Research on the forward design methodology for ultra-precision grinding equipment of high-power laser components

本文针对强激光元件超精密磨削加工装备设计, 提出了一种基于“加工原理-机床构型-运动精度-仿真验证”的正向设计方法. 通过分析大尺寸低陡度非球面与回转类光学元件的成形特点, 基于光栅路径平行磨削与螺旋路径磨削两种加工原理, 确定了T型布局与龙门构型的机床基本构型. 运用多体运动学理论建立机床误差模型, 提出以磨粒轨迹偏差为评价指标的误差灵敏度分析方法, 进一步构建机床精度优化分配模型, 通过MATLAB fmincon求解器获得满足元件面形精度(peak-to-valley)PV≤5 μm加工需求的机床精度指标. 结合拓扑优化对关键结构件进行轻量化与刚度协同设计, 整机导轨形变波动由1.17 μm降至0.83 μm, 利于机床精度指标保障. 开发集成工艺设计, 运动仿真与碰撞预警的虚拟样机系统, 实现加工过程的数字化验证. 所研制的UPG80与UPG200超精密磨床成功应用于430 mm与530 mm口径非球面元件的高精度加工, 面形精度达到PV≤5 μm, 为强激光元件制造装备的自主创新提供了系统化技术路径.