二次旋转曲面精密磨削原理与运动控制方法_胡德金
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高硬度回转球面精密磨削系统的数字控制技术
［5 ］
证了两个回转运动的轴心线相交， 从而实现球面成形 切削运动。该球面磨床具有以下特点： （ 1 ） 机床加工精度高 可以实现工件主轴的回转 轴线、 尾座顶尖的回转轴线、 回转工作台的回转轴线、 磨头回转轴线在空间相交于一点， 从原理上保证了加 工球体的形状精度。 （ 2 ） 球体工件装夹工位可以检测和调整 通过调 整工件的工位， 使球体的球心和“四心合一 ” 点重合， 保证了球体的形状精度。 （ 3 ） 加工的柔性好 回转工作台可以 ± 30° 摆动， 可以加工直径 80 ～ 400 mm 的球体。 （ 4 ） 操作直观方便 机床采用人机交互 编 程 方 式， 操作员只需要在操作面板上输入和设置好相应的 参数就可以进行加工， 同时加工状态实时监控。 （ 5 ） 机床电气电路可靠、 维护方便 采用上下位 机分层控制结构， 机床整体的电气电路简便可靠。
1
MD6040 型数控精密球面磨床
MD6040 型数控精密球面磨床的基本结构原理如 工件在工件主轴的带动下做回转 图 1 所示。加工时， 运动， 回转工作台带动磨头绕回转中心旋转 ， 机械上保
工作台的回转进给和砂轮轴的径向进给运动是实
· 45 ·
现球面磨削的主要进给方式， 可分别在手动进给程序 和自动进给程序中完成。 通过手动或自动控制主轴和尾座的同步进给 ， 可 以实现磨削球的手动对中， 加上辅助测量装置则可以 实现自动对中功能。报警程序统一管理报警信息和报 对控制器、 驱动器等系统硬件状态及 警指示灯的状态， 时作出报警提示。 2 ． 2 上位机程序设计 上位机首先承担人机交互的任务， 实现加工状态 、 。 ， 监视 加工参数设置等功能 同时 由于球面磨削中磨 砂轮磨损等因素对球面磨削质量的影响很大 ， 为 削力、 了在保证磨削质量尤其是球度和表面质量的前提下提 高磨削效率， 需要对磨削过程的状态数据进行采集 、 分 析和处理。球面磨削上位机程序结构见图 3 ， 数据采 集主要包括磨削力的在线间接测量、 磨头振动信号的 实时采集， 数据分析和处理由上位机软件完成 ， 功能模 块包括磨削载荷的异常识别、 磨削振动的异常识别及 磨削参数的动态优化。这里磨削参数主要指磨削深度 动态优化指磨削参数根据异常识 和工作台进给速度， 别结果自适应调整以满足加工质量和效率的要求 。
证了两个回转运动的轴心线相交， 从而实现球面成形 切削运动。该球面磨床具有以下特点： （ 1 ） 机床加工精度高 可以实现工件主轴的回转 轴线、 尾座顶尖的回转轴线、 回转工作台的回转轴线、 磨头回转轴线在空间相交于一点， 从原理上保证了加 工球体的形状精度。 （ 2 ） 球体工件装夹工位可以检测和调整 通过调 整工件的工位， 使球体的球心和“四心合一 ” 点重合， 保证了球体的形状精度。 （ 3 ） 加工的柔性好 回转工作台可以 ± 30° 摆动， 可以加工直径 80 ～ 400 mm 的球体。 （ 4 ） 操作直观方便 机床采用人机交互 编 程 方 式， 操作员只需要在操作面板上输入和设置好相应的 参数就可以进行加工， 同时加工状态实时监控。 （ 5 ） 机床电气电路可靠、 维护方便 采用上下位 机分层控制结构， 机床整体的电气电路简便可靠。
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MD6040 型数控精密球面磨床
MD6040 型数控精密球面磨床的基本结构原理如 工件在工件主轴的带动下做回转 图 1 所示。加工时， 运动， 回转工作台带动磨头绕回转中心旋转 ， 机械上保
工作台的回转进给和砂轮轴的径向进给运动是实
