個方面實現連續進動拋光非球曲面2:第一,通過圖2中機床xyz軸的進給帶動氣囊拋光頭的球心運動來跟蹤非球曲面2法線的變化，使氣囊球心14與非球曲面2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A軸7、B軸9的旋轉來控制氣囊自轉軸11在空間的位置變化，使得氣囊自轉軸11在加工過程中與非球曲面2局部法線12之間的夾角值(即進動角)始終不變，實現連續進動拋光。氣囊連續進動拋光的過程中，采用如圖4所示的拋光路徑13。然而，由于氣囊拋光非球曲面光學元件中高端五軸聯動數控系統購買困難及加工自由曲面時插補算法復雜等問題，選擇以四軸聯動數控系統配合運動控制算法實現非球曲面2的連續進動拋光，數控系統類型為X、1、z、A-B，其中前四軸為聯動軸，xyz軸的進給運動仍用于跟蹤非球曲面拋光點的法線變化，而連續進動控制則通過A軸7單獨旋轉配合運動控制算法實現。本發明的主要實施步驟為:I)選擇氣囊連續進動拋光作為加工方式，并以氣囊球心14為原點進行空間坐標系建立的步驟；以氣囊球心14為原點建立空間坐標系Oxyz如圖3中所示，則氣囊工具A軸7旋轉的實質就是氣囊自轉軸11 (OP)繞Z坐標軸進行旋轉。當氣囊自轉軸11與Z軸負方向呈一定角度時，氣囊工具A軸7的旋轉下氣囊自轉軸11的空間運動軌跡為與z軸負方向夾角不變的圓錐面如圖5所示。在圖5中，標記M為氣囊自轉軸繞A軸旋轉形成的圓錐面。2)根據非球曲面2方程，確定氣囊自轉軸11與豎直方向夾角Rou的范圍的步驟；氣囊拋光系統選擇的數控類型為x、y、z、A-B，其中前四軸為聯動軸，因此要完成非球曲面2的連續進動拋光進動角的控制，只能通過A軸7的旋轉來保持拋光過程中進動角不變。氣囊進動拋光加工中對拋光進動角的范圍有一定的要求，而在A軸7旋轉下，氣囊自轉軸11的空間運動軌跡為與z軸負方向夾角不變的圓錐面，對于不同的氣囊自轉軸11與z軸負方向夾角Rou值(圖5所示)，氣囊工具A軸7的旋轉可以得到不同的氣囊自轉軸空間運動軌跡圓錐面，因此可以通過改變Rou的值求解不同圓錐面與非球曲面2上加工點的所能達到的最小進動角值，而后根據加工中適用的進動角范圍來確定氣囊自轉軸11與豎直方向夾角值Rou的范圍。圖6給出本發明實施例的氣囊自轉軸11與豎直方向夾角范圍的確定流程圖。該方法的核心思想為:氣囊自轉軸11與豎直方向夾角Rou從0° 45°變化時，計算每個角度與豎直方向坐標軸形成的圓錐面與所有非球曲面2上加工點的法線能夠達到的最小進動角。圖7給出本發明實施例的理論上能夠實現的最小連續進動拋光角度圖。在實際加工實驗中，進動角度為20° 25。時氣囊拋光光學元件的效果最佳，因此根據該結論結合圖7可得，非球曲面2四軸聯動氣囊拋光中，氣囊自轉軸11與豎直方向夾角Rou取值范圍為20° 25°。3)根據氣囊自轉軸11與豎直方向夾角Rou的范圍來確定對應適用的進動角范圍的步驟；非球曲面2四軸聯動氣囊拋光控制中，氣囊自轉軸11與豎直方向夾角Rou的范圍確定之后，即可根據Rou的范圍來求對應適用的進動角范圍。進動角范圍確定方法如下:令氣囊自轉軸11與豎直方向夾角Rou從20° 25°進行變化，求出每個Rou值對應氣囊自轉軸11空間軌跡圓錐面與所有加工點法線呈一定進動角時的仿真進動角與實際進動角的最小誤差值，而后根據最小誤差值的大小進行進動角范圍確定。圖8給出本發明實施例的氣囊自轉軸11與豎直方向夾角Rou值在不同進動角下的仿真進動角與實際進動角的最小誤差值圖。由圖8可以看出，Rou取值20° 22.5°時，仿真進動角與實際進動角的最小誤差值Λ P隨進動角P (P大于等于23° )的增大而減小；Rou取22.5° 25。