專利名稱：一種主動(dòng)壓力拋光光學(xué)磨鏡設(shè)備的壓力控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)磨鏡機(jī)，特別是采用自動(dòng)控制技術(shù)完成主動(dòng)壓力拋光盤對(duì)光學(xué)鏡面的壓力控制和拋光盤的位置升降控制的一種主動(dòng)壓力拋光光學(xué)磨鏡設(shè)備的壓力控制器，屬于光學(xué)機(jī)械及自動(dòng)控制技術(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(lái)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(guò)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是園的一部分，生成球面面形，通過(guò)拋光可以得到高精度的球面面形，這個(gè)過(guò)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(lái)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(zhǎng)，精度無(wú)法保證。
大型天文光學(xué)鏡面的加工精度和速度是由四種因素決定的，①磨具與鏡面的相對(duì)速度，②磨料的機(jī)械性質(zhì)，③磨具與鏡面的接觸情況(擬合性)，④磨具對(duì)鏡面的壓力，其中①和②二項(xiàng)是不難理解的，一個(gè)熟練的光學(xué)技工在加工時(shí)都會(huì)選擇合適的加工速度和磨料，通常③是提高磨制鏡面精度和提高加工速度的重要因素，經(jīng)典的辦法是由人工修整拋光?；蚓植啃拚R面面形來(lái)提高加工精度，由于加工精度是靠人工操作，加工系統(tǒng)直接依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，在加工過(guò)程中，受多種因素影響，加工周期長(zhǎng)，加工重復(fù)性沒(méi)法保證。在加工時(shí)產(chǎn)生的主要問(wèn)題是1)非球面從頂端到邊緣的曲率減小將引起失焦的不擬合。
2)不規(guī)則的徑向和切向斜率會(huì)引起像散的不擬合。
3)徑向曲率變化導(dǎo)致慧差的不擬合。
世界各國(guó)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，解決拋光模與鏡面的擬合問(wèn)題，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(guò)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(lái)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)使用的拋光磨盤較輕，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(guò)程中必須卸荷，并保持拋光盤對(duì)光學(xué)鏡面的壓力恒定。上世紀(jì)90年代，美國(guó)亞歷桑那大學(xué)Steward天文臺(tái)鏡面實(shí)驗(yàn)室(SOML)H.M.Martin博士提出了應(yīng)用應(yīng)力盤(Stressed-lep)來(lái)磨制大型非球面鏡面，大大地提高了磨制大型非球面鏡面加工效率，1998年由S·C·West、H·M·Martin等發(fā)表的“Practical designand derformance of the stressed lap polishing tool”一文中，敘述了主動(dòng)壓力拋光盤設(shè)計(jì)和特點(diǎn)，但是沒(méi)有涉及壓力拋光盤如何對(duì)鏡面加壓和控制，從獲得的一些圖片只能看到拋光盤的外形。從外形看出，這是一臺(tái)龍門型式的大型拋光光學(xué)磨鏡機(jī)，該設(shè)備的主動(dòng)壓力拋光盤的壓力、提升結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，它有比較完善的壓力平衡、拋光盤轉(zhuǎn)軸的偏轉(zhuǎn)及控制，它的優(yōu)點(diǎn)是控制相對(duì)簡(jiǎn)單，每一個(gè)機(jī)構(gòu)完成一個(gè)功能(動(dòng)作)，但機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，只適合在大型的光學(xué)磨鏡設(shè)備中應(yīng)用。