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现球面磨削的主要进给方式， 可分别在手动进给程序 和自动进给程序中完成。 通过手动或自动控制主轴和尾座的同步进给 ， 可 以实现磨削球的手动对中， 加上辅助测量装置则可以 实现自动对中功能。报警程序统一管理报警信息和报 对控制器、 驱动器等系统硬件状态及 警指示灯的状态， 时作出报警提示。 2 ． 2 上位机程序设计 上位机首先承担人机交互的任务， 实现加工状态 、 。 ， 监视 加工参数设置等功能 同时 由于球面磨削中磨 砂轮磨损等因素对球面磨削质量的影响很大 ， 为 削力、 了在保证磨削质量尤其是球度和表面质量的前提下提 高磨削效率， 需要对磨削过程的状态数据进行采集 、 分 析和处理。球面磨削上位机程序结构见图 3 ， 数据采 集主要包括磨削力的在线间接测量、 磨头振动信号的 实时采集， 数据分析和处理由上位机软件完成 ， 功能模 块包括磨削载荷的异常识别、 磨削振动的异常识别及 磨削参数的动态优化。这里磨削参数主要指磨削深度 动态优化指磨削参数根据异常识 和工作台进给速度， 别结果自适应调整以满足加工质量和效率的要求 。
高硬度球面精密磨削的工艺试验研究
度、 显 著 性 和 可靠 性 关键词 ： 高 硬 涂 层 球 面磨 削 正 交试 验 回 归 分 析
中图分类号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ２ ； Ｔ Ｇ ５ ８ ０
文献标识码： Ａ
文章 编 号 ： １ ０ ０ ０ — ４ ９ ９ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ ０ ６ ２ — ０ ４
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３年 ３月
２ ０ １ ３ ／ ９
机械制造 ５ １ 卷 第５ ８ ９期
运动 ： 回转 工 作 台的一 端支 撑 于 圆弧 导轨 上 ， 并 可 围 绕
表 １ 正 ２ 水平 ３ 水平 ４
平 变化 对磨 削 力 和磨 除 率 的 影 响 ， 超 过 了实 验误 差 造 成 的 影 响 ， 是 显 著 因素 ； 对 于表 面 粗 糙 度 ， 和 瓯 是 显 著 因 素 。在 此
基 础上 ， 通 过 回 归分 析 ， 得 出 目标 变量 与 显 著 因素 的 回 归 方 程 ， 用残 差 正 态概 率 图 分析 和 Ｆ检 验 法证 明 了 回 归 方程 的 高 精
理论研 究和 实际 生产 中有 着 广泛 的应 用 。 文献［ １ ］ 通过
金 刚 石砂 轮 刃磨 聚 晶金 刚石 （ Ｐ Ｃ Ｄ） 材料的正交试验 ， 研究 了砂轮 转度 、 工作 台调定 压力 、 进 给量 等 工艺 参数 对 刃 磨 时 磨 除 率 和 磨 耗 比 的 影 响 。并 通 过 回 归 分 析 得 出了磨 除率 和磨 耗 比的回归 方程 。 文献 ［ ２］ 应 用 正 交 试 验 方法 ， 研 究影 响磨 除率 和磨 耗 比 的各 因素之 间关 系 。 国外对 于相 关 领域 的研 究更 加 深入 ， 文献［ ３ ］ 应 用 正 交 试 验 、方 差 分 析 和 回归 分 析 的方 法 研 究 高 纯 石 墨 立 铣 加 工 的 切 削 速 度 、进 给 速 度 和 切 削 深 度 对 于 工 件 表 面质量 的影 响关 系 。 文献 ［ ４ ］ 针 对 碳 化 钨 钻 工 件 的材 料 去 除 率 、砂 轮 磨 损 率 和 表 面 粗 糙 度 优 化 问 题 展 开 研 究 ． 通 过 正 交 试 验 探 讨 砂 轮 转 速 等 因 素 对 目标 变 量 的 影 响规律 。 并 通过 方 差分 析检 验各 因素 的重 要程 度 。 很 多 学 者 的 研 究 都 取 得 了 良好 的 研 究 结 果 ，但 以 上 研 究
中图分类号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ２ ； Ｔ Ｇ ５ ８ ０
文献标识码： Ａ
文章 编 号 ： １ ０ ０ ０ — ４ ９ ９ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ ０ ６ ２ — ０ ４
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３年 ３月
２ ０ １ ３ ／ ９
机械制造 ５ １ 卷 第５ ８ ９期
运动 ： 回转 工 作 台的一 端支 撑 于 圆弧 导轨 上 ， 并 可 围 绕
表 １ 正 ２ 水平 ３ 水平 ４
平 变化 对磨 削 力 和磨 除 率 的 影 响 ， 超 过 了实 验误 差 造 成 的 影 响 ， 是 显 著 因素 ； 对 于表 面 粗 糙 度 ， 和 瓯 是 显 著 因 素 。在 此
