专利名称：基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及到磁流变抛光设备领域，特指一种基于熵增原理抑制磁流变中高频误差 的装置。
背景技术：
确定性磁流变抛光技术是由美国Rochester大学COM光学加工中心首创，由美国QED公 司完成产品化的新一代光学零件高精度计算机控制光学表面成形技术(CCOS)。磁流变抛光技 术具有加工精度高、亚表面损伤小、适用范围广等优点。但是由于确定性磁流变抛光使用了 比被加工元件外形尺寸小得多的抛光模(去除函数)，在快速去除被加工表面低频面形误差的 同时，往往还会造成较多的小尺度制造误差——中高频误差，即同常所说的"碎带"误差， 这些中高频误差严重降低了系统的光学性能。现代光学系统，尤其是强激光系统和高分辨率 成像系统对光学元件的中高频误差提出了严格的要求，例如，美国NIF研制的大口径强激光 系统光学元件，波长大于33 nim的低频面形误差影响聚焦性能，波长在0.12 ,和33咖之间 的中频波纹度误差影响焦斑的拖尾和近场调制，波长小于0. 12mm的高频粗糙度对散射有重 要影响。陆地行星探测器日冕仪(Terrestrial Planet Finder Coronagr邻h, TPFC)次镜(长 轴长890 mm)要求全口径内小于5个周期的尺度内的扰动为6nm RMS， 5~30个周期的尺度 内的扰动为8nm RMS，而30个周期以上的尺度内的扰动为4nm RMS。
光学加工中普遍认为去除函数运动轨迹为"乱线"时，会产生"自修正过程"，达到面形 的收敛，并且加工轨迹越杂乱无章，中高频误差越小。基于上述考虑，清华大学张云采用光 栅扫描路径和螺旋线扫描路径交替加工抑制中高频误差，但抑制效果不明显，且加工效率较 低。Zeeko公司采用伪随机路径和自适应螺旋路径，抑制中高频误差，但加工路径极为复杂， 对机床动态性能要求较高难于实现。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构 简单紧凑、成本低廉、控制原理简单、加工能力强、加工精度高、抗干扰能力强的基于熵增 原理抑制磁流变中高频误差的装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。
一种基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置，其特征在于它包括随机序列发生器、 数字电流转换器和两个驱动电机，所述驱动电机分别装设于磁流变抛光轮的两侧，所述随机 序列发生器用于产生幅值为正比于进给行距的随机序列信号，将该随机序列输入到数字电流转换器后产生电流，该电流经导线传送给驱动电机后推动磁流变抛光轮产生幅值为一个进给 行距的随机位移。
所述驱动电机为音圈电机，它包括铁芯、磁铁、线圈和法兰盘，所述磁铁置于铁芯中部， 线圈绕设于磁铁上，线圈的一端通过法兰盘与直线轴承相连，磁流变抛光轮的两端装设于直 线轴承上。
作为本发明的进一步改进
所述随机序列发生器包括脉冲发生器、计数器和数码显示器，所述脉冲发生器用于产生 脉冲信号作为计数器的计数脉冲，所述计数器用于测出一定时间内输入的脉冲数目，所述数 码显示器用于显示产生的随机数。
与现有技术相比，本发明的优点就在于
本发明采用了基于熵增原理的局部随机加工路径的方法，在垂直于扫描运动的方向上叠 加一定幅值的随机扰动，以减小由于固定行距的进给运动引起的中高频误差。本发明所用随 机序列发生器、数字电流转换器、音圈电机和直线轴承都是常规部件，购买方便、价格低廉； 本发明由几个简单的部件巧妙的达到抑制磁流变加工中高频误差的目的，结构简单、紧凑； 本发明能抑制磁流变加工中高频误差，提高了光学加工表面的质量，为进一步提高光学表面 的加工精度奠定了基础；本发明在加工中叠加了垂直于扫描运动方向上的随机扰动，外界环 境的扰动对抑制中高频误差的结果影响不大，抗干扰能力强。
图1是基于熵增原理抑制磁流变抛光中高频误差装置的结构图2是具体实施例中随机序列发生器的电路原理示意图3是具体实施例中驱动电机的结构示意图4是光学表面离散式网格示意图5-1是光栅扫描局部随机加工路径示意图5-2是图5-1中的局部放大示意图6-1是位置驻留模式的示意图6-2是速度驻留路径模式的示意图6-3是局部随机驻留模式的示意图7-1是面形测量结果对比分析图7-2是过第一、四象限且垂直与坐标轴的平面上的中高频误差示意图； 图8-1是局部随机路径加工区域的加工过程的功率谱密度曲线示意图； 图8-2是光栅扫描路径加工区域的加工过程的功率谱密度曲线示意图；图9是局部随机路径加工的面形误差示意图;