國(guó)外有采用氣壓的辦法，也有采用杠桿平衡的辦法，但結(jié)構(gòu)都嫌復(fù)雜，國(guó)內(nèi)也有小磨盤拋光的數(shù)控光學(xué)磨鏡機(jī)，采用機(jī)械彈簧當(dāng)作壓力裝置，它不能隨機(jī)改變壓力的大小，也會(huì)因?yàn)槭芰Ψ较虮容^復(fù)雜，產(chǎn)生壓力的突跳。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服上述缺陷，提供一種主動(dòng)壓力拋光光學(xué)磨鏡設(shè)備的壓力控制器，應(yīng)用自動(dòng)控制技術(shù)完成以下工作①主動(dòng)壓力拋光盤對(duì)鏡面保持恒定壓力；②主動(dòng)壓力拋光盤的卸荷和平衡；③主動(dòng)壓力拋光盤沿著鏡面面形軌跡作旋轉(zhuǎn)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成主動(dòng)壓力拋光盤對(duì)鏡面的壓力和拋光盤的升降功能。
本實(shí)用新型的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種主動(dòng)壓力拋光光學(xué)磨鏡設(shè)備的壓力控制器，含安裝在磨鏡機(jī)垂直轉(zhuǎn)軸上的磨頭及磨頭盤，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，其特征是設(shè)置一個(gè)作用于主動(dòng)壓力拋光盤的壓力控制器，它包括機(jī)械及電控兩部分，機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)為在主動(dòng)壓力拋光盤上設(shè)置施力點(diǎn)，施力點(diǎn)通過(guò)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；電控部分包括壓力控制及位置控制兩個(gè)回路，壓力控制回路含設(shè)置于機(jī)械傳動(dòng)鏈中的重力傳感器，它的承重信號(hào)輸出經(jīng)前置放大器后作為反饋控制信號(hào)與工控計(jì)算機(jī)輸出的給定模擬量一起輸入至有源比例積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的壓力調(diào)節(jié)器，壓力調(diào)節(jié)器的輸出至壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，位置控制回路含設(shè)置于壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端的位置傳感器，機(jī)械機(jī)構(gòu)中的位置由位置傳感器計(jì)值，位置傳感器的輸出至工控計(jì)算機(jī)，位置控制回路至少為兩個(gè)閉環(huán)，速度閉環(huán)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，位置閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)計(jì)算由單片機(jī)完成，位置給定由工控計(jì)算機(jī)輸出，輔以合適的計(jì)算機(jī)軟件，壓力控制及位置控制兩個(gè)回路交替作用于被控對(duì)象。主動(dòng)壓力拋光盤上設(shè)置的施力點(diǎn)可以是主動(dòng)壓力拋光盤的重心也可以是主動(dòng)壓力拋光盤邊緣對(duì)稱設(shè)置的三個(gè)點(diǎn)。重力傳感器采用電阻應(yīng)變片構(gòu)成的電橋，位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及效果1、主動(dòng)壓力拋光盤整體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；2、控制靈活，可以擴(kuò)充功能軟件，完成其他磨制功能；3、性能穩(wěn)定、價(jià)格較低廉；4、具有鏡面保護(hù)功能，這一點(diǎn)對(duì)鏡面加工過(guò)程特別重要；5、采用應(yīng)變式重力傳感器，線性度和熱穩(wěn)定性都很好，其頻率響應(yīng)較低，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，僅有3～5HZ，這是它的不足之處，但是，光學(xué)鏡面在拋光時(shí)，往往主軸的轉(zhuǎn)速不會(huì)很高，完全可以滿足拋光加工要求且價(jià)格比較低廉，在控制系統(tǒng)中可以同時(shí)作為鏡面保護(hù)傳感器使用。


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是本實(shí)用新型中的壓力控制器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖；圖3、4分別是本實(shí)用新型中的壓力控制器電控方框圖及結(jié)構(gòu)圖；圖5是主動(dòng)壓力拋光盤面上某點(diǎn)位置分析圖。
