学校编码：10384 分类号 密级

学号：19920101152757 UDC

硕 士 学 位 论 文

数控磨抛复合加工机床多轴修整器系统

技术研究 The Research of Multi-axis Dresser System Technology

on NC Grinding-polishing Complex Machine

林建华

指导教师姓名：彭云峰副教授

专 业 名 称 ： 机械设计及理论

论文提交日期：2013 年 月

论文答辩时间：2013 年 月

学位授予日期：2013 年 月

答辩委员会主席：

评 阅 人：

2013 年 05

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数控磨抛复合加工机床多轴修整器系统技术研究

林建华

指导教师

彭云峰

副教授

厦门大学

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文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均在文中以适当方式明确标

明，并符合法律规范和《厦门大学研究生学术活动规范（试行）》。

另外，该学位论文为“Ф1500 大尺寸超精密非球面车磨复合加工机床及应

用工艺”课题（组）的研究成果，获得“Ф1500 大尺寸超精密非球面车磨复合

加工机床及应用工艺”课题（组）经费或实验室的资助，在微纳米加工与检测联

合实验室完成。（请在以上括号内填写课题或课题组负责人或实验室名称，未有

此项声明内容的，可以不作特别声明。）

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年 月 日

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厦门大学硕士学位论文 摘要

i

摘 要

作为超精密加工领域中的一个关键性技术难题，非球面的加工一直受到各个

国家的高度重视。近年来，非球面制造技术发展很快，其中磨削加工技术和气囊

抛光技术被广泛应用。但是，非球面光学元件在磨削加工转移到气囊抛光的过程

中，由于多次的移动和装夹，不仅产生重复定位误差，而且容易造成光学元件的

破坏，另外严重影响加工效率。针对这个问题，本课题组设计了一种同时具备超

精密磨削和气囊抛光功能，可显著提高加工效率的数控磨抛复合加工机床。

但是，要保证磨抛复合加工机床的加工精度和加工效率，在加工对象确定的

情况下，除了机床之外，加工工具的修整等配套技术应达到较高要求。为了保证

磨抛机床的金刚石砂轮和抛光气囊头在加工中处于良好的加工状态，需要使金刚

石砂轮的修整和抛光气囊头的修形都能达到较高的要求。本文的主要目的是针对

磨抛复合加工机床特殊的结构及砂轮修整和气囊头修形两方面的需求，设计一种

能同时兼顾砂轮修整和气囊头修形的多轴修整器。

课题来源于“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项-“Ф1500 大尺

寸超精密非球面车磨复合加工机床及应用工艺”的子课题“砂轮修整装置技术及

工艺”，其中本文主要做以下几方面的研究：

（1）研究砂轮修整和气囊修形的原理，在单轴杯形砂轮修整器的基础上完

成多轴修整器的结构设计，以满足砂轮修整和气囊修形两方面的需求。

（2）进行多轴修整器控制系统规划及设计，包括数控系统的选配，电气规

划及设计，修整控制流程和修整工艺设计等。

（3）对修整器进行误差分析，并对误差进行分析对比，讨论各误差对砂轮

修整及加工精度的影响。

（4）进行多轴修整器的修整实验，证明修整器能提高金刚石砂轮的磨削性

能，增强对工件的加工效果，并且符合设计要求。

关键词：光学非球面 磨抛机床 砂轮修整 气囊修形

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数控磨抛复合加工机床多轴修整器系统技术研究

ii

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厦门大学硕士学位论文 abstract

iii

Abstract

As a key technical problems in the field of ultra-precision machining,

non-spherical processing has been subject to various countries attach great importance.

In recent years, non-spherical manufacturing technology has developed rapidly,

Among them, the grinding technology and the airbag polishing technology has been

widely applied. However, aspheric optical element transfer to the gasbag polishing in

grinding process, because of the moving and clamping, not only have the repeatability

error, and easy to cause the damage of optical elements, also seriously affect the

processing efficiency. To solve this problem，the team designed with a grinding and

polishing machine tool with ultra-precision grinding and bonnet polishing，which an

significantly improve the efficiency.

