专利名称：一种主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法
技术领域：
本发明属于自由曲面光学零件超精密车削加工技术领域，特别是涉及一种主动误 差抵消的自由曲面超精密车削方法。
背景技术：
自由曲面光学零件在许多重要的工业领域有着日益增加的应用需求，这迫使工业 界和学术界积极探索提高加工精度和表面质量的方法。基于快速刀具伺服(以下简称FTS) 或慢速拖板伺服(以下简称S3)的超精密车削被普遍认为是一种最有发展前途的自由曲面 创成方法，而主动误差抵消则是一种提升超精密车削加工精度和表面质量最为经济有效的 途径，尤其是利用FTS或S3使得不对称误差运动、中低频或中高频误差运动的主动抵消变 得可能。迄今为止，针对自由曲面超精密车削的主动误差抵消方法主要存在如下两种有代 表性的技术方案
(1)检测并建模超精密车床的各运动轴误差，获得刀具与工件之间的综合误差，以对刀 具轨迹进行校正。例如，Gao等人(2007年)针对一种正弦波曲面超精密车削，检测一台超精密车床 的 X轴直线度误差和主轴回转误 差(轴向跳动、径向跳动、角摆动误差)，利用一个单轴FTS装置，对:Y轴运动进行校正。(2)离线或在机测量已加工表面，重构待加工曲面以校正刀具轨迹，并通过重复车 削以递减误差。例如，Kim等人(2009年)针对一种双对称自由曲面超精密车削，在机测量加工表 面的径向轮廓误差，通过修正自由曲面模型的两个曲率半径以重构待加工曲面，利用一个 FTS装置，对Z轴运动进行校正。关朝亮等人(2010年)针对一种krnike多项式自由曲面超精密车削，离线测量加 工表面，通过krnike正交展开，重构所需补偿的面形误差曲面，利用S3对Z轴运动进行校 正。现有的这些技术方案存在如下的问题
(1)皆限于超精密车床单个轴运动方向(\轴或Z轴)的误差补偿，而实际上刀具 与工件之间的综合误差投影分量不仅存在于I向也存在于Z向，忽视综合误差在;5 向或 Z向的投影分量是不妥的。(2)没有正确校正刀具与工件之间的综合误差，忽视了对坐标位置的依赖性。对于 一个待加工表面，可以确定一个理想刀位点JL·,利用刀具与工件之间的综合误差曰[JL]
进行修正，得到一个校正之后的刀位点 ，然而当刀具在指令作用下欲抵达处时实
际刀位点却是Cy+fclQJ。
(3)主要限于低频误差补偿，没有考虑如何消除中低频或中高频误差。一方面，对 于有慢速伺服轴的车床，其往复运动频率通常在IOHz以下，因而仅适合低频误差补偿；另 一方面，现有的对已加工表面的重构表示方法也限制了误差补偿的适用性。例如Zernike 多项式展开是曲面的一种全局表示，不适合描述曲面的局部特征。
发明内容
本发明提供一种主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法，以解决两轴超精密数 控车床的自由曲面超精密车削加工精度低和表面质量差的问题。本发明采取的技术方案包括下列步骤
(一)根据待加工的自由曲面，获得刀具接触点，根据所得到的刀具接触点以及刀具几 何，生成理想的刀位点轨迹；
(二)根据加工需求，在超精密数控车床安装一台两轴FTS和高分辨率传感器，建立一 种实施主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法的系统，用于实现误差检测和综合误差补 偿；
(三)根据刀具与工件之间的综合误差在X和Z向的投影分量，对所获得的理想刀位 点轨迹分别在λ”和之向进行误差校正，以获得实际校正之后的刀位点轨迹；
(四)将校正之后的刀位点轨迹在叉和之向的投影分量分别分解为一个单调平滑趋势 运动和一个扰动运动；
(五)由单调平滑趋势运动的X分量和Z分量分别生成CNC指令以驱动两个直线轴X 和Z ,将扰动运动的\分量和Z分量分别作为FTS的两个直线轴JT和的期望输出进 行同步跟踪。本发明步骤(二)中采用的一种实施主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法的 系统包括
(1)在一台两轴超精密数控车床的Z轴溜板上，安装一台两轴FTS装置，通过超精密数 控车床的两个直线运动轴(X和Z )以及FTS装置的两个直线运动轴(X'和Z')之同步运 动以主动抵消刀具与工件之间的综合误差；
(2)—个高分辨率的回转光栅安装在主轴尾端以检测主轴回转脉冲，两个高精密的直 线光栅分别用于检测X轴与Z轴的坐标位置，两个高分辨率的位移传感器分别检测JT 和轴的快速往复运动，温度传感器分别安装在床身和主轴的适当部位以检测温度变化， 这些检测信号馈入一个高性能的多轴运动控制器，驱动FTS装置的和Z'轴以产生与 X和Z轴同步的快速往复运动。本发明的一种实施方式是步骤(三)具体包括下列步骤
(1)分别测量超精密车床各运动轴之主要运动误差，建立各运动轴之主要运动误差对
温度变化量ΔΓ和坐标位置( 幼的依赖模型；