具體實(shí)施方式
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)，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(guò)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(lái)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。當(dāng)主動(dòng)壓力拋光盤壓在光學(xué)鏡面上時(shí)，并在拋光盤三個(gè)提升點(diǎn)分別加上三個(gè)提升力P1、P2、P3，如果提升力小于主動(dòng)壓力拋光盤的分力G′，拋光盤無(wú)法提起，仍然壓在光學(xué)鏡面上，顯然壓在鏡面上的壓力已經(jīng)減小，此時(shí)壓在鏡面上的總壓力假設(shè)為N。三個(gè)提升點(diǎn)的等效壓力N′也為總壓力N的三分之一，它可以用以下公式來(lái)表示N′＝G′-KW(S)①其中N′為主動(dòng)壓力拋光盤三個(gè)提升點(diǎn)中的一個(gè)點(diǎn)位置對(duì)鏡面的等效壓力，其總壓力N為該三個(gè)等效壓力值之和。
G′為拋光盤三個(gè)升降點(diǎn)中的一個(gè)點(diǎn)位置上的等效重量。
KW(S)為一個(gè)提升力閉環(huán)控制系統(tǒng)，從①式可以看出，當(dāng)KW(S)＝0時(shí)，則該位置點(diǎn)的等效壓力N′＝G′，此時(shí)有二種情況1、當(dāng)有一或二個(gè)點(diǎn)位置的KW(S)＝0，而另一位置點(diǎn)的KW(S)≠0，這是不允許出現(xiàn)的情況，應(yīng)該在控制系統(tǒng)中加以限止。
2、當(dāng)三個(gè)點(diǎn)位置的KW(S)＝0，說(shuō)明整個(gè)主動(dòng)壓力拋光盤全部壓在鏡面上，這是在加工時(shí)不希望出現(xiàn)的情況，這時(shí)光學(xué)磨鏡機(jī)不允許開(kāi)機(jī)，并發(fā)出警示信號(hào)。
當(dāng)KW(S)＝G′時(shí)，這時(shí)也有二種情況1、三個(gè)點(diǎn)位置的KW(S)＝0，此時(shí)主動(dòng)壓力拋光盤與鏡面不接觸，主動(dòng)壓力拋光盤處于提升位置工作狀態(tài)。
2、一或二個(gè)點(diǎn)位置的KW(S)＝0，此時(shí)主動(dòng)壓力拋光盤的局部邊緣部位與鏡面接觸，主動(dòng)壓力拋光盤處于不正常工作狀態(tài)，此時(shí)，光學(xué)磨鏡機(jī)各運(yùn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))軸不允許起動(dòng)，并采取相應(yīng)措施，迅速把主動(dòng)壓力拋光盤提升到某一設(shè)定位置，使拋光盤脫離與鏡面的接觸，進(jìn)入開(kāi)機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)。
當(dāng)0≤KW(S)≤G′時(shí)，主動(dòng)壓力拋光盤與光學(xué)鏡面接觸，拋光盤對(duì)鏡面加壓，其壓力大小為0≤N′≤G，而KW(S)是一個(gè)提升力控制系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)給出提升力給定值，可以得到恒定的提升力值，根據(jù)①式，可以得到拋光盤對(duì)鏡面的恒定壓力。
應(yīng)該指出，控制提升力的大小，實(shí)質(zhì)上是在主動(dòng)壓力拋光盤和鏡面全接觸和分離之間一個(gè)很微小的距離范圍內(nèi)，控制拋光盤與鏡面之間的距離，它具有與其他位置控制系統(tǒng)完全不同的特點(diǎn)。
圖2中虛線框內(nèi)就是壓力控制器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，框外為壓力控制器與拋光盤、磨鏡機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)連接示意圖。圖中1表示光學(xué)鏡面，與它相對(duì)的是拋光盤(柏油層)2，拋光盤與磨鏡機(jī)的轉(zhuǎn)軸3相連，4、5為磨頭及磨頭盤，磨頭及磨頭盤均滑動(dòng)配合在橫梁導(dǎo)軌6上，光學(xué)鏡面1置于底盤上隨著底盤同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于磨鏡機(jī)的底盤和拋光盤的轉(zhuǎn)速不同，轉(zhuǎn)動(dòng)方向也可以不一致，這樣光學(xué)鏡面與拋光盤將產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并完成磨鏡機(jī)的基本動(dòng)作要求。