基 础上 ， 通 过 回 归分 析 ， 得 出 目标 变量 与 显 著 因素 的 回 归 方 程 ， 用残 差 正 态概 率 图 分析 和 Ｆ检 验 法证 明 了 回 归 方程 的 高 精
理论研 究和 实际 生产 中有 着 广泛 的应 用 。 文献［ １ ］ 通过
金 刚 石砂 轮 刃磨 聚 晶金 刚石 （ Ｐ Ｃ Ｄ） 材料的正交试验 ， 研究 了砂轮 转度 、 工作 台调定 压力 、 进 给量 等 工艺 参数 对 刃 磨 时 磨 除 率 和 磨 耗 比 的 影 响 。并 通 过 回 归 分 析 得 出了磨 除率 和磨 耗 比的回归 方程 。 文献 ［ ２］ 应 用 正 交 试 验 方法 ， 研 究影 响磨 除率 和磨 耗 比 的各 因素之 间关 系 。 国外对 于相 关 领域 的研 究更 加 深入 ， 文献［ ３ ］ 应 用 正 交 试 验 、方 差 分 析 和 回归 分 析 的方 法 研 究 高 纯 石 墨 立 铣 加 工 的 切 削 速 度 、进 给 速 度 和 切 削 深 度 对 于 工 件 表 面质量 的影 响关 系 。 文献 ［ ４ ］ 针 对 碳 化 钨 钻 工 件 的材 料 去 除 率 、砂 轮 磨 损 率 和 表 面 粗 糙 度 优 化 问 题 展 开 研 究 ． 通 过 正 交 试 验 探 讨 砂 轮 转 速 等 因 素 对 目标 变 量 的 影 响规律 。 并 通过 方 差分 析检 验各 因素 的重 要程 度 。 很 多 学 者 的 研 究 都 取 得 了 良好 的 研 究 结 果 ，但 以 上 研 究
高硬度回转球面精密磨削系统的数字控制技术
ｄ ｍｏ ｓｒ ｔ ｄ ｔ ｔｔ ｅ ｍ ａ ｈ ｎ ｎ ｒ ｃｓｏ ｆｖ ｌ ｅ ｂ ｌ ｃ ｎ ｍｅ ｔｔ ｅ ｉｄ ｔｉｌｒｑ ｒ ｍ ｅ ｔ ｅ ｎ ｔａｅ ｈａ ｈ ｃ ｉ ｉ ｇ ｐ ｅ ｉｉｎ ｏ ａｖ ａｌ ａ ｅ ｈ ｎ ｕｓｒａ ｅ ｕｉｅ ｎ ．
柴运东① 许黎 明④ 李冬冬④ 许开州① 胡德金④ ②
（ 上海交通 大 学机 械 与动力 ２程学 院 ， ① １ ＿ － 上海 ２０ ３ ０００； （ 庆大学机 械传 动 国家 重点 实验 室， 重 重庆 ４ ０ ４ ） ０ ０ ４
摘 要： 介绍 制 系统技 术特点 ， 阐述 了带有 专用功能 的数
。ＩＴｐｃ Ｓ ｆ ａｅａ ａ ｗ ｒ Ｔ ｃｎｌ ｙｏ Ｎ 。 ｓ 。 。 ｏ ｉ ｏｔ ｒ ｎ Ｈｒ ａ ｅｈｏ ｇ ｆ Ｃ Ｓ ｔ 。 ｓ ｗ ｄ ｄ ｅ ｏ Ｃ — ｅ — ｙ ｍ
：
ｌ 主题 ：数控系统软硬件技术
高硬 度 回转 球面 精 密磨 削 系统 的数 字 控制 技术
数控 系统
适 应控 制
中图分类 号 ： Ｇ ８ Ｔ ５４
文献标 识码 ： Ａ
Ｎｕ ｅ ｉａ ｏ ｔ ｌ ｅ ｉｎ ｏ ｉｈ ｈ ｒ ｎ ｓ ｐ ｅ ｉａ ｕ ｆ ｃ ｒ ｄ ｎ ｃ ｉｅ ｍ ｒ ｌ ｎ ｒ ｓｇ ｆｈｇ ａ ｄ ｅ ｓ ｓ ｈ ｒ ｌ ｒ ｅ ｇ ｉ ｉｇ ｍａ ｈｎ ｃ ｃ ｏ ｄ ｃ ｓ ａ ｎ
参 考 文 献
［ ］ 杰 ， 昱 章 ． Ｇ后处 理 技 术 ［ ． １安 邹 Ｕ Ｍ］ 北京 ： 华 大 学 出 版社 ． 清 ［ ］ 雄 伟 ， 定华 ． 控 加 工 理 论 与 编 程 技 术 ［ ． 京 ： 械 工 业 出 ２刘 张 数 Ｍ］ 北 机
版 社 ， ０ ０ ２０ ．
柴运东① 许黎 明④ 李冬冬④ 许开州① 胡德金④ ②
（ 上海交通 大 学机 械 与动力 ２程学 院 ， ① １ ＿ － 上海 ２０ ３ ０００； （ 庆大学机 械传 动 国家 重点 实验 室， 重 重庆 ４ ０ ４ ） ０ ０ ４
摘 要： 介绍 制 系统技 术特点 ， 阐述 了带有 专用功能 的数
。ＩＴｐｃ Ｓ ｆ ａｅａ ａ ｗ ｒ Ｔ ｃｎｌ ｙｏ Ｎ 。 ｓ 。 。 ｏ ｉ ｏｔ ｒ ｎ Ｈｒ ａ ｅｈｏ ｇ ｆ Ｃ Ｓ ｔ 。 ｓ ｗ ｄ ｄ ｅ ｏ Ｃ — ｅ — ｙ ｍ
：
ｌ 主题 ：数控系统软硬件技术
高硬 度 回转 球面 精 密磨 削 系统 的数 字 控制 技术
数控 系统
适 应控 制
中图分类 号 ： Ｇ ８ Ｔ ５４
文献标 识码 ： Ａ
