CN111546134B - 一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，属于光栅尺测量技术领域。建立铣削平面误差条纹模型，加工多个不同角度的平面，并进行表面形貌检测，将检测结果与模型对比，判断正弦性，确定机床光栅尺误差的同步位置，确定补偿相位值，确定补偿量；确定补偿计算式，建立误差补偿表，进行变换补偿。本发明可以有效地识别因光栅尺误差而产生的表面条纹，识别光栅尺误差，大幅度提高了切削表面质量，有效地降低了工件表面粗糙度；补偿后机床加工零件的表面粗糙度值是未补偿表面的50％～60％，表面质量提高1～2倍。

Description

一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，属于光栅尺测量技术领域。

背景技术

超精密切削加工技术是超精密加工技术群的一个重要分支，超精密切削机床是这项技术的基石，其精度会直接影响工件加工的精度和表面质量。超精密切削机床最常见的的误差是几何误差，几何误差会直接影响所加工工件的面形精度。但除了几何误差外，机床反馈测量系统的误差常被忽略。

通常，选用光栅尺测量系统作为机床的反馈测量系统，若反馈环节出现误差，机床的精度会直接受到影响。机床线性轴所用的直线光栅尺包括光栅尺和读数头，其中光栅尺上有许多刻线，线与线的间距称为栅距。在读数头中也有类似的刻线，当二者重叠并成一个微小夹角时，就会出现明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹，其光强分布为近似正弦分布。当光栅发生相对移动后，莫尔条纹沿着栅线方向产生移动，且读数头与光栅尺每相对移动一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。通过检测光强分布变化即可得知移动距离。

为了获得更高分辨率的编码器，通常需要对信号进行细分，但当信号幅值不相等、信号不正交或存在电压漂移(直流电平)时等误差时，光栅测量系统输出的位移信息会产生规律性的误差，因此导致机床各轴在运动时产生误差。其中电压漂移量误差对误差的贡献更大一些，因此误差会表现的更加“正弦性”，近似正弦分布。对于超精密机床，这种误差幅度通常在数十纳米范围内，直接影响工件表面粗糙度。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法。

实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，所述方法包括如下步骤：

S1：建立存在正弦关系的光栅尺误差的铣削平面的误差条纹模型，所述模型包括水平设置的X轴和Z轴以及竖直设置的Y轴，通过X轴和Z轴的运动插补形成平面，通过所述Y轴控制平面的行间距；

S2：加工若干个与S1中Z轴方向呈不同角度的平面；

S3：对S2中加工生成的平面进行表面形貌检测；

S4：将S3中得到的表面形貌检测结果与对应角度的误差条纹模型进行对比，判断机床光栅尺误差的正弦性；

S5：确定机床光栅尺误差的同步位置，当机床光栅尺误差处于同步位置时，X轴和Z轴光栅尺的误差函数同步变化；

S6：确定补偿相位值；

S7：确定补偿量；

S8：确定补偿计算式，如下：

其中：x_mc为补偿后的机床X轴绝对坐标，z_mc为补偿后的机床Z轴绝对坐标，x_m为补偿前的机床X轴绝对坐标，z_m为补偿前的机床Z轴绝对坐标；

S9：建立误差补偿表，选取间隔点将机床X轴、Z轴坐标利用S8中的补偿计算式进行变换补偿。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明基于超精密铣削工艺，利用超精密铣削加工表面的形貌，结合建立的误差模型，可以有效地识别因光栅尺误差而产生的表面条纹，识别光栅尺误差，并采取基于超精密铣削工艺的补偿方法消除机床水平两轴的“正弦性”光栅尺误差，大幅度提高了切削表面质量，有效地降低了工件表面粗糙度；

2、本发明可以有效地补偿机床中的光栅尺规律性误差，补偿后机床加工零件的表面粗糙度值是未补偿表面的50％～60％，表面质量提高1～2倍。

附图说明

图1是利用铣削平面误差条纹模型得出的部分特殊角度斜面的误差条纹预测图，

其中：图a是角度为15°时的预测图；图b是角度为30°时的预测图；图c是角度为45°时的预测图；图d是角度为60°时的预测图；图e是角度为75°时的预测图；

图2是平面加工各轴运动示意图，

其中：1是金刚石微铣刀，箭头表示金刚石微铣刀移动方向；2是工件；

图3是45°平面的预测PV值与表面粗糙度Ra值随X轴坐标偏移量w_x的关系图，其中：E为误差幅值；

图4是相对补偿相位的过量补偿表面和未补偿表面峰值位置示意图，其中：3为未补偿表面，4为过量补偿表面；

图5是按照已经求出的补偿相位值过量补偿加工的表面，此时S₁＝0，其中：5为未补偿表面，6过量补偿表面；

图6是误差函数相位差半周期的加工平面的截面取样方法与PV值获取方法示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：如图1～图6所示，本发明公开了一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，所述方法包括如下步骤：

