【摘 要】
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21世纪,随着人类对宇宙探索的渴求越发迫切,在航空航天及激光雷达等领域对光学仪器的性能逐渐提高。小型、简单的光学成像系统已经不足以满足人类的观测需求及成像需要,在此形势下,大口径光学成像系统的优势逐渐凸显。光学领域在物理学科的领导下逐渐走进人类视线,由于各国在光学工业市场的竞争越发激烈,对光学镜面的口径、轻量化程度、加工精度、生产效率和生产成本等方面都发出了新的挑战。在大口径光学成像系统的研究中,
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【基金项目】
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“机器人光学球面轮式抛光末端执行器研究”来源于陕西省重点研发计划项目“智能光学研抛机器人末端执行器关键技术研究”(项目编号:2018ZDXM-GY-105);
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21世纪,随着人类对宇宙探索的渴求越发迫切,在航空航天及激光雷达等领域对光学仪器的性能逐渐提高。小型、简单的光学成像系统已经不足以满足人类的观测需求及成像需要,在此形势下,大口径光学成像系统的优势逐渐凸显。光学领域在物理学科的领导下逐渐走进人类视线,由于各国在光学工业市场的竞争越发激烈,对光学镜面的口径、轻量化程度、加工精度、生产效率和生产成本等方面都发出了新的挑战。在大口径光学成像系统的研究中,大口径光学元件的加工工艺一直作为研究的重点被国内外各大机构探索。抛光作为光学元件进入纳米级的重要加工阶段,一直是国内外从事超精密光学加工制造领域的研究热点和重点。由于传统的手工抛光已经无法满足当代对光学镜面的加工要求,自上世纪70年代开始,计算机逐渐成为科学研究与数据计算的主要设备,出现了以计算机控制光学表面成型(CCOS)技术为代表的确定性抛光技术。目前的确定性抛光技术大致包括CCOS小磨头技术、应力盘抛光(SLP)技术、磁流变抛光(MRF)技术和离子束成型(IBF)技术等,在实际应用上,其均有各自优劣势。由于工业机器人具有工作空间大、成本低、灵活性高、占地面积小、协同性强等优势,对于提高生产效率及降低人工操作要求具有良好的效果,在进行大规模与批量化生产时起到积极作用。随着工业机器人技术逐渐走向成熟,定位精度、承载能力、运动速度等性能均有了大幅度提升,以工业机器人作为载体的加工工艺受到了广泛应用。近几年随着工业机器人的发展,国内外也逐步开展了以工业机器人为载体搭载抛光末端结构的研究,并取得了相应的研究成果。目前的CCOS抛光技术中使用的抛光工具普遍为平转式、行星式抛光结构,但由于此类结构研抛盘半径与工件曲率半径之间的矛盾限制了抛光的效率,并且去除函数存在一定缺陷,会在抛光过程中产生边缘效应,造成被抛光工件“塌边”或者“翘边”。针对边缘效应的发生,球面轮式抛光结构诞生并逐渐呈现优势,其与光学镜面接触可使去除函数呈现“高斯型”分布的特点使其受到广泛关注。由于球形抛光结构目前在国内外的研究时间不长,正处于实验阶段,在光学元件的抛光过程中还没有得到广泛使用,现有的球形抛光结构对抛光压力的控制研究欠缺,使抛光路径上分布的压力分布函数不够稳定,并且现有的球面轮式抛光结构普遍为绕单轴自转,在双轴公自转结合运动方向上的研究较为少见。本课题以光学加工过程中对于球面轮式抛光末端执行器的需求为出发点,结合当前航空航天等领域对大口径光学加工高精度、高产能、集成化发展的迫切需求,集机械、电子、光学、计算机控制为一体,目标为研制一款能够提供稳定抛光压力,并且能够实现规定设计输入参数,满足现代光学加工智能化抛光要求的球面轮式抛光末端执行器。论文通过七个章节对课题进行了背景介绍、理论依据、整机结构设计、结构强度校核、有限元仿真、机器人运动轨迹规划和抛光加工实验等方面的详细介绍阐述。为提升抛光精度及实现高斯型去除函数,本论文研究目标是依据确定性CCOS抛光理论及优化后的去除函数,设计一种适合安装在六自由度机器人上、结构体积小、重量轻、具有公自转速比可调、整体模块化的球形抛光工具,并对末端执行器结构中的关键零件进了有限元分析,完成工艺优化参数,最终通过定点抛光实验与整面镜片抛光实验验证结构合理性。通过对?15mmm的平面镜进行定点研抛及对?600mm的二次非球面镜进行整面抛光实验,验证了本课题所设计的球面轮式抛光末端执行器具有良好的定点修型与镜面抛光能力,满足了设计目标,得到了较好的加工结果。本课题旨在为超精密光学抛光装备技术的发展进行有益的技术研究,促进大口径光学元件加工与工业机器人结合的智能光学加工新型格局,并为光学加工领域高端装备产业化奠定基础。
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