Ｎｕ ｅ ｉａ ｏ ｔ ｌ ｅ ｉｎ ｏ ｉｈ ｈ ｒ ｎ ｓ ｐ ｅ ｉａ ｕ ｆ ｃ ｒ ｄ ｎ ｃ ｉｅ ｍ ｒ ｌ ｎ ｒ ｓｇ ｆｈｇ ａ ｄ ｅ ｓ ｓ ｈ ｒ ｌ ｒ ｅ ｇ ｉ ｉｇ ｍａ ｈｎ ｃ ｃ ｏ ｄ ｃ ｓ ａ ｎ
参 考 文 献
［ ］ 杰 ， 昱 章 ． Ｇ后处 理 技 术 ［ ． １安 邹 Ｕ Ｍ］ 北京 ： 华 大 学 出 版社 ． 清 ［ ］ 雄 伟 ， 定华 ． 控 加 工 理 论 与 编 程 技 术 ［ ． 京 ： 械 工 业 出 ２刘 张 数 Ｍ］ 北 机
版 社 ， ０ ０ ２０ ．
五轴磨床加工精密球面的磨削形态及运动分析
只存在理 论上 的论述 。现 在我们 将此 技术融 入 于大连 机床（ 数控 ） 份有 限公 司 Ｖ Ｔ系列 立 式车 铣 复合 加 股 Ｈ 工 中心立 柱部 件移 动 的具 体设 计上 ， 和我 们 机 床 ｌ艺 性 相结合 ， 使得 该系 列机床 的整 机稳定 性有很 大 提升 。 参
精 密球 面工件 （ 如球 阀 阀芯 、 承球 等 ） 轴 的终加 上 多采用 研 磨 。然 而 这 种 方 式 存 在 球 坯 表 而 研 磨 不 均 匀 、 工效率 低 、 工 一 致性 差 等 问题 。 因此 ， 于硬 加 加 对 质 精 密球 （ 别是精 密 陶瓷球 、 质 合金 球 ） 始考 虑 特 硬 开
ｄ ｎ ｔ ｒ ｎｓｏ ｍ．Ｒｅａｉｎｓ ｐ ｂ ｔ ｅ ｒｎ ｉ ｇ ｔｐｏｏ ｙ ａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ａ ａ ｔ ｒ ｓｄ ｓ ｕｓｅ ａ ｅ ｉ ａｅ ｔａ ｆ ｒ ｌｔｏ ｈｉ ｅｗｅ ｎ ｇ ｄ ｎ ｏ ｌ ｇ ｎ ｒ ｃ ｓ ｉｇ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓｗａ ｉｃ ｓ ｄ ｂ ｓ ｄ ｉ
方 法 。在 普通 磨削方 法 中引 入杯 形 砂 轮 ， 得研 发 普 使 通 磨床 的成本 大大低 于数 控磨 床 。本 文所 述 的就 是一
种 五轴 式精密 球 面普 通磨 削机 床 。 杯形 砂轮 磨削 的条 件 比较 复杂 ， 目前 研 究 多 以杯
使 用磨 削加工 。当前大致 有数 控磨削 和普通 磨 削两种
ｏ ｅｔ ｊｃｏｉ ｑ ａｉ ， ｎ ｅｆｒ ｕａｏ ｓｒｗ ｐｔ ａ ｅｉｅ ｎ ｅｃｎｅ ｔ ｆ ｒ ｅｔ ｉ ｎｔ ａｅｔ ｅ ｅ ｕ ｔ ｎ ａｄｔ ｍ ｌ ｆ ｃｅ ｉ ｈｗ ｓ ｒ ｄａ ｄｔ ｏ ｃｐ ｏ ａ ｃ ｒ ｓ ｈ ｒ ｒｓ ｏ ｈ ｏ ｃ ｄ ｖ ｈ ｔｊ ｏ ｅ
精 密球 面工件 （ 如球 阀 阀芯 、 承球 等 ） 轴 的终加 上 多采用 研 磨 。然 而 这 种 方 式 存 在 球 坯 表 而 研 磨 不 均 匀 、 工效率 低 、 工 一 致性 差 等 问题 。 因此 ， 于硬 加 加 对 质 精 密球 （ 别是精 密 陶瓷球 、 质 合金 球 ） 始考 虑 特 硬 开
ｄ ｎ ｔ ｒ ｎｓｏ ｍ．Ｒｅａｉｎｓ ｐ ｂ ｔ ｅ ｒｎ ｉ ｇ ｔｐｏｏ ｙ ａ ｄ ｐ ｏ ｅ ｓｎ ａ ａ ｔ ｒ ｓｄ ｓ ｕｓｅ ａ ｅ ｉ ａｅ ｔａ ｆ ｒ ｌｔｏ ｈｉ ｅｗｅ ｎ ｇ ｄ ｎ ｏ ｌ ｇ ｎ ｒ ｃ ｓ ｉｇ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓｗａ ｉｃ ｓ ｄ ｂ ｓ ｄ ｉ
方 法 。在 普通 磨削方 法 中引 入杯 形 砂 轮 ， 得研 发 普 使 通 磨床 的成本 大大低 于数 控磨 床 。本 文所 述 的就 是一
种 五轴 式精密 球 面普 通磨 削机 床 。 杯形 砂轮 磨削 的条 件 比较 复杂 ， 目前 研 究 多 以杯
使 用磨 削加工 。当前大致 有数 控磨削 和普通 磨 削两种
ｏ ｅｔ ｊｃｏｉ ｑ ａｉ ， ｎ ｅｆｒ ｕａｏ ｓｒｗ ｐｔ ａ ｅｉｅ ｎ ｅｃｎｅ ｔ ｆ ｒ ｅｔ ｉ ｎｔ ａｅｔ ｅ ｅ ｕ ｔ ｎ ａｄｔ ｍ ｌ ｆ ｃｅ ｉ ｈｗ ｓ ｒ ｄａ ｄｔ ｏ ｃｐ ｏ ａ ｃ ｒ ｓ ｈ ｒ ｒｓ ｏ ｈ ｏ ｃ ｄ ｖ ｈ ｔｊ ｏ ｅ
杯形砂轮精密磨削旋转内抛物面的数学建模
