973计划项目“光学自由曲面制造的基础研究”.doc

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1、973计划项目“光学自由曲面制造的基础研究”课题二“光学自由曲面成形过程的物理解析及再构策略”年度总结报告一、年度计划执行情况1.年度计划完成情况本年度本课题按照计划进行。首先对几何/物理/材料(GPM)三元关联约束下光学自由曲面成形的空间构型理论进行了探索，并发表了两篇论文；其次，对GPM约束下光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性从理论和实验上进行了大量研究；另外，研究了自由曲面分域理论和可制造性评价，探究了光学脆性材料塑性域切削理论，深度阐述了电流变抛光理论并辅以大量实验作为验证，推演了PCD和ELID磨削理论并做好了相关实验准备。2.

2、研究工作的主要进展(1)几何/物理/材料(GPM)三元关联约束下光学自由曲面成形的空间构型理论从被加工工件出发，应用创成式设计方法来得到机床运动功能方案，并对设计结果进行优化。以此为指导思想，研究了轴对称凸型非球面和轴对称凹型非球面的成形装备最优构型。(2)GPM约束下光学自由曲面加工装备多体多态动力学行为与精度稳定性理论研究满足GPM约束的光学自由曲面加工装备精度稳定性的多态联合补偿机制，首先研究了静、动、热态耦合动力学行为间的演变规律，在此基础上建立光学自由曲面加工精度关于加工装备多体多态动力学行为的反推演模型并生成补偿机制，借助通过大量实验获得的机

3、床精度经验数据库实现补偿策略以提高装备精度。当前研究阶段，在精度方面主要做了以下工作：•通过实验把握了机床精度静、动态特征以及热作用下的精度行为，并建立了相应的经验数据库；•建立了机床几何精度模型，并通过实验进行了验证；•在模型的基础上推演出几何误差补偿机制。(3)自由曲面分域理论和可制造性评价通过高斯曲率和平均曲率法对原始自由曲面进行粗分，在此基础上，运用维诺图法和映射法对粗分曲面片进行细分，最后用类比法和反推法后续处理曲面片，为自由曲面加工轨迹的规划和机床运动及构型作理论基础；另外，基于粗糙集和模糊聚类理论，评价了复杂曲面零件的可制造性。(4)光学脆

4、性材料塑性域切削理论在充分分析了Connolly和Rubenstein.Abebe和AppkShaw和Finnic、Manjunathaiah和Endres分别提出的切削模型后提出了正前角切削模型和用于脆性材料塑性域切削的负前角切削模型，当材料为各项异性时，同一晶面上每个晶向的弹塑性性能均不同，剪切角也不同，鉴于此，先以氟化钙晶体为例进行了研究，并运用微观摩擦磨损试验仪进行了相关实验。(3)电流变抛光理论与实验研究首先丰富、完善了电流变抛光相关理论，其次通过实验逐次使用粒度(W40,W20,W10,W5,W2.5,W1)的金刚石颗粒对微晶玻璃表面进行抛光

5、，通过改变间隙、磨料浓度、电压、转速等条件达到了预期工件表面质量。(4)PCD和ELID磨削理论研究了PCD和ELID磨削理论，并搭建了相应试验台，做好了实验前的准备工作。1.如有重要阶段性成果或突破(1)建立了三元关联约束下光学自由曲面成形的空间构型理论和优化理论传统的机床运动功能设计多以现有的机床设计实例为基础进行经验和类比设计，因此比较简单。但这种设计方法受经验束缚从而导致创新性较差，这也造成了目前机床产品单一化现象。从被加工工件出发，应用创成式设计方法来得到机床运动功能方案，并对设计结果进行优化。这种空间机构构型设计理论对机床创新设计具有重要意义

6、。此外，能加工某一特征型面的机床布局有很多种，但并不是所有布局的机床都能很好地完成加工任务。应用构型创新与空间优化理论可以对选择机床进行指导。提出了三元关联约束下机床构型的研究思路，首先研究加工零件曲面的特征，进行特征识别，把一张曲面划分为多个区域，每个区域为八种基本曲面类型中的一种，这样，一张曲面就可以确定为有多张基本曲面组成的曲面；根据八种基本曲面类型，研究其加工所需的曲面类型，综合多张基本曲面构成一整张曲面所需相应的的机床运动构型，推出整张曲面加工所需的机床构型。分析自由曲面的特点对自由曲面进行特征识别研究思路推演各基木类型曲面所需的机床运动构型分

7、析自由曲面八种基木类型图1机床构型的基本研究思路01鞍型W'ZrxijT1010叭审灯.罚tzr件wrrzxw・洼型J光学自由曲面分域■-wixyzi/fT^WiXZYt^WiXZYlfT-1wirxzi^空间构型理论和优化理论图2机床构型研究思路的框图表达(1)光学自由曲面区域划分理论进行自由曲面的分域工作主要分两步来完成：第一步，粗分曲面片：主要是通过计算每个网格点的几何参数值将曲面整个区域划分为所需的几类主要几何形体；第二步，细分曲面片：在粗分曲面片的基础上，基于特征相似性实现数据聚类，分离特征区域，将所有粗分的曲面网格点按照聚类算法进一步归类成一

8、定数量的组别，每一组形成一个曲面域。原始自由曲面粗分曲面片细分曲面片后续处理面片