(2)分别测量FTS装置两个直线轴X'和Z’之主要运动误差，建立FTS装置之主要运 动误差对主轴转角φ的依赖模型；(3)根据超精密车床各运动轴的构型，建立由刀具到机床基础的运动误差传递 链以及由工件到机床基础的运动误差传递链，根据齐次坐标变换，获得由刀具坐标系
(XT,Yr,Zr)到工件坐标系Pi-Yw5D的误差映射矩阵；
(4)根据误差映射矩阵获得刀具与工件之间的综合误差
权利要求
1.一种主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法，包括下列步骤(一)根据待加工的自由曲面，获得刀具接触点，根据所得到的刀具接触点以及刀具几 何，生成理想的刀位点轨迹；(二)根据加工需求，在超精密数控车床安装一台两轴FTS和高分辨率传感器，建立一 种实施主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法的系统，用于实现误差检测和综合误差补 偿；其特征在于(三)根据刀具与工件之间的综合误差在 X和Z向的投影分量，对所获得的理想刀位点轨迹分别在X和之向进行误差校正，以获 得实际校正之后的刀位点轨迹；(四)将校正之后的刀位点轨迹在X和Z向的投影分量分别分解为一个单调平滑趋势 运动和一个扰动运动；(五)由单调平滑趋势运动的X分量和Z分量分别生成CNC指令以驱动两个直线轴X 和Z ,将扰动运动的\分量和Z分量分别作为FTS的两个直线轴I’和的期望输出进 行同步跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法，其特征在于 步骤(二)中一种实施主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法的系统包括(1)在一台两轴超精密数控车床的Z轴溜板上，安装一台两轴FTS装置，通过超精密数 控车床的两个直线运动轴(X和Z )以及FTS装置的两个直线运动轴(λ"和Z')之同步运 动以主动抵消刀具与工件之间的综合误差；(2)—个高分辨率的回转光栅安装在主轴尾端以检测主轴回转脉冲，两个高精密的直 线光栅分别用于检测X轴与Z轴的坐标位置，两个高分辨率的位移传感器分别检测X' 和轴的快速往复运动，温度传感器分别安装在床身和主轴的适当部位以检测温度变化， 这些检测信号馈入一个高性能的多轴运动控制器，驱动FTS装置的JT ill Z'轴以产生与 X和Z轴同步的快速往复运动。
3.根据权利要求1所述的一种主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法，其特征在于 步骤(三)具体包括下列步骤(1)分别测量超精密车床各运动轴之主要运动误差，建立各运动轴之主要运动误差对温度变化量ΔΓ和坐标位置的依赖模型；(2)分别测量FTS装置两个直线轴X和Z'之主要运动误差，建立FTS装置之主要运 动误差对主轴转角φ的依赖模型；(3)根据超精密车床各运动轴的构型，建立由刀具到机床基础的运动误差传递 链以及由工件到机床基础的运动误差传递链，根据齐次坐标变换，获得由刀具坐标系(XT,Yr,Zr)到工件坐标系(UUJ的误差映射矩阵；(4)根据误差映射矩阵获得刀具与工件之间的综合误差e[_x.,z,tp^r]，该误差可分别Υ ·:χ向和ζ向得到投影分量 (φ,χ,ζ,ΔΤ) - ιιβζ(φ,χ,ζ,ΔΓ)，这两个误差投影分量皆包含了超精密车床各运动轴和FTS装置两个直线轴之主要运动误差；(5)根据金刚石刀尖圆弧与工件轴截面曲线的之接触点、以及金刚石刀尖圆弧半径:Tf获得理想的刀位点Ci^，然后按如下方式快速迭代、以获得刀具与工件之间综合误差校正之后的刀位点0
4.根据权利要求1所述的一种主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法，其特征在于 步骤(四)具体包括下列步骤X-J-C,,遍历，获得刀具与工件之间综合误差校正之后的刀位点轨迹如下
全文摘要
本发明涉及一种主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法，属于自由曲面光学零件超精密车削加工领域。生成理想的刀位点轨迹；建立一种实施主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法的系统，根据刀具与工件之间的综合误差在X和Z向的投影分量，对所获得的理想刀位点轨迹分别在X和Z向进行误差校正，以获得实际校正之后的刀位点轨迹；由单调平滑趋势运动的X分量和Z分量分别生成CNC指令以驱动两个直线轴X′和Z，将扰动运动的X分量和Z分量分别作为FTS的两个直线轴X和Z′的期望输出进行同步跟踪。优点在于可获得更高的加工精度和表面质量。
文档编号B23Q15/013GK102069419SQ20101059428
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月19日 优先权日2010年12月19日
发明者周晓勤, 林洁琼, 段宁华 申请人:吉林大学