【摘 要】
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光学元件广泛应用于空间光学、航空航天、激光聚变、生物医疗等各个领域当中,但是超精密光学元件的加工始终是个难题。抛光作为加工超精密光学元件的最后一道工序,其加工设备及技术手段对面型精度的高低至关重要。传统CNC数控机床由于价格昂贵,难以实现光学加工的大规模应用,随着工业机器人技术的迅猛发展,机器人以其高自由度的性能进军光学制造行业。为满足光学元件高精度、高效率的加工要求,将新型气囊抛光技术与工业机器
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光学元件广泛应用于空间光学、航空航天、激光聚变、生物医疗等各个领域当中,但是超精密光学元件的加工始终是个难题。抛光作为加工超精密光学元件的最后一道工序,其加工设备及技术手段对面型精度的高低至关重要。传统CNC数控机床由于价格昂贵,难以实现光学加工的大规模应用,随着工业机器人技术的迅猛发展,机器人以其高自由度的性能进军光学制造行业。为满足光学元件高精度、高效率的加工要求,将新型气囊抛光技术与工业机器人相结合,开发一套机器人光学元件气囊抛光系统是当前的重要研究方向。论文首先分析了气囊抛光技术及其基本理论,包括气囊抛光材料去除模型的Preston理论、气囊抛光运动方式、气囊抛光接触区以及加工流程等,然后完成了机器人光学元件气囊抛光系统的搭建,该系统主要由工业机器人及控制柜、计算机、气囊抛光工具、工件转台、供气及真空控制系统、磨料循环系统等组成,其中重点介绍了供气及真空控制系统以及旋转工作台的设计方案,并在原有动密封式气囊抛光工具的基础上设计了弥补缺陷的拉杆式气囊抛光工具,最后对抛光工艺软件进行了简单介绍,并说明该工艺软件的应用优势。然后分析机器人光学元件气囊抛光控制模型。以机器人气囊抛光系统中的基坐标系、法兰坐标系、工具坐标系、工件坐标系等四个坐标系为基准,并在气囊抛光工具与工件的数学关系基础之上,提出一种机器人能够实现的面型位姿求解算法,并论述了机器人实现控制的运动学求解过程。最后以提出的面型位姿求解算法,针对确定的非球面元件进行计算,实现了整个面型上所有点位的姿态控制,并转换成机器人代码进行了实际验证。其次对机器人气囊抛光工具及工件坐标系的标定方法进行了探讨。在对机器人传统工具坐标系的TCP位置标定及TCF姿态标定进行了详细分析之后,以此为基础并结合气囊抛光工具的实际应用情况,提出一种新型的气囊抛光工具参数标定方法,最终进行试验并与传统3点法标定进行对比,结果证明该方法优于传统方法的标定精度。在气囊抛光工具的参数标定完成之后,以机器人系统内置方法完成工件坐标系的建立,以满足实际加工要求。最后对全口径为?120mm球面镜进行了加工实验。实验设备采用搭建的机器人气囊抛光系统,采用自制直径为60mm的球冠形气囊头进行抛光实验。加工工艺过程分为粗抛、精抛、修型三个阶段,整个实验总共历时约7小时,材料去除量约15?m,面型精度从PV值4.132?及RMS值1.039?收敛至0.506?及0.159?。实验结果表明球面镜面型收敛明显,证明机器人气囊抛光是一种有效的光学加工技术手段。
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