專利名稱：：采用主動(dòng)壓力拋光盤磨制非球面光學(xué)鏡面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光學(xué)磨鏡機(jī)，特別是采用主動(dòng)壓力拋光盤磨制非球面光學(xué)鏡面的方法，屬于光學(xué)機(jī)械、自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)代天文科學(xué)的發(fā)展要求天文學(xué)家可以精確地確定天體的位置，并探測(cè)越來越遙遠(yuǎn)的天體，增大天文望遠(yuǎn)鏡的口徑、提高望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的最有效的辦法之一，因此磨制大口徑、高精度的天文光學(xué)鏡面是擺在天文光學(xué)工藝專家的重要課題。傳統(tǒng)的鏡面拋光就需要一個(gè)金屬做的拋光盤，拋光盤與光學(xué)鏡面相貼合，當(dāng)磨鏡機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)拋光盤與鏡面產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，若鏡面與拋光盤中間添加研磨劑，通過一定時(shí)間的研磨，光學(xué)鏡面的面形就完全與拋光盤貼合，因?yàn)榧庸さ膾伖獗P是圓的一部分，生成球面面形，通過拋光可以得到高精度的球面面形，這個(gè)過程稱為球面拋光，而在加工大口徑非球面鏡面時(shí)就發(fā)生了困難，因?yàn)椴豢赡芗庸こ鼍群兔嫘闻c光學(xué)鏡面完全相同的非球面金屬盤，傳統(tǒng)的方法是仍采用球面的拋光盤，依靠人工修整拋光盤來控制加工精度，加工進(jìn)度和精度直接依賴于人的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，加工周期長，精度無法保證。世界各國的光學(xué)工藝專家都在探索解決大口徑光學(xué)鏡面的加工方法，主動(dòng)壓力拋光是一種新技術(shù)，它主要解決大口徑非球面光學(xué)鏡面加工的周期和精度，在加工過程中，根據(jù)拋光盤在鏡面的位置和角度，主動(dòng)實(shí)時(shí)地將拋光盤變形為鏡面上相應(yīng)部分的非求面，使拋光盤的面形總是與所需要的鏡面面形相一致，于是可以用磨制球面鏡的方法來加工大口徑高精度的非球面天文鏡面，這種技術(shù)稱為主動(dòng)壓力拋光。經(jīng)典的磨制鏡面時(shí)使用的拋光拋光盤較輕，因此拋光盤對(duì)鏡面的加壓相對(duì)比較容易，通常只要在拋光盤上加一個(gè)一定重量的重物，使拋光盤對(duì)光學(xué)鏡面有一個(gè)壓力，這個(gè)壓力的大小由拋光盤的自重和附加重物的總和，增減附加重物的重量就可以調(diào)節(jié)對(duì)鏡面的壓力大小，就可以調(diào)節(jié)拋光盤對(duì)鏡面的壓力大小。在采用了主動(dòng)光學(xué)拋光盤以后，拋光盤本身自重較重，在加工過程中必須卸荷，并保持拋光盤對(duì)光學(xué)鏡面的壓力恒定。圖1是現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)磨鏡機(jī)中使用的一個(gè)主動(dòng)壓力拋光盤機(jī)械結(jié)構(gòu)，它有12個(gè)電機(jī)(力促動(dòng)器)，每三個(gè)電機(jī)組成一組加力組，一共有四個(gè)加力組，均勻地分布在金屬盤的四周，當(dāng)電機(jī)組根據(jù)要求加上不同的力，使金屬盤面變形，當(dāng)加力合適，就可以獲得所要求的面形，利用這種原理和結(jié)構(gòu)組成的專門用于光學(xué)加工時(shí)用作細(xì)磨和拋光工序的金屬模盤稱作主動(dòng)拋光盤。主動(dòng)壓力拋光盤自重壓在光學(xué)鏡面上的壓力太重，不能進(jìn)行光學(xué)拋光加工，有的光學(xué)磨鏡機(jī)床是另外加上一個(gè)平衡機(jī)構(gòu)，再對(duì)拋光盤(模)加一個(gè)恒定壓力，保證加工要求。我們?cè)O(shè)想，主動(dòng)壓力拋光盤的自重就是一個(gè)壓力源，采用一種簡(jiǎn)單的機(jī)械機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的控制方法，減輕主動(dòng)壓力拋光盤對(duì)鏡面的壓力(卸荷)，并保證加工過程中拋光盤對(duì)鏡面的壓力保持不變。由圖1可以看出，主動(dòng)壓力拋光盤是一個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，合理的機(jī)械設(shè)計(jì)，我們可以把它當(dāng)作一個(gè)平面剛體來考慮，其等效重心在主動(dòng)壓力拋光盤的垂直中心，其等效重量為G，作用于等效重心O點(diǎn)，這樣，若在主動(dòng)壓力拋光盤的等徑圓周上，均勻加上三個(gè)提升力P1、P2、P3(或加一個(gè)提升力P于主動(dòng)壓力拋光盤的重心O點(diǎn))，根據(jù)平面力系的平衡原理，則P1+P2+P3＝G，若P1＝P2＝P3，則可以證明P1＝P2＝P3＝1/3G＝G′，每一個(gè)提升力提升總重量的三分之一。上述主動(dòng)壓力拋光盤的提升力壓力控制器結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)人已另案申請(qǐng)專利。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的提供一種采用主動(dòng)壓力拋光盤磨制非球面光學(xué)鏡面的方法，運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制軟件控制主動(dòng)拋光盤的面形、壓力以及控制磨鏡機(jī)的各部分運(yùn)行，從而磨制出大口徑、高精度的非球面天文鏡面。