CN109866104A - 一种导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法、系统及介质，本发明根据被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)、研磨工具的去除特性通过驻留时间解算和转换获得被加工平面导轨的长度方向上的驻留速度分布v(x)；控制研磨工具沿着被加工平面导轨的宽度方向做等速等距的周期往复摆动，且控制研磨工具沿着被加工平面导轨的长度方向以驻留速度分布v(x)做变速运动进行研磨修正，直至被加工平面导轨的平面误差度满足要求。本发明能够实现平面度误差的修正，实现大长宽比平面导轨的高效无边缘快速加工，解决加工效率低、边缘效应明显、中高频误差严重等问题，提升大长宽比米级尺寸导轨的加工能力。

Description

一种导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及研磨加工领域，具体涉及一种导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法、系统及介质，尤其适用于大长宽比的导轨平面度的计算机控制修正。

背景技术

平面导轨是超精密加工及检测设备的基础单元部件，其精度是决定着加工及检测设备精度的关键因素。例如美国LLNL实验室研制的LODTM大型卧式金刚石车床，其运动精度在1.07m×1.12m的行程范围内直线度误差要求达到0.025μm；北京机床研究所研制的NAM-800型纳米数控车床，两根直线运动导轨均采用液体静压导轨设计，工作台运动直线度要求达到0.15μm/200mm；荷兰埃因霍恩IBS精密机械公司研发的Isara400超精密测量仪，测量范围为400×400×100mm³，三维测量不确定度达到100nm(2σ)。这些超精密加工及检测设备要实现设计的精度要求，都严重依赖与高精度的平面导轨，因此高精度平面导轨的制造技术是其中的关键技术之一。

平面导轨的典型制造需求为：长宽比大、平面度高。对于小口径平面导轨，一般采用超精密磨削将平面度直接加工到1～2μm，然后采用研抛的加工方式继续提升加工精度。但是对于长宽比大的米级平面导轨，一方面缺乏大口径超精密磨削设备，另一方面即使拥有大口径超精密磨削设备也难以达到小口径平面导轨的磨削精度。因此一般材料(钢、花岗岩等)的大长宽比米级平面导轨主要采用磨削—研磨的加工工艺路线，而对于某些能够获得光学表面的材料(例如SiC材料、玻璃材料)还可以采用磨削—研磨—抛光的加工工艺路线。无论哪种加工工艺路线，研磨都是获取高精度平面导轨的关键技术之一。现有的研磨方法主要包括：(1)人工研磨；(2)单轴机研磨；(3)计算机控制小磨头研磨等。其中人工研磨不仅效率低下，而且对工人经验性要求极高，加工过程不确定，难以满足长宽比米级导轨的批量加工；单轴机研磨适用于小口径回转对称工件的研磨加工，对于大长宽比工件存在四个角的精度难以控制的难题；计算机控制小磨头研磨方法由于通过正压力实现材料去除，研磨工具中心必须保持在工件内部，因此存在边缘效应局限，难以保证全口径的加工精度，而且随着加工时间的增加，容易产生中高频误差。

针对现有研磨方法的局限性，研究面向大长宽比米级尺寸平面导轨的研磨新方法，研究如何通过计算机控制周期往复式摆动研磨工具实现对平面度的修正控制，从而解决加工效率低、边缘效应明显、中高频误差严重等问题，提升大长宽比米级尺寸导轨的加工能力，已经成为一项亟待解决的关键技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法、系统及介质，本发明能够实现平面度误差的修正，实现大长宽比平面导轨的高效无边缘快速加工，解决加工效率低、边缘效应明显、中高频误差严重等问题，提升大长宽比米级尺寸导轨的加工能力。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法，实施步骤包括：

1)根据被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)、研磨工具的去除特性通过驻留时间解算和转换获得被加工平面导轨的长度方向上的驻留速度分布v(x)；

