[發明專利]一種主動誤差抵消的自由曲面超精密車削方法

有效

• 申請號: 201010594286.2
• 申請日: 2010-12-19
• 公開（公告）號: CN102069419A
• 公開（公告）日: 2011-05-25
• 發明（設計）人: 周曉勤;林潔瓊;段寧華
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23Q15/013
• 分類號: B23Q15/013
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本發明屬于自由曲面光學零件超精密車削加工技術領域，特別是涉及一種主動誤差抵消的自由曲面超精密車削方法。

背景技術

自由曲面光學零件在許多重要的工業領域有著日益增加的應用需求，這迫使工業界和學術界積極探索提高加工精度和表面質量的方法。基于快速刀具伺服（以下簡稱FTS）或慢速拖板伺服（以下簡稱S³）的超精密車削被普遍認為是一種最有發展前途的自由曲面創成方法，而主動誤差抵消則是一種提升超精密車削加工精度和表面質量最為經濟有效的途徑，尤其是利用FTS或S³使得不對稱誤差運動、中低頻或中高頻誤差運動的主動抵消變得可能。迄今為止，針對自由曲面超精密車削的主動誤差抵消方法主要存在如下兩種有代表性的技術方案：

（1）檢測并建模超精密車床的各運動軸誤差，獲得刀具與工件之間的綜合誤差，以對刀具軌跡進行校正。

例如，Gao等人（2007年）針對一種正弦波曲面超精密車削，檢測一臺超精密車床的????????????????????????????????????????????????軸直線度誤差和主軸回轉誤差（軸向跳動、徑向跳動、角擺動誤差），利用一個單軸FTS裝置，對軸運動進行校正。

（2）離線或在機測量已加工表面，重構待加工曲面以校正刀具軌跡，并通過重復車削以遞減誤差。

例如，Kim等人（2009年）針對一種雙對稱自由曲面超精密車削，在機測量加工表面的徑向輪廓誤差，通過修正自由曲面模型的兩個曲率半徑以重構待加工曲面，利用一個FTS裝置，對軸運動進行校正。

關朝亮等人（2010年）針對一種Zernike多項式自由曲面超精密車削，離線測量加工表面，通過Zernike正交展開，重構所需補償的面形誤差曲面，利用S³對軸運動進行校正。

現有的這些技術方案存在如下的問題：

（1）皆限于超精密車床單個軸運動方向(軸或軸)的誤差補償，而實際上刀具與工件之間的綜合誤差投影分量不僅存在于向也存在于向，忽視綜合誤差在向或向的投影分量是不妥的。

（2）沒有正確校正刀具與工件之間的綜合誤差，忽視了對坐標位置的依賴性。對于一個待加工表面，可以確定一個理想刀位點，利用刀具與工件之間的綜合誤差進行修正，得到一個校正之后的刀位點，然而當刀具在指令作用下欲抵達處時實際刀位點卻是。

（3）主要限于低頻誤差補償，沒有考慮如何消除中低頻或中高頻誤差。一方面，對于有慢速伺服軸的車床，其往復運動頻率通常在10Hz以下，因而僅適合低頻誤差補償；另一方面，現有的對已加工表面的重構表示方法也限制了誤差補償的適用性。例如Zernike多項式展開是曲面的一種全局表示，不適合描述曲面的局部特征。

發明內容

本發明提供一種主動誤差抵消的自由曲面超精密車削方法，以解決兩軸超精密數控車床的自由曲面超精密車削加工精度低和表面質量差的問題。

本發明采取的技術方案包括下列步驟：

（一）根據待加工的自由曲面，獲得刀具接觸點，根據所得到的刀具接觸點以及刀具幾何，生成理想的刀位點軌跡；

（二）根據加工需求，在超精密數控車床安裝一臺兩軸FTS和高分辨率傳感器，建立一種實施主動誤差抵消的自由曲面超精密車削方法的系統，用于實現誤差檢測和綜合誤差補償；

（三）根據刀具與工件之間的綜合誤差在和向的投影分量，對所獲得的理想刀位點軌跡分別在和向進行誤差校正，以獲得實際校正之后的刀位點軌跡；

（四）將校正之后的刀位點軌跡在和向的投影分量分別分解為一個單調平滑趨勢運動和一個擾動運動；

（五）由單調平滑趨勢運動的分量和分量分別生成CNC指令以驅動兩個直線軸和，將擾動運動的分量和分量分別作為FTS的兩個直線軸和的期望輸出進行同步跟蹤。

本發明步驟（二）中采用的一種實施主動誤差抵消的自由曲面超精密車削方法的系統包括：

（1）在一臺兩軸超精密數控車床的軸溜板上，安裝一臺兩軸FTS裝置，通過超精密數控車床的兩個直線運動軸（和）以及FTS裝置的兩個直線運動軸（和）之同步運動以主動抵消刀具與工件之間的綜合誤差；

（2）一個高分辨率的回轉光柵安裝在主軸尾端以檢測主軸回轉脈沖，兩個高精密的直線光柵分別用于檢測軸與軸的坐標位置，兩個高分辨率的位移傳感器分別檢測和軸的快速往復運動，溫度傳感器分別安裝在床身和主軸的適當部位以檢測溫度變化，這些檢測信號饋入一個高性能的多軸運動控制器，驅動FTS裝置的和軸以產生與和軸同步的快速往復運動。

本發明的一種實施方式是步驟（三）具體包括下列步驟：