CN101972856B - 一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法及专用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法及专用装置，属于难加工材料自由曲面切削技术领域；本发明利用非共振驱动方式，使金刚石刀具生成中高频或超高频三维椭圆运动，形成高速或超高速金刚石飞切主运动，刀刃运动轨迹在x-z平面上投影为往复直线运动，在x-y和y-z平面上投影分别为椭圆运动；光学自由曲面的创成是基于三维椭圆金刚石飞切、X轴进给、Z轴往复进给、以及工件的圆周进给等运动合成的；本发明还公开了一种实现上述方法所用的基于四个压电叠堆直接驱动的金刚石刀具三维椭圆运动轨迹生成装置；三维椭圆运动的参数皆可自主控制，有利于获得最佳切削加工性；三维椭圆运动的跟踪控制，避免了实际切削时的失真。

Description

一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法及专用装置

技术领域

本发明属于超精密切削加工和难加工材料复杂光学零件切削加工技术领域，特别是涉及一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法及专用装置。

背景技术

光学自由曲面是指没有回转对称性的光学曲面(Garrard 2005)，具有改善光学系统性能、减缩光学系统尺寸等诸多优点，在许多工业领域有着广泛的应用需求。

金刚石飞切是一类重要的光学自由曲面加工方法(Brinksmeier 2008)，其实质是单刃圆周铣削，在每一转时间内刀刃只有部分时间参与切削，因而与连续切削相比，减少了切削热引起的刀具磨损。现有金刚石飞切方法的不足之处在于：①.不适合局部曲率半径较小的光学自由曲面；②.切削速度的提高十分受限制；③.对于硬化钢等黑色金属材料和碳化硅等脆性材料，金刚石刀具的切削加工性较差。

为了扩展金刚石可切削材料的范围，学术界和工业界相继提出了一些改进的工艺方法，例如低温切削、碳饱和切削、表面改性切削和椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting，以下简称EVC)等。EVC被认为是目前最有发展前途的一种加工方法，具有减少切削力、改善加工精度和表面质量、减少刀具磨损、实现脆性材料延性切削等诸多优点，近几年来受到国际学术界和工程界的高度关注，例如：日本神户大学的森协俊道教授等人，名古屋大学的社本英二教授等人，德国Bremen大学的E.Brinksmeier教授等人，美国北Carolina大学的Thomas A.Dow教授等人，美国西北大学的K.F.Ehmann教授等人。现有的研究结果表明，除了EVC，其它工艺方法还难以既获得光学质量表面、又减少金刚石刀具磨损。

目前EVC的驱动主要包括两种方式：一种是共振型方式；另一种是非共振型方式。对于共振型方式，主要是在刀杆的两侧贴附两对PZT陶瓷材料，通过信号发生器控制每一对PZT致动器以对刀杆施加两对分布载荷。当外部激励的频率整数倍接近刀杆高阶模态的频率，从而产生超谐共振。通过两个横向振动合成或者一个横向振动与一个纵向振动的合成以使刀刃产生二维的椭圆运动轨迹。共振型驱动EVC的主要缺点是：①.对于具有非线性的刀杆，两个横向弯曲振动和纵向振动往往都是耦合的，易于产生串扰。②.刀刃的椭圆运动参数(例如频率)不可调整，难以适应不同加工材料对刀刃运动参数的不同要求。③.各阶振型和结点位置的确定依赖于刀杆的设计，而且刀杆的实际装夹方式也将改变刀杆的各阶固有振型和结点位置。

为了克服共振型驱动方式之不足，北Carolina大学的Thomas A.Dow教授等人研究并提出了非共振的驱动方式。对于非共振驱动，目前主要是基于压电叠堆平行配置和压电叠堆相互垂直配置等两种方式。与共振驱动方式相比，非共振驱动方式的主要优点在于：刀尖椭圆运动的频率和幅值等参数可主动连续控制，因而对于不同的加工材料和加工表面要求有更好的适应性；两个谐运动是非耦合的、可独立控制。但是，为了获得最佳的切削性能，这种非共振驱动方式仍然存在一些不足有待进一步解决，主要包括：①.无论是平行配置、还是相互垂直配置压电执行器，这两类结构皆仅仅能实现平面内的二维EVC，椭圆平面的方位是难以调整的。②.现有的非共振二维EVC都是开环控制的，实际切削时的椭圆运动轨迹不可避免地会失真。

