超精密研拋機床設計

1、收稿日期：２０１２－０１－３１基金項目：吉林省科技發(fā)展計劃基金資助項目（２００８０３５２）作者簡介：李迎春（１９８４－），女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學助理實驗師，碩士，主要從事光學自由曲面超精密研拋加工技術及切削加工技術方向研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｕｎ０４２３０５２５＠１２６ｃｏｍ＊聯系人：林潔瓊（１９６９－），女，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學教授，博士，主要從事光學自由曲面及模具高效精密研拋加工技術、難加工材料光學自由曲面超精

2、密切削加工技術、微納精密驅動技術方向研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｎｊｉｅｑｉｏｎｇ＠ｍａｉｌｃｃｕｔｅｄｕｃｎ第３３卷第３期長春工業(yè)大學學報（自然科學版）Ｖｏｌ３３Ｎｏ３２０１２年０６月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｊｕｎ２０１２超精密研拋機床設計李迎春，林潔瓊＊，王磊，劉建華（長春工業(yè)大學機電工程學院，吉林長春１３００１２）摘要：采用一種新的復

3、雜光學曲面研拋方法，設計了一種可以實現研拋工具與工件之間相對位姿主動調整，并能高效、低成本加工創(chuàng)成非球面及自由曲面零件的超精密研拋機床。通過有限元分析軟件ＡＮＳＹＳ對機床進行了靜力分析和模態(tài)分析，驗證了所設計的機床結構合理。關鍵詞：研拋機床；復雜光學曲面；氣浮轉臺；精密擺臺中圖分類號：ＴＨ１６４文獻標志碼：Ａ文章編號：１６７４－１３７４（２０１２）０３－０２９２－０６Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｎｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｍａｃ

4、ｈｉｎｅＬＩＹｉｎｇ－ｃｈｕｎ，ＬＩＮＪｉｅ－ｑｉｏｎｇ＊，ＷＡＮＧＬｅｉ，ＬＩＵＪｉａｎ－ｈｕａ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈａｎｅｗｐｏｌｉｓｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｏｐｔｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅｓ，ａｎｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇ

5、ｍａｃｈｉｎｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄＩｔｃａｎａｄｊｕｓｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｓｉｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｔｏｏｌａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅ，ａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｅｗｔｈｅｎｏｎ－ｓｐｈｅｒｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅａｎｄｆｒｅｅｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｗｃｏｓｔＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｈｒｏｕｇｈｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ

6、ａｎｄｍｏｄａｌａｎａｌｙｓｉｓｂｙｍｅａｎｓｏｆＡＮＳＹＳａｎａｌｙｓｉｓＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｉｓｈｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；ｃｏｍｐｌｅｘｏｐｔｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅ；ａｉｒ－ｂｅａｒｉｎｇｒｏｔａｒｙｓｔａｇｅ；ｐｒｅｃｉｓｅｓｗｉｎｇｓｔａｇｅ０引言復雜光學曲面涉及非球面和自由曲面等光學曲面，具有十分突出的優(yōu)越性，不僅在航天航空和國防等領域中有著重要的應用，而且在其它面向消費者的工業(yè)領域也將日益受到關注，它既可用于成像光學，也可

7、用于非成像光學［１－３］。在先進光學系統中能否成功地利用非球面及自由曲面光學零件，其關鍵還在于能否實現非球面及自由曲面零件的高效、高精密、低成本的加工創(chuàng)成。利用研拋工具的亞口徑機械式研拋是目前加工創(chuàng)成復雜光學曲面主要方法，但無論是在創(chuàng)成原理還是在加工裝置上，都存在著難以逾越的固有缺陷。目前，許多研究主要是針對回轉對稱非球面光學零件的加工技術及裝備［４－５］。對于有復雜幾何特征的光學曲面，研拋去除量總是非均勻變化的，這使得研拋工具與被加工

8、工件之間的變形不一致，難以獲得均勻一致的面形精度；研拋工具去除工件材料所形成的加工表面殘高也總是非均勻變化的，因而難以獲得均勻一致的加工表面圖３氣浮轉臺和擺臺的整體裝配圖將氣浮轉臺和擺臺再裝配到機床本體上，得到所設計的超精密研拋機床整體裝配如圖４所示。１機床本體；２橫梁Ｘ軸；３Ｚ軸；４電主軸；５研拋工具；６機床Ｙ軸；７精密擺動臺；８氣浮轉臺圖４超精密研拋機床總體裝配２機床關鍵部件及床身的有限元分析２１精密氣浮轉臺的結構靜力分析將氣浮轉臺

9、三維圖形導入ＡＮＳＹＳ中，網格單元類型選擇Ｔｅｔ１０ｎｏｄｅ９２。氣浮轉臺的網格劃分如圖５所示。圖５氣浮轉臺網格劃分設定氣浮平臺內部最大壓強為３８０９８５Ｐａ，則氣浮面的極限支撐力為１０５７２３８Ｎ。邊界條件設為限制底面的３個自由度，并對頂面施加方向豎直向下的極限均布載荷１０５７２３８Ｎ。最后算出的結構變形圖如圖６所示。圖６氣浮轉臺結構變形圖由圖６可知，氣浮轉臺的最大變形量為４１８１０－５ｍｍ，遠小于超精密機床的技術指標要求。所設計的氣

10、浮轉臺剛度完全可以保證精密加工時的精度要求。２２精密氣浮擺臺的結構靜力分析２２１有限元模型的建立在ＣＡＴＩＡ中建立幾何模型，然后導入ＡＮＳＹＳ，單元類型選擇ＳＯＬＩＤ１８６，材料模型定義參數：ＥＸ為７０Ｅ１０，ＰＲＥＸ為０３，ＤＥＮＳ為２８５Ｅ３，對模型劃分網格。劃分網格后的模型如圖７所示。圖７精密擺臺網格圖２２２加載及求解邊界條件設為限制底面位移的３個自由度，并對頂面施加方向豎直向下的極限均布載荷，運行Ｓｏｌｕｔｉｏｎ中的Ｓｏｌｖｅ命