超精密慢刀伺服车削零件的面型分析与刀具设计方法研究

研究首先分析总结了当前自由曲面复杂零件超精密慢刀伺服车削加工中的具体加工技术挑战,进而系统地研究了自由曲面零件面型特性,零件面型关键参数提取,零件面型参数与刀具参数之间的关联关系。进一步研究了超精密慢刀伺服车削金刚石刀具的几何参数确定方法;并针对自由曲面零件的可加工性,提出了超精密慢刀伺服车削加工中金刚石刀具选用准则。另外,通过超精密慢刀伺服车削加工实际案例和应用加工试验,证明零件面型分析及金刚石刀具几何参数的合理选用,对实现高效稳定的工业化超精密慢刀伺服车削加工至关重要。

复杂曲面慢刀伺服加工刀具半径补偿算法

为提高复杂曲面元件的面形加工精度,进行了慢刀伺服车削刀具路径规划,研究了刀具半径补偿算法。本文通过分析法向补偿算法和Z向补偿算法的不足,提出一种基于弦长垂线的刀具补偿算法,以环曲面为例进行仿真、车削加工验证该算法的可行性。仿真结果表明弦长垂线刀具补偿算法下所求刀位点精度较高,可实现X轴匀速运动。试验结果表明弦长垂线刀具补偿算法下面形加工精度优于法向补偿算法和Z向补偿算法,表面粗糙度受刀具补偿算法影响较小。

光学阵列器件的慢刀伺服车削加工技术

慢刀伺服技术是相对于快刀伺服提出的方法。采用C轴、X轴、Z轴联动的方法在极坐标或圆柱坐标内进行加工。光学阵列如微透镜阵列、微反射镜阵列在高速数据、声音和视频信号传输中具有重要作用。将光学阵列看作一个自由曲面,使用慢刀伺服车削技术一次加工成形,可以解决传统加工中将光学阵列分块加工后拼装和调整的困难。但是由于光学阵列表面形状复杂,其表面法线的突变可能会使机床运动超出伺服轴执行能力。根据慢刀伺服加工技术的特点,建立了伺服轴执行能力限制曲线,研究了不同刀具半径补偿方式对加工的影响。实验结果表明,根据机床伺服轴执行能力合理选择刀具半径补偿方式可实现微光学阵列器件高精度加工。

刀具对中误差对离轴抛物面镜慢刀伺服车削加工的影响

离轴抛物面镜单件高效加工是离轴三反消像散(TMA)结构光学系统的技术难点之一.单点金刚石慢刀伺服车削加工技术可用于离轴非球面加工,加工尺寸范围较大,加工精度较高.此工艺制造的离轴抛物面面型精度可达到亚微米级,粗糙度达到纳米级.因此,可直接用于红外光学应用,若经后续抛光则可用于空间望远镜等更高精度需求的场合.介绍了慢刀伺服车削加工离轴抛物面镜的在轴加工方法,理论推导了刀具对中误差所带来的面形误差的极值分布规律.仿真研究进一步揭示了工件中心区域面形误差的详细分布.实验数据与理论结果和仿真计算结果均吻合.

慢刀伺服变主轴转速车削非圆截面元件研究

超精密非圆截面元件,如质谱仪中的双曲面四极杆,通常采用慢刀伺服(slow tool servo,STS)车削的方法加工。然而,由于STS的带宽较低,使得STS跟踪目标刀具轨迹的能力在一定程度上受到限制,导致被加工零件轮廓产生较大的形状误差。为了降低该误差,作者提出一种基于STS的变主轴转速(variable spindle speed,VSS)车削非圆截面元件的加工方法。阐述了如何根据非圆截面元件轮廓设计出相应主轴转速的变化轨迹。为验证所提方法的正确性,利用STS以主轴定转速和变转速方式分别车削了截面轮廓呈正弦变化的零件,并对刀具伺服输入信号进行了频谱分析。实验结果显示:变主轴转速车削正弦截面零件的形状误差小于定主轴转速车削。结果表明:所提出的VSS加工方法能够有效地提高车削非圆截面零件的形状精度。

