空間光學(xué)的快速發(fā)展對大口徑非球面反射鏡的需求不斷增強(qiáng)，受運(yùn)輸、安裝

和使用條件的限制，空間大鏡往往采用質(zhì)量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)的 SiC 材料。傳統(tǒng)的 SiC

通常采用研磨成形工藝，效率極低，已經(jīng)很難滿足當(dāng)前市場的需求。因此，以高

效超精密磨削代替研磨直接獲得高精度拋光表面的新型光學(xué)制造工藝鏈成

為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。在整個(gè)工藝鏈中，超精密磨削對光學(xué)鏡面的表面及亞表面

質(zhì)量影響大，其加工效果將直接決定拋光等后續(xù)加工的效率及可行性。因此，

研制大口徑光學(xué)非球面鏡超精密磨床成為提高大口徑反射鏡制造能力的關(guān)鍵因

素之一，而大型光學(xué)磨床設(shè)計(jì)中存在的高剛度、大阻尼及長效穩(wěn)定性等多因素耦

也使其成為當(dāng)前極復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)*的工程問題之一。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和有限元分析等技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)以其強(qiáng)大的海

量數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和仿真能力，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所起的作用不斷增強(qiáng)。然而，受到

當(dāng)前人工智能水平的限制，計(jì)算機(jī)在評估、決策等能力上仍存在內(nèi)在缺陷，特別

當(dāng)處理包含定性分析、條件缺失或相互矛盾的復(fù)雜設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，人類豐富的知識(shí)

經(jīng)驗(yàn)以及直覺仍起著不可替代的作用。因此，本文以大型超精密光學(xué)磨床人機(jī)集

成設(shè)計(jì)為研究對象，對人機(jī)集成設(shè)計(jì)的基本原理以及在大型光學(xué)磨床設(shè)計(jì)中的應(yīng)

用進(jìn)行深入研究。針對大型非球面超精密光學(xué)磨床設(shè)計(jì)中存在的參數(shù)耦、行為

矛盾等問題，提出了少軸高剛度構(gòu)型以及新的力位混合控制策略，并在此基礎(chǔ)上

詳細(xì)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了磨床的結(jié)構(gòu)、控制、檢測系統(tǒng)以及關(guān)鍵零部件，終成功研制

出具有 1.2 米口徑光學(xué)非球面鏡加工能力的大型超精密光學(xué)磨床。本文的主要工

作及成果歸納如下：

一、提出了大型超精密光學(xué)磨床人機(jī)集成設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)，定義了符合計(jì)算

機(jī)推理并適人類經(jīng)驗(yàn)集成的設(shè)計(jì)原型，闡述了大型光學(xué)磨床集成設(shè)計(jì)的規(guī)范化

過程。此外，針對知識(shí)表達(dá)中存在的語義異構(gòu)性對磨床集成設(shè)計(jì)中人機(jī)交互和設(shè)

計(jì)協(xié)同的影響，提出了基于本體的知識(shí)表達(dá)和管理體系。在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了包

括產(chǎn)品本體、資源本體以及過程本體在內(nèi)的大型光學(xué)磨床人機(jī)集成設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)

模型，并通過本體映射和本體融合實(shí)現(xiàn)了不同領(lǐng)域知識(shí)的集成，為大型光學(xué)磨床

萬方數(shù)據(jù)上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 摘 要

II

設(shè)計(jì)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)的重用和共享奠定了基礎(chǔ)。

二、針對大型超精密光學(xué)磨床設(shè)計(jì)中存在的參數(shù)耦、行為矛盾等難題，提

出了基于機(jī)器“導(dǎo)航”的智能概念設(shè)計(jì)方法，并闡述了包括概念生成、概念評估

以及概念完善三個(gè)階段的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程。采用“Z”形映射方法創(chuàng)建了大型光學(xué)

磨床的功能需求、設(shè)計(jì)參數(shù)以及期望行為概念樹，并運(yùn)用商運(yùn)動(dòng)學(xué)理論實(shí)現(xiàn)了五

軸磨床構(gòu)型的自動(dòng)生成和優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，分析了大型光學(xué)磨床運(yùn)動(dòng)空間與靜

態(tài)剛度以及位置伺服高剛性與磨削力控制柔順性之間的矛盾，闡述了基于啟發(fā)式

思維的矛盾解決策略，并提出了基于虛擬軸原理的少軸構(gòu)型以及基于進(jìn)給速度控

制的新型力位混控制策略。

三、基于虛擬機(jī)床技術(shù)，創(chuàng)建了大型光學(xué)磨床的三維虛擬模型，完成了磨床

機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制以及計(jì)量檢測等子系統(tǒng)的詳細(xì)技術(shù)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用

ANSYS 等有限元分析軟件對大型光學(xué)磨床整機(jī)和關(guān)鍵零部件的靜、動(dòng)態(tài)特性、

抗振性能和熱變形進(jìn)行了分析和優(yōu)化，并運(yùn)用 Matlab 等數(shù)值仿真軟件對磨床控

制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化，終選擇出適的設(shè)計(jì)參數(shù)來滿足大型光學(xué)

磨床的動(dòng)力學(xué)性能需求。

四、針對大型光學(xué)磨床超精密軸系等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。提出了

基于模糊規(guī)則推理的超精密主軸軸承及驅(qū)動(dòng)形式智能選擇方法，并構(gòu)建了超精密

靜壓主軸的幾何及有限單元模型。在此基礎(chǔ)上，對主軸的動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)特性進(jìn)

行詳細(xì)分析，并以此為依據(jù)對主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行幾何學(xué)優(yōu)化。此外，提出了一

種新的表面節(jié)流自補(bǔ)償大型超精密靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)，研究了大型轉(zhuǎn)臺(tái)靜承的表面節(jié)

流和自補(bǔ)償原理，并分析了靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及性能參數(shù)。終，研制出大

型超精密光學(xué)磨床并進(jìn)行了精度測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了磨床設(shè)計(jì)的有效性。

綜上所述，大型非球面超精密光學(xué)磨床的成功研制，不僅在理論層面驗(yàn)證了

人機(jī)集成設(shè)計(jì)的有效性，而且將會(huì)為提升我國大型光學(xué)零件的制造能力奠定堅(jiān)實(shí)

基礎(chǔ)，并為我國空間光學(xué)、軍事遙感等關(guān)鍵領(lǐng)域的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：大型非球面光學(xué)磨床，超精密磨床，設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)，人機(jī)集

成，有限元分析，靜承

萬方數(shù)據(jù)