專利名稱：一種用于氣囊拋光的氣囊外形的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shè)計方法。
背景技術(shù)：
精密、超精密光學(xué)元件在光學(xué)、電子、航空航天及民用等諸多領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用，同時，對其加工精度和表面質(zhì)量也提出了極高的要求?，F(xiàn)代尖端技術(shù)領(lǐng)域中對光學(xué)元件的加工精度要求越來越高，面形精度達(dá)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(xué)的發(fā)展尤其是強激光技術(shù)的出現(xiàn)，對光學(xué)元件表面粗糙度的要求極為苛刻，要求光學(xué)表面粗糙度小于2nm。非球面透鏡或反射鏡由于具有優(yōu)良的光學(xué)性能，使得越來越多地應(yīng)用在光學(xué)系統(tǒng)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于球面光學(xué)元件。傳統(tǒng)的拋光方法在加工光學(xué)非球面上，存在一些明顯的缺點，為適應(yīng)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(xiàn)，如計算機控制小工具拋光技術(shù)、激光拋光技術(shù)、離子束拋光技術(shù)、應(yīng)力拋光技術(shù)、磁流變拋光技術(shù)等。超精密氣囊拋光方法是20世紀(jì)90年代倫敦光學(xué)實驗室提出來的一種新的拋光方法，在UK粒子物理、天文學(xué)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(shù)的研究，并與ZeekO公司合作開發(fā)了 IRP系列氣囊拋光機床，為氣囊拋光技術(shù)的發(fā)展做出了很大的貢獻(xiàn)，但該項技術(shù)的研究及應(yīng)用仍屬于發(fā)展階段，很多關(guān)鍵技術(shù)的研究有待進(jìn)一步深入。氣囊拋光方法是采用特殊的拋光頭結(jié)構(gòu)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(nèi)表面貼有一層加強層，外表面粘貼聚氨酯拋光墊，裝于旋轉(zhuǎn)的工作部件上，形成封閉的腔體，內(nèi)部充入低壓氣體。內(nèi)部的壓力、拋光接觸區(qū)、進(jìn)動運動、旋轉(zhuǎn)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(shù)字控制系統(tǒng)控制。拋光氣囊隨旋轉(zhuǎn)工作部件而旋轉(zhuǎn)，通過拋光液的作用，達(dá)到拋光玻璃表面的目的(其原理參見文獻(xiàn):BINGHAM R G, WALKER D D, KIM D H, etal.A novel automated Proeess foraspheric 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(guān)鍵，而氣囊是該方法的一個關(guān)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(fā)生形變，使得氣囊由球面變?yōu)榉乔蛎?，這就會對氣囊的壓縮量產(chǎn)生影響，而且難以控制，對拋光后的表面精度產(chǎn)生很大的影響。經(jīng)查閱國內(nèi)外參考文獻(xiàn)，目前，國內(nèi)外研究機構(gòu)均未提出該問題和解決該問題的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了減小氣囊充氣后發(fā)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(shè)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(fā)明包括以下步驟:I)根據(jù)氣囊球冠型的結(jié)構(gòu)，在ANSYS中建模，氣囊的外層是橡膠材料，內(nèi)層的加強層是尼龍材料，采用六面體網(wǎng)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(nèi)球面施加壓力，選用