CN109531260B - 基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，包括以下步骤：S1、进行初始端面切削并使切削行程末端的切削力幅值大于刀具干涉的阈值；S2、逐渐降低刀架高度，使切削力幅值小于刀具干涉的阈值。本发明的有益效果是：实现了工件中心误差的消除，不需要多次安装工件，效率较高，并且精度较高。

Description

基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法
技术领域
本发明涉及车削加工，尤其涉及一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法。
背景技术
单点金刚石车削是一种利用金刚石刀具以极高精度的空间运动轨迹，直接切削成形具有光学镜面产品的技术手段，其在制备球面、非球面、自由曲面 、微结构特征等复杂形状及结构的精准表面起着至关重要的作用。在车削行程中，刀具进给轨迹高于或低于工件旋转中心将导致工件表面形成中心圆锥或圆柱，这都将直接影响加工表面的面形精度与表面质量。若形成中心圆锥，其周围因刀具与工件之间的干涉会产生更大范围的圆台状突起，将直接影响工件的表面面形精度与表面质量。
在生产加工中，为了实现对工件中心误差的消除，通常需要先完成对工件的试切削，然后将工件取下在光学显微镜下对中心误差进行测量，得出实际的中心误差后将刀架调整到正确的高度并将工件重新安装到机床主轴上。由于多次安装工件需要调节主轴的动平衡，因此该方法不仅浪费人力与物力，同时还会因重复装夹降低定位精度，影响工件的表面精度与质量。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法。
本发明提供了一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，包括以下步骤：
S1、进行初始端面切削并使切削行程末端的切削力幅值大于刀具干涉的阈值；
S2、逐渐降低刀架高度，使切削力幅值小于刀具干涉的阈值。
作为本发明的进一步改进，步骤S1包括以下子步骤：
S11、进行端面切削并采集切削力；
S12、判断切削力幅值是否小于刀具干涉的阈值，如果是，则增加刀架高度一定值并返回步骤S11，如果否，则进入下一步骤。
作为本发明的进一步改进，在步骤S12中，如果切削力幅值小于刀具干涉的阈值，则增加刀架高度20μm并返回步骤S11。
作为本发明的进一步改进，步骤S2包括以下子步骤：
S21、计算得到中心误差理论值h，并将刀架高度降低h；
S22、进行端面切削并采集切削力；
S23、判断切削力幅值是否大于刀具干涉的阈值，如果是，则返回步骤S21，如果否，则结束。
作为本发明的进一步改进，在步骤S21中，输入材料力学特性与切削量得到切削力与中心误差曲线，对比切削力幅值得到中心误差理论值h。
作为本发明的进一步改进，刀具干涉的阈值为0.05 N。
本发明的有益效果是：通过上述方案，实现了工件中心误差的消除，不需要多次安装工件，效率较高，并且精度较高。
附图说明
图1是本发明一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法的机床的主视图。
图2是本发明一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法的机床的立体示意图。
图3是本发明一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法的中心圆锥和中心圆柱形成示意图。
图4是本发明一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法的操作示意图。
图5是本发明一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法的软件操作界面示意图。
图6是本发明一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法的具体流程图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图6所示，一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，包括以下步骤：
S1、进行初始端面切削并使切削行程末端的切削力幅值大于刀具干涉的阈值；
S2、逐渐降低刀架高度，使切削力幅值小于刀具干涉的阈值。
步骤S1包括以下子步骤：
S11、进行端面切削并采集切削力；
S12、判断切削力幅值是否小于刀具干涉的阈值，如果是，则增加刀架高度一定值并返回步骤S11，如果否，则进入下一步骤。
在步骤S12中，如果切削力幅值小于刀具干涉的阈值，则增加刀架高度20μm并返回步骤S11。
步骤S2包括以下子步骤：
S21、计算得到中心误差理论值h，并将刀架高度降低h；
S22、进行端面切削并采集切削力；
S23、判断切削力幅值是否大于刀具干涉的阈值，如果是，则返回步骤S21，如果否，则结束。
在步骤S21中，输入材料力学特性与切削量得到切削力与中心误差曲线，对比切削力幅值得到中心误差理论值h。
刀具干涉的阈值为0.05 N。