名古屋大学的社本教授等人在共振型二维EVC的基础上提出了共振型三维EVC。对于共振型三维EVC，刀尖椭圆运动的产生仍是基于刀杆的超谐共振合成的，主要包括两个横向振动和一个纵向振动。三维EVC比二维EVC要优越，因为三维EVC可控制刀刃椭圆运动的平面方位、使之位于屑流平面。但不足之处仍在于：现有的共振型三维EVC，刀刃椭圆运动轨迹参数(例如椭圆运动频率)依然难以调整、缺乏对不同材料的适应性。

综上所述，现有的光学自由曲面飞切创成方法和难加工材料的切削加工方法还存在着许多不足。因此必须针对这些不足之处，研究并提出一种新的光学自由曲面金刚石飞切方法及装置，以实现金刚石不可切削材料自由曲面光学零件的加工，获得最佳的切削加工性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面的方法。

本发明的另一目的是提供一种实现非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法的装置。

本发明之方法的特征在于：利用非共振的驱动方式以使金刚石刀刃在三维坐标空间产生中高频或超高频椭圆运动轨迹，形成高速或超高速的三维椭圆金刚石飞切主运动；在精密或超精密数控车床上，通过X轴直线进给、Z轴往复进给，以及工件的圆周进给等运动的合成，实现难加工材料光学自由曲面的金刚石飞切创成。对Z轴实施动态误差补偿，以提高Z轴的往复运动精度；实施金刚石刀刃的三维椭圆运动轨迹跟踪控制，避免了实际切削时的失真。

本发明之方法的步骤如下：

(1)、光学自由曲面的创成运动涉及：三维椭圆金刚石飞切主运动(辅助轴)、X轴直线进给运动、Z轴的往复进给运动、以及工件的圆周进给运动(C轴)；

(2)、一种非共振三维椭圆运动轨迹生成装置，利用两对压电叠堆作为驱动元件，每一对压电叠堆为平行配置方式，两对压电叠堆之间则为相互垂直的配置方式。利用非共振驱动方式，对这四个压电叠堆施加控制信号，使金刚石刀具产生高频的三维椭圆运动，由此形成金刚石刀具的主切削运动；

(3)、金刚石刀刃的主切削运动轨迹在x-z平面(切削基面)上的投影为往复直线运动；在x-y平面(横向进给平面)和y-z平面(纵向进给平面)上的投影分别为椭圆运动，由此在实际屑流面形成合成的椭圆运动轨迹。椭圆运动轨迹的参数(运动频率，椭圆形状，椭圆长轴方位，椭圆平面方位等)皆可主动调整；

(4)、实时检测非共振三维椭圆运动轨迹生成装置的四个驱动元件的瞬态位移，实施三维椭圆运动轨迹的精确跟踪控制，避免实际切削时三维椭圆运动轨迹的变形或失真，改善三维椭圆运动轨迹控制系统的动态性能；

(5)、实时检测Z轴的瞬态坐标位置，通过在这个方向上实施动态误差补偿控制，实现Z轴的精密往复进给运动，提高Z轴的往复运动精度。

本发明具有如下明显的优点：

(1)、显著地减少切削力、提高加工精度和表面质量、延长金刚石刀具寿命、抑制毛刺和切削动态不稳定性、扩展金刚石可切削材料的范围等。

(2)、解耦切削速度对工件(或刀具)回转半径的依赖性，在加工表面上可获得一致的切削速度和加工质量。

(3)、低成本地实现超高速切削，抑制了主轴回转误差对加工质量的影响以及对昂贵的超高速精密主轴的需求。

(4)、可主动控制金刚石刀刃三维椭圆运动轨迹的参数，对于实际的三维切削加工将获得更好的切削性能。

附图说明

图1是本发明的基于四个压电叠堆直接驱动的金刚石刀具三维椭圆运动轨迹生成装置的立体示意图。

图2是本发明之方法的运动控制框图。

其中，1-底座，2-楔形块，3-第一压电叠堆，4-第二压电叠堆，5-预紧螺钉，6-第三压电叠堆，7-第四压电叠堆，8-预紧螺母，9-锁紧螺栓，10-刀杆，11-金刚石刀具，12-紧固螺钉。