本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的采用主動(dòng)壓力拋光盤磨制非球面光學(xué)鏡面的方法，含安裝在磨鏡機(jī)垂直轉(zhuǎn)軸上的磨頭及磨頭盤，磨頭及磨頭盤滑動(dòng)配合在磨鏡機(jī)橫梁導(dǎo)軌上，磨頭下設(shè)有主動(dòng)壓力拋光盤，與主動(dòng)壓力拋光盤相對(duì)的被加工光學(xué)鏡面置于旋轉(zhuǎn)的底盤工作臺(tái)上，在主動(dòng)壓力拋光盤上設(shè)有使拋光盤變形的12個(gè)力促動(dòng)器電機(jī)及三個(gè)提升點(diǎn)，提升點(diǎn)通過帶有絲桿的機(jī)械傳動(dòng)鏈聯(lián)接于壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端，壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在磨頭盤上，機(jī)械傳動(dòng)鏈中設(shè)置有重力傳感器，12個(gè)力促動(dòng)器電機(jī)連接有拉力傳感器，橫梁、拋光盤及底盤上設(shè)有位置傳感器，拋光盤側(cè)設(shè)有位移傳感器，其特征是由計(jì)算機(jī)讀取磨鏡機(jī)的橫梁、拋光盤、底盤的位置傳感器，獲得主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)，根據(jù)主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)，通過12個(gè)力促動(dòng)器拉緊鋼絲繩主動(dòng)實(shí)時(shí)加力、讀取重力傳感器通過機(jī)械傳動(dòng)鏈?zhǔn)┝θ齻€(gè)提升點(diǎn)；讀取位移傳感器并與理想面形比較，通過力促動(dòng)器修正誤差。上述采用主動(dòng)壓力拋光盤磨制非球面光學(xué)鏡面的方法編制了計(jì)算機(jī)控制程序，包括以下內(nèi)容(1)磨鏡工作流程以磨鏡機(jī)和主動(dòng)拋光盤為控制對(duì)象，首先通過對(duì)話框進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，磨鏡工作之前，需要設(shè)定橫梁左右限位的數(shù)值、橫梁轉(zhuǎn)速、橫梁往返限次運(yùn)動(dòng)時(shí)的次數(shù)、拋光盤的速度、拋光盤往返運(yùn)動(dòng)時(shí)的次數(shù)、拋光盤往返運(yùn)動(dòng)時(shí)左右限位的位置、底盤的速度，橫梁、底盤、拋光盤的工作方式，計(jì)算機(jī)讀磨鏡機(jī)的橫梁、拋光盤、底盤的位置傳感器，獲得主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)，如果橫梁位置到左(右)限位位置，計(jì)算機(jī)輸出指令，使橫梁反向，速度的大小保持不變，根據(jù)主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)，計(jì)算機(jī)查表，得到12個(gè)力促動(dòng)器各自應(yīng)加力的數(shù)值，計(jì)算機(jī)通光電隔離的接口卡，把數(shù)字信號(hào)輸出計(jì)算機(jī)，依次選通12個(gè)變形系統(tǒng)，使12個(gè)力促動(dòng)器精確加力，12個(gè)促動(dòng)器拉緊鋼絲繩，主動(dòng)拋光盤面型隨之改變，得到磨鏡需要的面型，計(jì)算機(jī)把當(dāng)前橫梁、底盤、拋光盤的工作狀態(tài)當(dāng)前速度、是否到限位、是否在轉(zhuǎn)向、計(jì)算機(jī)占用CPU的時(shí)間、主動(dòng)拋光盤變形情況，以文字顯示在界面的“工作狀態(tài)指示”欄中，其中以游標(biāo)形式動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前橫梁位置，主動(dòng)拋光盤部分預(yù)設(shè)參數(shù)是主動(dòng)拋光盤對(duì)鏡面的壓力，此壓力的大小控制了對(duì)鏡面磨削量的大小，程序?qū)γ恳豁?xiàng)均設(shè)有默認(rèn)值，磨鏡工作結(jié)束，輸入提升高度值，主動(dòng)拋光盤的提升機(jī)構(gòu)把主動(dòng)拋光盤拉起到指定高度，拋光盤與鏡面分離；(2)定標(biāo)及面型檢驗(yàn)流程以主動(dòng)拋光盤和位移傳感器LVDT為控制對(duì)象，定標(biāo)就是求剛度矩陣，剛度矩陣是12個(gè)力促動(dòng)器的加力值與拋光盤面型變化量的變換矩陣，剛度矩陣由實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，程序首先進(jìn)行初始化，測(cè)量次數(shù)No＝1，為了保證求得的剛度矩陣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，測(cè)量要重復(fù)12次，最后結(jié)果進(jìn)行均方根平均，促動(dòng)器號(hào)N＝1，即從1#促動(dòng)器開始依次加力，I＝0，即從90牛頓開始加力，計(jì)算機(jī)向主動(dòng)拋光盤發(fā)出指令每個(gè)力促動(dòng)器加力210牛頓，然后計(jì)算機(jī)讀微位移傳感器LVDT測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，把此數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)面型，下面測(cè)到的數(shù)據(jù)都要減掉基準(zhǔn)面型值，才是拋光盤的變形量，計(jì)算機(jī)控制1號(hào)力促動(dòng)器產(chǎn)生預(yù)定拉力，其余促動(dòng)器保持基準(zhǔn)拉力，計(jì)算機(jī)讀微位移傳感器LVDT測