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《吉林大学》 2012年
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利用快速刀具伺服车削光学自由曲面的研究

刘强  
【摘要】:光学自由曲面可以改善光学性能,提高光学利用率,一个或几个光学元件可以替代大量的球面、非球面镜,使光学系统简单化、轻量化,在民用、军事和航空航天领域有大量的应用需求;而且呈递增趋势,所以自由曲面的设计和加工是目前最有研究前景的方向之一。如何提高自由曲面的加工精度、表面质量以及加工效率是光学制造业的主要追求。基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo,FTS)的单点金刚石车削加工技术因其高效率、高精度等优点,受到国内外许多研究单位和学者的关注。结合国内外研究现状以及前人的研究经验,本文主要研究利用两自由度FTS对光学自由曲面进行车削的问题。 现有的FTS大多只能实现单自由度直线运动,加工的曲面存在表面质量不均匀的现象;而且在自由曲面的刀具路径规划中,还没有看到相关文献讲述如何确定采样点数(每转切削点数);这两者都属于刀具路径规划的范畴。本文提出一种等误差的采样点确定方法,以自由曲面的车削空间螺旋线轨迹需要的最少插补点为切削点数,解决了采样点数的确定问题;提出一种等残留高度的刀具路径生成方法,实时调整刀具在x向的位置,使任意相邻两刀触点距离相等,得到相同的刀痕残留高度,也就是均匀的加工表面。 FTS系统和数控车床为两套独立的工作系统,刀具的切削路径由两者合成实现,那么两者之间的协调运动是FTS加工首要解决的问题之一。目前主要是采用单轴角度同步工作方式,根据主轴光电编码器传输的信号,FTS输出与角度相对应的位移;但是主轴转速的漂移会使刀具的x向位置不能与主轴转角实时保持同步而造成加工误差。本文提出一种两轴角度同步工作方式,使刀具在x向和z向都以主轴编码器信号为基准进行工作,使刀具位置实时与主轴转角保持同步。 为了实时调整刀具在x向和z向的位置,本文设计了一套两自由度FTS系统,采用音圈电机驱动柔性铰链实现解耦运动,理论上不存在串扰(Cross-talk),能够实现0.5mm的工作行程。对所研制的两自由度FTS装置进行了性能测试,在开环状态下测量了FTS的刚度、阻尼和共振频率,以及串扰情况。测量结果表明,FTS的阻尼比都小于0.04;FTS的运动还存在微米级的串扰,可能是机构加工或装配的原因造成的,通过闭环控制可以降低到0.2μm以下。在闭环状态下测试FTS系统的正弦跟踪能力和运动分辨率,两个方向运动能力相近,正弦跟踪误差约为0.5%,运动分辨率为0.05μm。 基于两自由度FTS系统和两轴角度同步工作方式,本文提出一种反螺旋车削加工方法。车削过程中,刀具从外圆切到中心后,机床继续工作,x向导轨反向进给,刀具从中心切削到工件外圆,两次切削过程的螺旋线方向相反,最终切削点和初始切削点相差180;这过程需要FTS的运动和机床运动高度同步性,否则会导致两次切削轨迹产生一定相位差而破坏加工表面。第二次反螺旋切削可以设定很小的切削深度,达到超精密切削的参数要求,有利于修正面形误差,提高表面质量。切削实验显示,在机床运动误差和材料因素的影响下,加工质量提高了20%。 采用LVDT实现了自由曲面的在线测量,分析了几种LVDT自由曲面数据测量方法;利用Zernike多项式进行曲面拟合,并对测量数据进行了测头半径补偿。以斜平面为例进行了试验验证,得出误差分布图,0.1mm高度差的斜平面PV值误差为2.5μm。利用两自由度FTS加工系统实现了自由曲面的误差补偿加工,将面形误差降低了约20%,而且,表面粗糙度也有所降低。 分析了刀具中心误差对正弦波面的影响,并提出一种在工件端面划线的对刀方法:使主轴静止,让刀具在端面切划一条穿过工件的线,然后让主轴旋转180,再切划另一条线,根据两条线的情况分析刀具高度和具体距离。在FTS装置中设计了两组刀具高度调节装置,一组是安装在刀座位置的燕尾槽滑块调高机构对刀具高度粗调;一组是楔形块结构,安装在FTS底座底部,可以实现亚微米级的分辨率。但是,螺栓的锁紧固定等因素带来了一定的误差,刀具的高度误差在微米级。 对切削参数也做了详细分析,提出了与切削曲面和FTS工作能力相关的临界切削参数确定方法,为生产加工提供了理论指导。测量了机床的主要运动误差,对各种刀具路径和加工方法进行了试验验证,切削了台阶面、正弦面和斜平面分析FTS系统的加工能力。实验结果显示,由于加工材料的缺陷和杂质较多、机床运动误差大,实际的加工结果并没有达到理想值,但是能在一定程度上反应各种加工理论的特点,可以证明本文的各种刀具路径和加工方法的可行性和优越性。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG51

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1 黄丽仁;铣刀楔角对木塑材料切削过程中切削温度的影响[D];南京林业大学;2010年
2 邹浩波;高速切削加工表面粗糙度的研究[D];昆明理工大学;2006年
3 何建林;具有微结构功能表面的刀具及车削性能研究[D];华南理工大学;2011年
4 刘月萍;铣削Ti6Al4V刀具刃口钝化研究[D];山东大学;2010年
5 丁玉发;面向大批量生产的刀具磨损在线识别技术研究[D];华中科技大学;2011年
6 翟银星;数字化车间刀具全生命周期可视化管理系统研究与开发[D];南昌大学;2012年
7 任鹏伟;刀具全生命周期管理系统的研究与开发[D];青岛理工大学;2012年
8 薛庆华;铣削淬硬45钢和40Cr钢的刀具寿命可靠性研究[D];山东大学;2013年
9 戴玲;路面铣刨机刀具的力学分析和优化设计[D];中南林业科技大学;2012年
10 刘伟;盾构机刀具切削的三维数值模拟研究及刀盘的有限元分析[D];燕山大学;2013年
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