具体实施方式

不失一般性，设工件-刀刃之接触点的瞬态位置可写为：

式中，x、y和z是刀具-工件相对位置的笛卡尔坐标；a_x、a_y和a_z分别是x，y和z向的振动幅值；

和分别是x向、y向和z向的相移；ω是振动频率；t是时间变量；x_s(t)是X轴的直线进给；z_s(t)是Z轴的往复直线进给运动。

工件-刀刃之接触点的瞬态位置(x，y，z)是在四个压电叠堆的共同作用下产生的，每一对压电叠堆为平行布置结构，两对压电叠堆之间相互垂直布置。根据式(1)，分别调整四个压电叠堆的驱动信号初始相位，以调整相移

和

的值，使x向与y向之间的相移

以及y向与z向的相移

保持相等

从而使x-z平面(切削基面)的金刚石刀刃合成主运动为往复直线运动轨迹，y-z平面(纵向进给平面)和x-y平面(横向进给平面)的金刚石刀刃合成主运动分别为椭圆运动轨迹。

本发明之方法的步骤如下：

(1)、光学自由曲面的创成运动涉及：三维椭圆金刚石飞切主运动(辅助轴)、X轴直线进给运动、Z轴的往复进给运动、以及工件的圆周进给运动(C轴)；

(2)、利用非共振三维椭圆运动轨迹生成装置的两对压电叠堆作为驱动元件，每一对压电叠堆为平行配置方式，两对压电叠堆之间则为相互垂直的配置方式。利用非共振驱动方式，对这四个压电叠堆施加驱动信号，使金刚石刀具11产生高频的三维椭圆运动，由此形成金刚石刀具的主切削运动，如图1所示；

(3)、金刚石刀刃的主切削运动轨迹在x-z平面(切削基面)上的投影为往复直线运动，在x-y平面(横向进给平面)和y-z平面(纵向进给平面)上的投影分别为椭圆运动，由此在实际屑流面形成合成的椭圆运动轨迹。椭圆运动轨迹的参数(运动频率，椭圆形状，椭圆长轴方位，椭圆平面方位等)皆可主动调整；

(4)、实时检测非共振三维椭圆运动轨迹生成装置的四个驱动元件的瞬态位移，实施三维椭圆运动轨迹的精确跟踪控制，避免实际切削时三维椭圆运动轨迹的变形或失真，改善三维椭圆运动轨迹控制系统的动态性能；

(5)、实时检测Z轴的瞬态坐标位置，通过在这个方向上实施动态误差补偿控制，实现Z轴的精密往复进给运动，提高Z轴的往复运动精度。

本发明的具体实施步骤如下：

1.在一台三轴超精密数控车床(X轴、Z轴和C轴)的主轴前端安装真空吸盘夹具，将工件安装在该夹具上，由主轴回转运动实现工件的圆周进给运动。通过一个高精密的角位移光栅获取主轴的瞬态转角。

2.将一个误差补偿控制台安装在Z轴拖板上，一个三自由度的金刚石飞切装置安装在该误差补偿控制台上。通过非共振驱动方式直接驱动该金刚石飞切装置的驱动元件，在三维空间中使金刚石刀刃产生中高频或超高频的椭圆运动轨迹，获得高速或超高速的金刚石刀具主切削运动。

3.通过高精度的位移传感器，检测金刚石飞切装置驱动元件的瞬态位移，以实现三维椭圆运动轨迹的精确跟踪控制。

4.通过一个高精度大行程的位移传感器，检测Z轴拖板的瞬态坐标位置，通过一个大行程的压电驱动器，对Z轴实施动态误差补偿控制，以实现Z轴拖板的精密伺服。

5.产生三维的中高频或超高频椭圆运动的驱动元件，既可通过压电叠堆元件驱动实现，也可通过法应力电磁驱动方式实现，目前这两类驱动元件皆可达到超声波的频率(18KHz)。

6.通过一个高性能控制器，以实现信号传感和闭环控制。信号传感部分主要包括：主轴转角检测、四个驱动元件的瞬态位移检测、Z轴拖板的瞬态坐标位置检测；闭环控制部分主要包括：三维椭圆运动轨迹的跟踪控制，Z轴的动态误差补偿控制，以及四个驱动元件的强制冷却控制。

