基於熵增原理抑制磁流變中高頻誤差的裝置的製作方法
2023-05-10 21:30:01
專利名稱：基於熵增原理抑制磁流變中高頻誤差的裝置的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及到磁流變拋光設備領域，特指一種基於熵增原理抑制磁流變中高頻誤差 的裝置。
背景技術：
確定性磁流變拋光技術是由美國Rochester大學COM光學加工中心首創，由美國QED公 司完成產品化的新一代光學零件高精度計算機控制光學表面成形技術(CCOS)。磁流變拋光技 術具有加工精度高、亞表面損傷小、適用範圍廣等優點。但是由於確定性磁流變拋光使用了 比被加工元件外形尺寸小得多的拋光模(去除函數)，在快速去除被加工表面低頻面形誤差的 同時，往往還會造成較多的小尺度製造誤差——中高頻誤差，即同常所說的"碎帶"誤差， 這些中高頻誤差嚴重降低了系統的光學性能。現代光學系統，尤其是強雷射系統和高解析度 成像系統對光學元件的中高頻誤差提出了嚴格的要求，例如，美國NIF研製的大口徑強雷射 系統光學元件，波長大於33 nim的低頻面形誤差影響聚焦性能，波長在0.12 ,和33咖之間 的中頻波紋度誤差影響焦斑的拖尾和近場調製，波長小於0. 12mm的高頻粗糙度對散射有重 要影響。陸地行星探測器日冕儀(Terrestrial Planet Finder Coronagr鄰h, TPFC)次鏡(長 軸長890 mm)要求全口徑內小於5個周期的尺度內的擾動為6nm RMS， 5~30個周期的尺度 內的擾動為8nm RMS，而30個周期以上的尺度內的擾動為4nm RMS。
光學加工中普遍認為去除函數運動軌跡為"亂線"時，會產生"自修正過程"，達到面形 的收斂，並且加工軌跡越雜亂無章，中高頻誤差越小。基於上述考慮，清華大學張雲採用光 柵掃描路徑和螺旋線掃描路徑交替加工抑制中高頻誤差，但抑制效果不明顯，且加工效率較 低。Zeeko公司採用偽隨機路徑和自適應螺旋路徑，抑制中高頻誤差，但加工路徑極為複雜， 對工具機動態性能要求較高難於實現。
發明內容
本發明要解決的技術問題就在於針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構 簡單緊湊、成本低廉、控制原理簡單、加工能力強、加工精度高、抗幹擾能力強的基於熵增 原理抑制磁流變中高頻誤差的裝置。
為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案。
一種基於熵增原理抑制磁流變中高頻誤差的裝置，其特徵在於它包括隨機序列發生器、 數字電流轉換器和兩個驅動電機，所述驅動電機分別裝設於磁流變拋光輪的兩側，所述隨機 序列發生器用於產生幅值為正比於進給行距的隨機序列信號，將該隨機序列輸入到數字電流轉換器後產生電流，該電流經導線傳送給驅動電機後推動磁流變拋光輪產生幅值為一個進給 行距的隨機位移。
所述驅動電機為音圈電機，它包括鐵芯、磁鐵、線圈和法蘭盤，所述磁鐵置於鐵芯中部， 線圈繞設於磁鐵上，線圈的一端通過法蘭盤與直線軸承相連，磁流變拋光輪的兩端裝設於直 線軸承上。
作為本發明的進一步改進
所述隨機序列發生器包括脈衝發生器、計數器和數碼顯示器，所述脈衝發生器用於產生 脈衝信號作為計數器的計數脈衝，所述計數器用於測出一定時間內輸入的脈衝數目，所述數 碼顯示器用於顯示產生的隨機數。
與現有技術相比，本發明的優點就在於