超精密慢刀伺服金刚石车削加工的关键工艺问题研究

根据超精密慢刀伺服金刚石车削加工原理,以自由曲面为例,系统地分析了超精密慢刀伺服加工中工件面型对刀具参数和关键切削工艺参数的特殊要求,进一步归纳提出了复杂曲面慢刀伺服车削中的刀具选择和设计准则。该研究工作同时借助Nanotech 250 ULv2机床和UG对切削方向与刀触点布局方式,以及关键切削工艺参数进行了慢刀伺服加工路径仿真和超精密车削试验研究。结果表明合理的切削方向与刀触点布局及加工工艺参数选择,有助于实现自由曲面工件高效稳定可控的超精密慢刀伺服加工。

环曲面眼镜片的慢刀伺服加工技术

为解决非回转对称非球面眼镜片加工的难题,探讨了环曲面眼镜片的慢刀伺服加工方法。建立了环曲面数学模型,对其加工进行了路径规划,分析了刀触点离散方案、刀具补偿方案及棱镜曲面空间延拓问题。实例加工表明,提出的基于慢刀伺服加工技术的路径规划方法实用可行,可以加工屈光度精度0.05D以内的环曲面眼镜片。

慢刀伺服车削渐进多焦点透镜的刀具路径生成与实验

针对渐进多焦点透镜的高效、高质量加工需求,基于慢刀伺服的超精密车削技术提出了一种等弧长-角度混合刀触点离散方法,模拟分析了金刚石圆弧车刀在加工渐进多焦点透镜时的三维刀具轨迹形貌。通过程序生成,采用超精密慢刀伺服车削的方法在超精密机床上进行了PMMA材料渐进多焦点透镜样件的加工,经检测分析,验证了刀具生产算法的可行性和有效性,加工效率和加工质量得到了有效保证。研究成果对于渐进多焦点透镜自由曲面加工技术的发展具有重要意义。

慢刀伺服加工环曲面的刀具路径规划方法

如何规划刀具路径、进而获得高质量的数控加工代码,是应用慢刀伺服技术加工环曲面的关键技术之一。提出了基于等距面规划刀位点轨迹的刀具路径规划方法,推导了外凸环曲面的面形方程及其等距面方程,对比分析了两种导动曲线及两种数据点离散方法,优选了刀具路径规划方案,应用VB.net语言编写了慢刀伺服加工环曲面用数控代码生成软件,在Vericut平台上对数控代码进行了仿真验证,直观地展示了虚拟加工面相对理论曲面的残留区域,仿真结果验证了方法的可行性。结果表明:将外凸环曲面方程中的非一次常数项a变为a+rd,即得到外凸环曲面的等距面方程;所提刀具路径规划方法适用于慢刀伺服加工外凸环曲面;该方法对应用慢刀伺服技术加工其他面型的光学镜面具有借鉴价值。

辊筒模具微透镜阵列的慢刀伺服成形加工

为实现辊筒模具大面积微透镜阵列的高效率与高精度加工,对微透镜阵列成形法的加工轨迹优化和进给轴伺服参数的优化方法进行了理论分析与实验研究。首先,通过分析微透镜阵列的特征轮廓,确定微透镜表面振纹的主要诱因为过渡台阶的突变;其次,为使加工轨迹的二阶导数具有连续性,提出采用三次样条插值与傅里叶级数拟合对加工轨迹进行分段优化设计;最后,在优化加工轨迹的基础上,通过调整伺服系统的前馈参数,改善了进给轴的响应能力,减小了因驱动质量和阻尼而产生的跟踪误差。口径为800μm、深度为26.7μm的微透镜阵列的加工实验表明:采用优化的刀具轨迹和伺服参数,微透镜加工效率可以达到8Hz,进给轴跟踪误差小于300nm,并消除了微透镜阵列的表面振纹。微透镜单元口径尺寸精度为设计值的1.075%,随机检测50组,口径尺寸变化范围控制在2μm内,表明微透镜具有良好的尺寸一致性。实验结果表明,加工轨迹的分段设计方法和伺服参数优化可有效抑制进给轴的振动,改善了微透镜阵列表面质量。