2)控制研磨工具沿着被加工平面导轨的宽度方向做等速等距的周期往复摆动，且控制研磨工具沿着被加工平面导轨的长度方向以驻留速度分布v(x)做变速运动进行研磨修正；

3)检测被加工平面导轨的平面误差度，如果被加工平面导轨的平面误差度满足要求则完成加工，否则跳转执行步骤1)。

可选地，所述被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)的检测步骤包括：检测被加工平面导轨的平面度误差，在被加工平面导轨的宽度方向上等距取多条沿被加工平面导轨的长度方向上的等距轮廓线进行平均，得到被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)。

可选地，所述研磨工具的去除特性的确定步骤包括：确定研磨工具的摆动速度、摆动距离、磨料类型以及磨料粒度，根据研磨工具的摆动速度、摆动距离、磨料类型以及磨料粒度进行实验得到被加工平面导轨的去除函数分布模型R(x)。

可选地，步骤1)的详细步骤包括：

1.1)根据被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)、研磨工具的去除特性通过驻留时间解算和转换获得速度v(x)；

1.2)在得到导轨平面度误差h(x)和研磨工具的去除特性的基础上，采用一维脉冲迭代法求解得到驻留时间分布d(x)以及理论残留误差分布e(x)；

1.3)将驻留时间分布d(x)转化为沿被加工平面导轨的长度方向上的驻留速度分布v(x)。

可选地，步骤1.2)中采用一维脉冲迭代法求解得到驻留时间分布d(x)的详细步骤包括：

S1)定义去除函数X方向上的去除脉冲以及设定驻留时间的初始值，所述X方向是指被加工平面导轨的长度方向；

S2)在去除函数X方向上的去除脉冲以及设定驻留时间的初始值的基础上，通过迭代求取驻留时间d(x_i)和理论残留误差分布e_i(x)，经过n次迭代计算达到预设的迭代终止条件时迭代计算终止，得到最终的驻留时间分布d(x)以及理论残留误差分布e(x)。

可选地，步骤S1)中去除函数X方向上的去除脉冲的函数表达式如式(1)所示；

式(1)中，R_pulse表示去除脉冲，R(x)为去除函数分布线上任意点(x,0)处的材料去除率，s为去除函数在X方向上的长度，所述X方向是指被加工平面导轨的长度方向。

可选地，步骤S1)中驻留时间的初始值的函数表达式如式(2)所示；

d₀(x₀)＝h(x)/R_pulse (2)

式(2)中，d₀(x₀)表示驻留时间的初始值，h(x)为被加工平面导轨的导轨平面度误差，R_pulse为去除脉冲。

可选地，步骤S2)中迭代求取驻留时间d(x_i)和理论残留误差分布e_i(x)的函数表达式如式(3)所示；

e_i(x)＝h(x)-R(x)*d(x_i) (3)

式(2)中，e_i(x)表示第i次迭代的理论残留误差分布，h(x)为被加工平面导轨的导轨平面度误差，R(x)为去除函数分布线上任意点(x,0)处的材料去除率，d(x_i)表示第i次迭代的驻留时间。

本发明还提供一种导轨平面周期往复式摆动研磨控制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程以执行本发明前述导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法的步骤，或者该计算机设备的存储介质中存储有被编程以执行本发明前述导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法的计算机程序。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程以执行本发明前述导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明根据被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)、研磨工具的去除特性通过驻留时间解算和转换获得被加工平面导轨的长度方向上的驻留速度分布v(x)；控制研磨工具沿着被加工平面导轨的宽度方向做等速等距的周期往复摆动，且控制研磨工具沿着被加工平面导轨的长度方向以驻留速度分布v(x)做变速运动进行研磨修正，能够实现平面度误差的修正，实现大长宽比平面导轨的高效无边缘快速加工，解决加工效率低、边缘效应明显、中高频误差严重等问题，提升大长宽比米级尺寸导轨的加工能力。

