CN103116678B - 一种用于气囊抛光的气囊外形的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种用于气囊抛光的气囊外形的设计方法，涉及气囊。首先根据初始的气囊参数在ANSYS中建模求解，分析得气囊的外形轮廓变形数据，再导入MATLAB中进行数据处理得改进的气囊外形轮廓数据，然后导入ANSYS中重新分析求解，得到改进后气囊的在充气变形后的外形轮廓数据，利用最小二乘圆法计算其截面轮廓圆度误差，验证了改进后的气囊截面轮廓的圆度满足气囊的外形误差的要求，将改进的气囊在ANSYS中的模型导出为IGES格式的CAD/CAM软件通用格式，即加工出改进的气囊。在无需改变气囊原始材料结构的前提下，只要按照设计的气囊外形轮廓，即可降低由于气囊充气后由球面变为非球面引起的加工精度误差，方法简单，便于实施。

Description

一种用于气囊抛光的气囊外形的设计方法

技术领域

本发明涉及气囊，尤其是涉及一种用于气囊抛光的气囊外形的设计方法。

背景技术

精密、超精密光学元件在光学、电子、航空航天及民用等诸多领域中得到了日益广泛的应用，同时，对其加工精度和表面质量也提出了极高的要求。现代尖端技术领域中对光学元件的加工精度要求越来越高，面形精度达到几十分之一波长(一个波长为632.8nm)甚至纳米级的形状与尺寸精度、超光滑表面以及最小的次表面损伤。短波段光学的发展尤其是强激光技术的出现，对光学元件表面粗糙度的要求极为苛刻，要求光学表面粗糙度小于2nm。非球面透镜或反射镜由于具有优良的光学性能，使得越来越多地应用在光学系统中，非球面特殊的几何形状决定了无论是制造难度还是制造成本都远远高于球面光学元件。传统的抛光方法在加工光学非球面上，存在一些明显的缺点，为适应特殊材料的超高精度、低粗糙度、无损伤的加工，新原理的研磨、抛光方法不断出现，如计算机控制小工具抛光技术、激光抛光技术、离子束抛光技术、应力抛光技术、磁流变抛光技术等。

超精密气囊抛光方法是20世纪90年代伦敦光学实验室提出来的一种新的抛光方法，在UK粒子物理、天文学研究委员会和工商界的资助下，开展了气囊抛光理论与技术的研究，并与Zeeko公司合作开发了IRP系列气囊抛光机床，为气囊抛光技术的发展做出了很大的贡献，但该项技术的研究及应用仍属于发展阶段，很多关键技术的研究有待进一步深入。

气囊抛光方法是采用特殊的抛光头结构和独特的运动原理，用一个尺寸比被加工元件小得多的球形抛光膜，在计算机的控制下，以一定路径、速度和压力抛光工件表面。气囊为球形的柔性膜，内表面贴有一层加强层，外表面粘贴聚氨酯抛光垫，装于旋转的工作部件上，形成封闭的腔体，内部充入低压气体。内部的压力、抛光接触区、进动运动、旋转速度等变量是可以独立控制的，它的空间运动方向被一个7自由度的计算机数字控制系统控制。抛光气囊随旋转工作部件而旋转，通过抛光液的作用，达到抛光玻璃表面的目的（其原理参见文献：BINGHAM R G，WALKER D D，KIM D H，etal.A novel automated Proeess for asphericsurfaces[C]//Proe.SPIE，2000(4093):445-450）。抛光工具的材料去除特性、滞留时间和路径的控制是其关键，而气囊是该方法的一个关键的部件，对抛光的成功有很大的影响。

由于气囊是柔性体，在气压作用下会发生形变，使得气囊由球面变为非球面，这就会对气囊的压缩量产生影响，而且难以控制，对抛光后的表面精度产生很大的影响。经查阅国内外参考文献，目前，国内外研究机构均未提出该问题和解决该问题的方法。

发明内容

本发明的目的在于为了减小气囊充气后发生形变而带来的误差，提供一种用于气囊抛光的气囊外形的设计方法。所述气囊是一种外形为非球面的气囊，其在充气压力作用下可变形为球面。

本发明包括以下步骤：

1)根据气囊球冠型的结构，在ANSYS中建模，气囊的外层是橡胶材料，内层的加强层是尼龙材料，采用六面体网格划分模型，将气囊上部圆筒形部分用于固定的面约束其全部自由度，对称面处施加轴对称约束，加强层的内球面施加压力，选用结构静力学求解方法进行求解，分别提取气囊内外轮廓和加强层内轮廓的半条圆弧线上的所有点生成三条路径，提取路径上的X,Y轴坐标和X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，导出数据；

