[发明专利]一种主动误差抵消的自由曲面超精密车削方法

说明书

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                                                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，对轴运动进行校正。

关朝亮等人（2010年）针对一种Zernike多项式自由曲面超精密车削，离线测量加工表面，通过Zernike正交展开，重构所需补偿的面形误差曲面，利用S³对轴运动进行校正。

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向也存在于向，忽视综合误差在向或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，利用刀具与工件之间的综合误差进行修正，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。

（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10Hz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和向的投影分量，对所获得的理想刀位点轨迹分别在和向进行误差校正，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和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分量和分量分别生成CNC指令以驱动两个直线轴和，将扰动运动的分量和分量分别作为FTS的两个直线轴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（和）以及FTS装置的两个直线运动轴（和）之同步运动以主动抵消刀具与工件之间的综合误差；

（2）一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轴与轴的坐标位置，两个高分辨率的位移传感器分别检测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装置的和轴以产生与和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：