大口徑非球面銑磨機Z軸精密進給結構設計【含23張CAD圖紙】,含23張CAD圖紙,口徑,球面,銑磨機,精密,進給,結構設計,23,CAD,圖紙 開題報告 1.1 課題的背景和來源 “大口徑光學非球面超精密數(shù)控銑磨機”的開發(fā)研制隸屬于“國家863計劃”攻關項目，這個項目由北京微納精密機械有限公司承接。該公司是進行精密制造技術方面產(chǎn)品制造和技術研究開發(fā)的制造實體，由一批國內(nèi)知名專家領隊和年富力強的中青年技術人員組成，具有很強的科學研究和技術攻關能力。 為了響應教育部的號召，實施大學本科教改計劃，北京微納精密機械有限公司與中原工學院聯(lián)合實施“卓越工程師”的培養(yǎng)計劃。具體施行方法就是由該公司接收中原工學院大四學生來公司實習并完成畢業(yè)設計，為學生走上工作崗位提供一個鍛煉自己的平臺。 1.2 研究的目的和意義 非球面光學元件是一種非常重要的光學零件，因其在光學系統(tǒng)中能夠很好的矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力，且能以一個或幾個非球面零件代替多個球面零件，從而簡化儀器結構，降低成本并有效的減輕儀器重量而得到重要應用。其加工質(zhì)量的好壞與非球面加工機床的制造水平息息相關，因此，進一步提高我國非球面超精密機床的制造水平勢在必行。 為了提高非球面超精密機床的整體性能，其主要構件——Z軸的結構特性也至關重要。為此開展了對于大口徑非球面超精密光學銑磨機Z軸結構特性的分析和優(yōu)化。以期通過對該梁的結構靜力學分析和結構動力學分析，對橫梁的結構做出優(yōu)化設計，改善其靜力學和動力學特性，從而保證機床的Z軸的精密進給，最終實現(xiàn)該銑磨機整體使用性能。 研制出加工口徑達900mm的光學非球曲面加工機床及成套應用工藝，可以滿足國家國民經(jīng)濟主要領域和國防工業(yè)的重大需求，部分解決禁運和替代進口問題，提升我國相關領域的核心競爭力和創(chuàng)新能力。打破國外的技術封鎖，使我國的非球面曲面光學零件的超精密加工水平提升一個大的臺階，從整體上縮短與世界最先進水平的差距。 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著國防工業(yè)、航空、民用光學技術的發(fā)展，各種高精度的非球面光學元件越來越多地應用于高性能要求的光學系統(tǒng)中。光學元件因其具有矯正多種像差，改善成像質(zhì)量，提高系統(tǒng)鑒別能力等優(yōu)點而得到廣泛應用。目前，高精度非球面光學元件的使用受到其加工精度、表面質(zhì)量和制造成本的限制，但是市場上對光學元件的需求促使各個國家致力于高精度非球面光學元件加工的技術研究。 1.3.1 國外非球面零件超精密加工技術的現(xiàn)狀 80年代以來，國外出現(xiàn)了許多種新的非球面超精密加工技術，主要有： （1） 計算機數(shù)控單點金剛石車削技術 計算機數(shù)控單點金剛石車削技術是由美國國防科研機構于60年代率先開發(fā)、80年代得以推廣應用的非球面光學零件加工技術。它是在超精密數(shù)控車床上，采用天然單晶金剛石刀具，在對機床和加工環(huán)境進行精確控制條件下，直接利用金剛石刀具單點車削加工出符合光學質(zhì)量要求的非球面光學零件。該技術主要用于加工中小尺寸、中等批量的紅外晶體和金屬材料的光學零件，其特點是生產(chǎn)效率高、加工精度高、重復性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本比傳統(tǒng)的加工技術明顯降低。采用該項金剛石車削技術加工出來的直徑120mm以下的光學零件，面形精度達l/2～1l，表面粗糙度的均方根值為0.02～0.06mm。