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，然后此數(shù)據(jù)減掉基準(zhǔn)面型值，得到拋光盤的變形量，把此值保存到計(jì)算機(jī)，然后1號(hào)促動(dòng)器再加6牛頓，以同樣方式得到數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，直到加力值達(dá)到210牛頓，然后進(jìn)行第2號(hào)力促動(dòng)器的加力、測(cè)量面型，這樣依次進(jìn)行12個(gè)促動(dòng)器變形、測(cè)量，從而第1次的測(cè)量完成，重復(fù)上面的步驟，進(jìn)行12次，然后把12次得到的數(shù)據(jù)平均，即為最后測(cè)量結(jié)果，調(diào)用數(shù)學(xué)分析計(jì)算程序，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平移、傾斜消差，然后計(jì)算出剛度矩陣K，利用K和理想面型值，求出加力表，定標(biāo)的工作結(jié)束。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果主動(dòng)拋光盤計(jì)算機(jī)控制軟件是通過控制主動(dòng)拋光盤的面形、壓力以及控制磨鏡機(jī)的運(yùn)行，從而磨制出大口徑、高精度的非球面天文鏡面。在拋光過程中，主動(dòng)拋光盤各部分對(duì)鏡面的局部壓力分布，可以根據(jù)拋光盤與鏡面的相對(duì)位置由計(jì)算機(jī)主動(dòng)調(diào)節(jié)。而且根據(jù)光學(xué)加工的要求，主動(dòng)拋光盤的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、工作區(qū)間、對(duì)鏡面的壓力均可通過計(jì)算機(jī)隨時(shí)修改。主動(dòng)拋光盤的采用，大大提高了大型非球面鏡面加工的效率。與傳統(tǒng)的小工具磨制非球面相比，主動(dòng)拋光盤磨制鏡面可以避免切帶，且效率更高。本軟件把光學(xué)加工專家的多年經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和發(fā)展，在加工過程中，遵循他們的某些光學(xué)加工經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，自動(dòng)控制磨鏡機(jī)及拋光盤的各種動(dòng)作，與此同時(shí)，又允許磨鏡技術(shù)人員自由修改各種參數(shù)、選擇工作方式，從而讓他們能完全的、按自己的要求控制磨鏡的過程?；赪indows的工控軟件，擁有友好的人機(jī)界面，易學(xué)好用。從而能夠順利推廣高精度、大口徑天文鏡面磨制技術(shù)。使用此軟件控制的主動(dòng)拋光盤和磨鏡機(jī)，實(shí)驗(yàn)加工了一塊直徑為910mm、焦比為f/2的拋物面鏡面，經(jīng)過三個(gè)多月實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成拋光磨制，加工精度RMS≤1/30λ，已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。2003年12月25日，國家自然科學(xué)基金測(cè)試小組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出鏡面4個(gè)方向的PV值和RMS值，平均的RMS全口徑為0.05λ，全口徑的95％，RMS平均值為0.034λ。此軟件控制的主動(dòng)壓力拋光盤變形精度為RMS2.62u，誤差峰谷值為7.6u。優(yōu)于此課題立項(xiàng)時(shí)的指標(biāo)要求。此軟件控制的磨鏡機(jī)、主動(dòng)拋光盤各項(xiàng)動(dòng)作均達(dá)到要求。圖1是現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)磨鏡機(jī)中使用的一個(gè)主動(dòng)壓力拋光盤機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中主動(dòng)拋光盤的變形控制系統(tǒng)框圖；圖3是本發(fā)明中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明中計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各模塊的數(shù)據(jù)流示意圖；圖5是本發(fā)明中主動(dòng)拋光盤控制軟件模塊框圖；圖6是本發(fā)明中磨鏡工作程序流程圖；圖7是本發(fā)明中定標(biāo)程序流程圖。具體實(shí)施例方式一、軟件編程思想主動(dòng)拋光盤計(jì)算機(jī)控制軟件控制磨鏡機(jī)的運(yùn)動(dòng)，并通過磨鏡機(jī)的橫梁、拋光盤、底盤的位置傳感器(光電編碼器)，獲得主動(dòng)拋光盤相對(duì)于被磨制鏡面的坐標(biāo)，通過查表(lookuptable)，得到在當(dāng)前的位置，12組力促動(dòng)器應(yīng)該加的拉力，向12組力促動(dòng)器的控制電路輸出12位的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的控制各個(gè)促動(dòng)器電路工作的控制信號(hào)(均為+12V電平的開關(guān)量)。主動(dòng)、實(shí)時(shí)加力，使拋光盤變形為鏡面上相應(yīng)部分的理想的非球面，從而可以用磨制球面的方法來磨制高精度、大口徑的非球面的天文鏡面。其中建立lookuptable這樣一個(gè)數(shù)據(jù)表相當(dāng)重要。這要經(jīng)過定標(biāo)和生成look_uptable兩個(gè)過程。