7為蝸輪副，傳動(dòng)比為8.75，模數(shù)為1.5，8為壓力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為45LCX-2直流力矩電動(dòng)機(jī)測(cè)速機(jī)組，北京微電機(jī)總廠生產(chǎn)，配以合適的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)合適的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)一根高精度滾珠絲桿9，導(dǎo)程4mm，可外購(gòu)，滾珠絲桿按鉛垂線方向安裝，通過(guò)連接件與主動(dòng)拋光盤的一個(gè)提升點(diǎn)相連接，驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)并使它可逆運(yùn)轉(zhuǎn)，使該提升點(diǎn)能夠上、下移動(dòng)，10為安裝在機(jī)械傳動(dòng)鏈中的重力傳感器，型號(hào)為CFBHL-20，安徽省蚌埠市高靈傳感器技術(shù)研究所生產(chǎn)，11為連接桿，在本實(shí)施裝置中使用的是Φ6mm的鋼絲繩索，12為壓力控制器與壓力拋光盤相連接的連接板，連接板與拋光盤用螺絲連接擰緊。
當(dāng)磨鏡機(jī)工作時(shí)，磨頭轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，壓力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)8隨著同軸旋轉(zhuǎn)，壓力拋光盤2也將旋轉(zhuǎn)，而磨鏡機(jī)的磨頭軸還要作鏡面的徑向方向移動(dòng)，因?yàn)殓R面的面形改變，很顯然加在鏡面上的壓力也會(huì)發(fā)生變化，壓力控制器的作用就是在磨鏡機(jī)工作時(shí)，由于各旋轉(zhuǎn)(移動(dòng))軸的工作使拋光盤對(duì)鏡面的壓力變化產(chǎn)生時(shí)，壓力控制器必須實(shí)時(shí)進(jìn)行控制，使壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作上、下移動(dòng)，保證壓力拋光盤對(duì)鏡面的壓力始終保持不變。
圖3中，壓力控制傳感器采用重力傳感器10，它是由電阻應(yīng)變片構(gòu)成的電阻電橋，在不承重時(shí)，沒(méi)有信號(hào)輸出，當(dāng)重力傳感器承重時(shí)，輸出相應(yīng)的直流信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后，作為控制系統(tǒng)的反饋值，形成完整的閉環(huán)系統(tǒng)，重力傳感器的信號(hào)須經(jīng)行精確定標(biāo)，精度為±10g，壓力調(diào)節(jié)器參數(shù)可根據(jù)選擇的電機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇，采用PID控制，控制系統(tǒng)的給定值可以由工控機(jī)(上位機(jī))或單片機(jī)(下位機(jī))根據(jù)要求給出，由12位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出模擬信號(hào)作為壓力控制器的輸入端，根據(jù)壓力控制器的工作原理，該輸入端的輸入量是重力量，在控制系統(tǒng)的作用下，可以得到主動(dòng)壓力拋光盤其中一個(gè)提升點(diǎn)的恒定重力，但是，這一結(jié)果，只能在提升電機(jī)的提升力為0≤P′≤G′的條件下，才能正常工作，此時(shí)壓力拋光盤一定要在規(guī)定的位置上才能工作，即壓力拋光盤與鏡面全部接觸，拋光盤全部壓在鏡面上和拋光盤全部脫離鏡面這二個(gè)位置之間才能工作，因此，如果主動(dòng)壓力拋光盤不進(jìn)入工作區(qū)域，圖四給出的結(jié)構(gòu)框圖無(wú)法應(yīng)用，光學(xué)鏡面是一種特別精密的玻璃部件，如果遭到拋光盤的意外沖擊，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，有時(shí)還會(huì)帶來(lái)不可挽回的損失，因此，使拋光盤順利地與光學(xué)鏡面接觸是很重要的工序，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)注意穩(wěn)定性、可靠性的考慮。