附图说明

图1为本发明实施例的基本流程示意图。

图2为本发明实施例中花岗岩平面导轨加工前的面形误差分布图。

图3为本发明实施例中平面导轨长度方向上的等距轮廓线截取示意图。

图4为本发明实施例中花岗岩平面导轨上获取的去除函数三维模型。

图5为本发明实施例中周期往复式摆动研磨去除函数模型。

图6为本发明实施例中加工残差的迭代收敛计算过程。

图7为本发明实施例中求解得到的驻留时间及加工残差分布。

图8为驻留时间转换后的驻留速度分布。

图9为本发明实施例中周期往复式摆动工具示意图。

图10为本发明实施例中周期往复式摆动研磨加工平面导轨示意图。

图11为本发明实施例中花岗岩平面导轨加工后的面形误差分布图。

具体实施方式

下文将以对一块尺寸1000mm×240mm的花岗岩平面导轨进行研磨加工为例，对本发明导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法、系统及介质进行进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法的实施步骤包括：

1)根据被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)、研磨工具的去除特性通过驻留时间解算和转换获得被加工平面导轨的长度方向上的驻留速度分布v(x)；

2)控制研磨工具沿着被加工平面导轨的宽度方向做等速等距的周期往复摆动，且控制研磨工具沿着被加工平面导轨的长度方向以驻留速度分布v(x)做变速运动进行研磨修正；

3)检测被加工平面导轨的平面误差度，如果被加工平面导轨的平面误差度满足要求则完成加工，否则跳转执行步骤1)。

本实施例中，被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)的检测步骤包括：检测花岗岩平面导轨的平面度误差，获得花岗岩平面导轨的平面度误差分布如图2所示，平面度初始误差为PV值29.39μm，RMS值3.093μm。在被加工平面导轨的宽度方向上等距取10条沿被加工平面导轨的长度方向上的等距轮廓线进行平均，如图3所示，得到被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)。需要说明的是，等距取等距轮廓线时，等距轮廓线的数量可以根据需要进行增加或减少，一般而言，等距轮廓线的数量越多则得到的误差精确越高。

本实施例中，研磨工具的去除特性的确定步骤包括：确定研磨工具的摆动速度、摆动距离、磨料类型以及磨料粒度(如表1所示)，根据研磨工具的摆动速度、摆动距离、磨料类型以及磨料粒度进行实验得到被加工平面导轨的去除函数分布模型R(x)。

表1：研磨工具的参数表。

磨料类型

粒径

摆频

摆距

露边量

压强

工具材料

工具尺寸

金刚砂

W20

240次/min

20mm

30mm

自重

铸铁

240mm×160mm

本实施例中，在尺寸为455mm×116mm的花岗岩上进行去除函数实验，采用表1所示研磨工具的参数，采用三坐标检测前后面形误差，通过面形误差做差获得去除函数模型，如图4所示。

本实施例中，步骤1)的详细步骤包括：

1.1)根据被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)、研磨工具的去除特性通过驻留时间解算和转换获得速度v(x)；

1.2)在得到导轨平面度误差h(x)和研磨工具的去除特性的基础上，采用一维脉冲迭代法求解得到驻留时间分布d(x)以及理论残留误差分布e(x)；

1.3)将驻留时间分布d(x)转化为沿被加工平面导轨的长度方向上的驻留速度分布v(x)。

本实施例中，步骤1.2)中采用一维脉冲迭代法求解得到驻留时间分布d(x)的详细步骤包括：

S1)定义去除函数X方向上的去除脉冲以及设定驻留时间的初始值，X方向是指被加工平面导轨的长度方向；

S2)在去除函数X方向上的去除脉冲以及设定驻留时间的初始值的基础上，通过迭代求取驻留时间d(x_i)和理论残留误差分布e_i(x)，经过n次迭代计算达到预设的迭代终止条件时迭代计算终止，得到最终的驻留时间分布d(x)以及理论残留误差分布e(x)。

本实施例中，步骤S1)中去除函数X方向上的去除脉冲的函数表达式如式(1)所示；

式(1)中，R_pulse表示去除脉冲，R(x)为去除函数分布线上任意点(x,0)处的材料去除率，s为去除函数在X方向上的长度，X方向是指被加工平面导轨的长度方向。

本实施例中，步骤S1)中驻留时间的初始值的函数表达式如式(2)所示；

d₀(x₀)＝h(x)/R_pulse (2)