However, in processing object to determine the case, to ensure that the grinding

and polishing machine tool machining precision and efficiency, in addition to machine

tools, processing tools such as dressing supporting technology should reach higher

requirements. In order to ensure diamond wheels and polishing airbag head in good

processing state in the processing, the diamond grinding wheel dressing and polishing

head airbags modification need to achieve higher requirement. The main purpose of

this paper is aimed at both special grinding and polishing machine tool structure and

wheel dressing and airbag head shaping’s demand, design a multi-axis dresser both

wheel dressing and airbag head modification.

Subject comes from " wheel dressing device technology and processes ", which

is one of "high-end CNC machine tools and basic manufacturing equipment

technology major projects -" Ф1500 large-size ultra-precision aspheric the car

grinding machine tool and application process ",This paper mainly do the following

several aspects of research:

(1) Research principle of grinding wheel dressing and airbag modification,

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数控磨抛复合加工机床多轴修整器系统技术研究

iv

completed the structure design of shaft grinding wheel dresser, which is based on

uniaxial cup wheel dresser, in order to meet both grinding wheel dressing and gasbag

modification’s needs.

(2) Multi-axis Dresser control system’s planning and design, including

numerical control system of matching, electrical planning and design, dressing control

process and finishing process design, etc.

(3) Dresser error analysis and comparison, discuss the impact of errors on the

wheel dressing and processing accuracy.

(4) Multi-axis dresser dresser experiments, to prove that the dresser can improve

diamond wheel grinding performance, enhance the effect of workpieces, and meet the

design requirements.

Keywords: Optical aspherical surface; Grinding and polishing machine tools;

Wheel dressing; Airbag modification

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厦门大学硕士学位论文 目录

I

目 录

第一章 绪论 .............................................................................................. 1

1.1 课题研究背景 .................................................................................................... 1 1.1.1 非球面光学元件.......................................................................................... 1 1.1.2 光学非球面加工方法.................................................................................. 1 1.1.3 国内外非球面超精密加工装备发展现状.................................................. 3

1.2 加工工具的修整技术 ........................................................................................ 5 1.2.1 金刚石砂轮修整.......................................................................................... 5 1.2.2 气囊抛光工具修整技术.............................................................................. 8

1.3 课题来源及研究意义 ........................................................................................ 8 1.4 论文主要研究内容 ............................................................................................ 8

第二章 数控磨抛复合加工机床 ............................................................ 10

2.1 磨抛复合加工机床结构简介 .......................................................................... 10 2.1.1 磨削装置.................................................................................................... 11 2.1.2 抛光装置.................................................................................................... 12 2.1.3 在线修整装置和工作台装置.................................................................... 13

2.2 磨抛复合加工机床的加工步骤 ...................................................................... 14 2.3 小结 .................................................................................................................. 15

第三章 多轴修整器的结构设计 ............................................................ 16

3.1 金刚石砂轮修整原理 ...................................................................................... 16 3.2 气囊修形原理 .................................................................................................. 20

3.2.1 修整原理分析............................................................................................ 20 3.2.2 修整面形分析............................................................................................ 22

3.3 多轴修整器的开发 .......................................................................................... 23 3.3.1 单轴砂轮修整器........................................................................................ 23 3.3.2 多轴修整器的结构设计............................................................................ 25 3.3.3 多轴修整器的结构特点............................................................................ 31

3.4 小结 .................................................................................................................. 32

第四章 修整器控制系统规划及设计 .................................................... 33

4.1 多轴修整器数控系统的选配 .......................................................................... 33 4.2 电气规划及设计 .............................................................................................. 35 4.3 修整控制流程 .................................................................................................. 38 4.4 修整工艺设计 .................................................................................................. 39

4.4.1 平面砂轮修整............................................................................................ 40 4.4.2 圆弧砂轮修整............................................................................................ 41

4.5 小结 .................................................................................................................. 44

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数控磨抛复合加工机床多轴修整器系统技术研究

II

第五章 修整器误差分析 ........................................................................ 45

5.1 机械误差分析 .................................................................................................. 45 5.1.1 不重合误差................................................................................................ 45 5.1.2 倾斜误差.................................................................................................... 47 5.1.3 杯形砂轮廓形误差.................................................................................... 48

5.2 原理误差分析 .................................................................................................. 49 5.3 误差对比分析 .................................................................................................. 50 5.4 小结 .................................................................................................................. 52