由圖4可以看出，壓力控制器由二個(gè)控制回路組成，它的主控制回路是一個(gè)壓力控制回路，當(dāng)壓力控制工作時(shí)，作為位置控制的主控制器是一塊AT89C51單片機(jī)，利用它的智能作用，使該回路的輸出恒為零，位置控制回路不起作用，單片機(jī)AT89C51僅作位置顯示。在位置提升工作時(shí)，由工控機(jī)自動(dòng)切換，使壓力信號(hào)不迭加于控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)典型的位置控制系統(tǒng)，虛線框以內(nèi)部分是一個(gè)AT89C51單片機(jī)，它承擔(dān)著位置控制主要工作，圖4中的各方塊內(nèi)的數(shù)學(xué)式為各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，可根據(jù)所選擇電器和機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)要求計(jì)算出合適的控制參數(shù)。直流力矩電機(jī)測(cè)速機(jī)組8包括81力矩電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為45LCX-2，北京微電機(jī)總廠生產(chǎn)峰值堵轉(zhuǎn)電壓40伏，峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩0.44N?！っ??？騼?nèi)，1/Ce＝0.00625伏/轉(zhuǎn)/分，Te＝0.002秒，此二個(gè)參數(shù)是由電機(jī)參數(shù)確定，Tm′＝0.1秒，為折算的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，它可以根據(jù)所設(shè)計(jì)、選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)所決定，82測(cè)速發(fā)電機(jī)，型號(hào)同上，比電勢(shì)0.02伏/轉(zhuǎn)/分，Kγ是分壓系數(shù)，一般小于1，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器面板上的電位器調(diào)整決定，它影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，框內(nèi)Tr＝0.001秒是測(cè)速發(fā)電機(jī)的齒諧波濾波系數(shù)。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)蝸輪副7，傳速比為8.75，模數(shù)為1.5，外購(gòu)滾珠絲杠的導(dǎo)程為4，此二個(gè)參數(shù)決定KS的數(shù)值。13為光電編碼器，采用增量式旋轉(zhuǎn)光電編碼器，外購(gòu)，400線/轉(zhuǎn)，電壓5伏，其中，Kθ＝400位置分辨率為0.01mm。9為重力傳感器及前置放大器，型號(hào)為CFEHL-20稱重載荷20kg，輸出靈敏度2.264mv/V，前置放大器的型號(hào)為美國(guó)AD公司生產(chǎn)的儀表放大器，型號(hào)為AD524，總增益為454，(計(jì)算值)即K5＝454，T2為電源濾波系數(shù)，取T2＝0.001秒。14為壓力調(diào)節(jié)器。壓力調(diào)節(jié)器是由器件運(yùn)算放大器TL064組成標(biāo)準(zhǔn)的有源比例積分調(diào)節(jié)器，其中K0＝20，T0＝0.02秒，標(biāo)準(zhǔn)有源比例積分調(diào)節(jié)器的型式可參看任一版本的“自動(dòng)控制原理”書(shū)籍。8為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(包括速度調(diào)節(jié)器和PWM功率放大器)，為外購(gòu)產(chǎn)品，采用的是瑞士maxon motor公司生產(chǎn)的ADS 50/5電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電壓50伏，工作電流5安，(圖4中K1，T1的數(shù)值由調(diào)整電機(jī)驅(qū)動(dòng)器面板上的可調(diào)電位器得到)。15為位置調(diào)節(jié)器(在AT89C51單片機(jī)內(nèi)完成)，其單片機(jī)采用匯編語(yǔ)言編程。