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)求解方法進(jìn)行求解，分別提取氣囊內(nèi)外輪廓和加強層內(nèi)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(biāo)和X、Y坐標(biāo)軸上的變形分量DX、DY，導(dǎo)出數(shù)據(jù)；2)將步驟I)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將初始外輪廓上的X、Y坐標(biāo)加上Χ、Υ坐標(biāo)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(shù)據(jù)，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(nèi)外輪廓及加強層內(nèi)輪廓上的X、Y坐標(biāo)減去X、Y坐標(biāo)軸上的變形分量DX、DY，得到三組點的數(shù)據(jù)；將這三組點的數(shù)據(jù)以關(guān)鍵點的形式導(dǎo)入ANSYS中，再根據(jù)圓筒狀固定面的高度和氣囊的厚度計算出另外兩個關(guān)鍵點坐標(biāo)，就可完成全部關(guān)鍵點的建模；根據(jù)關(guān)鍵點生成曲線，由曲線生成面,再利用生成的面回轉(zhuǎn)180°完成氣囊的模型的建立；再利用與步驟I)中相同的網(wǎng)格劃分方法和載荷進(jìn)行求解，然后利用步驟I)中相同的路徑提取數(shù)據(jù)的方法提取數(shù)據(jù)，得到改進(jìn)后的氣囊橡膠層外輪廓曲線上的坐標(biāo)X、Y以及對應(yīng)坐標(biāo)軸上的變形量分量DX、DY,導(dǎo)出數(shù)據(jù)；4)將步驟3)中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將改進(jìn)后的氣囊外輪廓線上的X、Y坐標(biāo)加上X、Y坐標(biāo)軸上的變形分量DX、DY，得到改進(jìn)后氣囊充氣變形后的橡膠層外輪廓數(shù)據(jù)，利用最小二乘圓法計算圓度誤差值，經(jīng)分析對比之后，符合對氣囊的外形誤差要求，而且與未改進(jìn)的氣囊充氣變形后計算得到的圓度誤差值相比，其誤差值遠(yuǎn)小于未改進(jìn)得氣囊充氣變形后的圓度誤差值，滿足預(yù)期的要求；5)將步驟3)中ANSYS中的模型導(dǎo)出為IGES格式，IGES格式是CAD/CAM軟件通用的軟件格式，就可以根據(jù)其加工出改進(jìn)的氣囊。在步驟I)中，根據(jù)氣囊球冠型的結(jié)構(gòu)，在ANSYS中建模，由于氣囊是軸對稱結(jié)構(gòu)，故只需建立一半的模型，以節(jié)省計算時間。在步驟3)中，根據(jù)關(guān)鍵點生成曲線，由于關(guān)鍵點數(shù)量多，比較密，所以由點生成曲線帶來的誤差較小。本發(fā)明的優(yōu)點在于:在無需改變原始材料結(jié)構(gòu)的前提下，只要按照本發(fā)明的方法設(shè)計氣囊的外形輪廓即可極大地降低由于氣囊充氣后由球面變?yōu)榉乔蛎嬉鸬募庸ぞ日`差，方法簡單，便于實施。


圖1為本發(fā)明實施例的流程圖。圖2為本發(fā)明實施例中ANSYS中的網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖。圖3為本發(fā)明實施例中未改進(jìn)的氣囊充氣后的變形示意圖。圖4為本發(fā)明實施例中ANSYS結(jié)果后處理中路徑的不意圖。在圖5中，a為加強層內(nèi)層輪廓路徑；b為氣囊外層輪廓路徑。圖5為本發(fā)明實施例中改進(jìn)后的氣囊輪廓關(guān)鍵點示意圖。
圖6為本發(fā)明實施例中改進(jìn)后的氣囊半截面示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。由于氣囊根據(jù)半徑的不同分好幾個等級，有20mm, 40mm, 80mm, 120mm,等，每種氣囊根據(jù)加工要求的不同又存在多種充氣壓力的情況，有0.05MPa, 0.1MPa, 0.15MPa, 0.2MPa,
0.25MPa，0.3MPa等，故需要對每種的氣囊在不同的充氣壓力下都需要分別計算分析，得到不同半徑不同壓力下改進(jìn)后氣囊的外形輪廓數(shù)據(jù)?，F(xiàn)取其中一種闡述其具體實施方式
，取半徑為80mm，充氣壓力為0.2MPa.