目前采用金剛石車削技術可以加工的材料有：有色金屬、鍺、塑料、紅外光學晶體（碲鎘汞、銻化鎘、多晶硅、硫化鋅、硒化鋅、氯化納、氯化鉀、氯化鍶、氟化鎂、氟化鈣、鈮酸鋰、KDK晶體）無電鎳、鈹銅、鍺基硫族化合物玻璃等。 （2）計算機數(shù)控研磨和拋光技術 計算機數(shù)控研磨和拋光技術是一種由計算機控制的精密機床將工件表面磨削成所需要的面形，然后用柔性拋光模拋光，使工件在不改變精磨面形精度的條件下達到鏡面光潔度的光學零件制造技術。該技術主要用來加工中、大尺寸的非球面光學零件。工件加工精度主要取決于測量精度和所采用的誤差校正方法。非球面光學零件的精密研磨拋光比較普遍采用的一種技術是：小型磨床修正研磨拋光法。 小型磨床最早是由美國研究開發(fā)的，其磨頭直徑不超過工件的1/3，由計算機計算去除量，加工精度比較高?？梢愿呔鹊丶庸ぶ睆?500～1800mm的大口徑非球面。目前，美國亞里桑那大學的光學中心，已基本上用計算機數(shù)控研磨拋光加工技術取代了傳統(tǒng)的手工研磨拋光加工非球面光學零件。 80年代末，日本研制出了的超精密數(shù)控范成法研磨機，使用該研磨機加工出的光學零件，其面形精度達到了0.08μm，表面粗糙度的均方根值為0.2nm。若用瀝青拋光模進行加工，表面粗糙度的均方根值能達到0.035nm。最近，日本采用門型機械加工中心，使用4000#～8000#鑄鐵絲結合金剛石砂輪，利用ELID（在線電解修正法）磨削法，磨削BK-7光學玻璃，所獲得的非球面的面形精度為1μm，表面粗糙度為43nmRmax。 德國的計算機數(shù)控研磨拋光技術也很快。Loh公司生產(chǎn)的CNCSPM50和120研磨拋光機，不僅可以粗、精磨球面光學零件，而且還可以粗、精磨非球面光學零件。施耐德（SCHEIDER）光學機械公司90年代末制造的ALG100型計算機數(shù)控非球面磨床和ALP100型計算機數(shù)控非球面拋光機，可以高效率地進行非球面光學零件的生產(chǎn)。 （3）計算機數(shù)控離子束成形技術 日本大阪大學工學部森勇正教授提出了一種用化學氣體加工的新的加工工藝方法，稱為等離子CVM法，這是一種利用原子化學反應，獲得超精密表面的一種技術，其加工原理和等離子體刻蝕一樣，在等離子體中，被激活的游離基和工件表面原子起反應，將之變成揮發(fā)性分子，并通過氣體蒸發(fā)實現(xiàn)加工的，在高壓力下所產(chǎn)生的等離子體，能夠生成密度非常高的游離基，所以這種加工方法能達到與機械加工方法相匹敵的加工速度。在高壓力下，由于氣體分子的平均自由行程極小，等離子體局限在電極附近。所以可以通過電極掃描，加工出0.01μm精度的任意形狀的零件，另外可以以50μm／min的速度加工單晶硅平面，加工工件的表面粗糙度可達0.1nm(Rrms)。 （4） 非球面零件復制技術 用控制除去厚度的拋光(研磨)方法能夠制造出高精度的非球面零件，但和一般的光學零件加工方法相比，這種方法的加工效率很低，解決這個問題的方法之一有復制技術，即塑料注射成形和玻璃的模壓成形技術，這種技術能夠制造一部分非球面透鏡。 近年來，國外許多公司己將超精密車削、磨削、研磨以及拋光加工集成為一體，并且研制出超精密復合加工系統(tǒng)，如Rank Pneumo公司生產(chǎn)的Nanoform300、 Nanoform250、 CUPE研制的 Nanocentre、日本的 AHN60―3D、ULP一100A(H)都具有復合加工功能，這樣可以使非球面零件的加工更加靈活。 1.3.2 國內(nèi)非球面零件超精密加工技術的現(xiàn)狀 我國從80年代初才開始超精密加工技術的研究，比國外整整落后了20年。