本發明採用了基於熵增原理的局部隨機加工路徑的方法，在垂直於掃描運動的方向上疊 加一定幅值的隨機擾動，以減小由於固定行距的進給運動引起的中高頻誤差。本發明所用隨 機序列發生器、數字電流轉換器、音圈電機和直線軸承都是常規部件，購買方便、價格低廉； 本發明由幾個簡單的部件巧妙的達到抑制磁流變加工中高頻誤差的目的，結構簡單、緊湊； 本發明能抑制磁流變加工中高頻誤差，提高了光學加工表面的質量，為進一步提高光學表面 的加工精度奠定了基礎；本發明在加工中疊加了垂直於掃描運動方向上的隨機擾動，外界環 境的擾動對抑制中高頻誤差的結果影響不大，抗幹擾能力強。
圖1是基於熵增原理抑制磁流變拋光中高頻誤差裝置的結構圖2是具體實施例中隨機序列發生器的電路原理示意圖3是具體實施例中驅動電機的結構示意圖4是光學表面離散式網格示意圖5-1是光柵掃描局部隨機加工路徑示意圖5-2是圖5-1中的局部放大示意圖6-1是位置駐留模式的示意圖6-2是速度駐留路徑模式的示意圖6-3是局部隨機駐留模式的示意圖7-1是面形測量結果對比分析圖7-2是過第一、四象限且垂直與坐標軸的平面上的中高頻誤差示意圖； 圖8-1是局部隨機路徑加工區域的加工過程的功率譜密度曲線示意圖； 圖8-2是光柵掃描路徑加工區域的加工過程的功率譜密度曲線示意圖；圖9是局部隨機路徑加工的面形誤差示意圖;
圖10-1是垂直於拋光方向的加工過程的功率譜密度曲線示意圖;
圖10-2是平行於拋光方向的加工過程的功率譜密度曲線示意圖。
圖例說明:
1、隨機序列發生器
數字電流轉換器
3、床身
直線軸承
5、角接觸軸承
驅動電機
8、內軸承端蓋
外軸承端蓋
10、磁流變拋光輪
11、工件
601、鐵芯
602、磁鐵
603、線圈
604、法蘭盤
具體實施例方式
以下將結合具體實施例和說明書附圖對本發明做進一步詳細說明。
如圖1所示，本發明基於熵增原理抑制磁流變中高頻誤差的裝置結構圖，它包括隨機序 列發生器l、數字電流轉換器2和兩個驅動電機6，驅動電機6分別裝設於磁流變拋光輪10 的兩側，隨機序列發生器1用於產生幅值為正比於進給行距的隨機序列信號，將該隨機序列 輸入到數字電流轉換器2後產生電流，該電流經導線傳送給驅動電機6後推動磁流變拋光輪 IO產生幅值為一個進給行距的隨機位移，即使磁流變拋光輪IO在沿自轉軸的方向隨機擾動， 掃描軌跡不再具備規則性和規律性，掃描軌跡演變為雜亂無章的"亂線"，去除函數的駐留 點在每行內呈現隨機分布的狀態，從而減小CCOS巻積殘留誤差並抑制中高頻誤差。
參見圖3，驅動電機6可以採用音圈電機，它包括鐵芯601、磁鐵602、線圈603和法蘭 盤604，磁鐵602置於鐵芯601中部，線圈603繞設於磁鐵602上，線圈603的一端通過法 蘭盤604與直線軸承4相連，磁流變拋光輪10位於工件11的上方，磁流變拋光輪10的兩端 通過角接觸軸承5、直線軸承4固定於床身3上並與音圈電機相連。音圈電機的兩端分別設 有內軸承端蓋8和外軸承端蓋9。直線軸承4是產生擾動的關鍵裝置，使磁流變拋光輪10與 角接觸軸承5的內圈轉動的同時隨角接觸軸承5的外圈在直線軸承4上滑動，從而可將磁流 變拋光輪10的轉動和滑動解耦，產生擾動，解決了磁流變加工軌跡規則的弊病。在工作時， 音圈電機的線圈603通電後，線圈603受力，從而推動法蘭盤604運動，法蘭盤604和內軸 承端蓋8—樣，因此磁流變拋光輪10在內軸承端蓋8的推動下沿直線軸承4運動，從而產生 隨機擾動。兩個音圈電機中電流方向相反、大小相同， 一推一拉，共同作用。在具體實例中，直線軸承4可以採用"濟南原平精工動力傳動有限公司"的"LM標準型"。音圈電機因其結 構類似於喇叭的音圈而得名，其具有高頻響、高精度的特點，典型的應用為計算機驅動器、 精密位置平臺等。與U型直線電機和平板型直線電機相比它可以提供更好的高頻響應特性， 可做高速往復直線運動，特別適合用於短行程的閉環伺服控制系統。音圈直線電機的控制簡 單可靠，無需換向裝置，壽命長，可以直接用於精密位置、速度、加速度和推力控制，無反 向間隙。位置解析度可達0. lum 5um，輸出力為30N 800N，最大行程+/ -25 im。在具 體實例中，可以選用"微納科技有限公司"的"075-SZXY—01"型號音圈電機。