关键 词 ：非球 面 内抛物 面 曲面 磨 削 数 学 建模 杯 形砂 轮 中图分 类号 ：ＴＨ１２３；ＴＧ５９６ 文献 标 志码 ：Ａ 文章 编号 ：１０００—４９９８（２０１６）０７—００８５—０４
非 球 面 等 特 殊 旋 转 曲 面 精 密 加 工 技 术 在 航 空 航 天 、太 空 探 测 、能 源 工 程 等 领 域 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。 非 球 面 精 密 加 工 一 般 由 精 密 磨 削 或 精 密 车 削 、研 磨 、抛 光 等 多 道 工 序 组 成 ，精 密 磨 削 是 基 础 和 关 键 。 通 过 提 高 磨 削 精 度 ，改 善 磨 削 后 的 表 面 粗 糙 度 ，可 以 提 高 后 续 研 磨 或 抛 光 的 质 量 和 效 率 ］。随 着 空 间 技 术 的 发 展 ，近 年 来 对 空 间 光 学 系 统 中 非 球 面 元 件 的 需 求 越 来 越 大 ， 精 度 要 求 也 越 来 越 高 ，－ｆ＃统 的 加 工 方 法 已 不 能 满 足 非 球 面 零 件 的 加 工 需 要 ，许 多 学 者 围 绕 非 球 面 等 特 殊 二 次 旋 转 曲 面精 密 的 加 工 原 理 和 方 法 做 了大 量 研 究 工 作 。
杯 形 砂 轮 精 密 磨 削 旋 转 内 抛 物 面 的 数 学 建 模
口 夏复一 口 许黎明 口 胡德金 口 蒋振辉 上海 交通 大学 机 械 与动 力工程 学院 上 海 ２００２４０
摘 要 ：介 绍 了一 种 基 于杯形 砂轮 的二 次旋 转 内曲面精 密磨 削原理 ，通 过数 学推 导得 到 无干 涉磨 削 旋转 内抛物 面的运 动 条件 ，讨 论 了 内抛 物 面的加 工工 艺 范 围及 其 影响 因素 ，得 出 了磨 削轨 迹 线方 程 和磨 削过 程控 制 参 数 的数 学表 达 ，最后 建 立 了分 层 磨 削的数 学模 型 ，证 明 了原 理 的正确 性 。研 究 方 法可适 用 于基 于该原 理 的其 它二 次旋 转 内曲 面的磨 削可行性 分 析 。
非 球 面 等 特 殊 旋 转 曲 面 精 密 加 工 技 术 在 航 空 航 天 、太 空 探 测 、能 源 工 程 等 领 域 具 有 广 阔 的 应 用 前 景 。 非 球 面 精 密 加 工 一 般 由 精 密 磨 削 或 精 密 车 削 、研 磨 、抛 光 等 多 道 工 序 组 成 ，精 密 磨 削 是 基 础 和 关 键 。 通 过 提 高 磨 削 精 度 ，改 善 磨 削 后 的 表 面 粗 糙 度 ，可 以 提 高 后 续 研 磨 或 抛 光 的 质 量 和 效 率 ］。随 着 空 间 技 术 的 发 展 ，近 年 来 对 空 间 光 学 系 统 中 非 球 面 元 件 的 需 求 越 来 越 大 ， 精 度 要 求 也 越 来 越 高 ，－ｆ＃统 的 加 工 方 法 已 不 能 满 足 非 球 面 零 件 的 加 工 需 要 ，许 多 学 者 围 绕 非 球 面 等 特 殊 二 次 旋 转 曲 面精 密 的 加 工 原 理 和 方 法 做 了大 量 研 究 工 作 。
杯 形 砂 轮 精 密 磨 削 旋 转 内 抛 物 面 的 数 学 建 模
口 夏复一 口 许黎明 口 胡德金 口 蒋振辉 上海 交通 大学 机 械 与动 力工程 学院 上 海 ２００２４０
摘 要 ：介 绍 了一 种 基 于杯形 砂轮 的二 次旋 转 内曲面精 密磨 削原理 ，通 过数 学推 导得 到 无干 涉磨 削 旋转 内抛物 面的运 动 条件 ，讨 论 了 内抛 物 面的加 工工 艺 范 围及 其 影响 因素 ，得 出 了磨 削轨 迹 线方 程 和磨 削过 程控 制 参 数 的数 学表 达 ，最后 建 立 了分 层 磨 削的数 学模 型 ，证 明 了原 理 的正确 性 。研 究 方 法可适 用 于基 于该原 理 的其 它二 次旋 转 内曲 面的磨 削可行性 分 析 。
硅片自旋转磨削工艺规律研究二二
微机电系统制造：用于硅片表面的精细 加工，提高系统性能
硅片自旋转磨削工艺的应用效果分析
提高硅片表面质量：减少表面缺陷，提高硅片表面光洁度 提高硅片加工效率：缩短加工时间，提高生产效率 降低加工成本：减少磨料消耗，降低加工成本 提高硅片性能：改善硅片电学性能，提高太阳能电池转换效率
硅片自旋转磨削工艺的应用前景展望