图10-1是垂直于抛光方向的加工过程的功率谱密度曲线示意图;
图10-2是平行于抛光方向的加工过程的功率谱密度曲线示意图。
图例说明:
1、随机序列发生器
数字电流转换器
3、床身
直线轴承
5、角接触轴承
驱动电机
8、内轴承端盖
外轴承端盖
10、磁流变抛光轮
11、工件
601、铁芯
602、磁铁
603、线圈
604、法兰盘
具体实施例方式
以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置结构图，它包括随机序 列发生器l、数字电流转换器2和两个驱动电机6，驱动电机6分别装设于磁流变抛光轮10 的两侧，随机序列发生器1用于产生幅值为正比于进给行距的随机序列信号，将该随机序列 输入到数字电流转换器2后产生电流，该电流经导线传送给驱动电机6后推动磁流变抛光轮 IO产生幅值为一个进给行距的随机位移，即使磁流变抛光轮IO在沿自转轴的方向随机扰动， 扫描轨迹不再具备规则性和规律性，扫描轨迹演变为杂乱无章的"乱线"，去除函数的驻留 点在每行内呈现随机分布的状态，从而减小CCOS巻积残留误差并抑制中高频误差。
参见图3，驱动电机6可以采用音圈电机，它包括铁芯601、磁铁602、线圈603和法兰 盘604，磁铁602置于铁芯601中部，线圈603绕设于磁铁602上，线圈603的一端通过法 兰盘604与直线轴承4相连，磁流变抛光轮10位于工件11的上方，磁流变抛光轮10的两端 通过角接触轴承5、直线轴承4固定于床身3上并与音圈电机相连。音圈电机的两端分别设 有内轴承端盖8和外轴承端盖9。直线轴承4是产生扰动的关键装置，使磁流变抛光轮10与 角接触轴承5的内圈转动的同时随角接触轴承5的外圈在直线轴承4上滑动，从而可将磁流 变抛光轮10的转动和滑动解耦，产生扰动，解决了磁流变加工轨迹规则的弊病。在工作时， 音圈电机的线圈603通电后，线圈603受力，从而推动法兰盘604运动，法兰盘604和内轴 承端盖8—样，因此磁流变抛光轮10在内轴承端盖8的推动下沿直线轴承4运动，从而产生 随机扰动。两个音圈电机中电流方向相反、大小相同， 一推一拉，共同作用。在具体实例中，直线轴承4可以采用"济南原平精工动力传动有限公司"的"LM标准型"。音圈电机因其结 构类似于喇叭的音圈而得名，其具有高频响、高精度的特点，典型的应用为计算机驱动器、 精密位置平台等。与U型直线电机和平板型直线电机相比它可以提供更好的高频响应特性， 可做高速往复直线运动，特别适合用于短行程的闭环伺服控制系统。音圈直线电机的控制简 单可靠，无需换向装置，寿命长，可以直接用于精密位置、速度、加速度和推力控制，无反 向间隙。位置分辨率可达0. lum 5um，输出力为30N 800N，最大行程+/ -25 im。在具 体实例中，可以选用"微纳科技有限公司"的"075-SZXY—01"型号音圈电机。
如图2所示，本实施例中随机序列发生器1由脉冲发生器、计数器和数码显示器组成。 其中，脉冲发生器电路由六非门集成电路IC1内部的非门电路D1、 D2和电阻器R1、电容器 Cl组成，非门D3为缓冲器；计数器电路由集成电路IC2和IC3组成；数码显示器电路由集 成电路IC5和IC4及两个显示器组成。接通电源开关Sl后，IC1—IC5通电工作，按下控制 按钮S2后，脉冲发生器产生的3kHz脉冲信号经D3缓冲整形后，作为IC2和IC3的计数脉冲。 IC2和IC3计数的信息经IC4和IC5译码后，驱动数码显示器显示出00—99范围内的数字。 计数开始后，数码显示器依次输出99， 98、 97.……02、 01、 00,99，如此循环往复。松开 S2后，计数器停止计数，数码显示器显示最后的结果。由于计数器每秒钟进行3000次计数， 放开S2的一瞬间得出的数字数随机产生的，不受人为控制。然后将IC1、 IC2的信号由管脚 2、 14、 11、 6经信号线接到D/A转换器中。开关S2由单片机控制，工作频率为100HZ。元器 件选择Rl选用1/4W金属膜电阻器。Cl选用高频瓷介电容器；C2选用耐压值大于6V的铝 电解电容器。Sl选用小型拨动式开关；S2选用动合按钮。两只数码显示器均选用5011或5021 型LED数码管。IC1选用CD4069型六非门集成电路；IC2和IC3选用CD4510型BCD可预置可 逆计数器集成电路；IC4和IC5均选用CD4511型BCD七段锁存/译码/驱动集成电路。