1、用最小二乘法求剛度矩陣(即定標(biāo))12個(gè)力促動(dòng)器依次加力，16個(gè)取樣點(diǎn)的位移傳感器LVDT得到16個(gè)LVDT的測(cè)量值(位移傳感器的變化量)，但是拋光盤的變形量與LVDT的測(cè)量值之間有一個(gè)平移、傾斜的關(guān)系。k110...0k210...0............k16,10...016×12×f10...012×1=u1u2...u1616×1]]>定標(biāo)時(shí)依次給12個(gè)電機(jī)加力，得到數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行矩陣計(jì)算，K16×12×F12×21＝U16×21，K＝U/F，從而得到[K]。2、用阻尼最小二乘法求變形力，生成look_uptable主動(dòng)拋光盤的工作是磨鏡機(jī)橫梁每10mm，拋光盤每5°，拋光盤變形一次，橫梁工作范圍是0～365mm，拋光盤工作范圍0～360°，所以在存在74×72＝5328個(gè)方程，U16×5328為鏡面的理想面型。用最小二乘法解超定方程K16×12×F12×5328＝U16×5328最小二乘解為F12×5328＝(KTK)-1KTU由于測(cè)量誤差等原因，所求出的變形力可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出促動(dòng)器的允許加力范圍(動(dòng)態(tài)范圍)，所以我們采樣阻尼最小二乘法，其解為F12×5328＝(KTK+PI)-1KTUI是單位矩陣，P是阻尼因子，選擇適當(dāng)?shù)腜，就可以得到加力允許范圍內(nèi)的解可以證明阻尼最小二乘法得到的解是n維變量空間中一初始點(diǎn)為中心，解點(diǎn)為表面點(diǎn)的n維橢球中的最優(yōu)解。阻尼最小二乘法是K.Levenberg1944年提出的算法在光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用，它可以有效的解決非線性和此類有誤差問題。當(dāng)然，這種算法運(yùn)算量極大，如果在磨鏡的工作中實(shí)時(shí)計(jì)算，將極大占用計(jì)算機(jī)的時(shí)間，影響計(jì)算機(jī)對(duì)磨鏡機(jī)和主動(dòng)拋光盤變形的實(shí)時(shí)控制。為此，計(jì)算機(jī)在工作之前進(jìn)行計(jì)算，并把結(jié)果生成一定格式的數(shù)據(jù)表格，在工作中查表控制拋光盤的面型。二、硬件環(huán)境主控計(jì)算機(jī)是一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)CPUPII450，主板PCA-6176L，底板PCA-6114P414槽ISA/PCI無源底板，機(jī)箱IPC-610，內(nèi)存256MSDRAM，硬盤QT8.4G工控機(jī)中插3塊接口卡工控機(jī)與磨鏡機(jī)的控制電路之間使用臺(tái)灣威達(dá)公司的光電隔離的I/O卡ISO-P32C32工控機(jī)與拋光盤變形、提升機(jī)構(gòu)的控制電路之間使用另一塊ISO-P32C32工控機(jī)與LVDT的面型檢測(cè)電路之間使用威達(dá)公司A-821PGLA/D卡三、軟件環(huán)境采用windows98操作系統(tǒng)，Windows是一個(gè)基于消息的非搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)?？刂栖浖捎肰isualC++6.0編寫。四、具體功能設(shè)計(jì)主動(dòng)拋光盤計(jì)算機(jī)控制軟件分為4個(gè)部分1、主界面主界面上方有主菜單，其中包括文件、工作、數(shù)據(jù)處理、幫助等子菜單，磨鏡工作的命令都在這些菜單下。為方便工作，程序設(shè)置了3個(gè)對(duì)話框界面磨鏡工作界面，系統(tǒng)檢測(cè)維護(hù)界面，定標(biāo)及面型檢驗(yàn)界面。背景是磨鏡機(jī)和拋光盤全貌。2、磨鏡工作模塊如3～5圖所示，子系統(tǒng)控制磨鏡機(jī)工作、拋光盤變形、拋光盤對(duì)鏡面的壓力。用戶可以根據(jù)磨鏡的工藝要求，在界面選擇磨鏡機(jī)三軸工作方式磨鏡機(jī)橫梁的運(yùn)動(dòng)方式(定位、往返無限次運(yùn)動(dòng)、往返限次運(yùn)動(dòng))、拋光盤的運(yùn)動(dòng)方式(定位、往返運(yùn)動(dòng)、單向無限次運(yùn)動(dòng)、單向限次運(yùn)動(dòng))、底盤的運(yùn)動(dòng)方式(定位、單向無限次運(yùn)動(dòng))。在界面的對(duì)話框中輸入各種參數(shù)橫梁左右限位的數(shù)值、橫梁轉(zhuǎn)速、橫梁往返限次運(yùn)動(dòng)時(shí)的次數(shù)、拋光盤的速度、拋光盤往返運(yùn)動(dòng)時(shí)的次數(shù)、拋光盤往返運(yùn)動(dòng)時(shí)左右限位的位置、底盤的速度等等。之所以設(shè)定如此之多的運(yùn)動(dòng)方式、參數(shù)設(shè)定，是為了最大限度上滿足磨鏡的要求、使磨鏡在工藝上更加方便，使我們能夠更隨心所欲的控制磨鏡過程。當(dāng)然，為了計(jì)算機(jī)操作人員的便利，程序?yàn)槊恳豁?xiàng)設(shè)置了默認(rèn)值，這是本課題的光學(xué)加工專家在長期的磨鏡過程中得出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣每次磨鏡，工作人員往往只需改動(dòng)幾個(gè)參數(shù)即可，提高了工作效率。本子系統(tǒng)在完全控制磨鏡機(jī)的同時(shí)，還控制主動(dòng)拋光盤的變形工作。程序根據(jù)拋光盤與鏡面的相對(duì)位置，查表求得12個(gè)促動(dòng)器各自應(yīng)加的力，使拋光盤變形。在“笑臉”按鈕按下，即“笑臉”笑時(shí)，此工作開始。