式(2)中，d₀(x₀)表示驻留时间的初始值，h(x)为被加工平面导轨的导轨平面度误差，R_pulse为去除脉冲。

本实施例中，步骤S2)中迭代求取驻留时间d(x_i)和理论残留误差分布e_i(x)的函数表达式如式(3)所示；

e_i(x)＝h(x)-R(x)*d(x_i) (3)

式(2)中，e_i(x)表示第i次迭代的理论残留误差分布，h(x)为被加工平面导轨的导轨平面度误差，R(x)为去除函数分布线上任意点(x,0)处的材料去除率，d(x_i)表示第i次迭代的驻留时间。

本实施例中，步骤1.2)中采用一维脉冲迭代法求解得到驻留时间分布d(x)时，周期往复式摆动研磨的去除函数模型如图5所示，通过设置迭代终止条件，经过n次迭代(迭代计算过程如图6所示)计算达到迭代终止条件时，迭代计算终止，得到最终的驻留时间分布以及理论残留误差分布，如图7所示。最终，驻留时间转换后的驻留速度分布如图8所示。

本实施例中采用的研磨工具为矩形研磨工具，研磨工具的长度同导轨宽度一致，研磨工具的宽度由具体工艺确定。

根据步骤2)记载的内容可知，本实施例根据大长宽比平面导轨的特点进行周期往复式摆动研磨，研磨工具的运动包括下述两个方面：

1、研磨工具在平面导轨宽度方向(即研磨工具长度方向)做等速等距的周期往复摆动，运动如图9所示，摆动速度和摆动距离可以通过相关参数设置。

2、在研磨工具周期往复式摆动的同时，研磨工具沿导轨长度方向(即研磨工具宽度方向)以驻留速度分布v(x)做变速运动，运动速度由导轨平面度误差、研磨工具去除特性通过驻留时间解算和转换获得。

采用周期往复式摆动研磨工具修正平面度误差是基于计算机控制成形理论，其理论基础是Preston方程，其函数表达式如式(4)所示；

式(4)中，ΔH(y)表示平面导轨表面的材料去除量，K为Preston常数，同工件材料、工具材料以及磨料等因素相关；V(y,t)是加工工件同研磨工具之间的相对运动速度；P(y,t)是研磨工具同加工工件之间的正压力。周期往复式摆动研磨修正误差过程理论上是一维方向上的卷积过程，当研磨工具的压力、摆动速度、摆动距离以及其它工艺参数都保持不变时，研磨工具具有恒定不变的去除函数R(x)，平面导轨表面材料的去除量为研磨工具的去除函数R(x)与驻留时间D(x)沿加工路径的卷积，如式(5)所示；

式(5)中，H(x)表示去除函数分布线上任意点(x,0)处的去除量，R(x-α)为去除函数分布线上任意点(x-α,0)处的材料去除率，D(α)表示点(x-α,0)处的驻留时间。在已知去除函数R(x)的情况下，通过检测得到材料去除量H(x)的大小，求解获得研磨工具沿X方向上在不同区域的驻留时间并且转化为驻留速度，可实现不同区域的材料去除，如图10所示。将平面导轨的面形误差在Y方向上取平均值，可以得到面形误差在X方向上的一维轮廓误差，去除函数模型由于在Y方向上是一致的，可以得到去除函数在X方向上的去除函数，这样驻留时间的求解就退化为X方向上的一维逆卷积，可以建立一维脉冲迭代法进行求解。

如图11所示，本实施例中加工后的花岗岩平面导轨的平面度误差为PV值9.029μm，RMS值1.593μm。对比平面度初始误差为PV值29.39μm，RMS值3.093μ，实现了花岗岩平面导轨的导轨平面周期往复式摆动研磨加工。

此外，本实施例还提供一种导轨平面周期往复式摆动研磨控制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程以执行本实施例前述导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法的步骤，或者该计算机设备的存储介质中存储有被编程以执行本实施例前述导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程以执行本实施例前述导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法的计算机程序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法，其特征在于实施步骤包括：