時，進動角在22° 25° (P等于22°的最后一點除外)范圍內仿真進動角與實際進動角的最小誤差值都小于0.5°。4)根據加工點偏移控制算法實現對氣囊I連續進動拋光非球曲面2過程中進動角的控制的步驟，從而實現非球曲面的四軸聯動連續進動拋光。圖9給出本發明實施例的進動角的矯正控制算法流程圖。算法的核心思想是，利用迭代法使得加工點的位置產生微量偏移(一 0.1 0.1mm范圍內)，并求解氣囊自轉軸11與ζ軸負方向夾角為Rou時氣囊工具A軸7旋轉形成的氣囊自轉軸11空間軌跡圓錐面上的所有母線(即拋光過程中氣囊自轉軸11所有可能達到的空間位置)與加工點附近小范圍內所有點的法線中夾角最接近所設置的進動角的加工點位置以及其對應的氣囊自轉軸11位置，從而實現對非球曲面2拋光過程中進動角的控制，使得非球曲面2在整面加工中保持進動角基本一致。利用MATLAB軟件對本發明中的非球曲面2進行氣囊四軸聯動拋光仿真，其中氣囊自轉軸11與ζ軸負方向夾角為Rou=22.5°，進動角P =23°，應用該算法前后仿真進動角值與實際進動角之間的誤差如圖10和11所示。圖10為本發明實施例的應用控制算法前的仿真進動角與實際進動角誤差值圖，圖11為本發明實施例的應用控制算法后的仿真進動角與實際進動角誤差值圖。根據圖10和11的對比結果可以看出，利用加工點偏移控制算法對非球曲面2氣囊拋光過程中進動角進行控制后，拋光過程中仿真進動角與實際進動角誤差值從原來的
0.1°級降低到0.01°級，使得所有點的拋光過程進動角度基本保持不變，達到非球曲面2氣囊拋光連續進動拋光要求。圖12給出本發明實施例的非球曲面2上理論加工點坐標和實際加工點坐標在X和y方向上的偏差圖。由圖12可以看出，通過控制算法的調節，在實際加工中加工點出現了微量偏移，但是偏移量小，基本接近于理論上的加工點，再結合圖11可知通過加工點的偏移可以實現非球曲面2的四軸聯動連續進動拋光。如上所述，本發明的非球曲面2四軸聯動的氣囊拋光控制算法具有高精度及可行性，克服了五軸聯動方式加工非球曲面2時，空間運動插補過程復雜，容易降低非球曲面2的加工精度及效率的缺點。另外，本發明并不僅限于上述的實施形式，自然可在不脫離本發明的主旨的范圍內進行各種變更。
權利要求
1.一種四軸聯動的氣囊拋光運動控制方法，其特征在于包括以下步驟: 1)I個選擇氣囊連續進動拋光作為加工方式，并以氣囊球心為原點進行空間坐標系建立的步驟； 2)I個根據曲面方程，確定氣囊自轉軸與豎直方向夾角Rou的范圍的步驟； 3)1個根據氣囊自轉軸與豎直方向夾角Rou的范圍來確定對應適用的進動角范圍的步驟； 4)1個根據加工點偏移控制算法實現對氣囊連續進動拋光非球曲面過程中進動角的控制的步驟，從而實現非球曲面的四軸聯動連續進動拋光。
全文摘要
一種四軸聯動的氣囊拋光運動控制方法，涉及一種氣囊拋光。1個選擇氣囊連續進動拋光作為加工方式，并以氣囊球心為原點進行空間坐標系建立的步驟；1個根據曲面方程，確定氣囊自轉軸與豎直方向夾角Rou的范圍的步驟；1個根據氣囊自轉軸與豎直方向夾角Rou的范圍來確定對應適用的進動角范圍的步驟；1個根據加工點偏移控制算法實現對氣囊連續進動拋光非球曲面過程中進動角的控制的步驟，從而實現非球曲面的四軸聯動連續進動拋光。在不改變三直線軸實現進給運動的條件下，利用單旋轉軸配合控制算法實現氣囊工具的連續進動運動，從而實現光學元件四軸聯動的氣囊拋光?？梢钥朔臻g運動插補過程復雜的缺點，提高非球曲面的加工精度及效率。
文檔編號B24B51/00GK103100975SQ20131004168
公開日2013年5月15日 申請日期2013年2月1日 優先權日2013年2月1日
發明者王振忠, 謝銀輝, 潘日, 郭隱彪, 王詹帥 申請人:廈門大學