第六章 多轴修整器修整实验 ................................................................ 53

6.1 修整前的分析 .................................................................................................. 53 6.2 修整前的测量 .................................................................................................. 54 6.3 修整实验 .......................................................................................................... 55 6.4 修整后的测量 .................................................................................................. 56 6.5 加工实验验证 .................................................................................................. 60 6.6 小结 .................................................................................................................. 62

第七章 总结与展望 ................................................................................ 63

7.1 结论 .................................................................................................................. 63 7.2 展望 .................................................................................................................. 63

参考文献 .................................................................................................. 65

致 谢 ......................................................................................................... 69

科研成果 .................................................................................................. 71

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厦门大学硕士学位论文 contents

III

Contents

Chapter I Introduction ............................................................................. 1

1.1 Research background ........................................................................................ 1

1.1.1 Aspheric optical element ............................................................................... 1 1.1.2 Optical aspheric processing methods ............................................................ 1 1.1.3 The development status of the domestic and international non-spherical ultra-precision machining equipment .................................................................... 3

1.2 Machining tool trimming technology ............................................................... 5 1.2.1 Diamond wheel dresser ................................................................................. 5 1.2.2 Bonnet polishing tooling trimming technology ............................................ 8

1.3 Research sources and significance .................................................................... 8 1.4 Main contents ..................................................................................................... 8

Chapter II CNC grinding and polishing machine tool ........................ 10

2.1 Grinding and polishing machine tool structure Introduction ..................... 10 2.1.1 Grinding device ........................................................................................... 11 2.1.2 Polishing device .......................................................................................... 12 2.1.3 Online trimming device and table device ................................................... 13

2.2 Grinding and polishing machine tool processing step .................................. 14 2.3 Summary ........................................................................................................... 15

Chapter III Multi-axis dresser structural design ................................. 16

3.1 Diamond wheel dresser principle ................................................................... 16 3.2 Airbag shaping principle ................................................................................. 20

3.2.1 Trimmed principle analysis ......................................................................... 20 3.2.2 Trimming surface shape analysis ................................................................ 22

3.3 The development of multi-axis dresser .......................................................... 23 3.3.1 Uniaxial Dresser .......................................................................................... 23 3.3.2 Multi-axis dresser structural design ............................................................ 25 3.3.3 The structural characteristics of multi-axis dresser ..................................... 31

3.4 Summary ........................................................................................................... 32

Chapter IV Dresser control system planning and design ................... 33

4.1 Wheel dresser CNC system optional .............................................................. 33 4.2 Electrical planning and design ........................................................................ 35 4.3 Trimming control flowing................................................................................ 38 4.4 Trimming processing design............................................................................ 39

4.4.1 Plane wheel dressing ................................................................................... 40 4.4.2 Arc wheel dressing ...................................................................................... 41

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数控磨抛复合加工机床多轴修整器系统技术研究

IV

4.5 Summary ........................................................................................................... 44

Chapter V Dresser error analysis .......................................................... 45

5.1 Mechanical error analysis ............................................................................... 45 5.1.1 Coincidence error ........................................................................................ 45 5.1.2 Tilt error ...................................................................................................... 47 5.1.3 Cup-shaped sand contour shape error ......................................................... 48

5.2 Principles errors ............................................................................................... 49 5.3 Error comparative analysis ............................................................................. 50 5.4 Summary ........................................................................................................... 52

Chapter VI Multi-axis dresser dressing experiment ........................... 53

6.1 Analysis before trimming ................................................................................ 53 6.2 Measuring before trimming ............................................................................ 54 6.3 Trimmed experiment ....................................................................................... 55 6.4 Measuring after trimming ............................................................................... 56 6.5 Processing experimental verification ............................................................. 60 6.6 Summary ........................................................................................................... 62

Chapter VII Summary and Outlook ..................................................... 63

7.1 Conclusion ........................................................................................................ 63 7.2 Outlook.............................................................................................................. 63

References ................................................................................................ 65

Acknowledgements ................................................................................. 69

Scientific research ................................................................................... 71

