具有复杂曲面的光学零件相较传统光学零件,不仅能够减少光路中元件数量,简化光路结构,还能在改善成像质量的同时减小系统尺寸并降低重量。随着科学技术与社会经济的快速发展,具有复杂曲面的光学零件已被广泛应用于不同场合,对其需求也不断增长,已成为非球面光学零件的发展趋势之一。慢刀伺服加工技术因其较高的加工精度,已成为复杂光学曲面零件的主要加工方法之一。相较国外的大量成熟工业化应用,国内在此领域的发展还比较落后,对国外机床的需求仍然较大。本文以复杂光学曲面的慢刀伺服加工为研究目标,对其刀具路径规划、有限元仿真、表面质量预测等相关技术进行研究。1.复杂光学曲面慢刀伺服加工的刀具路径规划在慢刀伺服加工中,作为关键技术的刀具路径规划对加工工件的表面质量有着明显的影响。根据复杂曲面加工的特点,对刀具路径规划进行优化研究,并将其用于相关曲面的加工。首先定义了轨迹规划计算中使用的相关坐标系并给出了它们直接的关系,然后对刀具种类与刀具干涉进行分析。刀具轨迹的规划包括刀触点的离散、刀具几何形状补偿和刀位点插值。在刀触点离散中,给出一种基于等角度离散与等弧长离散的综合离散方法,通过设定刀触点轨迹与曲面表面最大Z向距离来确定等角度离散与等弧长离散的转换半径。在刀具几何形状补偿中,提出一种刀具前角补偿计算方法,并对刀具圆弧半径的Z向补偿与法向补偿进行分析。在刀位点插值研究中,针对Hermite插补计算不能保证二阶导数连续的不足,将其转化为样条插值,采用三弯矩法对PVT插补的入口参数进行计算。最后通过对环曲面与正弦阵列面进行刀具路径规划的仿真分析,从离散误差、Z向速度与插值误差三个方面进行分析比较。仿真结果表明,综合离散较等角度离散与等弧长离散拥有更小的离散误差;刀尖圆弧半径的Z向补偿较法向补偿更能保证X轴运动轨的平稳;使用三弯矩法对刀位点进行插值时,速度曲线更为光滑,波动程度减小,插补精度明显提高。2.复杂光学曲面慢刀伺服加工的仿真分析研究根据慢刀伺服加工时进给量较小的特点,基于应变梯度塑性理论建立了考虑切削尺寸效应的Johnson-Cook本构方程,对切削过程中主变形区的应变梯度与相应的变形区长度进行了求解。然后在Abaqus软件中建立二维模型对慢刀伺服车削的机理进行定性分析,验证了尺寸效应的存在及其对剪切区最大等效应力与切削力的影响,研究了刀具刃口半径、刀具前角、刀具后角、切削深度与切削速度对切削力的影响,其中刀具刃口半径、刀具前角、刀具后角与切削深度对切削力的影响较为明显,切削速度对切削力的影响最小。最后在Deform-3D软件中借助其二次开发功能,完成本构方程的建立,并通过编写运动控制子程序完成对球面与环曲面的有限元仿真,分析比较进给速度、切削深度与刀尖圆弧半径对表面粗糙度的影响。结论表明,在上述三个因素中,对表面粗糙度影响最大的是刀尖圆弧半径,切削深度的影响最小,进给速度的影响居中。3.复杂光学曲面慢刀伺服加工的表面粗糙度预测选择刀具前角、刀具后角、刀尖圆弧半径、进给速度、切削深度5个参数作为变量,设计正交试验。根据极差分析结果,确定上述5因素对表面粗糙度影响程度的大小,其中刀具圆弧半径的影响最大,其次是每圈进给量、刀具前角与切削厚度,而刀具后角的影响程度最小。此外,根据方差分析结果,在本试验中对表面粗糙度有显著影响的是刀尖圆弧半径。结合不同核函数的特点构建混合核函数,并用于最小二乘支持向量回归(LS-SVR)模型。采用基于小波函数进行变异处理的优化量子粒子群(WQPSO)算法优化选择LS-SVR模型中的相关参数。最终建立基于WQPSO算法的LS-SVR预测模型,验证结果显示基于WQPSO的LS-SVR模型的预测效果明显优于采用其他参数寻优方法的LS-SVR模型(网格搜索、基本PSO算法)。4.渐进多焦点曲面的设计及基于Solidworks的二次开发首先利用间接法对渐进多焦点曲面进行设计,使用一种变分差分的方法求解渐进面设计质量评价泛函的极小值,进而得到渐进面上的离散点坐标。在仿真分析中,首先对Zernike多项式与B样条的拟合精度进行了分析比较,结果表明B样条较同阶Zernike多项式的拟合精度更高;然后对基底面球面半径对渐进面设计质量的影响进行研究,确定最优球面半径;最后对比分析了变分差分法与B-Spline法求解泛函极小值问题的求解精度、收敛速度与求解速度。仿真结果表明,设计出的渐进面的光焦度分布与像散分布与理想分布情况吻合度较好。基于上述设计涉及大量数学计算分析,为降低设计难度,使用Solidworks软件直接建立渐进面模型,并借助其二次开发接口,编写刀具路径生成插件,实现曲面构建与刀具路径生成在同一 CAD软件完成。5.典型复杂曲面的慢刀伺服加工试验根据IMAC数控系统的特点,首基于C#语言编写了相关工艺软件,用于生成加工代码。为验证上文提出的刀具几何补偿算法、刀触点离散算法和刀位点插值算法的有效性及不同算法对加工质量的影响,进行了球面、环曲面以及渐进面的加工试验。此外将基于环曲面试验结果的表面粗糙度预测模型用于球面与渐进面的表面粗糙度预测,预测误差均不超过10%,表明该预测模型具有较好的通用性。