CN102078967A - 一种混频驱动的三维椭圆车削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混频驱动的三维椭圆车削方法，属于自由曲面微纳超精密切削和难加工材料切削技术领域。金刚石刀具由分别沿X轴、Y轴和Z轴方向的三个压电叠堆执行器驱动；对每一个压电叠堆执行器施加一组混频的驱动信号，该混频驱动信号主要包括两个成分，其一是产生三维椭圆切削的正弦波信号，其二是车削创成自由曲面的快速刀具伺服信号。通过匹配三个正弦波信号的幅值和相位，使在金刚石刀具在刀位点处产生三维的椭圆切削运动；根据金刚石刀位点轨迹在各坐标轴上的投影分量之扰动成分，分别驱动三个压电叠堆执行器产生所需的快速刀具伺服运动。本发明方法可对两种切削运动进行独立控制和优化，简便易于实施。

Description

一种混频驱动的三维椭圆车削方法

技术领域

本发明属于微纳超精密加工和难加工材料自由曲面切削技术领域，特别是涉及一种混频驱动的三维椭圆车削方法。

背景技术

具有复杂几何特征的超精密零件在许多重要的工业领域有着日益增长的应用需求。基于快速刀具伺服(简称FTS)的金刚石车削是创成复杂几何超精密零件的一种重要加工方法，它通过一个FTS装置产生自由曲面创成所需的刀具快速往复运动。然而该方法的主要困难之一在于：金刚石可切削的材料种类十分受限制。对于硬化钢等黑色金属材料和碳化硅等硬脆材料，金刚石的切削加工性较差，往往导致严重的刀具磨损，使加工表面质量恶化、加工精度大幅度降低。为了扩展金刚石可切削材料的范围，学术界和工业界提出了一些改进的切削方法，例如低温切削、碳饱和切削和椭圆振动切削(简称EVC)等。迄今为止的研究表明：三维EVC是一种最有发展前途的难加工材料切削方法，具有减少切削力、抑制刀具磨损、改善加工表面质量等诸多优点。

将FTS车削与三维EVC集成，将为难加工材料自由曲面金刚石车削创成提供一种新的技术途径。但是通过在一个FTS装置上安装一个EVC装置的方法是不实际的，因为二者之间的动力学耦合将使得整个系统的动态性能不可控。日本学者铃木等人提出在EVC过程中改变椭圆长轴的大小以便包络出所期望的表面，然而这种方法存在严重的缺陷：

(1)椭圆长轴的大小由期望的表面形状确定，这势必导致不能获得最佳的切削加工性。由于EVC的参数(椭圆长轴大小、形状、长轴方位、以及频率等)主要取决于难加工材料的金刚石切削加工性，这意味着必须对EVC的参数进行独立控制，而铃木等人的方案无法实现这一点。

(2)由于椭圆长轴的大小改变受限制，铃木等人的方案仅适合在平坦的表面上进行微结构加工，不适合具有较大的“非回转对称性”的自由曲面创成。

为了克服这些缺陷，本发明提出了一种混频驱动的三维椭圆车削方法，通过混频驱动方式，在一个三维切削运动生成装置上，同步产生两种切削运动：其一是三维EVC运动，其二是自由曲面车削创成所需的FTS运动，这两种切削运动的控制是独立的。适用于难加工材料自由曲面的金刚石车削创成。

发明内容

本发明提供一种混频驱动的三维椭圆车削方法，以解决具有复杂几何特征的超精密零件加工困难的问题。

本发明采取的技术方案如下：

通过一个三维切削运动生成装置，利用分别沿X轴、Y轴和Z轴方向的三个压电叠堆执行器驱动金刚石刀具，使金刚石刀具同步产生两种切削运动：其一是旨在改善切削加工性的三维椭圆振动切削运动，其二是车削创成自由曲面车削所需的快速刀具伺服运动；对所述的三个压电叠堆各施加一组混频的驱动信号，该混频驱动信号包括两个成分：其一是产生三维椭圆振动切削运动的信号成分，其二是实现快速刀具伺服运动的信号成分，这两个信号成分的控制是独立的；