如圖2所示，本實施例中隨機序列發生器1由脈衝發生器、計數器和數碼顯示器組成。 其中，脈衝發生器電路由六非門集成電路IC1內部的非門電路D1、 D2和電阻器R1、電容器 Cl組成，非門D3為緩衝器；計數器電路由集成電路IC2和IC3組成；數碼顯示器電路由集 成電路IC5和IC4及兩個顯示器組成。接通電源開關Sl後，IC1—IC5通電工作，按下控制 按鈕S2後，脈衝發生器產生的3kHz脈衝信號經D3緩衝整形後，作為IC2和IC3的計數脈衝。 IC2和IC3計數的信息經IC4和IC5解碼後，驅動數碼顯示器顯示出00—99範圍內的數字。 計數開始後，數碼顯示器依次輸出99， 98、 97.……02、 01、 00,99，如此循環往復。鬆開 S2後，計數器停止計數，數碼顯示器顯示最後的結果。由於計數器每秒鐘進行3000次計數， 放開S2的一瞬間得出的數字數隨機產生的，不受人為控制。然後將IC1、 IC2的信號由管腳 2、 14、 11、 6經信號線接到D/A轉換器中。開關S2由單片機控制，工作頻率為100HZ。元器 件選擇Rl選用1/4W金屬膜電阻器。Cl選用高頻瓷介電容器；C2選用耐壓值大於6V的鋁 電解電容器。Sl選用小型撥動式開關；S2選用動合按鈕。兩隻數碼顯示器均選用5011或5021 型LED數碼管。IC1選用CD4069型六非門集成電路；IC2和IC3選用CD4510型BCD可預置可 逆計數器集成電路；IC4和IC5均選用CD4511型BCD七段鎖存/解碼/驅動集成電路。
本實施例中，數字電流轉換器2是用於將數位訊號轉換為模擬信號的系統， 一般用低通 濾波即可以實現。數位訊號先進行解碼，即把數字碼轉換成與之對應的電平，形成階梯狀信 號，然後進行低通濾波。 一般由數碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼網絡、求和電路及基 準電壓幾部分組成。數字量以串行或並行方式輸入、存儲於數碼寄存器中，數字寄存器輸出 的各位數碼，分別控制對應的模擬電子開關，是數碼為1的位在位權網絡上產生與其權值成 正比的電流值，再由求和電路將各種權值相加，即得到數字量對應的模擬量。在具體實例中， 可以採用"深圳市百年科技有限公司"的D/A轉換IC，型號為"CY74FCT2244TS0C TI 05+ 400 20SOIC 7",從而實現了由數字到電流的轉換。
在本發明中，主要是基於熵增原理，其中藉助熱力學中"熵"的概念提出用信息熵表示 事物運動或存在狀態的不確定性程度，對概率信息進行度量，不確定性越大，熵就越大。如圖4所示，在磁流變拋光過程中，對光學表面進行等面積矩形網格劃分，可得一系列 控制節點c,.，設其控制的面積單元為《。定義控制節點向量5 = [(;1，..^，...，￡: ^ ，駐留點向量
E-[/，，…，4,…，/J，去除向量F、[i^,…，《KF，表示去除函數位於駐留點4時，對所有
控制節點的材料去除能力。定義去除矩陣F^。^f ，...，^，...，F1]，駐留時間向量
= [^...,^,.." ]、材料去除量向量^ = ^,...,《,..凡獷，則駐留時間解算問題可轉化為線性 方程組求解。可以求解出任意駐留點/,處的駐留時間。