壓力控制系統(tǒng)區(qū)別于其他控制系統(tǒng)，當(dāng)安裝光學(xué)鏡面的磨鏡機(jī)的底盤不轉(zhuǎn)時(shí)，在壓力控制器工作區(qū)域內(nèi)，給定一個(gè)恒定壓力，主動(dòng)壓力拋光盤各提升點(diǎn)的壓力不會(huì)發(fā)生變化，主動(dòng)壓力拋光盤的工作位置不變，提升電機(jī)不轉(zhuǎn)，壓力拋光盤對(duì)鏡面的壓力即為給定壓力值，當(dāng)光學(xué)磨鏡機(jī)的主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，壓力提升電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)要根據(jù)當(dāng)時(shí)主動(dòng)壓力拋光盤在橫梁位置來(lái)決定，當(dāng)拋光盤的位置為零度(在光學(xué)鏡面的頂點(diǎn))時(shí)，拋光盤對(duì)鏡面的壓力也不會(huì)發(fā)生變化，壓力提升電機(jī)仍然不轉(zhuǎn)，只有在拋光盤從0°移動(dòng)到光學(xué)鏡面的邊緣的往復(fù)過(guò)程中，由于拋物線鏡面矢高差的變化，要保持拋光盤三個(gè)提升點(diǎn)的壓力一致，要保持拋光盤的各提升點(diǎn)與鏡面的緊密貼合，壓力提升電機(jī)必須根據(jù)鏡面的面形迅速響應(yīng)，并根據(jù)要求可逆運(yùn)轉(zhuǎn)，矢高差越大，轉(zhuǎn)速變化越大，并始終保持主動(dòng)壓力拋光盤對(duì)鏡面的壓力恒定。當(dāng)主動(dòng)壓力拋光盤沿著橫梁作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，(此時(shí)，主動(dòng)壓力拋光盤必須旋轉(zhuǎn))壓力提升電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化更加頻繁，它將以壓力拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度的二倍頻率作正、反向運(yùn)動(dòng)，它的速度變化率由橫梁的速度來(lái)決定，因此，壓力控制器不但要求可靠性和穩(wěn)定性，而且，控制系統(tǒng)同樣需要足夠的快速性。從它的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)看，壓力控制器是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，壓力提升電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和相應(yīng)的位置是隨著主動(dòng)壓力拋光盤轉(zhuǎn)速、橫梁的位置和速度變化而變化，它具備隨動(dòng)系統(tǒng)的基本屬性。
然而，一個(gè)純粹的壓力控制回路是不能作為主動(dòng)壓力拋光盤的壓力控制器使用的，因?yàn)橐M(jìn)入壓力控制狀態(tài)必須使拋光盤與光學(xué)鏡面互相接觸(在要求的相對(duì)位置之內(nèi))，進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)和磨鏡機(jī)需要停機(jī)時(shí)也需把拋光盤停到指定的位置，因此，還需要一個(gè)位置控制回路來(lái)保證這些基本功能的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的控制和連鎖，把壓力控制切換為位置控制，完成使用主動(dòng)壓力拋光盤所需的各種動(dòng)作和加工功能。位置控制回路是一個(gè)典型的三閉環(huán)控制回路，速度內(nèi)環(huán)由商品電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，而位置閉環(huán)是由單片微型計(jì)算機(jī)AT89C51來(lái)完成的，機(jī)械機(jī)構(gòu)中的位置由旋轉(zhuǎn)光電編碼器計(jì)值，位置閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)計(jì)算由單片機(jī)來(lái)完成，位置給定值由工控機(jī)給出。
點(diǎn)位控制由計(jì)算機(jī)給出目標(biāo)位置，使拋光盤提升或下降到目標(biāo)位置停止，這種控制方式是主動(dòng)壓力拋光盤控制的常用方式位置跟蹤控制根據(jù)圖5和公式由計(jì)算機(jī)分別計(jì)算出拋光盤三個(gè)提升點(diǎn)的位置值作為給定量，輸入位置控制系統(tǒng)，使拋光盤按鏡面面形運(yùn)行，受位置傳感器分辨率和位置機(jī)構(gòu)加工調(diào)試精度的制約，這種工作方式的精度不會(huì)很高，功能上可以當(dāng)作初加工運(yùn)行。