对所述的产生三维椭圆振动切削运动的信号成分，通过匹配X、Y和Z三个方向上的幅值和相位，使金刚石刀具产生三维椭圆振动切削运动；

对于没有主动误差抵消的自由曲面车削，所期待的快速刀具伺服运动一般只在X轴、或只在Z轴、或只在X轴和Z轴上有投影分量；对于主动误差抵消的自由曲面车削，所期待的快速刀具伺服运动在X轴、Y轴和Z轴上都有投影分量。

本发明的优点在于：(1)利用一个三维运动生成装置，即可同步实现两种切削运动：其一是三维EVC运动，其二是车削创成自由曲面所需的FTS运动；(2)兼顾了基于FTS的自由曲面车削创成的优点和通过EVC改善难加工材料切削加工性的优点；(3)所述的两种切削运动，通过混频信号进行独立驱动控制，这使得三维EVC的参数调整以及FTS的运动路径皆可分别最优化；(4)由于FTS运动路径的瞬态切削速度的大小和方向皆是变化的，三维EVC可使椭圆平面处于最佳方位。

附图说明

图1是三维切削运动生成装置以及在超精密车床上的布置；

图2是三维切削运动生成装置放大图；

图3是FTS运动在Z轴方向上的投影；

图4是Z向刀具接触点FTS运动与刀具圆弧半径补偿后FTS运动的对比；

图5是三维椭圆切削运动在XZ平面上的投影；

图6是混频驱动下刀具运动在XZ平面上的投影；

图7是图6中标记部分的局部放大图；

图8是X向进给位移规律与刀具圆弧半径补偿后进给运动的对比；

图9是FTS运动在X轴方向上的投影；

图10是系统控制框图。

附图标记说明：

1-主轴、2-自由曲面工件、3-三维切削运动生成装置、4-Z轴溜板、5-X轴溜板、6-床身、7-主轴角度编码器、8a-Z向直线光栅位移传感器、8b-X向直线光栅位移传感器、9-金刚石刀具、10a-X轴方向压电叠堆、10b-Y轴压电叠堆、10c-Z轴压电叠堆、11a-X向位移传感器、11b-Y向位移传感器、11c-Z向位移传感器。

具体实施方式

图1和图2分别示出了三维运动生成装置3及其在超精密车床上的布置。如图1和图2所示，三维运动生成装置3安装在车床的Z轴溜板4之上，Z轴溜板安装在车床的X轴溜板5之上，X轴溜板5安装在床身6上，Z向直线光栅位移传感器8a安装在X轴溜板5上，X向直线光栅位移传感器8b安装在Z轴溜板4上，主轴角度编码器7安装在床身上，金刚石刀具9分别与X轴方向压电叠堆10a、Y轴方向压电叠堆10b、Z轴方向压电叠堆10c固定连接，X轴方向压电叠堆10a、Y轴方向压电叠堆10b、Z轴方向压电叠堆10c分别与三维切削运动生成装置的基座固定连接，X向位移传感器11a、Y向位移传感器11b、Z向位移传感器11c分别与三维切削运动生成装置的基座固定连接。

X轴溜板和Z轴溜板的直线运动、以及主轴的回转运动实现回转对称的切削运动，X轴和Z轴位置均通过各自的直线光栅位移传感器进行反馈控制；工件装夹在主轴前端的夹具上，主轴由角度编码器进行反馈控制；X向、Y向和Z向压电叠堆执行器均由各自的电容位移传感器对其瞬态位置进行反馈控制。

不失一般性，三个压电叠堆执行器的驱动信号分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t\right)=u_{\mathrm{xe}}\left(t\right)+u_{\mathrm{xf}}\left(t\right)\\ u_y\left(t\right)=u_{\mathrm{ye}}\left(t\right)+u_{\mathrm{yf}}\left(t\right)\\ u_z\left(t\right)=u_{\mathrm{ze}}\left(t\right)+u_{\mathrm{zf}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，u_x(t)、u_y(t)、u_z(t)分别是作用于X轴、Y轴、Z轴上三个压电叠堆执行器的混频驱动信号；u_xf、u_yf、u_zf分别为作用于三个压电叠堆的FTS驱动分量；u_xe、u_ye、u_ze分别为作用于三个压电叠堆的正弦波驱动分量，且有：