否則，拋光盤不變形。本系統(tǒng)第三個(gè)重要功能就是控制主動(dòng)拋光盤對(duì)鏡面的壓力、控制主動(dòng)拋光盤的提升和下降。3個(gè)提升機(jī)構(gòu)的提升點(diǎn)間隔120°，這樣的機(jī)構(gòu)保證了盤面對(duì)鏡面的壓力一致。在磨鏡時(shí)，切換到壓力控制。在每天工作完畢后，再切換到位置控制，則拋光盤被提升到指定的位置，離開鏡面。3、統(tǒng)檢測(cè)維護(hù)模塊當(dāng)主動(dòng)拋光盤系統(tǒng)需要檢修時(shí)，使用此界面。對(duì)12個(gè)變形促動(dòng)器和3個(gè)提升促動(dòng)器可以分別單個(gè)加力，同時(shí)通過力傳感器測(cè)得實(shí)際加力數(shù)值。送出力的16進(jìn)制代碼顯示在屏幕上。通過對(duì)比拋光盤電路數(shù)據(jù)總線上測(cè)到的代碼，即可輕松判斷數(shù)據(jù)線是否正常?？筛鶕?jù)每個(gè)促動(dòng)器子系統(tǒng)傳給工控機(jī)的實(shí)際變形拉力，判斷該閉環(huán)子系統(tǒng)是否工作正常。4、定標(biāo)及面型檢驗(yàn)?zāi)K定標(biāo)的過程也就是求剛度矩陣的過程。剛度矩陣反映了12個(gè)電機(jī)的力與主動(dòng)拋光盤面型之間的關(guān)系。為了得到足夠精度的剛度矩陣K，定標(biāo)時(shí)依次給12個(gè)電機(jī)加力(90N～210N，每6牛頓一個(gè)90N96N102N...204N206N)以150N為中點(diǎn)。K16×12×F12×252＝U16×252，即試驗(yàn)次數(shù)90N、96N...204N、210N，共21次即N1＝N2＝...＝N12＝21次。21×12＝252次加力實(shí)驗(yàn)，每加一次力，測(cè)得反映拋光盤面型的16個(gè)LVDT數(shù)據(jù)，這樣一次定標(biāo)要處理252×16＝4032個(gè)數(shù)據(jù)。由前面的數(shù)學(xué)分析知這4032個(gè)數(shù)據(jù)還要經(jīng)過消X、Y方向平移、消傾斜的處理，數(shù)據(jù)才能用于計(jì)算K陣。為了驗(yàn)證求得的剛度矩陣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，定標(biāo)的工作會(huì)重復(fù)很多次，工作量相當(dāng)大。如果依靠手工測(cè)量，定標(biāo)一次將花1～2天時(shí)間中間還不能間斷，實(shí)驗(yàn)人員的體力精力將無法承受。而定標(biāo)子系統(tǒng)則在相當(dāng)程度上自動(dòng)完成上面大部分工作，程序每隔固定時(shí)間(1500ms)向每個(gè)力促動(dòng)器依次發(fā)出變形指令，變形穩(wěn)定后，LVDT采樣，計(jì)算機(jī)記錄面型變化。在完成原始數(shù)據(jù)采集后，子系統(tǒng)消平移、傾斜誤差，得到文件U.txt。歷時(shí)4小時(shí)自動(dòng)完成，排除了人為因素，保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)求得的剛度矩陣是否能夠真實(shí)反映拋光盤的特性，還必須經(jīng)過實(shí)際變形的檢驗(yàn)。面型檢驗(yàn)程序的作用就是把lookup中的力數(shù)據(jù)傳給主動(dòng)拋光盤的變形機(jī)構(gòu)，控制拋光盤變形。LVDT測(cè)出此時(shí)的面型變化，經(jīng)過消平移、傾斜誤差，與理想面型對(duì)比。工控機(jī)與LVDT的面型檢測(cè)電路之間使用威達(dá)公司A-821PGLA/D卡。使用的LVDT(差動(dòng)變壓器式的位移傳感器LinearVariableDifferentialTransformer)測(cè)量范圍0～±1mm，，靈敏度2500mv/mm，輸出電壓±2.5V，線性度0.5％，電源電壓±12V，尺寸Φ12×45mm。16個(gè)LVDT輸出的模擬量輸入計(jì)算機(jī)，通過16通道的A/D卡，A/D變換后，每通道得到12位的16進(jìn)制代碼，計(jì)算機(jī)再把代碼換算為拋光盤的變形量。同時(shí)計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出當(dāng)前的拋光盤的3維面型，操作人員可以放大、縮小、XYZ3軸旋轉(zhuǎn)、XYZ3軸平移等等，從各個(gè)角度觀察分析面型。五、計(jì)算機(jī)控制對(duì)象分析在磨制鏡面時(shí)，控制軟件以磨鏡機(jī)和主動(dòng)拋光盤為控制對(duì)象，在定標(biāo)和面型檢驗(yàn)時(shí)，控制軟件以主動(dòng)拋光盤和LVDT(差動(dòng)變壓器式的位移傳感器)為控制對(duì)象。主動(dòng)拋光盤的機(jī)械原理圖1。主動(dòng)拋光盤的直徑450mm，采用12個(gè)力促動(dòng)器，根據(jù)力學(xué)計(jì)算，對(duì)應(yīng)拋光盤直徑300mm內(nèi)±0.3mm的最大變形要求，每個(gè)力促動(dòng)器的最大的加力范圍±300N。(此處的300mm指有效直徑，即拋光盤鋁基板的邊緣在力促動(dòng)器加力后會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，故拋光盤最外圈不適合工作)力促動(dòng)器的加力精度＜0.5N，加力分辨率＜0.15N。主動(dòng)拋光盤的變形控制系統(tǒng)由12個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)的框圖見圖2。這12個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)接受計(jì)算機(jī)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，各自實(shí)時(shí)保持自己系統(tǒng)對(duì)鋁基板的拉力。