80年代中期，我國出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。如北京機床研究所、中國航空精密機械研究所、中國科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、中科院長春光機所應用光學重點實驗室等單位都在該領域取得了階段性的成果。 北京高華精密機械有限公司生產(chǎn)的DHM-500全液體靜壓超精密數(shù)控非球面磨床，通過X-Z-B三軸聯(lián)動，實現(xiàn)對非球面透鏡的高效率、高精度磨削； 上海第三機床廠生產(chǎn)的MK-9025型數(shù)控曲線磨床，采用西班牙FAGOR公司的CNC四軸控制系統(tǒng)，其中二軸為插補控制軸，分別控制機床工作臺的縱、橫向進給，另二軸控制磨頭滑座的縱、橫向進給，可以加工任意曲面； 我國九五期間在中國航空精密機械研究所首先建立的國內(nèi)第一個從事超精密加工技術研究的重點實驗室成功地研制出了Nanosys-300非球面超精密復合加工系統(tǒng)； 長春光機所于1992年成功研制出國內(nèi)首臺實用型非球面數(shù)控光學加工中心FSGJ-I; 2002年，國防科技大學研制了一臺集銑磨成形、研磨、拋光于一體的光學非球面復合加工機床。 由我國數(shù)控光學非球面加工第一人——蘇州大學研究員余景池與其創(chuàng)辦的蘇州大學明世光學有限公司，生產(chǎn)國際一流水平的非球面眼鏡模具，并廣泛應用于數(shù)碼相機、可視電話、計算機光驅、非球面透鏡等領域。它是國內(nèi)第一家從產(chǎn)品的設計、加工到生產(chǎn)都由自己完成的公司，用完全自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品代替了國外產(chǎn)品，填補了國內(nèi)空白。 最近，中國科學院南京天文光學技術研究所率先研制成功520mm國產(chǎn)碳化硅非球面鏡光學系統(tǒng)，并通過了專家組的驗收，這標志著我國在該領域邁上了新的臺階。但是對于大口徑高精度非球面光學零件的加工，如果再加上數(shù)字化控制的要求，在國內(nèi)就是一個挑戰(zhàn)性的課題了。因此，國內(nèi)生產(chǎn)水平與國際生產(chǎn)水平仍有差距。 為此，國家該863項目提出，在經(jīng)典高精度光學經(jīng)典加工工藝研究基礎上，吸收國際上先進的加工工藝研究成果，研究優(yōu)化的高精度數(shù)字化光學非球面元件加工工藝。 1.4 本文研究的主要內(nèi)容 本論文的主要研究內(nèi)容如下： （1） 了解大口徑光學非球曲面零件的加工方法及應用背景。 （2） 了解國內(nèi)外超精密加工機床發(fā)展水平及特點。 （3） 學習超精密加工技術的基本理論知識。 （4） 大口徑非球面磨床Z軸部件結構設計。 （5） 大口徑非球面磨床Z軸部件驅動傳動元件設計計算。 （6） Z軸部件主要零件有限元仿真分析。 進度安排 表5-1 進度安排 順序 階段安排 計劃完成內(nèi)容 備注 1 1-4周 外文翻譯、開題報告、文獻綜述 2 4-7周 結束機械設計部分并完成大部分零件圖 3 8-12周 電氣設計并結束機械設計部分 4 13-14周 檢查、修改設計與計算 5 15-16周 撰寫畢業(yè)設計論文及準備答辯 參考文獻 [1] 廖效果主編．數(shù)控技術．武漢：湖北科學技術出版社．2000.5 [2] 王貴明．數(shù)控實用技術．北京：機械工業(yè)出版社，2000．7 [3] 天津市機械工程學會．機床電氣設備及維修．1984．3 [4] 范超毅等編．數(shù)控技術課程設計．武漢：華中科技大學出版社．2007.5