式中，V_xe、V_ye和V_ze分别为正弦波驱动分量u_xe、u_ye和u_ze的幅值；

和

分别为正弦波驱动分量u_xe、u_ye和u_ze的相位；f为正弦波驱动分量u_xe、u_ye和u_ze的频率。

在三个混频驱动信号u_x(t)、u_y(t)和u_z(t)的作用下，在金刚石刀位点处的实际位移输出x(t)、y(t)和z(t)由两个运动成分构成，在笛卡尔坐标系中可分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=x_e\left(t\right)+x_f\left(t\right)\\ y\left(t\right)=y_e\left(t\right)+y_f\left(t\right)\\ z\left(t\right)=z_e\left(t\right)+z_f\left(t\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_e\left(t\right)=A_{\mathrm{xe}}\cos (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{xe}})\\ y_e\left(t\right)=A_{\mathrm{ye}}\cos (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ye}})\\ z_e\left(t\right)=A_{\mathrm{ze}}\cos (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ze}})\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，x_e(t)、y_e(t)和z_e(t)分别是由正弦波驱动信号所产生的实际位移输出；x_f(t)、y_f(t)和z_f(t)分别是FTS驱动信号的实际位移输出；A_xe、Z_ye和A_ze分别是x_e(t)、y_e(t)和z_e(t)的幅值；ψ_xe、ψ_ye和ψ_ze分别是x_e(t)、y_e(t)和z_e(t)的相位；f为x_e(t)、y_e(t)和z_e(t)的频率。

通过匹配正弦波驱动信号u_x(t)、u_y(t)、u_z(t)的相位

和

当x_e(t)、y_e(t)和z_e(t)的相位ψ_xe、ψ_ye和ψ_ze不全相等时，则可使金刚石刀具的刀位点处实现空间任意平面内的椭圆切削运动，例如当ψ_ze-ψ_xe＝π/2且ψ_ze-ψ_ye＝π/2时，金刚石刀具在刀位点处作垂直于XZ平面的EVC运动。通过精确跟踪控制刀位点的实际位移输出x(t)、y(t)和z(t)，金刚石刀位点可在产生EVC运动的同时实现所需的FTS运动。

本发明的具体实施步骤如下：

将被加工的工件安装在精密或超精密车床主轴上，三维运动生成装置及其在精密或超精密车床上的布置如图1、图2所示；

1、根据自由曲面的数学描述、精密或超精密车床所提供的加工运动、以及实际的加工表面粗糙度要求，生成所需的金刚石刀位点轨迹；

2、根据实际生成的金刚石刀位点轨迹、以及实际的加工表面粗糙度要求，确定所需的三维EVC参数：包括椭圆的长短轴大小、椭圆平面的方位、椭圆运动的频率等；

3、根据实际生成的金刚石刀位点轨迹，在X轴和Z轴上分别分解为一个单调趋势成分和一个扰动成分，其中扰动成分即为所需跟踪的FTS运动，对于有主动误差抵消的自由曲面车削、以及非零前角的自由曲面车削，刀位轨迹在Y轴也有投影分量；

4、分别对X轴、Y轴和Z轴的压电叠堆执行器施加由正弦波驱动分量与FTS驱动分量所构成的混频信号，使金刚石刀具同步产生两种切削运动：其一是速刀具伺服的往复运动，其二是三维椭圆振动切削运动。

5、由所得到的单调趋势成分，生成精密或超精密车床的CNC代码指令，驱动X轴溜板和Z轴溜板作同步运动。

在以下的内容中，以环曲面为例进一步说明如何生成期待的三维EVC运动和FTS运动。在车床的坐标系中，待加工的环曲面可表示为：

$z=R_b-\sqrt{{(R_b-R_a+\sqrt{{R_a}^2-r^2{\sin }^2\mathrm{\θ}})}^2-r^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}---\left(5\right)$

