【摘 要】
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光学复杂曲面相对于其他普通光学曲面具有优越的光学特性,被广泛应用于天文、航天等高精尖的领域,但是其无法用数学模型去描述的几何特征和难加工的材料性能给光学复杂曲面的加工带来了严峻的考验。以提高光学复杂曲面加工质量和效率为目的,实验室开发了五轴超声抛光实验平台。在数控机床加工过程中,机床几何误差的存在影响着加工过程刀具的姿态和位置,影响加工精度。为了进一步提高五轴超声抛光实验平台的加工精度,本文应用旋
【基金项目】
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国家自然科学基金联合基金项目《光学复杂曲面多维超声超精抛光新原理》（项目编号:No.U1508206）起止年月:2016年6月-2017年12月；
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光学复杂曲面相对于其他普通光学曲面具有优越的光学特性,被广泛应用于天文、航天等高精尖的领域,但是其无法用数学模型去描述的几何特征和难加工的材料性能给光学复杂曲面的加工带来了严峻的考验。以提高光学复杂曲面加工质量和效率为目的,实验室开发了五轴超声抛光实验平台。在数控机床加工过程中,机床几何误差的存在影响着加工过程刀具的姿态和位置,影响加工精度。为了进一步提高五轴超声抛光实验平台的加工精度,本文应用旋量理论建立实验平台的运动学模型,采用多体系统理论建立实验平台几何误差模型,并提出了一种有效的几何误差补偿方法。（1）在分析了常见五轴机床的运动形式和运动链的基础上,以旋量理论作为数学理论,基于全局坐标系建立了五轴数控机床通用的运动学正反解模型。以五轴超声抛光实验平台为例,对超声抛光实验平台进行运动链分析,建立了其运动学正反解模型。（2）以多体系统理论为理论基础,将超声抛光实验平台的各个运动部件抽象成相邻的典型体,分析了各个运动部件存在的几何误差,把存在的误差当做一种运动,考虑体与体之间理想情况和实际情况下的相对静止和相对运动,建立了实际情况下刀具相对于工件坐标系的实际运动模型,结合第二章的运动学模型,建立了超声抛光机床在工件坐标系下的几何误差模型。（3）在已建立的五轴超声抛光实验平台的运动学模型和几何误差模型的基础上,提出了一种补偿的方法,先对转动轴进行误差的补偿,然后再对平动轴进行补偿。解决补偿转动轴的误差会改变刀具的位置引起新的位置误差的问题。（4）开发了一套几何误差补偿计算的程序,依靠MATLAB软件强大的数据处理能力,减轻在计算超声抛光实验平台的几何误差和补偿过程中的计算量,能够有效计算几何误差和生成补偿后的刀位数据文件,并给出几何误差补偿前后的误差曲线图像,补偿效果可以通过图像直观地表达出来。（5）依据超声抛光实验平台的实际尺寸,在SolidWorks软件中建立实验平台的三维模型。在Pro/E软件中设计光学零件,仿真加工经后处理生成加工的刀位数据文件。在Vericut软件环境中导入已建立的超声抛光实验平台的三维模型、待加工毛坯件和相关夹具,设置相关运动参数,添加存在几何误差和经过误差补偿后的两种工件的刀位数据文件进行数控模拟仿真加工。在Vericut软件环境中,利用软件的模型对比功能,分析了两种加工状态下的过切和残留情况,验证了补偿方法的有效性。
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