主動(dòng)拋光盤在每一點(diǎn)的面型都是所有力促動(dòng)器的共同影響的結(jié)果。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的具體工作可以分為計(jì)算機(jī)接口電路、計(jì)算機(jī)軟件編程、計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理。主動(dòng)拋光盤計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際控制2大部分主動(dòng)拋光盤和磨鏡機(jī)。其中主動(dòng)拋光盤部分包括變形系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、提升系統(tǒng)。而磨鏡機(jī)部分包括橫梁、拋光盤、底盤。計(jì)算機(jī)控制橫梁，就是控制了主動(dòng)拋光盤在鏡面上的工作區(qū)間、徑向運(yùn)動(dòng)速度。計(jì)算機(jī)控制拋光盤，就是控制了主動(dòng)拋光盤自身的旋轉(zhuǎn)方向、速度及工作方式(如單向、在一定區(qū)間往返)。計(jì)算機(jī)控制底盤，由于底盤托載玻璃，從而控制了玻璃的旋轉(zhuǎn)方向、速度及工作方式(單向、在一定區(qū)間往返)。計(jì)算機(jī)通過通過磨鏡機(jī)的橫梁、拋光盤、底盤的位置傳感器(光電編碼器)，獲得主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)，然后控制變形系統(tǒng)，主動(dòng)實(shí)時(shí)加力，主動(dòng)拋光盤變形為鏡面上相應(yīng)部分的非球面(對(duì)拋光盤來講是一個(gè)偏軸非球面)。計(jì)算機(jī)根據(jù)光學(xué)工藝的要求，通過壓力系統(tǒng)，控制主動(dòng)拋光盤對(duì)鏡面的壓力。其中壓力控制系統(tǒng)是3套獨(dú)立的壓力閉環(huán)系統(tǒng)。它們接受計(jì)算機(jī)的命令，實(shí)時(shí)保持拋光盤對(duì)鏡面的壓力，從而免除了計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。在需要使拋光盤與鏡面分離時(shí)，計(jì)算機(jī)控制提升系統(tǒng)，把拋光盤提升至指定位置。六、程序工作流程1、磨鏡工作流程見圖6，磨鏡工作之前，①通過對(duì)話框進(jìn)行參數(shù)設(shè)定需要設(shè)定橫梁左右限位的數(shù)值、橫梁轉(zhuǎn)速、橫梁往返限次運(yùn)動(dòng)時(shí)的次數(shù)(運(yùn)行到指定次數(shù)時(shí)，自動(dòng)停止工作，工作次數(shù)的設(shè)定使得磨鏡工作量更加細(xì)致，更易于控制)、拋光盤的速度、拋光盤往返運(yùn)動(dòng)時(shí)的次數(shù)、拋光盤往返運(yùn)動(dòng)時(shí)左右限位的位置、底盤的速度，橫梁、底盤、拋光盤的工作方式。這樣，在此軟件控制下的磨鏡機(jī)工作靈活、精確，橫梁、底盤、拋光盤可以根據(jù)光學(xué)工藝的要求，以任意方向、任意速度、任意區(qū)間工作，可以特別磨制鏡面的某一個(gè)區(qū)域。這些都是傳統(tǒng)磨鏡機(jī)難以做到的。主動(dòng)拋光盤部分預(yù)設(shè)參數(shù)是主動(dòng)拋光盤對(duì)鏡面的壓力，此壓力的大小控制了對(duì)鏡面磨削量的大小。程序?qū)γ恳豁?xiàng)均設(shè)有默認(rèn)值，這是本課題人員在磨鏡過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。根據(jù)磨鏡的要求，操作人員可以以經(jīng)驗(yàn)值為參考，自由修改。②點(diǎn)擊“變壓力”按鈕，放下主動(dòng)拋光盤，以預(yù)定壓力壓在鏡面上。點(diǎn)擊“底盤運(yùn)行”、“拋光盤運(yùn)行”、“橫梁運(yùn)行”按鈕，依次啟動(dòng)底盤、拋光盤、橫梁點(diǎn)擊“笑臉”按鈕，所有對(duì)話框變灰，不再接受輸入?yún)?shù)。計(jì)算機(jī)進(jìn)入自動(dòng)控制全部工作過程狀態(tài)，不再需要工作人員操作。當(dāng)然，如有必要，操作人員可以隨時(shí)中止計(jì)算機(jī)工作或改變計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)。在出現(xiàn)異常情況時(shí)，點(diǎn)擊“緊急制動(dòng)”按鈕可以立即使磨鏡機(jī)、主動(dòng)拋光盤停止工作。③計(jì)算機(jī)讀磨鏡機(jī)的橫梁、拋光盤、底盤的位置傳感器(光電編碼器)，獲得主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)。如果橫梁位置到左(右)限位位置，計(jì)算機(jī)輸出指令，使橫梁反向，速度的大小保持不變。④根據(jù)主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)，計(jì)算機(jī)查表，得到12個(gè)力促動(dòng)器各自應(yīng)加力的數(shù)值。計(jì)算機(jī)通過臺(tái)灣威達(dá)公司的光電隔離的I/O卡ISO-P32C32接口卡，把數(shù)字信號(hào)輸出計(jì)算機(jī)，依次選通12個(gè)變形系統(tǒng)，使12個(gè)力促動(dòng)器精確加力，12個(gè)促動(dòng)器拉緊鋼絲繩，主動(dòng)拋光盤面型隨之改變，得到磨鏡需要的面型。