硅片自旋转磨削工艺的原理和 特点
硅片自旋转磨削工艺的原理
原理：通过自旋转磨削，使硅片表面产生磨削力，从而实现硅片的磨削加工 特点：自旋转磨削工艺具有较高的磨削效率和精度，能够实现硅片的精细加工 应用：广泛应用于半导体、太阳能电池等领域的硅片加工
技术难点：如何控制磨削力、磨削速度和磨削温度，以实现硅片的高质量磨削加工
硅片自旋转磨工艺发展历程
1960年代：硅片自旋转磨削 工艺开始出现
1970年代：硅片自旋转磨削 工艺逐渐成熟，广泛应用于 半导体行业
1980年代：硅片自旋转磨削 工艺开始应用于太阳能电池 生产
1990年代：硅片自旋转磨削 工艺在太阳能电池生产中逐 渐普及
2000年代：硅片自旋转磨削 工艺在太阳能电池生产中逐 渐被其他工艺取代
硅片自旋转磨削工艺在电子产业中的应用实例
半导体制造：用于硅片表面的精细加工， 提高芯片性能
光学器件制造：用于硅片表面的精细加 工，提高光学性能
太阳能电池制造：用于硅片表面的精细 加工，提高电池转换效率
传感器制造：用于硅片表面的精细加工， 提高传感器灵敏度
电子封装：用于硅片表面的精细加工，提 高封装可靠性
提高硅片表面质量：通过自旋转磨削工艺，可以显著提高硅片表面的平整 度和粗糙度，从而提高硅片的性能和可靠性。
降低生产成本：自旋转磨削工艺可以减少硅片的加工时间，降低生产成本， 提高生产效率。
高硬度回转球面精密磨削系统的数字控制技术
高硬度回转球面精密磨削系统的数字控制技术
柴运东;许黎明;李冬冬;许开州;胡德金
【期刊名称】《制造技术与机床》
【年(卷),期】2011(000)006
【摘要】介绍了自主研发的高硬度回转球面精密磨床专用数字控制系统技术特点,阐述了带有专用功能的数控软件的程序结构设计要点、磨削参数动态优化、磨削过程的适应控制等关键技术.数控精密球面磨床已经用于试验加工,试验结果表明,加工后的球阀球体的精度达到了设计指标,满足了实际使用要求.
【总页数】3页(P44-46)
【作者】柴运东;许黎明;李冬冬;许开州;胡德金
【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200030;上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200030;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆,400044;上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200030;上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200030;上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200030
【正文语种】中文
【中图分类】TG584
【相关文献】
1.高硬度球面精密磨削的工艺试验研究 [J], 杨子琦;解斌;许黎明;罗睿;胡德金
2.回转球面精密磨削系统及其误差模型 [J], 魏臣隽;胡德金;杨学华;李荣洲
3.用CBN砂轮精密磨削高硬度铸铁时砂轮及磨削参数的实验研究 [J], 薄化川;邓
建平
4.大口径光学非球面超精密磨削装备与技术 [J], 陈登铃; 彭云峰; 王振忠; 毕果; 杨平; 杨炜; 施晨淳; 郭志光
5.高硬度球面磨削中球面形状误差分析与补偿 [J], 李冬冬;许明明;侯海云;胡德金;许黎明
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
大型球面精密磨削的球度判别与误差在位补偿方法研究
大型球面精密磨削的球度判别与误差在位补偿方法研究
胡德金
【期刊名称】《兵工学报》
【年(卷),期】2015(036)006
【摘要】提出了一种针对大型球面精密磨削、基于图像识别的球度误差判别和误差在位补偿新方法,主要原理是根据展成法球面磨削原理在球面上形成的磨削迹线形貌特征来判别球面的形状误差.根据球面形状误差,来判别砂轮磨削主轴旋转中心线与球体旋转中心线的几何位置偏差状况,对机床几何误差进行分析和数学建模,在此基础上,提出了展成法球面磨削球度误差的在位补偿方法,并设计了在位补偿装置.实验表明该方法可以有效提高大型球面磨削的形状精度.