7.光学自由曲面的创成运动涉及：三维椭圆金刚石飞切主运动、X轴直线进给运动、Z轴往复进给运动、以及工件的圆周进给运动(C轴)。

图1是一种基于四个压电叠堆直接驱动的金刚石刀具三维椭圆运动轨迹生成装置，是由底座1，楔形块2，第一压电叠堆3，第二压电叠堆4，预紧螺钉5，第三压电叠堆6，第四压电叠堆7，预紧螺母8，锁紧螺栓9、刀杆10、金刚石刀具11和紧固螺钉12组成，刀杆10的中间部分为方形，与底座1上的方形孔相配合，刀杆10通过锁紧螺栓9锁紧刀杆10，这样可以限制刀杆10的所有自由度；金刚石刀具11通过紧固螺钉12设置在刀杆10的头端，刀杆10的前端为刀座，第一压电叠堆3和第二压电叠堆4平行配置，第一压电叠堆3和第二压电叠堆4与刀座点接触，利用预紧螺钉5调节楔形块2实现第一压电叠堆3和第二压电叠堆4的预紧，对第一压电叠堆3和第二压电叠堆4输入有一定相移的控制信号，即可实现刀具在x-y平面内的椭圆运动；第三压电叠堆6和第四压电叠堆7平行配置并与刀座也是点接触，利用刀杆后端的螺纹部分与预紧螺母8实现第三压电叠堆6和第四压电叠堆7的预紧，分别对第三压电叠堆6和第四压电叠堆7输入有一定相移的控制信号，可在不影响x-y平面内运动的情况下，使刀具在y-z平面内实现椭圆运动，可以根据不同的加工需要设定相移，来调节椭圆运动轨迹的长短轴长度；还可以任意调节压电叠堆的工作频率，以调节两个方向上的椭圆工作频率。两个方向上椭圆运动的合成就实现了三维椭圆振动切削。

图2是简化的控制系统框图，控制系统主要包括：大载荷高刚度压电执行器和功率放大器、高分辨率高带宽电容式位移传感器、主轴回转光栅、高性能控制器及各种高性能A/D、D/A、I/O接口板等。在图2中，控制器产生参考正弦波信号，通过A/D接口板分别驱动四个压电叠堆。

Claims (2)

1.一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法，该方法包括以下步骤：(1)、工件装夹在精密数控车床主轴前端的夹具上，主轴的回转形成工件的圆周进给运动；

(2)、将一个动态误差补偿控制台安装在精密数控车床Z轴溜板上，实时检测精密数控车床Z轴溜板的瞬态坐标位置，通过在Z轴实施动态误差补偿控制，实现Z轴的精密往复进给运动，提高Z轴的往复进给运动精度；

(3)、将非共振三维椭圆运动轨迹生成装置安装在该动态误差补偿控制台上，形成高速或超高速的三维椭圆金刚石飞切主运动，控制两对压电叠堆，使金刚石刀刃的主切削运动轨迹在x-z平面即切削基面上的投影为往复直线运动，在切屑流出面形成合成的椭圆运动轨迹，获得最佳的切削加工性；

(4)、光学自由曲面的金刚石飞切创成运动涉及：三维椭圆金刚石飞切主运动、X轴直线进给运动、Z轴的往复进给运动、以及工件的圆周进给运动。

2.一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法所用的专用装置，其特征在于：是由底座(1)，楔形块(2)，第一压电叠堆(3)，第二压电叠堆(4)，预紧螺钉(5)，压电叠堆(6；7)，预紧螺母(8)，锁紧螺栓(9)、刀杆(10)、金刚石刀具(11)和紧固螺钉(12)组成，刀杆(10)的中间部分为方形，与底座(1)上的方形孔相配合，刀杆(10)通过锁紧螺栓(9)锁紧刀杆(10)；金刚石刀具(11)通过紧固螺钉(12)设置在刀杆(10)的头端，刀杆(10)的前端为刀座，第一压电叠堆(3)和第二压电叠堆(4)平行配置，第一压电叠堆(3)和第二压电叠堆(4)与刀座点接触，利用预紧螺钉(5)调节楔形块(2)实现第一压电叠堆(3)和第二压电叠堆(4)的预紧，对第一压电叠堆(3)和第二压电叠堆(4)输入有一定相移的控制信号，即可实现刀具在x-y平面内的椭圆运动；第三压电叠堆(6)和第四压电叠堆(7)平行配置并与刀座也是点接触，利用刀杆后端的螺纹部分与预紧螺母(8)实现第三压电叠堆(6)和第四压电叠堆(7)的预紧，分别对第三压电叠堆(6)和第四压电叠堆(7)输入有一定相移的控制信号，可在不影响x-y平面内运动的情况下，使刀具在y-z平面内实现椭圆运动，两个方向上椭圆运动的合成就实现了三维椭圆振动切削。

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