本发明提出一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，基于智能刀架对切削力的测量（切削力的测量可通过刀传感器来完成）、利用软件调控刀架高低实现对单点金刚石切削工件中心误差的在线消除的新方法，该方法是通过如图1、2所示的机床来实现的，该机床包括远程控制台1、加工主轴2、金刚石刀具3、智能刀架4和数据传导线5，智能刀架4安装在机床的Z轴上，智能刀架4能实现刀具高度调节的自动化及对加工过程中切削力的在线测量，数据传导线5能将智能刀架4所测量的切削力信号传输到机床控制台或远程控制台1，实现金刚石刀具3调正的远程智能控制。
如图3所示，在单点金刚石切削中，当刀具进给轨迹低于工件回转中心时，由于切削刃无法完成对工件中心部分的切削将导致在工件表面形成中心圆柱(如图3(a)所示)；而刀具进给轨迹高于于工件回转中心时，将在工件表面形成的中心圆锥(如图3(c)所示)。观察智能刀架所测量的切削力信号，当形成中心圆柱时，在切削行程末端其切削力信号无明显变化；而形成中心圆锥时，因刀具与工件之间的挤压导致刀具被抬升，在切削行程末端其切削力有明显的变化，会产生一个力脉冲信号。利用切削力脉冲幅值与干涉区域之间的映射关系，得辨识出此时的中心刀高误差值，调整相应的刀架高度，便可达到对中心误差的消除。
在本发明中，机床完成对刀操作后，如图4(a)所示，先对工件进行试切削，利用智能刀架4对切削行程中切削力的监测，得到切削力随时间变化的图像(如图4(b)所示)。在远程操作平台或远程控制台1上处理切削力信号(如图4(c)所示)，依据所处理的力信号来调整智能刀架4的刀高(如图4(d)后再进行端面切削。
图5为软件操作界面的示意图，在软件中先选择单点金刚石车削中常用工件材料，如铜材、铝材、非电解镍，再依次输入其力学特性和切削参量。力学特性主要为硬度和弹性模量；切削参量主要为切削深度、刀尖半径、刀具后角。完成以上操作便可得到直接生成干涉过程中切削力幅值随中心刀高误差的曲线图，导入智能刀架所测量的切削力幅值，即可得到此时中心刀高误差值h。
在本发明中，因在单点金刚石车削中，当刀具进给轨迹低于工件旋转中心时，虽刀具与工件未发生干涉但在其切削行程末端，因刀具抬起等因素所影响将导致切削力的扰动，其力幅值一般约为0.03 N左右；当刀具进给轨迹高于工件旋转中心时，因刀具后刀面与工件之间的挤压，在切削行程末端将产生一个力脉冲，其相较于切削力的突变值为切削力幅值，为排除刀具抬起等因素影响故本发明中选取未发生刀具干涉的阈值为0.05 N。在机床完全对刀操作后，刀具进给轨迹是否高于或低于工件旋转中心暂不确定。因刀具进给轨迹低于工件旋转中心所产生的中心刀低误差导致在工件表面形成中心圆柱，同时此时其切削力无明显变化，无法判断其中心误差值。为此，必须保证刀具进给轨迹要高于工件旋转中心，如流程图第一部分所示，当初始端面切削的切削力幅值小于0.05 N，则判断此时为刀低误差，应将刀架Y坐标值增加20 μm，再进行端面切削直到切削力幅值大于0.05 N为止，此时即可确定为中心刀高误差。若初始端面切削时切削力幅值大于0.05 N，可直接在软件中输入材料的力学特性和切削参量得到切削力幅值与中心刀高误差的曲线图。对比刀架所测量的切削力幅值变得到此时的中心刀高误差值h，控制远程操作平台降低刀架相应高度h，再进行端面切削直至切削力幅值小于0.05 N，此时便可完成对中心误差的消除操作。
本发明提供的一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，应用于单点金刚石车削加工，尤其是单点金刚石车削工件中心对刀误差的在线辨识与消除。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、进行初始端面切削并使切削行程末端的切削力幅值大于刀具干涉的阈值；
S2、逐渐降低刀架高度，使切削力幅值小于刀具干涉的阈值。
2.根据权利要求1所述的基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，其特征在于，步骤S1包括以下子步骤：
S11、进行端面切削并采集切削力；
S12、判断切削力幅值是否小于刀具干涉的阈值，如果是，则增加刀架高度一定值并返回步骤S11，如果否，则进入下一步骤。
3.根据权利要求2所述的基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，其特征在于，在步骤S12中，如果切削力幅值小于刀具干涉的阈值，则增加刀架高度20μm并返回步骤S11。
4.根据权利要求1所述的基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，其特征在于，步骤S2包括以下子步骤：
S21、计算得到中心误差理论值h，并将刀架高度降低h；
S22、进行端面切削并采集切削力；
S23、判断切削力幅值是否大于刀具干涉的阈值，如果是，则返回步骤S21，如果否，则结束。
5.根据权利要求4所述的基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，其特征在于：在步骤S21中，输入材料力学特性与切削量得到切削力与中心误差曲线，对比切削力幅值得到中心误差理论值h。
6.根据权利要求1所述的基于切削力的超精密加工中心误差在线辩识与补偿方法，其特征在于：刀具干涉的阈值为0.05 N。
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