大口径光学抛光系统的气动压力控制

光学加lT是-个复杂工艺过程，不仅存在磨盘与工件之间的机械切削，还有研磨液与工件之间的化学作用。精密的光学仪器，更需要纳米级的精度，而且整个加工过程周期长。大口径轻质高精度非球面镜的加工，材质既脆又硬，而且后期到抛光阶段时镜面口径大而薄，加工难度非常大。国内外-直以来主要依赖技术熟练的工人通过反复地局部修抛和不断监测完成，不仅成本高、效率低、劳动强度大，而且加工精度难以保证↑年来，关于气动压力控制系统研究较多 。 ，而将气动压力控制系统应用于抛光系统进行光学系统抛光还是比较少，故当前光学抛光系统主要还是依赖于人眼辅助，以手动抛光为主。

本文设计了整个大口径抛光设备。磨头作为抛光过程中的末端执行器，是实现抛光工艺效果和抛光效率的保证。而本文在研制出的具有双转子行星式旋转机构的抛光磨头恒速控制系统的基础上，实现整个磨头的压力精确及稳定控制 ，且由于气动的压力特性，能够抑制高频干扰及实现缓冲和柔性控制。在磨头抛光过程中，保证Z轴方面的气压稳定性与精确性，从而保证工件稳定的去除量，及较好的工艺效果。

收稿日期 ：2012-06 Received Date：2012-06基金项 目：十二五国家科技支撑计划项目(2011BAK07B03)、中央高校基本科研业务费(0215005202018)资助项目532 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷2 抛光磨头结构及气动控制原理在光学研抛过程中，工件材料的去除量与相对压强、相对速度满足 Preston方程 ：U Apv (1)式中：f/为 单位之间内的材料去除量；A为工艺系数，与工件材料 、磨盘、抛光剂有关；p为工件与磨盘之间的相对压强；V为工件与磨盘之间的相对速度。

在计算机控制下，磨头以特定的速度，压强及路径在工件表面运行 ，通过控制每-区域的驻留时间，即可精确的控制表面材料去除量，达到修正误差，提高精度的 目的 。本文磨头结构示意图如图 1所示。

图 1 磨头结构示意图Fig.1 Grinding head structure diagram从图1可知，磨头不仅实现公转、自转、偏心相互独立控制，而且在自转轴内布置了气动压力控制装置，从而获得可调且稳定输出的转速、压力值。抛光盘和活塞杆(轴)采用球铰链连接，以增强抛光盘对工件面形变化的自适应性。

气动压力控制的工作原理如图2所示，气缸-腔通大气，另外-腔通过大直径管道与储气罐相连，通过压力比例阀精确控制气缸容腔内的压力P。使之作用在活塞上的力始终维持在设定的压力，从而实现磨头压力的精确控制。

图2 磨头压力控制原理图Fig.2 Grinding head pressure control principle diagram3 高精度气动压力控制系统设计气动力伺服系统由于其功率大、损耗低的特点，在工业上有-定的应用。然而实际上气动伺服系统相对于液压传动和电力传动来说，应用范围很有限，主要是由于气动系统的非线性强，不可预测的外界因素多，建立气动系统模型非常困难，这都增加了高精度压力控制的难度。

3.1 气动控制系统构成图 3所示为气动力控制系统的原理图。该系统由数字控制器、比例减压阀、气缸、气压传感器等环节组成。

其中，控制器为控制电机的TRIO控制器，气缸为 SMC的低摩擦气缸，减压阀为 FESTO的 MPPE型比例减压阀。

图 3 气动力控制系统结构图Fig.3 Pneumatic force control system structure diagram空压机534 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷- 旦设定某个压力值，磨头就将长时间在此压力下工作。

在-定的偏差下，压力的平稳比压力的精度更重要，压力频繁地波动抛光的效果就会变差 。

系统控制算法的基本思想是 ：1)设置某个压力指令后压力值以-定的加速度缓慢加速，防止过大超调或冲击 ；2)加入前镭制，使系统较快且平稳的响应；3)采用双模态 PID控制策略，既保证精度又保证平稳性，且提高抗干扰能力；4)PID控制 中加入抗积分饱和及积分分离控制算法。