(I)根據(jù)氣囊的結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)，在ANSYS中建模，氣囊的外層是橡膠材料，內(nèi)層的加強層是尼龍材料。由于氣囊是軸對稱結(jié)構(gòu)，故只需建立一半的模型，以節(jié)省計算時間。采用掃掠的方法生成六面體網(wǎng)格，如圖2所示。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(nèi)球面施加0.2MPa的壓力。求解計算后，從圖3可以看出氣囊的大致變形情況(標(biāo)記為氣囊31，變形前輪廓32，變形后輪廓33)。分別提取氣囊內(nèi)外輪廓和加強層內(nèi)輪廓的半條圓弧線上的所有點生成三條路徑，在路徑設(shè)置中設(shè)置路徑的每兩節(jié)點之間插入20個點，如圖4所示(標(biāo)記41為加強層內(nèi)層輪廓路徑，42為氣囊內(nèi)層輪廓路徑，43為氣囊外層輪廓路徑)，提取路徑上的X，Y軸坐標(biāo)和X、Y坐標(biāo)軸上的變形分量DX、DY，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。(2)將步驟(I)在ANSYS中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將初始外輪廓上的X、Y坐標(biāo)加上X、Y坐標(biāo)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(shù)據(jù)，利用最小二乘圓法計算其圓度誤差為0.23941mm。(3)在MATLAB中將初始的橡膠層內(nèi)外輪廓及加強層內(nèi)輪廓上的X、Y坐標(biāo)減去X、Y坐標(biāo)軸上的變形分量DX、DY，得到三組點的數(shù)據(jù)。將這三組點的數(shù)據(jù)以關(guān)鍵點的形式導(dǎo)入ANSYS中，再根據(jù)圓筒狀固定面的高度和氣囊的厚度計算出另外兩個關(guān)鍵點坐標(biāo)，就可完成全部關(guān)鍵點的建模，如圖5所示(標(biāo)記51為其余關(guān)鍵點，52為加強層內(nèi)輪廓關(guān)鍵點，53為橡膠層內(nèi)輪廓關(guān)鍵點，54為橡膠層外輪廓關(guān)鍵點)。根據(jù)關(guān)鍵點生成曲線，由于關(guān)鍵點數(shù)量多，比較密，所以由點生成曲線帶來的誤差較小。由曲線生成面，如圖6所示(標(biāo)記61為尼龍加強層，62為橡膠層)。再利用生成的面回轉(zhuǎn)180度完成氣囊的模型的建立。再利用與步驟
(I)中相同的網(wǎng)格劃分方法和載荷進(jìn)行求解，然后利用步驟(I)中相同的路徑提取數(shù)據(jù)的方法提取數(shù)據(jù)，得到改進(jìn)后的氣囊橡膠層外輪廓曲線上的坐標(biāo)X、Y以及對應(yīng)坐標(biāo)軸上的變形量分量DX、DY，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。(4)將步驟(3)中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將改進(jìn)后的氣囊外輪廓線上的X、Y坐標(biāo)加上X、Y坐標(biāo)軸上的變形分量DX、DY，得到改進(jìn)后氣囊充氣變形后的橡膠層外輪廓數(shù)據(jù)，利用最小二乘圓法計算圓度誤差為0.04456mm,已符合對氣囊的外形誤差要求，而且與未改進(jìn)的氣囊充氣變形后計算得到的圓度誤差0.23941mm相比，其誤差值是原來的1/5，滿足預(yù)期的要求。(5)將步驟(3)中ANSYS中的模型導(dǎo)出為IGES格式，IGES格式是CAD/CAM軟件通用的軟件格式，就可以根據(jù)其加工出改進(jìn)的氣囊。對于其余種類的氣囊其設(shè)計方法與以上方法一致，在此不在贅述。
以下給出上述各代碼的說明:ANSYS =ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接 口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I 一 DEAS, AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。MATLAB:MATLAB 是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)的簡稱，是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。IGES格式:CAD/CAM技術(shù)在工業(yè)界的推廣應(yīng)用，使得越來越多的用戶需要把他們的數(shù)據(jù)在不同CAD/CAM系統(tǒng)之間交換。IGES正是為了解決數(shù)據(jù)在不同的CAD/CAM間進(jìn)行傳遞的問題，它定義了一套表示CAD/CAM系統(tǒng)中常用的幾何和非幾何數(shù)據(jù)格式，以及相應(yīng)的文件結(jié)構(gòu)，用這些格式表示的產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)可以通過多種物理介質(zhì)進(jìn)行交換。CAD/CAM軟件:計算機輔助設(shè)計/計算機輔助制造軟件。