自由曲面慢刀伺服车削及刀具参数确定方法

自由曲面光学元件具有优越的光学性能,在现代光学系统中得到越来越广泛的应用。慢刀伺服是单点金刚石车削自由曲面的新技术。由于自由曲面面形的复杂性以及慢刀伺服车削技术的特殊性,刀具与工件的相对位置关系也更加复杂,必须对刀具与工件表面的相对几何关系深入研究,从而确定合适的刀具参数。从原理上对慢刀伺服车削技术的特殊性进行了分析。分别基于过轴心截面曲线特性和基于NURBS曲面整体特性研究了刀具参数确定方法。以正弦阵列表面工件为例,验证了这两种分析方法。

自由曲面慢刀伺服车削加工技术

目前,自由曲面的高速、高精度加工存在很多困难。因此,提出了适用于自由曲面加工的慢刀伺服车削的刀具路径规划方法。该方法考虑节点向量与控制点,采用NURBS曲线拟合刀具路径。NURBS曲线拟合的过程中先预处理离散点,然后将其参数化。再确定节点向量后反求控制顶点。通过调整控制顶点,可以快速的调整曲线的形状,使拟合的过程更加准确。最后对正弦网格表面与微透镜阵列表面进行了加工实验,验证了该加工方法的有效性。

离散曲面慢刀伺服车削刀具路径规划

为解决离散曲面加工的难题,进行了离散曲面慢刀伺服车削刀具路径规划,研究了离散曲面的刀触点生成算法和刀位点生成算法,对比了两种刀位点速度插补算法。提出了基于Zernike多项式局部数据点拟合的刀触点生成方法和Z向刀具形状补偿方法。使用MATLAB软件以环曲面为例进行仿真,验证了该方法的正确性。通过对环曲面和渐进多焦点曲面进行刀具路径规划和加工实验,表明该刀具路径规划方法能够在避免对整个曲面进行拟合的基础上实现离散曲面的高精度加工。

慢刀伺服车削刀具半径定向补偿的分段逼近求解

复杂曲面的慢刀伺服车削加工过程中,采用刀具法向补偿算法会在各个直线轴产生补偿量,加工法向矢量突变的曲面时,这种算法并非最优,将补偿量只应用于负载较低的直线轴却是更优的选择。提出一种基于线段逼近的刀具半径定向补偿数值求解算法来求解定向刀位点,通过半径细分的策略使法向误差收敛。算法实例验证及与相关算法的对比结果显示,该算法适用于点云构成的曲面或分段曲面的刀具半径补偿。

关于自由光学曲面的超精密慢刀伺服车削技术研究

对自由曲面光学元件的超精密慢刀伺服车削技术进行研究,探讨了不同自由曲面CNC编译程序算法对加工结果的影响。并对口径12mm的双二次凸曲面镍铜合金光学元件进行车削试验,二次曲面的交叉基轴球面半径分别为R1=7.5mm和R2=9.5mm。最终通过泰勒-霍普森PGI-1240轮廓测量仪的检测,在基轴球面半径R1=7.5mm的曲面上获得了PV=0.15μm的面形精度和Ra=3nm的表面粗糙度;在基轴球面半径R2=9.5mm的曲面上获得了PV=0.1μm的面形精度和Ra=2nm的表面粗糙度。

复杂曲面慢刀伺服加工刀具半径补偿方法

随着机床技术的进步,一种基于慢刀伺服技术的超精密金刚石车削创成加工方式成为可能,能够一次加工获得精度很高的各种复杂曲面。在复杂曲面慢刀伺服车削加工路径规划中,针对存在的刀具过切现象,传统刀具半径补偿算法为计算曲面刀触点的等距点,通过分析传统等距点刀具半径补偿算法的不足,提出了一种基于等距点的刀具半径补偿算法,弥补了传统等距点刀具半径补偿算法的不足,通过实例证明该算法有效地改进了传统刀具半径补偿算法的不足,提高了曲面加工的精度。