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厦门大学硕士学位论文 第一章 绪论

1

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 非球面光学元件

光学非球面是指面形由多项高次方程表示，面形上各点的半径均不相同的光

学元件。光学非球面相比球面而言，能提高光学系统的相对口径比，因此可简化

结构，同时非球面能消除球面元件在光传递过程中产生的球差、慧差、像差、场

曲等不利影响，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特征。

当前非球面广泛应用于各种现代光电子产品、图像处理产品及军事、天文和医疗

等高技术领域，其中大口径光学非球面（Φ 400mm 以上）在激光核聚变装置、

高能激光、红外热成像、卫星用光学系统、大型天文望远镜、医疗影像设备等国

家重大光学工程及国防间断技术中需求急速增长，而中小型非球面更多应用于民

用光电产品领域，作为信息传递的关键组件，在计算机、光通讯、手机、数码照

相机以及视听设备等各种最新的电子产品中，起着极其重要的作用[1]。

但非球面零件加工很困难，使得非球面光学零件的价格昂贵，从而导致非球

面光学零件应用受到很大的限制。光学设计中用非球面的趋势是越来越强了，无

论从提高制造精度，降低成本或提高效率等方面，均要求非球面制造技术不断进

步。因此，作为超精密加工领域中的一个关键性技术难题，非球面的加工引起了

各个国家的高度重视。

1.1.2 光学非球面加工方法

近年来，随着光学技术、计算机技术和机械制造技术的飞速发展，非球面制

造技术发展很快。传统的手工加工方法虽可达到精度要求，但加工效率低，加工

周期长，加工成本高。

各国都在探索经济而又高效的非球面制造技术，国内外普遍认为数控加工技

术是解决非球面加工难的根本途径，现在已经发展到用数控机床进行数控磨削和

数控抛光加工非球面的阶段[2]。

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数控磨抛复合加工机床多轴修整器系统技术研究

2

(1)磨削加工技术

非球面金刚石砂轮磨削加工是利用数控机床对工具运动轨迹的精密复写来

保证面型的，适用于各类口径非球面加工粗磨、精磨等阶段。其中，超精密数控

磨削是一种解决各种高尺寸精度、高表面质量、高形状精度的有效加工方法，并

且它能大大地提高零件的加工效率。由于磨削加工工具砂轮是用磨料的许多微小

切削刃进行切削，所排除的切屑也极其微小，所以加工精度高。而且由于砂轮是

多刃工具，同时参与切削的切削刃很多，虽然排除的切屑很小，但加工效率还是

很高的。

按照非球面磨削加工的过程来划分，磨削加工可分为粗磨、半精磨和精磨三

个阶段。粗磨阶段主要是以增加去除率来提高磨削效率的一个过程，粗磨的加工

特征表现为砂轮磨粒颗粒大，磨削进给量大，进给速度快；半精磨阶段在考虑去

除效率的同时，采用适中磨粒的金刚石砂轮、合适的磨削工艺，以获得相对较好

的加工面形；而精磨阶段作为非球面磨削加工的最后一个阶段，用来进行工件面

形的精密磨削，这时的金刚石砂轮颗粒小，磨削进给量小。误差补偿加工也是在

这一阶段来完成的[3]。

（2）气囊抛光加工技术

在进行光学非球面加工时，需要考虑工件的材料性质、面形特征、精度和口

径大小等因素。光学玻璃、光学晶体等脆性材料磨削加工完成后，由于工件表面

存在破坏层，需要后续的研抛处理。另外当代科技的发展，对光学表面质量的要

求越来越高，对材料加工也提出了更为苛刻的条件，到目前为止还没有比超精密

抛光更好的实用方法能达到超光滑表面质量。

传统的抛光方法具有明显缺点，特别是在非球面抛光中。首先，针对特定形

状的光学元件需采用专门的精密成形抛光模，但制造专用的成形工具费用昂贵且

交货周期长;其次，传统抛光模在使用过程中由于磨损发生形状变化，导致抛光

效率改变，加工控制困难;此外，采用传统抛光模加工复杂光学表面时(如非球面)

加工区不稳定，抛光模不易与变化的工件曲率快速吻合.[4-7]

在抛光非球面或复杂曲面时，需要解决的关键问题是:①较高的材料去除率;

②避免因刀具和工件面形不匹配而形成的加工盲区;③能达到要求的面形精度;④

满足一定精度的控制方式(如收敛率，即在单一工艺流程中表面残留误差与加工

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