[发明专利]一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法

说明书

一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，解决了现有超精密飞切加工机床存在的面形误差大，特别是中频误差较为突出等问题。根据飞切机床主轴角度编码器实时测得的角度信号以及刀具‑工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律，将实时所测振动信号反相输入，通过调控压电驱动纳米进给补偿平台的位置和姿态，实现对超精密飞切机床加工面形波纹度误差抑制。

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种基于压电驱动纳米进给平台的超精密飞切机床加工面形误差补偿及控制方法。

背景技术

磷酸二氢钾(KDP)晶体由于激光损伤阈值高和透光率好等优良光学性能而被广泛应用于激光惯性约束聚变、激光武器等国家重大科学工程中，是实现光电开关与倍频转换的重要光学材料。KDP晶体光学元件的使用性能与其表面形貌精度密切相关，例如激光惯性约束聚变对KDP晶体光学元件的低频面形误差、中频波纹误差和高频粗糙度误差分别提出了不同的极高制造精度要求。KDP晶体由于质软、易碎、易潮解和各向异性等特点而被公认为是最难加工的光学材料之一，传统的研磨抛光加工工艺难以达到KDP晶体光学元件所需的精度要求，超精密单点金刚石飞切是目前加工KDP晶体光学元件最有效和使用最广泛的技术。通过飞刀去除零件表面极薄的一层材料，直接获得纳米级表面质量和形状精度，但其加工表面普遍存在较明显的波纹度误差。波纹度误差的空间频率介于面形误差和粗糙度之间，波长从几十微米到数百微米，幅值一般低于100纳米。KDP晶体加工表面的这种中频微波纹误差将会直接影响其光学性能和聚焦光斑质量，周期性微波纹会使激光发生散射或者衍射，甚至发生激光的异常聚焦而破坏光学元件，使激光损伤阈值大幅度降低。

发明内容

针对上述现有超精密飞切加工机床加工表面普遍存在明显的波纹度误差，本发明提供了解决上述问题的一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，解决了现有超精密飞切加工机床存在的面形误差大，特别是中频波纹误差较为突出等问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，包括以下步骤：

S1.构建刀具-工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律；

S2.基于刀具-工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律，结合飞切机床主轴角度编码器实时测得的角度信号；

S3.将实时测得的振动信号反相输入，通过调控压电驱动纳米进给补偿平台位置和姿态，实现对加工面形波纹度误差实时补偿。

进一步优选，所述S1步骤中，具体操作包括以下步骤：建立刀具-工件相对振动及其对飞切加工表面波纹度的映射关系，通过仿真分析，获得面形仿真模型；通过面形仿真模型获得飞切仿真面形的全频段面形信息；对全频段面形信息根据高频、中频以及低频频段进行有效分解，选取中频面形信息，获得中频面形信息和形成规律。

进一步优选，通过以下方法获得面形仿真模型：

S11.利用单点金刚石飞切机床整体动力学模型，仿真分析断续切削力不同幅值和频域分布导致的工件-刀具相对振动规律，同时开展工艺切削试验并检测刀具和工件处的振动信号，对仿真结果进行验证；

S12.结合主轴转速、进给速度和刀具-工件相对振动，根据飞切机床的结构特点，分析刀具的空间运动轨迹；

S13.考虑金刚石刀具的几何形状，设定金刚石刀具将其切削刃轮廓通过刀具与工件之间的相对运动复映到工件表面形成工件面形，利用三维形貌仿真技术，建立刀具-工件相对振动轨迹到面形的仿真映射模型。