權(quán)利要求
1.一種用于氣囊拋光的氣囊外形的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟: 1)根據(jù)氣囊球冠型的結(jié)構(gòu)，在ANSYS中建模，氣囊的外層是橡膠材料，內(nèi)層的加強層是尼龍材料，采用六面體網(wǎng)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(nèi)球面施加壓力，選用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)求解方法進(jìn)行求解，分別提取氣囊內(nèi)外輪廓和加強層內(nèi)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(biāo)和X、Y坐標(biāo)軸上的變形分量DX、DY，導(dǎo)出數(shù)據(jù)； 2)將步驟I)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將初始外輪廓上的X、Y坐標(biāo)加上Χ、Υ坐標(biāo)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(shù)據(jù)，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(nèi)外輪廓及加強層內(nèi)輪廓上的X、Y坐標(biāo)減去Χ、Υ坐標(biāo)軸上的變形分量DX、DY，得到三組點的數(shù)據(jù)；將這三組點的數(shù)據(jù)以關(guān)鍵點的形式導(dǎo)入ANSYS中，再根據(jù)圓筒狀固定面的高度和氣囊的厚度計算出另外兩個關(guān)鍵點坐標(biāo)，就可完成全部關(guān)鍵點的建模；根據(jù)關(guān)鍵點生成曲線，由曲線生成面,再利用生成的面回轉(zhuǎn)180°完成氣囊的模型的建立；再利用與步驟I)中相同的網(wǎng)格劃分方法和載荷進(jìn)行求解，然后利用步驟I)中相同的路徑提取數(shù)據(jù)的方法提取數(shù)據(jù)，得到改進(jìn)后的氣囊橡膠層外輪廓曲線上的坐標(biāo)X、Y以及對應(yīng)坐標(biāo)軸上的變形量分量DX、DY，導(dǎo)出數(shù)據(jù)； 4)將步驟3)中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將改進(jìn)后的氣囊外輪廓線上的X、Y坐標(biāo)加上X、Y坐標(biāo)軸上的變形分量DX、DY，得到改進(jìn)后氣囊充氣變形后的橡膠層外輪廓數(shù)據(jù)，利用最小二乘圓法計算圓度誤差值，經(jīng)分析對比之后，符合對氣囊的外形誤差要求，而且與未改進(jìn)的氣囊充氣變形后計算得到的圓度誤差值相比，其誤差值遠(yuǎn)小于未改進(jìn)得氣囊充氣變形后的圓度誤差值，滿足預(yù)期的要求； 5)將步驟3)中ANSYS中的模型導(dǎo)出為IGES格式，IGES格式是CAD/CAM軟件通用的軟件格式，就可以根據(jù)其加工出改進(jìn)的氣囊。
全文摘要
一種用于氣囊拋光的氣囊外形的設(shè)計方法，涉及氣囊。首先根據(jù)初始的氣囊參數(shù)在ANSYS中建模求解，分析得氣囊的外形輪廓變形數(shù)據(jù)，再導(dǎo)入MATLAB中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得改進(jìn)的氣囊外形輪廓數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入ANSYS中重新分析求解，得到改進(jìn)后氣囊的在充氣變形后的外形輪廓數(shù)據(jù)，利用最小二乘圓法計算其截面輪廓圓度誤差，驗證了改進(jìn)后的氣囊截面輪廓的圓度滿足氣囊的外形誤差的要求，將改進(jìn)的氣囊在ANSYS中的模型導(dǎo)出為IGES格式的CAD/CAM軟件通用格式，即加工出改進(jìn)的氣囊。在無需改變氣囊原始材料結(jié)構(gòu)的前提下，只要按照設(shè)計的氣囊外形輪廓，即可降低由于氣囊充氣后由球面變?yōu)榉乔蛎嬉鸬募庸ぞ日`差，方法簡單，便于實施。
文檔編號G06F17/50GK103116678SQ20131005769
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月22日
發(fā)明者郭隱彪, 王春錦, 潘日, 林建華, 鄭茂江 申請人:廈門大學(xué)