[發明專利]一種用于氣囊拋光的氣囊外形的設計方法

有效

• 申請號: 201310057694.8
• 申請日: 2013-02-22
• 公開（公告）號: CN103116678A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 郭隱彪;王春錦;潘日;林建華;鄭茂江
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及氣囊，尤其是涉及一種用于氣囊拋光的氣囊外形的設計方法。

背景技術

精密、超精密光學元件在光學、電子、航空航天及民用等諸多領域中得到了日益廣泛的應用，同時，對其加工精度和表面質量也提出了極高的要求。現代尖端技術領域中對光學元件的加工精度要求越來越高，面形精度達到幾十分之一波長(一個波長為632.8nm)甚至納米級的形狀與尺寸精度、超光滑表面以及最小的次表面損傷。短波段光學的發展尤其是強激光技術的出現，對光學元件表面粗糙度的要求極為苛刻，要求光學表面粗糙度小于2nm。非球面透鏡或反射鏡由于具有優良的光學性能，使得越來越多地應用在光學系統中，非球面特殊的幾何形狀決定了無論是制造難度還是制造成本都遠遠高于球面光學元件。傳統的拋光方法在加工光學非球面上，存在一些明顯的缺點，為適應特殊材料的超高精度、低粗糙度、無損傷的加工，新原理的研磨、拋光方法不斷出現，如計算機控制小工具拋光技術、激光拋光技術、離子束拋光技術、應力拋光技術、磁流變拋光技術等。

超精密氣囊拋光方法是20世紀90年代倫敦光學實驗室提出來的一種新的拋光方法，在UK粒子物理、天文學研究委員會和工商界的資助下，開展了氣囊拋光理論與技術的研究，并與Zeeko公司合作開發了IRP系列氣囊拋光機床，為氣囊拋光技術的發展做出了很大的貢獻，但該項技術的研究及應用仍屬于發展階段，很多關鍵技術的研究有待進一步深入。

氣囊拋光方法是采用特殊的拋光頭結構和獨特的運動原理，用一個尺寸比被加工元件小得多的球形拋光膜，在計算機的控制下，以一定路徑、速度和壓力拋光工件表面。氣囊為球形的柔性膜，內表面貼有一層加強層，外表面粘貼聚氨酯拋光墊，裝于旋轉的工作部件上，形成封閉的腔體，內部充入低壓氣體。內部的壓力、拋光接觸區、進動運動、旋轉速度等變量是可以獨立控制的，它的空間運動方向被一個7自由度的計算機數字控制系統控制。拋光氣囊隨旋轉工作部件而旋轉，通過拋光液的作用，達到拋光玻璃表面的目的（其原理參見文獻：BINGHAM?R?G，WALKER?D?D，KIM?D?H，etal.A?novel?automated?Proeess?for?aspheric?surfaces[C]//Proe.SPIE，2000(4093):445-450）。拋光工具的材料去除特性、滯留時間和路徑的控制是其關鍵，而氣囊是該方法的一個關鍵的部件，對拋光的成功有很大的影響。

由于氣囊是柔性體，在氣壓作用下會發生形變，使得氣囊由球面變為非球面，這就會對氣囊的壓縮量產生影響，而且難以控制，對拋光后的表面精度產生很大的影響。經查閱國內外參考文獻，目前，國內外研究機構均未提出該問題和解決該問題的方法。

發明內容

本發明的目的在于為了減小氣囊充氣后發生形變而帶來的誤差，提供一種用于氣囊拋光的氣囊外形的設計方法。所述氣囊是一種外形為非球面的氣囊，其在充氣壓力作用下可變形為球面。

本發明包括以下步驟：

1)根據氣囊球冠型的結構，在ANSYS中建模，氣囊的外層是橡膠材料，內層的加強層是尼龍材料，采用六面體網格劃分模型，將氣囊上部圓筒形部分用于固定的面約束其全部自由度，對稱面處施加軸對稱約束，加強層的內球面施加壓力，選用結構靜力學求解方法進行求解，分別提取氣囊內外輪廓和加強層內輪廓的半條圓弧線上的所有點生成三條路徑，提取路徑上的X,Y軸坐標和X、Y坐標軸上的變形分量DX、DY，導出數據；

2)將步驟1）導出的數據導入MATLAB中進行數據處理，將初始外輪廓上的X、Y坐標加上X、Y坐標軸上的變形分量DX、DY，得到原始的氣囊充氣變形后的外形輪廓數據，利用最小二乘圓法計算其圓度誤差；

3)在MATLAB中將初始的橡膠層內外輪廓及加強層內輪廓上的X、Y坐標減去X、Y坐標軸上的變形分量DX、DY，得到三組點的數據；將這三組點的數據以關鍵點的形式導入ANSYS中，再根據圓筒狀固定面的高度和氣囊的厚度計算出另外兩個關鍵點坐標，就可完成全部關鍵點的建模；根據關鍵點生成曲線，由曲線生成面，再利用生成的面回轉180°完成氣囊的模型的建立；再利用與步驟1)中相同的網格劃分方法和載荷進行求解，然后利用步驟1)中相同的路徑提取數據的方法提取數據，得到改進后的氣囊橡膠層外輪廓曲線上的坐標X、Y以及對應坐標軸上的變形量分量DX、DY，導出數據；