1)根据被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)、研磨工具的去除特性通过驻留时间解算和转换获得被加工平面导轨的长度方向上的驻留速度分布v(x)；

2)控制研磨工具沿着被加工平面导轨的宽度方向做等速等距的周期往复摆动，且控制研磨工具沿着被加工平面导轨的长度方向以驻留速度分布v(x)做变速运动进行研磨修正；

3)检测被加工平面导轨的平面误差度，如果被加工平面导轨的平面误差度满足要求则完成加工，否则跳转执行步骤1)。

2.根据权利要求1所述的导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法，其特征在于，所述被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)的检测步骤包括：检测被加工平面导轨的平面度误差，在被加工平面导轨的宽度方向上等距取多条沿被加工平面导轨的长度方向上的等距轮廓线进行平均，得到被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)。

3.根据权利要求1所述的导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法，其特征在于，所述研磨工具的去除特性的确定步骤包括：确定研磨工具的摆动速度、摆动距离、磨料类型以及磨料粒度，根据研磨工具的摆动速度、摆动距离、磨料类型以及磨料粒度进行实验得到被加工平面导轨的去除函数分布模型R(x)。

4.根据权利要求1或2或3所述的导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法，其特征在于，步骤1)的详细步骤包括：

1.1)根据被加工平面导轨的导轨平面度误差h(x)、研磨工具的去除特性通过驻留时间解算和转换获得速度v(x)；

1.2)在得到导轨平面度误差h(x)和研磨工具的去除特性的基础上，采用一维脉冲迭代法求解得到驻留时间分布d(x)以及理论残留误差分布e(x)；

1.3)将驻留时间分布d(x)转化为沿被加工平面导轨的长度方向上的驻留速度分布v(x)。

5.根据权利要求4所述的导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法，其特征在于，步骤1.2)中采用一维脉冲迭代法求解得到驻留时间分布d(x)的详细步骤包括：

S1)定义去除函数X方向上的去除脉冲以及设定驻留时间的初始值，所述X方向是指被加工平面导轨的长度方向；

S2)在去除函数X方向上的去除脉冲以及设定驻留时间的初始值的基础上，通过迭代求取驻留时间d(x_i)和理论残留误差分布e_i(x)，经过n次迭代计算达到预设的迭代终止条件时迭代计算终止，得到最终的驻留时间分布d(x)以及理论残留误差分布e(x)。

6.根据权利要求5所述的导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法，其特征在于，步骤S1)中去除函数X方向上的去除脉冲的函数表达式如式(1)所示；

式(1)中，R_pulse表示去除脉冲，R(x)为去除函数分布线上任意点(x,0)处的材料去除率，s为去除函数在X方向上的长度，所述X方向是指被加工平面导轨的长度方向。

7.根据权利要求5所述的导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法，其特征在于，步骤S1)中驻留时间的初始值的函数表达式如式(2)所示；

d₀(x₀)＝h(x)/R_pulse (2)

式(2)中，d₀(x₀)表示驻留时间的初始值，h(x)为被加工平面导轨的导轨平面度误差，R_pulse为去除脉冲。

8.根据权利要求5所述的导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法，其特征在于，步骤S2)中迭代求取驻留时间d(x_i)和理论残留误差分布e_i(x)的函数表达式如式(3)所示；

e_i(x)＝h(x)-R(x)*d(x_i) (3)

式(2)中，e_i(x)表示第i次迭代的理论残留误差分布，h(x)为被加工平面导轨的导轨平面度误差，R(x)为去除函数分布线上任意点(x,0)处的材料去除率，d(x_i)表示第i次迭代的驻留时间。

9.一种导轨平面周期往复式摆动研磨控制系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备被编程以执行权利要求1～8中任意一项所述导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法的步骤，或者该计算机设备的存储介质中存储有被编程以执行权利要求1～8中任意一项所述导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法的计算机程序。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程以执行权利要求1～8中任意一项所述导轨平面周期往复式摆动研磨控制方法的计算机程序。