由于主動(dòng)拋光盤的工作是動(dòng)態(tài)的，即盤面在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，其中心還要沿著橫梁來(lái)回運(yùn)動(dòng)，同時(shí)盤面隨著中心點(diǎn)在鏡面上的不同位置還要傾斜，也就是說(shuō)主動(dòng)拋光盤在旋轉(zhuǎn)(同時(shí)變形)的過(guò)程中間還有一個(gè)提升/下降的運(yùn)動(dòng)。在提升/下降的過(guò)程中還需要保持主動(dòng)拋光盤對(duì)鏡面內(nèi)的壓力控制，這是一個(gè)十分復(fù)雜的控制問(wèn)題。即ZC≡f(X1，θ1，ρ，t)隨著時(shí)間的改變，X1和θ1又會(huì)發(fā)生改變。
主動(dòng)壓力拋光盤和光學(xué)磨鏡機(jī)的運(yùn)動(dòng)示意圖見(jiàn)圖5所示，圖中X方向?yàn)闄M梁移動(dòng)方向，拋光盤以O(shè)1為軸心旋轉(zhuǎn)，C點(diǎn)為其中一個(gè)提升點(diǎn)的位置，ρ為提升點(diǎn)到軸心的半徑，每一個(gè)拋光盤的ρ是固定值，A點(diǎn)為主動(dòng)拋光盤的中心點(diǎn)，B點(diǎn)為拋光盤中心通過(guò)A點(diǎn)到柏油頂點(diǎn)的位置，拋光盤的厚度為d，Rapek為拋物面的頂點(diǎn)曲率半徑。
設(shè) 主動(dòng)拋光盤沿橫梁的運(yùn)動(dòng)速度為V1(mm/s)主動(dòng)拋光盤的自身旋轉(zhuǎn)速度為V2(o/s)
則有 當(dāng)tanα＝(V1t+X0)(1+d/Rapex)/Rapex令A(yù)=Rapex2+(V1t+X0)2(1+d/Rapex)2]]>W＝1+d/Rapex則C點(diǎn)的位置方程為ZC=ZA+(XC-XA)tan∂=ZB+dRapex+PiXBCOSθ1A]]>=(V1t+X0)2W22Rapex+dRapex+Pi(V1t+X0)W·COS(V2t+θ0i)Rapex2+(V1t+X0)2W2]]>它可以由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算獲得，也可以通過(guò)事先計(jì)算好的表格由計(jì)算機(jī)給出主動(dòng)拋光盤三個(gè)提升點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置。
由于采用了位置編碼器和單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)的控制接口顯示三個(gè)提升點(diǎn)的位置值，用于位置監(jiān)示。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所承接了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高精度大口徑天文鏡面磨制技術(shù)”，這個(gè)項(xiàng)目研制了一臺(tái)能夠進(jìn)行主動(dòng)壓力拋光技術(shù)的光學(xué)磨鏡機(jī)，加工了一塊直徑為0.91m、焦比為f/2的拋物面鏡面，要求精度為低頻(RMS)≤1/14λ，高頻(RMS)≤1/30λ，經(jīng)過(guò)三個(gè)多月工藝探索和實(shí)驗(yàn)加工已經(jīng)完成拋光磨制，(用經(jīng)典的方法大約需要一年時(shí)間，可能還達(dá)不到高的精度)加工精度達(dá)到低頻(RSM)≤1/30λ，高頻(RSM)≤1/30λ，已經(jīng)超過(guò)了原定的研究目標(biāo)，這塊實(shí)驗(yàn)加工的拋物面鏡面，它的拋物面頂點(diǎn)到邊緣矢高差為28mm，實(shí)際提升邊緣矢差為43mm左右，橫梁移動(dòng)最大距離(由鏡面的頂點(diǎn)算起)為345mm范圍內(nèi)，橫梁移動(dòng)速度為30～60mm/min，經(jīng)過(guò)實(shí)際檢測(cè)和光學(xué)加工的過(guò)程表明，該壓力控制器已經(jīng)滿足主動(dòng)壓力拋光磨鏡設(shè)備的壓力控制要求。根據(jù)計(jì)算和測(cè)試，主動(dòng)壓力拋光盤實(shí)際重量為49.5kg，采用壓力控制器后，壓在鏡面上的壓力為1.5～10kg，(主動(dòng)壓力拋光盤柏油層盤面直徑為φ300mm)靜態(tài)壓力誤差為10～30g，在此面積范圍下，對(duì)鏡面的壓力(壓強(qiáng))變化是很小的，完全滿足大口徑光學(xué)鏡面磨制的要求。