2)将步骤1）导出的数据导入MATLAB中进行数据处理，将初始外轮廓上的X、Y坐标加上X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，得到原始的气囊充气变形后的外形轮廓数据，利用最小二乘圆法计算其圆度误差；

3)在MATLAB中将初始的橡胶层内外轮廓及加强层内轮廓上的X、Y坐标减去X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，得到三组点的数据；将这三组点的数据以关键点的形式导入ANSYS中，再根据圆筒状固定面的高度和气囊的厚度计算出另外两个关键点坐标，就可完成全部关键点的建模；根据关键点生成曲线，由曲线生成面，再利用生成的面回转180°完成气囊的模型的建立；再利用与步骤1)中相同的网格划分方法和载荷进行求解，然后利用步骤1)中相同的路径提取数据的方法提取数据，得到改进后的气囊橡胶层外轮廓曲线上的坐标X、Y以及对应坐标轴上的变形量分量DX、DY，导出数据；

4)将步骤3)中导出的数据导入MATLAB中进行数据处理，将改进后的气囊外轮廓线上的X、Y坐标加上X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，得到改进后气囊充气变形后的橡胶层外轮廓数据，利用最小二乘圆法计算圆度误差值，经分析对比之后，符合对气囊的外形误差要求，而且与未改进的气囊充气变形后计算得到的圆度误差值相比，其误差值远小于未改进得气囊充气变形后的圆度误差值，满足预期的要求；

5)将步骤3)中ANSYS中的模型导出为IGES格式，IGES格式是CAD/CAM软件通用的软件格式，就可以根据其加工出改进的气囊。

在步骤1)中，根据气囊球冠型的结构，在ANSYS中建模，由于气囊是轴对称结构，故只需建立一半的模型，以节省计算时间。

在步骤3)中，根据关键点生成曲线，由于关键点数量多，比较密，所以由点生成曲线带来的误差较小。

本发明的优点在于：在无需改变原始材料结构的前提下，只要按照本发明的方法设计气囊的外形轮廓即可极大地降低由于气囊充气后由球面变为非球面引起的加工精度误差，方法简单，便于实施。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

图2为本发明实施例中ANSYS中的网格划分结果示意图。

图3为本发明实施例中未改进的气囊充气后的变形示意图。

图4为本发明实施例中ANSYS结果后处理中路径的示意图。在图5中，a为加强层内层轮廓路径；b为气囊外层轮廓路径。

图5为本发明实施例中改进后的气囊轮廓关键点示意图。

图6为本发明实施例中改进后的气囊半截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

由于气囊根据半径的不同分好几个等级，有20mm,40mm,80mm,120mm,等，每种气囊根据加工要求的不同又存在多种充气压力的情况，有0.05MPa,0.1MPa,0.15MPa,0.2MPa,0.25MPa，0.3MPa等，故需要对每种的气囊在不同的充气压力下都需要分别计算分析，得到不同半径不同压力下改进后气囊的外形轮廓数据。现取其中一种阐述其具体实施方式，取半径为80mm,充气压力为0.2MPa.

(1)根据气囊的结构尺寸和材料参数，在ANSYS中建模，气囊的外层是橡胶材料，内层的加强层是尼龙材料。由于气囊是轴对称结构，故只需建立一半的模型，以节省计算时间。采用扫掠的方法生成六面体网格，如图2所示。将气囊上部圆筒形部分用于固定的面约束其全部自由度，对称面处施加轴对称约束，加强层的内球面施加0.2MPa的压力。求解计算后，从图3可以看出气囊的大致变形情况（标记为气囊31，变形前轮廓32，变形后轮廓33）。分别提取气囊内外轮廓和加强层内轮廓的半条圆弧线上的所有点生成三条路径，在路径设置中设置路径的每两节点之间插入20个点，如图4所示（标记41为加强层内层轮廓路径，42为气囊内层轮廓路径，43为气囊外层轮廓路径），提取路径上的X,Y轴坐标和X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，导出数据。

(2)将步骤（1）在ANSYS中导出的数据导入MATLAB中进行数据处理，将初始外轮廓上的X、Y坐标加上X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，得到原始的气囊充气变形后的外形轮廓数据，利用最小二乘圆法计算其圆度误差为0.23941mm。