式中，r为柱坐标系中的径向坐标，θ为柱坐标系中的转角。取R_b＝100mm，R_a＝60mm，D＝20mm的凹面，其中R_b＝a+b，R_a＝a，a为环曲面的基曲线的半径，b为正交曲线的半径，D为环曲面的口径。

将式(5)表示的环曲面分解为如下两个曲面之和：

$z_1\left(r\right)=\frac{1}{2}(R_b+R_a-\sqrt{{R_b}^2-r^2}-\sqrt{{R_a}^2-r^2})---\left(6\right)$

$z_2(r,\mathrm{\θ})=(R_b-\sqrt{{(R_b-R_a+\sqrt{{R_a}^2-r^2{\sin }^2\mathrm{\θ}})}^2-r^2{\cos }^2\mathrm{\θ}})-z_1\left(r\right)---\left(7\right)$

式中，z₁(r)仅依赖于r，关于主轴中心回转对称，可由超精密车床的X轴和Z轴的非往复运动切削创成；z₂(r，θ)依赖于r和θ，关于主轴中心非回转对称，在主轴每一转中，z₂(r，θ)需通过FTS的快速往复运动切削创成。

本发明按z₁(r)的规律进行毛坯预加工，可得到一个回转对称曲面z₁(r)。在以下的内容中，着重说明车削非回转对称曲面z₂(r，θ)时期待的FTS运动和三维EVC运动的生成。

为分析简便计，不妨设主轴转速为120r/min，椭圆运动频率为f＝3KHz，刀具前角γ＝0°，刀位点沿X轴作匀速进给，进给速度为f＝0.01mm/r，刀尖圆弧半径r_ε＝0.5mm，则在r＝5mm、主轴转角从θ＝0到θ＝2π之间，根据刀尖圆弧半径补偿，即可确定刀位点沿Z轴方向的往复运动，即z_f＝z₂+Δz₂，Δz₂是通过刀具圆弧半径补偿所产生的Z向扰动，如图3和图4所示。

图4示出了三维EVC运动在XZ平面的投影，它由三个具有相位差的正弦波信号x_e(t)、y_e(t)和z_e(t)合成得到。在图3中，仅给出了一种椭圆长轴方位。实际中，应根据刀位点路径和表面粗糙度要求进行椭圆长轴的方位调整。

在金刚石刀具的刀位点处所产生的三维EVC运动和FTS运动的合成，分别如图6和图7所示。如果让刀具接触点沿X轴作匀速进给，则考虑刀具圆弧半径补偿之后，刀位点在X和Z向上都有往复运动。图8和图9分别给出了刀位点在X向和Z向的运动。

图10示出了对FTS运动和三维EVC运动进行跟踪控制的框图。如图10所示，将主轴回转的脉冲信号作为同步信号馈入一个多轴运动控制器，实时检测X轴、Y轴和Z轴方向上的刀具相对于三维切削装置的瞬态位移信号、以及车床X轴和Z轴溜板的坐标位置，根据期待的三维EVC运动和期待的FTS运动，通过多轴运动控制器对三个压电叠堆分别进行跟踪控制。

Claims (1)

1.一种混频驱动的三维椭圆车削方法，其特征在于：

通过一个三维切削运动生成装置，利用分别沿X轴、Y轴和Z轴方向的三个压电叠堆执行器驱动金刚石刀具，使金刚石刀具同步产生两种切削运动：其一是旨在改善切削加工性的三维椭圆振动切削运动，其二是车削创成自由曲面车削所需的快速刀具伺服运动；对所述的三个压电叠堆各施加一组混频的驱动信号，该混频驱动信号包括两个成分：其一是产生三维椭圆振动切削运动的信号成分，其二是实现快速刀具伺服运动的信号成分，这两个信号成分的控制是独立的；

对所述的产生三维椭圆振动切削运动的信号成分，通过匹配X、Y和Z三个方向上的幅值和相位，使金刚石刀具产生三维椭圆振动切削运动；

对于没有主动误差抵消的自由曲面车削，所期待的快速刀具伺服运动一般只在X轴、或只在Z轴、或只在X轴和Z轴上有投影分量；对于主动误差抵消的自由曲面车削，所期待的快速刀具伺服运动在X轴、Y轴和Z轴上都有投影分量。

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