對任意面積單元",，去除函數在其內部的駐留位置具有一定的隨機性。將面積單元a,離 散成f個面積微元，設去除函數駐留點在每個面積微元的分布概率為D。,=械,《，...， 2}。 則面積單元內去除函數駐留點隨機分布的測度可定義為熵/^,:
整個光學表面去除函數駐留點隨機分布的測度可定義為H-
基於熵增原理，提出局部隨機加工路徑，在沿磁流變拋光輪10自轉軸的方向疊加一定幅 值的隨機擾動，以減小由於固定行距的進給運動引起的中高頻誤差。圖5-1為光柵掃描局部 隨機加工路徑示意圖，圖中隨機擾動的幅值等於換行間距，換行間距為lmm，圖5-2為範圍 xe[30,40]， ye[30,35]的局部放大圖。局部隨機加工路徑中，掃描軌跡不再具備規則性和 規律性，演變為雜亂無章的"亂線"，去除函數的駐留點在每行內呈現隨機分布的狀態，由 確定性駐留轉化為隨機性駐留，這必將有利於減小CCOS巻積殘留誤差並抑制中高頻誤差。
磁流變拋光中典型的去除函數駐留模式為逐點駐留模式(位置駐留模式)和掃描駐留模 式(速度駐留模式)。逐點駐留模式，去除函數根據解算出的駐留時間向量依次駐留在各個 駐留點，雖然加工精度較高，但加工效率低，中高頻誤差較大；掃描駐留模式，根據駐留時 間向量計算去除函數的運動速度，去除函數動態駐留在各個駐留點，加工效率較高，加工精 度受工具機動態性能的影響。如圖6-1、 6-2、 6-3所示，分析去除函數駐留點在任意面積單元 內的駐留概率分布。圖6-l為位置駐留模式，去除函數駐留點為一孤立點，圖6-2為速度駐 留路徑，去除函數駐留點等概率分布在一條直線上，圖6-3為局部隨機駐留模式，去除函數 駐留點等概率分布在面積單元內。將面積單元離散成7\^個面積微元(N由分析中高頻誤差時 的截止頻率確定，並滿足採樣定理)，根據去除函數駐留點概率分布計算每種駐留模式的信息熵，見公式(l.a)、公式(l.b)、公式(l.c)。其中A，D2,A分別為位置駐留模式、速度駐 留模式和局部隨機駐留模式的駐留點概率分布，f/p //2， //3為其對應的信息熵。由公式 (l.a)、公式(l.b)、公式(l.c)可見，位置駐留模式的熵為零，局部隨機駐留模式的熵最大， 速度駐留模式的熵為局部隨機路徑的N分之一。可見，局部隨機加工路徑滿足熵增原理，能 夠獲得最大的去除函數駐留不確定度，這有利於抑制磁流變加工過程的中高頻誤差。
f =1 w
7 2 "J w w
(l.a)
(l.b)
(l,c)
基於熵增原理，採用局部隨機加工路徑，對結果的正確性進行驗證。在直徑lOOram (90% 有效口徑)的平面鏡上進行對比驗證實驗。如圖7-1所示，為加工後的面形測量結果，其中 第一、三象限採用局部隨機路徑，第二、四象限採用光柵掃描路徑。第一、三象限的面形中 高頻誤差明顯小於第二、四象限，圖中各示例的解釋為PV—面形誤差峰谷值，rms—面形誤 差均方根值，Power—離焦值，size X—X的測量區域，size Y—Y的測量區域，Removed (PST TLT)—消除面形誤差中的常數項和傾斜項，Trimmed—裁減像素，Filter: high pass—濾波 器高通，Aperture OD""外有效口徑，Aperture ID—內裁減口徑。如圖7-2所示，為過第 一、四象限且垂直與坐標軸的平面上的中高頻誤差示意圖，由圖可見局部隨機路徑能夠有效 地抑制磁流變加工的中高頻誤差(分界線左側為局部隨機路徑，右側為光柵掃描路徑)。圖 中各示例的解釋為PV—面形誤差峰谷值，rms—面形誤差均方根值，Aperture ID—內裁減口
徑
如圖8-1和8-2所示，為PSD曲線的對比分析結果(即加工過程的功率譜密度曲線)， 圖8-1為局部隨機路徑加工區域，圖8-2為光柵掃描路徑加工區域，可見局部隨機路徑有效 的消除了中心頻率1mm-1附近的中高頻誤差。