本实施例中，数字电流转换器2是用于将数字信号转换为模拟信号的系统， 一般用低通 滤波即可以实现。数字信号先进行解码，即把数字码转换成与之对应的电平，形成阶梯状信 号，然后进行低通滤波。 一般由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基 准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出 的各位数码，分别控制对应的模拟电子开关，是数码为1的位在位权网络上产生与其权值成 正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。在具体实例中， 可以采用"深圳市百年科技有限公司"的D/A转换IC，型号为"CY74FCT2244TS0C TI 05+ 400 20SOIC 7",从而实现了由数字到电流的转换。
在本发明中，主要是基于熵增原理，其中借助热力学中"熵"的概念提出用信息熵表示 事物运动或存在状态的不确定性程度，对概率信息进行度量，不确定性越大，熵就越大。如图4所示，在磁流变抛光过程中，对光学表面进行等面积矩形网格划分，可得一系列 控制节点c,.，设其控制的面积单元为《。定义控制节点向量5 = [(;1，..^，...，￡: ^ ，驻留点向量
E-[/，，…，4,…，/J，去除向量F、[i^,…，《KF，表示去除函数位于驻留点4时，对所有
控制节点的材料去除能力。定义去除矩阵F^。^f ，...，^，...，F1]，驻留时间向量
= [^...,^,.." ]、材料去除量向量^ = ^,...,《,..凡犷，则驻留时间解算问题可转化为线性 方程组求解。可以求解出任意驻留点/,处的驻留时间。
对任意面积单元",，去除函数在其内部的驻留位置具有一定的随机性。将面积单元a,离 散成f个面积微元，设去除函数驻留点在每个面积微元的分布概率为D。,=械,《，...， 2}。 则面积单元内去除函数驻留点随机分布的测度可定义为熵/^,:
整个光学表面去除函数驻留点随机分布的测度可定义为H-
基于熵增原理，提出局部随机加工路径，在沿磁流变抛光轮10自转轴的方向叠加一定幅 值的随机扰动，以减小由于固定行距的进给运动引起的中高频误差。图5-1为光栅扫描局部 随机加工路径示意图，图中随机扰动的幅值等于换行间距，换行间距为lmm，图5-2为范围 xe[30,40]， ye[30,35]的局部放大图。局部随机加工路径中，扫描轨迹不再具备规则性和 规律性，演变为杂乱无章的"乱线"，去除函数的驻留点在每行内呈现随机分布的状态，由 确定性驻留转化为随机性驻留，这必将有利于减小CCOS巻积残留误差并抑制中高频误差。
磁流变抛光中典型的去除函数驻留模式为逐点驻留模式(位置驻留模式)和扫描驻留模 式(速度驻留模式)。逐点驻留模式，去除函数根据解算出的驻留时间向量依次驻留在各个 驻留点，虽然加工精度较高，但加工效率低，中高频误差较大；扫描驻留模式，根据驻留时 间向量计算去除函数的运动速度，去除函数动态驻留在各个驻留点，加工效率较高，加工精 度受机床动态性能的影响。如图6-1、 6-2、 6-3所示，分析去除函数驻留点在任意面积单元 内的驻留概率分布。图6-l为位置驻留模式，去除函数驻留点为一孤立点，图6-2为速度驻 留路径，去除函数驻留点等概率分布在一条直线上，图6-3为局部随机驻留模式，去除函数 驻留点等概率分布在面积单元内。将面积单元离散成7\^个面积微元(N由分析中高频误差时 的截止频率确定，并满足采样定理)，根据去除函数驻留点概率分布计算每种驻留模式的信息熵，见公式(l.a)、公式(l.b)、公式(l.c)。其中A，D2,A分别为位置驻留模式、速度驻 留模式和局部随机驻留模式的驻留点概率分布，f/p //2， //3为其对应的信息熵。由公式 (l.a)、公式(l.b)、公式(l.c)可见，位置驻留模式的熵为零，局部随机驻留模式的熵最大， 速度驻留模式的熵为局部随机路径的N分之一。可见，局部随机加工路径满足熵增原理，能 够获得最大的去除函数驻留不确定度，这有利于抑制磁流变加工过程的中高频误差。
f =1 w
7 2 "J w w
(l.a)
(l.b)
(l,c)
基于熵增原理，采用局部随机加工路径，对结果的正确性进行验证。在直径lOOram (90% 有效口径)的平面镜上进行对比验证实验。如图7-1所示，为加工后的面形测量结果，其中 第一、三象限采用局部随机路径，第二、四象限采用光栅扫描路径。第一、三象限的面形中 高频误差明显小于第二、四象限，图中各示例的解释为PV—面形误差峰谷值，rms—面形误 差均方根值，Power—离焦值，size X—X的测量区域，size Y—Y的测量区域，Removed (PST TLT)—消除面形误差中的常数项和倾斜项，Trimmed—裁减像素，Filter: high pass—滤波 器高通，Aperture OD""外有效口径，Aperture ID—内裁减口径。如图7-2所示，为过第 一、四象限且垂直与坐标轴的平面上的中高频误差示意图，由图可见局部随机路径能够有效 地抑制磁流变加工的中高频误差(分界线左侧为局部随机路径，右侧为光栅扫描路径)。图 中各示例的解释为PV—面形误差峰谷值，rms—面形误差均方根值，Aperture ID—内裁减口
