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基于多轴微动工具系统的曲面抛光理论与技术研究

陈涵  
【摘要】:制造业是国民经济的主体,是立国之本、兴国之器、强国之基。随着《中国制造2025》计划的提出,国防、航天航空、生物医药、光学机械等军用和民用领域对自由曲面零件的需求越来越大。因此,自由曲面如何以高精度、高效率被制造出来一直是国内外研究机构研究的重点。抛光被认为是提高自由曲面表面质量最有效的方法之一。在抛光过程中,由于大部分CCOS抛光设备主要是通过改变驻留时间来实现磨抛去除,其不可避免的存在着效率较低等缺点。本文主要针对光学曲面确定性抛光工艺中抛光效率较低、精度较差等问题,提出了一种实时控制接触压力的抛光方式。1.本文首先确定了抛光压力、主轴旋转速度、驻留时间三者对去除深度影响的权重。为了分析上述三种影响因素对切削深度的影响,设计了_(12)(6~1×4~2)正交试验表。在加工过程当中,测量出在不同加工时间、不同的切削力和不同主轴转速下的切削深度。将处理后的数据完善至正交试验表并得到结论:以切削深度的最大值和平均值作为评价标准,最主要的影响因素是驻留时间、其次是抛光力、最后是主轴的旋转速度。2.在得出结论后,基于Preston方程建立定点抛光的去除模型。根据Herz接触理论等接触力学知识分析了压力分布情况;根据抛光头与工件曲面接触时的位置和姿态,对位于抛光接触区域中各点进行速度分析,并根据压力分布和速度分布建立了工具头沿着不同轨迹抛光的材料去除模型。3.为了实现工具系统的力控制,本文在工作站上利用Simulink实时工具箱搭建了传统PID的力控制程序和基于模糊神经网络PID(FNN-PID)的力控制程序,随后应用控制程序进行了抛光力控制对比实验。输入信号为恒力信号的控制实验、输入信号为阶梯力信号的控制实验、输入信号为正弦形状力信号的控制实验皆表明:相对于传统PID控制策略来讲,模糊神经网络PID控制策略具有滞后较小、反应较快、回调较快等优点。4.最后利用实验室开发的多轴微动工具系统进行实验。首先基于多轴微动工具系统设计了螺旋线抛光轨迹,在保证恒定进给速度,即恒定抛光时间的条件下,通过实时控制抛光力的方式实现确定性的材料去除。在实验过程中,机床被用来夹紧工件,通过移动机床的X轴、Y轴和Z轴实现工件的移动。工具系统中的主杆用来控制抛光压力的大小、其余三杆控制工具头的抛光路径,使其按照既定轨迹进行运动。实验结果较好地验证了方法的可行性。


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