图8所示为系统控制原理，采用前镭制及双模态PID的复合控制策略如下：U lek lJe kdl 尸，I e l>el (3) 皿ek 2 Jedt -P，I e l

压 - 墼 豳 图8 气动复合控制器模型Fig.8 Pneumatic compound controler model由于气动控制具有强非线性 ，响应缓慢，单-的PID参数很难满足磨头不同运行方式下的压力控制效果。通过试验分析得到，磨头公转的速度很大程度上影响了控制效果 ，因此制定了以下的控制策略。按公转运行速度范围，将双 PID参数分成3组，如表 1所示。

表 1 PID参数分类Table 1 The classification of PID parameters作为比例减压阀本身就有较高的精度及稳定性 ，因此开环前馈能够较快且较准的使气动压力达到设定值范围。而闭环 PID控制能增加系统的快速响应，提高抗干扰能力和系统的精度。从理论上来讲，前劳反馈相当于2个 自由度控制环节，可分别设计互不干扰。根据阀控缸特性及实验数据分析，获得前馈系数 k，。

反镭制系统的设计有2个 PID控制参数组成即双模态 PID控制系统。以e的大小作为双模态之间切换的条件。当 e大于某个值时，PID 3个参数分别选认大的比例系数、较小的积分系数、较大的微分系数，从而提高系统的响应性能及抗干扰能力。当e小于某个值时，PID3个参数分别选认小的比例系数 、较大的积分系数及较小的微分系数，从而提高系统的稳定性及系统精度。

而e的大小由系统对压力的要求及压力的调试性能来确定。为了保证系统的平稳性，在积分项中还加入了积分分离及抗积分饱和的作用。

4 实验结果及数据分析使用以上控制算法及信号滤波器，对气动系统做了大量的调试工作，设定了合适的 PID参数，前馈放大系数，双模态切换阀值及卡尔曼滤波参数。如图9所示为气动系统在阶跃响应下的曲线。

4 607 O4 14 620 00 l4 630 00 14 64000 I4 650 00 14 660 O0 l4 67000 146 76 29时间Is图9 气动阶跃响应曲线Fig.9 Pneumatic step response CHI Ve图 1O、图 11分别表示在冲击干扰及公转正选干扰下的气动系统响应。图 10为在单PID控制下，当有个较大的干扰产生后，由于气动控制的滞后性及非线性，控制量会有-个较大的变化，从而在扰动后-段时间产生较大的压力变化。而双 PID控制在平稳时运行在第二模态，此时即使有较大的干扰也只是产生较小的控制量变化，因此当干扰消失气动压力就很夹趋于稳定。图 11为公转情况下的气动响应。

由于磨头是行星式旋转机构，因此磨盘的与工件的接触面上既有自转运动又有公转运动，自转运动对气压的压力影响不大可以忽略，而公转运动对气压产生-个周期性扰动。单PID控制下气压会有较明显的周期变化，而双模态PID控制下，周期性扰动就被明显的削弱。

乏 罄坦扩第 3期 王 楷 等：大口径光学抛光系统的气动压力控制 535Itlbl/s图 10 冲击干扰下的气动响应Fig.10 Pneumatic response under impact disturbance图 11 公转干扰下的气动响应Fig.1 1 Pneumatic response underrevolution disturbance5 结 论7550从实验数据可以看出，磨头压力控制系统，在系统动态运行过程中，系统不可避免地存在非线性和不确定性因素，且旋转机构特性对与压力控制有明显的影响作用。

不同磨盘 、不同转速、不同曲率所产生的压力干扰也有不同。针对此系统的特性，通过对此系统理论分析、系统辨识，设计并研发出来的压力控制系统能够较好的满足项目中对施加在磨盘上的压力的要求。在不同的扰动及控制要求下，具有 良好的鲁棒性及速度平稳性。