【总页数】7页(P1082-1088)
【作者】胡德金
【作者单位】上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240
【正文语种】中文
【中图分类】TG580
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1.模糊自学习误差补偿方法及其在位置误差补偿中的应用 [J], 张秋菊;赵一丁
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3.大型斜齿轮齿向误差在位测量的新方法研究 [J], 陶夏;廖念钊
4.基于精密球面磨床的球度在位测量方法 [J], 刘冰;许黎明;柴运东;许开州;李冬冬
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月 2014 年 7 月
胡德金：二次旋转曲面精密磨削原理与运动控制方法
181
以 O1 为圆心的圆半径 R1
R ( y1 y0 ) ( x1 x0 )
2 1 2 2
双曲线对应 P0 点的法线与 y 坐标轴交于 Q1 点， 其坐标：x=x1=0, y=y1,由法线方程公式(6)得
该抛物线 C 绕 y 坐标轴旋转一周所形成的抛物 面顶点在坐标系 Oxyz 内坐标原点 O 上。 在 Oxy 坐标平面内的抛物线的 M0 点做法线， 根据高等数学曲率中心公式，抛物线在对应点 得到
Байду номын сангаас
( y y0 )
( x x0 ) y
(6)
M0(x0,y0)的曲率半径中心 O2x2,y2)的坐标为
* 国家重点实验室基金资助项目(MSVMS201104)。20140116 收到初稿， 20140424 收到修改稿
[1]
月 2014 年 7 月
胡德金：二次旋转曲面精密磨削原理与运动控制方法
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些非球面反射镜可在特殊的超精密数控研抛机床上 用 “计算机控制的光学表面定量点加工方法(Optical surface processing methods of quantitative point of a computer-controlled, CCOS)”加工。 董申等 针对大型光学非球面制造难度大的特 点，根据非球面的轴对称性，在对非球面方程及曲 率分析基础上，采用二轴超精密磨削机床，给出两 种砂轮加工光学非球面的几何模型，分析了形成光 学非球面造型误差的主要影响参数，并通过计算机 仿真，得到了一系列有价值的结果。 朴承镐等 针对现行球面光学零件加工的基本 工序中存在的问题，提出了用轨迹成型法加工球面 光学零件的新原理，并进行了深入研究。为了保证 用轨迹成型法加工光学零件的面形精度，对精密磨 削机床影响工件面形误差因素进行了理论分析。推 导出机床调整机构可消除误差的公式，以误差公式 计算出的误差值来调整机床的微调机构，可达到减 少面形误差，进而保证面形精度的目的 。 王凌云等提出用圆盘形刀具来加工这类非球 面的方法。用几个不同半径的圆盘刀具，采用分段 “接力式” 的加工方式，实现对非球面的加工。该项 研究针对工程上常用的二次旋转曲面镜曲率小，非 球度小的特点，对用圆盘形刀具加工非球面进行了 探索，从中对多种可作为母线的曲线进行分析、比 较和计算，最后得到的结论是，当母线具有某些几 何特性时，它所形成的凹旋转曲面可以用圆盘形刀 具来加工 。 奥林帕斯光学公司一项专利介绍了使用一对 杯形砂轮加工球面透镜的方法。其中球面透镜可以 绕自身轴线旋转，一对杯形砂轮对称地分列在球面 透镜的两边，一边自转一边以相对的方向沿透镜对 称球面方向旋转，完成透镜球面的磨削 。 本文作者前期对高硬材料球面精密磨削加工 原理、加工方法、加工工艺、智能控制方法等内容 开展了一系列的理论与试验研究 原理和方法的研究。 目前，虽然相关技术和理论问题取得了一定的 进展，但还缺乏有效的在线或实时检测，许多场合 需要人工进行长时间的修磨，才能达到需要的面形 精度和表面粗糙度，时至今日，非球面精密加工问 题仍然是先进制造技术领域研究热点。
图2 球面形成原理图 图3 包络线形成的球面
[9-11] [8] [7] [6] [5] [4]
1
展成摆动式旋转曲面精密磨削原理
一条平面曲线绕同一平面上的定直线旋转一 周所形成的曲面称为旋转曲面。曲线称为旋转面的 母线，定直线称为旋转曲面的轴。这种定义是《高 等数学》 教材中所描述的， 只要建立适当的坐标系， 使曲线在某个坐标平面内，旋转轴为坐标轴，根据 定义就可以得到相应的旋转曲面方程： 在直角坐标系 Oxy 平面上的曲线 C，其方程为 f ( x, y ) 0
Principle and Control Method for Precisely Grinding Quadratic Rotated Conicoid
HU Dejin
(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240)
第 50 卷第 13 期 2014 年 7 月
机
械
工 程
学
报
Vol.50 Jul.