⑤計(jì)算機(jī)把當(dāng)前橫梁、底盤、拋光盤的工作狀態(tài)(當(dāng)前速度、是否到限位、是否在轉(zhuǎn)向、計(jì)算機(jī)占用CPU的時(shí)間、主動(dòng)拋光盤變形情況)以文字顯示在界面的“工作狀態(tài)指示”欄中，其中以游標(biāo)形式動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前橫梁位置。⑥磨鏡工作結(jié)束，輸入提升高度值，點(diǎn)擊“提升”按鈕，主動(dòng)拋光盤的提升機(jī)構(gòu)把主動(dòng)拋光盤拉起到指定高度，拋光盤與鏡面分離。2、定標(biāo)工作流程(見圖7)定標(biāo)就是求剛度矩陣，剛度矩陣是12個(gè)力促動(dòng)器的加力值與拋光盤面型變化量的變換矩陣。剛度矩陣由實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。定標(biāo)程序完全由計(jì)算機(jī)歷時(shí)4小時(shí)自動(dòng)完成，排除了人為因素，保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。定標(biāo)程序流程圖說明程序首先進(jìn)行初始化，測(cè)量次數(shù)No＝1(為了保證求得的剛度矩陣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，測(cè)量要重復(fù)12次，最后結(jié)果進(jìn)行均方根平均。)促動(dòng)器號(hào)N＝1(即從1#促動(dòng)器開始依次加力)，I＝0(即從90N開始加力)；計(jì)算機(jī)向主動(dòng)拋光盤發(fā)出指令每個(gè)力促動(dòng)器加力210N。然后計(jì)算機(jī)讀微位移傳感器LVDT測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，把此數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)面型，下面測(cè)到的數(shù)據(jù)都要減掉基準(zhǔn)面型值，才是拋光盤的變形量。計(jì)算機(jī)控制1號(hào)力促動(dòng)器產(chǎn)生預(yù)定拉力，其余促動(dòng)器保持基準(zhǔn)拉力，計(jì)算機(jī)讀微位移傳感器LVDT測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，然后此數(shù)據(jù)減掉基準(zhǔn)面型值，得到拋光盤的變形量。把此值保存到計(jì)算機(jī)。然后1號(hào)促動(dòng)器再加6牛頓，以同樣方式得到數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)。直到加力值達(dá)到210N。然后進(jìn)行第2號(hào)力促動(dòng)器的加力、測(cè)量面型，這樣依次進(jìn)行12個(gè)促動(dòng)器變形、測(cè)量。從而第1次的測(cè)量完成。重復(fù)上面的步驟，進(jìn)行12次，然后把12次得到的數(shù)據(jù)平均，即為最后測(cè)量結(jié)果。調(diào)用數(shù)學(xué)分析計(jì)算程序，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平移、傾斜消差，然后計(jì)算出剛度矩陣K，利用K和理想面型值，求出加力表，定標(biāo)的工作結(jié)束。權(quán)利要求1.采用主動(dòng)壓力拋光盤磨制非球面光學(xué)鏡面的方法，含安裝在磨鏡機(jī)垂直轉(zhuǎn)軸上的磨頭及磨頭盤，磨頭及磨頭盤滑動(dòng)配合在磨鏡機(jī)橫梁導(dǎo)軌上，磨頭下設(shè)有主動(dòng)壓力拋光盤，與主動(dòng)壓力拋光盤相對(duì)的被加工光學(xué)鏡面置于旋轉(zhuǎn)的底盤工作臺(tái)上，在主動(dòng)壓力拋光盤上設(shè)有使拋光盤變形的12個(gè)力促動(dòng)器電機(jī)及三個(gè)提升點(diǎn)，提升點(diǎn)通過帶有絲桿的機(jī)械傳動(dòng)鏈聯(lián)接于壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出端，壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在磨頭盤上，機(jī)械傳動(dòng)鏈中設(shè)置有重力傳感器，12個(gè)力促動(dòng)器電機(jī)連接有拉力傳感器，橫梁、拋光盤及底盤上設(shè)有位置傳感器，拋光盤側(cè)設(shè)有位移傳感器，其特征是由計(jì)算機(jī)讀取磨鏡機(jī)的橫梁、拋光盤、底盤的位置傳感器，獲得主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)，根據(jù)主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)，通過12個(gè)力促動(dòng)器拉緊鋼絲繩主動(dòng)實(shí)時(shí)加力、讀取重力傳感器通過機(jī)械傳動(dòng)鏈?zhǔn)┝θ齻€(gè)提升點(diǎn)；讀取位移傳感器并與理想面形比較，通過力促動(dòng)器修正誤差。