渐进多焦点镜片的设计与慢刀伺服车削

为解决自由曲面眼镜片设计加工的难题,进行了渐进多焦点镜片的设计和加工。提出了渐进多焦点曲面的参数化设计方法,通过控制曲面曲率来控制曲面的面型,避免了复杂的数学计算。在对曲面光焦度和像散分布进行计算的基础上对曲面进行评价。提出了离散曲面的刀触点生成方法,将慢刀伺服车削技术用于该渐进多焦点曲面的加工。实验结果证明了设计方法的正确性和加工方法的可行性。

微透镜阵列慢刀伺服金刚石车削位置精度的研究

为了进一步提高超精密慢刀伺服车削微透镜阵列的加工精度,采用实验的方法,通过分组加工法加工了矩形口径微透镜阵列和六边形口径微透镜阵列,分析了不同微透镜口径对超精密慢刀伺服车削微透镜阵列的位置精度的影响。实验结果表明:六边形口径微透镜阵列的位置精度更好,且位置精度波动比矩形口径微透镜阵列要小,其整体位置精度范围为0.3~2.1μm,第一圈位置精度范围为1.7~1.9μm,第二圈位置精度范围为0.3~1.2μm,中心透镜对四周的位置误差范围为1.5~2.1μm。

慢刀伺服车削刀具补偿算法优化

目的优化刀具补偿算法,从而提高复杂曲面慢刀伺服车削加工的表面质量。方法针对法向补偿算法容易导致X轴动态性能降低以及Z向补偿算法存在较大插值误差等问题,提出了一种基于坐标变换的几何补偿算法。通过坐标变换提高求解精度并简化算法,利用几何变换关系将X轴的补偿分量集中于Z轴,保证X轴的动态性能,并降低插值误差。以环曲面为例,对刀具补偿算法进行仿真分析和试验验证。结果仿真结果显示,在法向补偿算法下X轴速度波动较大,而在本文提出的算法下X轴可以保持匀速运动;在刀具补偿环节,与本文提出的算法相比,Z向补偿算法产生的插值误差较大,最大插值误差达到了0.015 mm以上。试验结果显示,在法向补偿算法下环曲面的表面粗糙度值最大(Ra=0.112μm),且远大于Z向补偿算法和本文提出的算法;而在Z向补偿算法和本文提出的算法下,环曲面的表面粗糙度值相差不大(分别是Ra=0.066μm和Ra=0.062μm)。在法向补偿算法、Z向补偿算法和本文提出的算法下得到的PV值分别为16.9、13.8、8.8μm。结论在保证X轴动态性能的前提下,刀具补偿算法对表面粗糙度影响不大。与法向补偿算法和Z向补偿算法相比,本文提出的算法将环曲面面型精度分别提高了92.0%和56.8%,说明本文提出的刀具补偿算法可以提高表面加工质量。

慢刀伺服加工中的Zernike多项式局部拟合算法

针对慢刀伺服加工前后的曲面拟合问题,将Zernike多项式与移动最小二乘法结合,提出Zernike多项式局部拟合算法。使用Gram⁃Schmidt正交化构造正交基底函数,解决了拟合计算中出现的病态矩阵及矩阵求逆运算量大等问题。局部拟合中支持域半径对拟合精度影响显著,基于此提出了支持域半径优化算法。以渐进多焦点曲面、环曲面、正弦阵列面为例,采用与慢刀伺服加工关系密切的刀触点精度及拟合优度R⁃square作为评价标准,在MATLAB软件中进行了数值仿真。结果表明,Zernike多项式局部拟合算法各项标准均优于移动最小二乘法,并且算法在经过半径优化后,不仅进一步提高了精度、改善了拟合优度,还改善了刀触点误差的离散程度。