權(quán)利要求1.一種主動(dòng)壓力拋光光學(xué)磨鏡設(shè)備的壓力控制器，含安裝在磨鏡機(jī)垂直轉(zhuǎn)軸上的磨頭及磨頭盤，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，其特征是設(shè)置一個(gè)作用于主動(dòng)壓力拋光盤的壓力控制器，它包括機(jī)械及電控兩部分，機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)為在主動(dòng)壓力拋光盤上設(shè)置施力點(diǎn)，施力點(diǎn)通過(guò)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；電控部分包括壓力控制及位置控制兩個(gè)回路，壓力控制回路含設(shè)置于機(jī)械傳動(dòng)鏈中的重力傳感器，它的承重信號(hào)輸出經(jīng)前置放大器后作為反饋控制信號(hào)與工控計(jì)算機(jī)輸出的給定模擬量一起輸入至有源比例積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的壓力調(diào)節(jié)器，壓力調(diào)節(jié)器的輸出至壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，位置控制回路含設(shè)置于壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端的位置傳感器，機(jī)械機(jī)構(gòu)中的位置由位置傳感器計(jì)值，位置傳感器的輸出至工控計(jì)算機(jī)，位置控制回路至少為兩個(gè)閉環(huán)，速度閉環(huán)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，位置閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)計(jì)算由單片機(jī)完成，位置給定由工控計(jì)算機(jī)輸出，輔以合適的計(jì)算機(jī)軟件，壓力控制及位置控制兩個(gè)回路交替作用于被控對(duì)象。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述主動(dòng)壓力拋光光學(xué)磨鏡設(shè)備的壓力控制器除油煙裝置，其特征是主動(dòng)壓力拋光盤上設(shè)置的施力點(diǎn)可以是主動(dòng)壓力拋光盤的重心也可以是主動(dòng)壓力拋光盤邊緣對(duì)稱設(shè)置的三個(gè)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述除主動(dòng)壓力拋光光學(xué)磨鏡設(shè)備的壓力控制器，其特征是重力傳感器采用電阻應(yīng)變片構(gòu)成的電橋，位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。
專利摘要一種主動(dòng)壓力拋光光學(xué)磨鏡設(shè)備的壓力控制器，其特征是設(shè)置一個(gè)作用于主動(dòng)壓力拋光盤的壓力控制器，機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)為在主動(dòng)壓力拋光盤上設(shè)置施力點(diǎn)，施力點(diǎn)通過(guò)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，電控部分的壓力控制回路含設(shè)置于機(jī)械傳動(dòng)鏈中的重力傳感器，它的承重信號(hào)輸出經(jīng)前置放大器后作為反饋控制信號(hào)與工控計(jì)算機(jī)輸出的給定模擬量一起輸入至有源比例積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的壓力調(diào)節(jié)器，壓力調(diào)節(jié)器的輸出至壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)，位置控制回路含設(shè)置于壓力驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出端的位置傳感器，位置控制回路至少為兩個(gè)閉環(huán)，速度閉環(huán)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，位置閉環(huán)的PID調(diào)節(jié)計(jì)算由單片機(jī)完成，壓力控制及位置控制兩個(gè)回路交替作用于被控對(duì)象。
文檔編號(hào)B24B13/00GK2666605SQ200320123268
公開(kāi)日2004年12月29日 申請(qǐng)日期2003年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月25日
發(fā)明者汪達(dá)興, 王磊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所