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述采用主動(dòng)壓力拋光盤磨制非球面光學(xué)鏡面的方法，其特征是編制了計(jì)算機(jī)控制程序，包括以下內(nèi)容(1)磨鏡工作流程以磨鏡機(jī)和主動(dòng)拋光盤為控制對(duì)象，首先通過對(duì)話框進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，磨鏡工作之前，需要設(shè)定橫梁左右限位的數(shù)值、橫梁轉(zhuǎn)速、橫梁往返限次運(yùn)動(dòng)時(shí)的次數(shù)、拋光盤的速度、拋光盤往返運(yùn)動(dòng)時(shí)的次數(shù)、拋光盤往返運(yùn)動(dòng)時(shí)左右限位的位置、底盤的速度，橫梁、底盤、拋光盤的工作方式，計(jì)算機(jī)讀磨鏡機(jī)的橫梁、拋光盤、底盤的位置傳感器，獲得主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)，如果橫梁位置到左(右)限位位置，計(jì)算機(jī)輸出指令，使橫梁反向，速度的大小保持不變，根據(jù)主動(dòng)拋光盤相對(duì)于鏡面的坐標(biāo)，計(jì)算機(jī)查表，得到12個(gè)力促動(dòng)器各自應(yīng)加力的數(shù)值，計(jì)算機(jī)通光電隔離的接口卡，把數(shù)字信號(hào)輸出計(jì)算機(jī)，依次選通12個(gè)變形系統(tǒng)，使12個(gè)力促動(dòng)器精確加力，12個(gè)促動(dòng)器拉緊鋼絲繩，主動(dòng)拋光盤面型隨之改變，得到磨鏡需要的面型，計(jì)算機(jī)把當(dāng)前橫梁、底盤、拋光盤的工作狀態(tài)當(dāng)前速度、是否到限位、是否在轉(zhuǎn)向、計(jì)算機(jī)占用CPU的時(shí)間、主動(dòng)拋光盤變形情況，以文字顯示在界面的“工作狀態(tài)指示”欄中，其中以游標(biāo)形式動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前橫梁位置，主動(dòng)拋光盤部分預(yù)設(shè)參數(shù)是主動(dòng)拋光盤對(duì)鏡面的壓力，此壓力的大小控制了對(duì)鏡面磨削量的大小，程序?qū)γ恳豁?xiàng)均設(shè)有默認(rèn)值，磨鏡工作結(jié)束，輸入提升高度值，主動(dòng)拋光盤的提升機(jī)構(gòu)把主動(dòng)拋光盤拉起到指定高度，拋光盤與鏡面分離；(2)定標(biāo)及面型檢驗(yàn)流程以主動(dòng)拋光盤和位移傳感器LVDT為控制對(duì)象，定標(biāo)就是求剛度矩陣，剛度矩陣是12個(gè)力促動(dòng)器的加力值與拋光盤面型變化量的變換矩陣，剛度矩陣由實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得，程序首先進(jìn)行初始化，測(cè)量次數(shù)No＝1，為了保證求得的剛度矩陣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，測(cè)量要重復(fù)12次，最后結(jié)果進(jìn)行均方根平均，促動(dòng)器號(hào)N＝1，即從1#促動(dòng)器開始依次加力，I＝0，即從90牛頓開始加力，計(jì)算機(jī)向主動(dòng)拋光盤發(fā)出指令每個(gè)力促動(dòng)器加力210牛頓，然后計(jì)算機(jī)讀微位移傳感器LVDT測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，把此數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)面型，下面測(cè)到的數(shù)據(jù)都要減掉基準(zhǔn)面型值，才是拋光盤的變形量，計(jì)算機(jī)控制1號(hào)力促動(dòng)器產(chǎn)生預(yù)定拉力，其余促動(dòng)器保持基準(zhǔn)拉力，計(jì)算機(jī)讀微位移傳感器LVDT測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，然后此數(shù)據(jù)減掉基準(zhǔn)面型值，得到拋光盤的變形量，把此值保存到計(jì)算機(jī)，然后1號(hào)促動(dòng)器再加6牛頓，以同樣方式得到數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)，直到加力值達(dá)到210牛頓，然后進(jìn)行第2號(hào)力促動(dòng)器的加力、測(cè)量面型，這樣依次進(jìn)行12個(gè)促動(dòng)器變形、測(cè)量，從而第1次的測(cè)量完成，重復(fù)上面的步驟，進(jìn)行12次，然后把12次得到的數(shù)據(jù)平均，即為最后測(cè)量結(jié)果，調(diào)用數(shù)學(xué)分析計(jì)算程序，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平移、傾斜消差，然后計(jì)算出剛度矩陣K，利用K和理想面型值，求出加力表，定標(biāo)的工作結(jié)束全文摘要采用主動(dòng)壓力拋光盤磨制非球面光學(xué)鏡面的方法，利用計(jì)算機(jī)控制軟件控制磨鏡機(jī)的運(yùn)動(dòng)，并通過磨鏡機(jī)的橫梁、拋光盤、底盤的位置傳感器(光電編碼器)，獲得主動(dòng)拋光盤相對(duì)于被磨制鏡面的坐標(biāo)，通過查表得到在當(dāng)前的位置，向12組力促動(dòng)器的控制電路輸出12位的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的控制各個(gè)促動(dòng)器電路工作的控制信號(hào)，主動(dòng)、實(shí)時(shí)加力，使拋光盤變形為鏡面上相應(yīng)部分的理想的非球面，從而可以用磨制球面的方法來磨制高精度、大口徑的非球面的天文鏡面。文檔編號(hào)B24B13/06GK1554514SQ20031011278公開日2004年12月15日申請(qǐng)日期2003年12月26日優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日發(fā)明者楊世海申請(qǐng)人:中國科學(xué)院國家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所,中國科學(xué)院國家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技