No.13 2014
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2014.13.178
二次旋转曲面精密磨削原理与运动控制方法*
胡德金
(上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200240)
[3] [3]
航空航天、光学系统、能源工程等领域具有广阔的 应用前景。根据不同应用场合，球面、非球面精密 加工一般通过精密磨削(或精密车削)、研磨、抛光 等工序组成，而精密磨削是关键、是基础。围绕球 面、非球面等特殊二次旋转曲面精密加工原理、加 工方法、加工技术等问题我国许多科研工作者做了 大量的研究工作。 郭东明等 认为：数米直径的大型光学零件的
x0 (a 2 b 2 ) y0 (12) y a2 连接 Q1P0，即为以 O1 为圆心的圆半径 R1 R12 ( y1 y0 )2 ( x1 x0 )2 y1 y0
y (1 y 2 ) y
1 y 2 y2 y y
(2)
O'x'y'z'坐标原点 O'设在球面工件球心点上，砂轮轴
并绕坐标 上的砂轮磨具以 n2 速度做高速旋转运动， 原点 O'在 O'x'y'坐标平面内成一定交叉角度往复摆 动，控制砂轮磨具的摆动半径 R 就可以加工出所需 尺寸的球面工件。因为砂轮磨具的旋转中心点始终 在球面法线上，所以，工件旋转运动、砂轮磨具高 速旋转运动、砂轮摆动运动以及砂轮沿法线方向的 进给运动的合成所形成的曲面一定是一个旋转 球面。
摘要：针对旋转抛物面、旋转双曲面等非球面精密磨削加工技术难题，在旋转球面精密磨削方法研究基础上，提出旋转抛物 面、旋转双曲面等非球面的展成与摆动复合的精密磨削新原理，使磨削主轴旋转中心线与曲线上磨削点的法线重合、磨削主 轴的摆动中心点始终保持在旋转曲面的旋转轴上，从而避免原理性误差，通过理论分析证明该原理的可行性。对非球面展成 与摆动复合精密磨削新原理的运动控制模型进行了讨论，构建具有在线自动检测功能的非球面精密磨削样机，应用在线自动 检测功能，克服磨削过程中砂轮损耗对磨削精度的影响，实现磨削、检测自动化操作，一次参数设定就可完成整个磨削过程， 提高了磨削效率。试验结果表明，磨削精度达到了令人满意的效果。 关键词：二次旋转曲面；展成精密磨削；运动控制模型；在线检测 中图分类号：TG156
z0
曲线 C 绕 y 轴旋转一周所形成曲面的方程为
f ( y, x 2 z 2 ) 0
形成的旋转曲面如图 1 所示。
图1
二次旋转曲面
本文针对由圆、抛物线、双曲线等曲线经旋转 形成的球面、非球面等特殊旋转曲面的精密加工问 题进行了讨论。 1.1 旋转球面展成摆动精密磨削原理 用任一平面与球体相截，截平面是一个正圆平 面， 正圆平面的圆心 O´处于通过该点的球面法线上 (图 2)， 正圆平面的圆周线在球面上。 以这一正圆圆 周线绕 y 坐标轴旋转一周就形成了如图 3 所示的有 一定宽度的环状球面，环状球面的宽度等于正圆圆 周线直径，形成的环状球面直径与正圆圆周线圆心 到旋转中心的距离有关，距离越远，形成的环状球 面直径就越大。
Abstract：The new principle of precision generating and swing grinding the quadratic rotated conicoid is introduced based on the spherical surface grinding method. Grinding spindle rotation center line coincides with the normal line of the ground point on the quadratic rotated conicoid, the swing center point is always in the rotation axis of the quadratic rotated conicoid. Through the theoretical analysis, the proof of principle is feasible. And further on, the motion control model of precision generating and swing grinding the quadratic rotated conicoid is discussed; the precision grinding machine is constructed. The grinding experiment results are satisfactory. Key words: quadratic rotated conicoid, generating precision grinding, movement control model, automatic detection
另，根据高等数学曲率半径公式
( x)
(1 y '2 )3 y
(4)
抛物线在对应点 M0(x0,y0)的曲率半径为
R2 2 1 2 3 (1 p 2 x0 ) p 4
(5)
y
1 2 px 4
(1)
为了后续讨论和控制上的简化，取法线与 y 坐 标轴相交点 O1 为圆心，以为半径 R1 作一个圆 C′。 只要证明在抛物线切点 M0 上、圆心在法线上的圆 半径 R1 小于抛物线在 M0 点的曲率半径 R2，就可以 应用球面磨削方法，选择合适的砂轮磨具直径，采 用展成摆动磨削原理磨削旋转抛物面。 抛物线对应 M0 点的法线与 y 坐标轴交于 O1 点， 其坐标：x=x1=0，y=y1,由法线方程