径
如图8-1和8-2所示，为PSD曲线的对比分析结果(即加工过程的功率谱密度曲线)， 图8-1为局部随机路径加工区域，图8-2为光栅扫描路径加工区域，可见局部随机路径有效 的消除了中心频率1mm-1附近的中高频误差。
基于熵增原理，采用局部随机加工路径，在直径lOOram (90%有效口径)的平面镜上进行 修形实验。经过一次迭代修形(7. 46min)使其面形误差峰谷值由初始的0.199;i提高到0. 099;i (A=632.8nm)，均方根误差由初始的0. 034义提高到0. 011义，加工后的面形误差如图9所 示。图中各示例的解释为PV—面形误差峰谷值，rms—面形误差均方根值，Power—离焦值， size X—X的测量区域，size Y—Y的测量区域，Removed (PST TLT)—消除面形误差中的常数项和倾斜项，Trimmed—裁减像素，Filter: off—滤波器关，Aperture 0D—外有效口径， Aperture ID—内裁减口径。
如图10-1所示，为垂直于抛光方向的PSD曲线，图10-2为平行于抛光方向的PSD曲线， 在垂直于抛光方向上未见明显尖峰状频带误差。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡 属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本 发明的保护范围。
权利要求
1、一种基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置，其特征在于它包括随机序列发生器(1)、数字电流转换器(2)和两个驱动电机(6)，所述驱动电机(6)分别装设于磁流变抛光轮(10)的两侧，所述随机序列发生器(1)用于产生幅值正比于进给行距的随机序列信号，将该随机序列输入到数字电流转换器(2)后产生电流，该电流经导线传送给驱动电机(6)后推动磁流变抛光轮(10)产生幅值为一个进给行距的随机位移。
2、 根据权利要求l所述的基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置，其特征在于所 述驱动电机(6)为音圈电机，它包括铁芯(601)、磁铁(602)、线圈(603)和法兰盘(604), 所述磁铁(602)置于铁芯(601)中部，线圈(603)绕设于磁铁(602)上，线圈(603)的 一端通过法兰盘(604)与直线轴承(4)相连，磁流变抛光轮(10)的两端装设于直线轴承(4)上。
3、 根据权利要求1或2所述的基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置，其特征在于 所述随机序列发生器(1)包括脉冲发生器、计数器和数码显示器，所述脉冲发生器用于产生 脉冲信号作为计数器的计数脉冲，所述计数器用于测出一定时间内输入的脉冲数目，所述数 码显示器用于显示产生的随机数。
全文摘要
本发明公开了一种基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置，它包括随机序列发生器、数字电流转换器和两个驱动电机，所述驱动电机分别装设于磁流变抛光轮的两侧，所述随机序列发生器用于产生幅值为正比于进给行距的随机序列信号，将该随机序列输入到数字电流转换器后产生电流，该电流经导线传送给驱动电机后推动磁流变抛光轮产生幅值为一个进给行距的随机位移。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、控制原理简单、加工能力强、加工精度高、抗干扰能力强的基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置。
文档编号H02K33/18GK101585159SQ20091004366
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月10日 优先权日2009年6月10日
发明者彭小强, 戴一帆, 李圣怡, 峰 石, 超 谢 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学