(3)在MATLAB中将初始的橡胶层内外轮廓及加强层内轮廓上的X、Y坐标减去X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，得到三组点的数据。将这三组点的数据以关键点的形式导入ANSYS中，再根据圆筒状固定面的高度和气囊的厚度计算出另外两个关键点坐标，就可完成全部关键点的建模，如图5所示（标记51为其余关键点，52为加强层内轮廓关键点，53为橡胶层内轮廓关键点，54为橡胶层外轮廓关键点）。根据关键点生成曲线，由于关键点数量多，比较密，所以由点生成曲线带来的误差较小。由曲线生成面，如图6所示（标记61为尼龙加强层，62为橡胶层）。再利用生成的面回转180度完成气囊的模型的建立。再利用与步骤(1)中相同的网格划分方法和载荷进行求解，然后利用步骤(1)中相同的路径提取数据的方法提取数据，得到改进后的气囊橡胶层外轮廓曲线上的坐标X、Y以及对应坐标轴上的变形量分量DX、DY，导出数据。

(4)将步骤(3)中导出的数据导入MATLAB中进行数据处理，将改进后的气囊外轮廓线上的X、Y坐标加上X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，得到改进后气囊充气变形后的橡胶层外轮廓数据，利用最小二乘圆法计算圆度误差为0.04456mm，已符合对气囊的外形误差要求，而且与未改进的气囊充气变形后计算得到的圆度误差0.23941mm相比，其误差值是原来的1/5，满足预期的要求。

(5)将步骤(3)中ANSYS中的模型导出为IGES格式，IGES格式是CAD/CAM软件通用的软件格式，就可以根据其加工出改进的气囊。

对于其余种类的气囊其设计方法与以上方法一致，在此不在赘述。

以下给出上述各代码的说明：

ANSYS：ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

MATLAB:MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

IGES格式:CAD/CAM技术在工业界的推广应用，使得越来越多的用户需要把他们的数据在不同CAD/CAM系统之间交换。IGES正是为了解决数据在不同的CAD/CAM间进行传递的问题，它定义了一套表示CAD/CAM系统中常用的几何和非几何数据格式，以及相应的文件结构，用这些格式表示的产品定义数据可以通过多种物理介质进行交换。

CAD/CAM软件：计算机辅助设计/计算机辅助制造软件。

Claims (1)

1.一种用于气囊抛光的气囊外形的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据气囊球冠型的结构，在ANSYS中建模，气囊的外层是橡胶材料，内层的加强层是尼龙材料，采用六面体网格划分模型，将气囊上部圆筒形部分用固定的面约束其全部自由度，对称面处施加轴对称约束，加强层的内球面施加压力，选用结构静力学求解方法进行求解，分别提取气囊内外轮廓和加强层内轮廓的半条圆弧线上的所有点生成三条路径，提取路径上的X,Y轴坐标和X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，导出数据；

2)将步骤1)导出的数据导入MATLAB中进行数据处理，将初始外轮廓上的X、Y坐标加上X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，得到原始的气囊充气变形后的外形轮廓数据，利用最小二乘圆法计算其圆度误差；

3)在MATLAB中将初始的橡胶层内外轮廓及加强层内轮廓上的X、Y坐标减去X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，得到三组点的数据；将这三组点的数据以关键点的形式导入ANSYS中，再根据圆筒状固定面的高度和气囊的厚度计算出另外两个关键点坐标，就可完成全部关键点的建模；根据关键点生成曲线，由曲线生成面，再利用生成的面回转180°完成气囊的模型的建立；再利用与步骤1)中相同的网格划分方法和载荷进行求解，然后利用步骤1)中相同的路径提取数据的方法提取数据，得到改进后的气囊橡胶层外轮廓曲线上的坐标X、Y以及对应坐标轴上的变形量分量DX、DY，导出数据；

4)将步骤3)中导出的数据导入MATLAB中进行数据处理，将改进后的气囊外轮廓线上的X、Y坐标加上X、Y坐标轴上的变形分量DX、DY，得到改进后气囊充气变形后的橡胶层外轮廓数据，利用最小二乘圆法计算圆度误差值，经分析对比之后，符合对气囊的外形误差要求，而且与未改进的气囊充气变形后计算得到的圆度误差值相比，其误差值远小于未改进的气囊充气变形后的圆度误差值，满足预期的要求；

5)将步骤3)中ANSYS中的模型导出为IGES格式，IGES格式是CAD/CAM软件通用的软件格式，就可以根据其加工出改进的气囊。