基於熵增原理，採用局部隨機加工路徑，在直徑lOOram (90%有效口徑)的平面鏡上進行 修形實驗。經過一次迭代修形(7. 46min)使其面形誤差峰谷值由初始的0.199;i提高到0. 099;i (A=632.8nm)，均方根誤差由初始的0. 034義提高到0. 011義，加工後的面形誤差如圖9所 示。圖中各示例的解釋為PV—面形誤差峰谷值，rms—面形誤差均方根值，Power—離焦值， size X—X的測量區域，size Y—Y的測量區域，Removed (PST TLT)—消除面形誤差中的常數項和傾斜項，Trimmed—裁減像素，Filter: off—濾波器關，Aperture 0D—外有效口徑， Aperture ID—內裁減口徑。
如圖10-1所示，為垂直於拋光方向的PSD曲線，圖10-2為平行於拋光方向的PSD曲線， 在垂直於拋光方向上未見明顯尖峰狀頻帶誤差。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡 屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通 技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本 發明的保護範圍。
權利要求
1、一種基於熵增原理抑制磁流變中高頻誤差的裝置，其特徵在於它包括隨機序列發生器(1)、數字電流轉換器(2)和兩個驅動電機(6)，所述驅動電機(6)分別裝設於磁流變拋光輪(10)的兩側，所述隨機序列發生器(1)用於產生幅值正比於進給行距的隨機序列信號，將該隨機序列輸入到數字電流轉換器(2)後產生電流，該電流經導線傳送給驅動電機(6)後推動磁流變拋光輪(10)產生幅值為一個進給行距的隨機位移。
2、 根據權利要求l所述的基於熵增原理抑制磁流變中高頻誤差的裝置，其特徵在於所 述驅動電機(6)為音圈電機，它包括鐵芯(601)、磁鐵(602)、線圈(603)和法蘭盤(604), 所述磁鐵(602)置於鐵芯(601)中部，線圈(603)繞設於磁鐵(602)上，線圈(603)的 一端通過法蘭盤(604)與直線軸承(4)相連，磁流變拋光輪(10)的兩端裝設於直線軸承(4)上。
3、 根據權利要求1或2所述的基於熵增原理抑制磁流變中高頻誤差的裝置，其特徵在於 所述隨機序列發生器(1)包括脈衝發生器、計數器和數碼顯示器，所述脈衝發生器用於產生 脈衝信號作為計數器的計數脈衝，所述計數器用於測出一定時間內輸入的脈衝數目，所述數 碼顯示器用於顯示產生的隨機數。
全文摘要
本發明公開了一種基於熵增原理抑制磁流變中高頻誤差的裝置，它包括隨機序列發生器、數字電流轉換器和兩個驅動電機，所述驅動電機分別裝設於磁流變拋光輪的兩側，所述隨機序列發生器用於產生幅值為正比於進給行距的隨機序列信號，將該隨機序列輸入到數字電流轉換器後產生電流，該電流經導線傳送給驅動電機後推動磁流變拋光輪產生幅值為一個進給行距的隨機位移。本發明是一種結構簡單緊湊、成本低廉、控制原理簡單、加工能力強、加工精度高、抗幹擾能力強的基於熵增原理抑制磁流變中高頻誤差的裝置。
文檔編號H02K33/18GK101585159SQ20091004366
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月10日 優先權日2009年6月10日
發明者彭小強, 戴一帆, 李聖怡, 峰 石, 超 謝 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學