[發明專利]復雜表面的機械加工控制系統及其控制方法

無效

• 申請號: 201210408609.3
• 申請日: 2012-10-23
• 公開（公告）號: CN102922367A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 王曉慧;丁智;劉寶權;王軍生;張巖;侯永剛;宋君;秦大偉
• 申請（專利權）人: 鞍鋼股份有限公司
• 主分類號: B23Q15/007
• 分類號: B23Q15/007;B23B1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及的是復雜表面的機械加工技術領域，具體涉及復雜微結構表面的車削加工控制方法。

背景技術

復雜微結構表面是指具有特定功能微小拓撲形狀的表面，由于其獨特的光學特性，摩擦性、可陣列性等，在軍用和民用領域得到了越來越廣泛的應用，如菲涅爾透鏡、微透鏡陣列等。近年來出現的多種現代加工技術如LIGA技術、激光直寫技術、“三束”加工技術等等，雖然能夠實現特定微結構表面的加工，但是由于其工藝復雜、加工條件苛刻，很難保證所加工微結構表面的面形精度，并且加工效率很低。隨著高精度、高剛度的空氣靜壓主軸和精密伺服機構的出現，利用超精密車削的方法可以直接加工出工件面形精度達到亞微米級，表面粗糙度達到納米級的復雜三維結構，所加工的微結構形狀可以根據數控程序自定義設置，并且加工效率很高，目前已成為極具應用前景的微結構表面加工方法。

微結構表面可以分為回轉對稱微結構表面和非回轉對稱微結構表面。它們的加工原理有一定的相似性，加工過程中工件安裝在主軸上隨主軸一起旋轉，X向進給由導軌實現，Z向進給由導軌或者安裝在X導軌上的快速伺服刀架(FTS)來實現，如圖1所示。對于回轉對稱微結構表面的車削，只是Z向導軌或者快速伺服刀架和X向導軌兩個加工軸的聯動，實現起來較為簡單。而對于非回轉對稱微結構，其加工需要X軸、Z軸與主軸的轉角θ三者聯動，即Z向進給是X軸位置與主軸轉角θ二者的函數。對于一些復雜的非回轉對稱微結構表面，在主軸低速運轉的情況下，Z向進給的頻率也達到幾十赫茲，傳統的多軸聯動機床由于Z向導軌負載較重，很難滿足其要求。

近年來，針對非回轉對稱微結構表面的加工，出現了快速刀具伺服技術(FTS，Fast?Tool?Servo)，即利用快速伺服刀架作為微進給機構，實現刀具沿Z向高頻響、短行程的快速精密進刀運動。目前歐美發達國家已成功研制出裝載有FTS系統的多軸聯動超精密機床，并加工出各種非回轉對稱型微結構表面，國內一些研究機構也在引進國外超精密機床的基礎上進行了相關微結構表面車削實驗的研究，香港理工大學先進光學制造中心利用引進美國Precitech公司的Nanoform200加工出了光學自由曲面、微透鏡陣列等（李榮彬，張志輝，杜雪，孔令豹，蔣金波.?自由曲面光學元件的設計、加工及面形測量的集成制造技術,?機械工程學報,?2010,?46(11):137-147；李榮彬，張志輝，杜雪，孔令豹，蔣金波.?自由曲面光學的超精密加工技術及其應用,?紅外與激光工程,?2010,?39(1):110-117）。哈爾濱工業大學利用自行研制的快速伺服刀具進行了微結構表面的車削實驗研究，但是其研究內容主要涉及回轉對稱微結構表面的車削工作(楊元華.?基于FTS的微結構功能表面超精密切削加工關鍵技術，哈爾濱工業大學，2007；王曉慧，孫濤.?基于FTS的非軸對稱微結構表面超精密切削系統研究，制造技術與機床，2011,7：90~93)。

國外用于非回轉對稱微結構表面超精密車削加工的機床是采用可以進行位置閉環控制的精密主軸來實現FTS、主軸、X軸三者的聯動，并且使用獨立的FTS控制模塊對FTS進行位置閉環控制，這類機床往往價格非常昂貴，且高端產品對中國嚴格禁運。而且對于主軸這種大轉動慣量，小阻尼的系統進行位置閉環控制，對主軸和其伺服控制器的性能要求較高，其造價也非常高昂。

發明內容

本發明的目的在于提供一種復雜表面的機械加工控制系統及其控制方法，解決對于主軸這種大轉動慣量，小阻尼的系統進行位置閉環控制所存在的對主軸和其伺服控制器的性能要求較高，其造價也非常高昂的問題。

在非回轉對稱微結構表面的車削加工過程中，FTS的輸出信號是由主軸的角度位置θ和X軸的位置共同決定的，即：FTS的指令切深

Z_FTS=f(R·sin(θ))，式中R為每個加工點對應的X軸走過的距離；θ為主軸相對于起始點轉過的角度，這就要求FTS進給、X軸進給和主軸轉角三者之間需要精確同步。

1．控制系統整體結構

為了實現FTS、X軸、主軸三者之間的精確位置同步功能，本發明中首先搭建了基于UMAC運動控制器的多軸聯動數控系統。

UMAC運動控制器的控制接口軸卡(ACC-24E2A)共有4個控制通道，選取其中任意三個通道來分別負責X向導軌伺服電機的位置閉環控制、主軸驅動電壓的輸出以及主軸編碼器信號輸入、快速伺服刀架(FTS)模擬量控制電壓的輸出。

2.?主軸速度閉環控制