S1：建立(根据平面加工中机床X轴和Z轴的运动关系)存在正弦关系的光栅尺误差的铣削平面的误差条纹模型，所述模型包括水平设置的X轴和Z轴以及竖直设置的Y轴，通过X轴和Z轴的运动插补形成平面，通过所述Y轴控制平面的行间距；

S2：利用安装线性光栅尺的超精密机床加工若干个与S1中Z轴方向呈不同角度的平面，平面形成方式如S1所述；

S3：利用白光干涉仪对S2中加工生成的平面进行表面形貌检测；

S4：将S3中得到的表面形貌检测结果与对应角度的误差条纹模型进行对比，通过结果与模型的对比结果判断机床光栅尺误差的正弦性；

S5：确定机床光栅尺误差的同步位置，当机床光栅尺误差处于同步位置时，X轴和Z轴光栅尺的误差函数同步变化；

S6：确定补偿相位值；

S7：确定补偿量；

S8：根据得到的同步相位值w₁、补偿相位值w₂、补偿量E_c这三个参数确定补偿计算式，如下：

其中：x_mc为补偿后的机床X轴绝对坐标，z_mc为补偿后的机床Z轴绝对坐标，x_m为补偿前的机床X轴绝对坐标，z_m为补偿前的机床Z轴绝对坐标；

S9：此时同步相位值w₁、补偿相位值w₂、补偿量E_c均已知，在机床系统内部建立误差补偿表，选取一定的间隔点将机床X轴、Z轴坐标利用S8中的补偿计算式进行变换补偿。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，S1中所述铣削平面的误差条纹模型的建立过程包括如下步骤：

S1：假设X轴的正弦误差x_err为：

假设Z轴的正弦误差z_err为：

其中：x_m为X轴机床绝对坐标位置，z_m为Z轴机床绝对坐标位置，w_x为X轴相位偏移量，w_z为Z轴相位偏移量，d为光栅栅距，E为光栅尺误差幅值(以上量单位均为μm)；

S2：当加工平面时，设X轴和Z轴运动比例为ΔL_x:ΔL_z＝1:k(即加工平面的斜率为k)，当X轴运动△L时，平面加工长度L为

S3：当X轴运动长度为△L时，加工平面实际表面位置坐标为(△L+x_err，k△L+z_err)，加工误差值(实际表面位置距理想表面所在直线的距离)E_L，即为：

S4：根据所述S1至S3，加工误差值E_L与平面加工长度(即斜面长度)L位置坐标的关系式，如下：

其中：w＝w_x-w_z，k与斜面角度θ关系满足

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述X轴相位偏移量w_x以及Z轴相位偏移量w_z的值分别等于误差函数处于起始零位时对应轴机床位置值除以栅距的余数。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述S5中，机床光栅尺误差的同步位置的确定包括如下步骤：

S1：固定加工程序Z轴坐标；

S2：通过改变X轴坐标加工45°平面；

S3：持续向负方向偏移X轴坐标以持续加工不同平面；

S4：利用白光干涉仪检测S3中不同X轴坐标加工的多个不同平面的形貌；

S5：当白光干涉仪测量出表面粗糙度值Ra最小时，即光栅尺误差同步。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四作出的进一步说明，所述机床光栅尺误差的同步位置的确定过程的S3中，X轴坐标向负方向等距离偏移。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式四作出的进一步说明，所述机床光栅尺误差的同步位置的确定过程的S5中，当表面粗糙度值Ra最小时，记录平面加工程序的任一点的机床X轴绝对位置坐标以及Z轴绝对位置坐标(单位为μm)，并分别除以光栅栅距长度d，分别得到余数w_x以及w_z，则同步相位值w₁＝w_x-w_z。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述S6中补偿相位值的求取方法包括如下步骤：

S1：使用过量补偿方法加工45°斜面；

S2：使过量补偿函数幅值设置为大于光栅尺误差的值，设置的相对补偿相位为w_2b，且0<w_2b<d；

S3：利用白光干涉仪测量加工后平面形貌；

S4：得出过量补偿表面条纹的峰值相对于原始表面误差条纹的峰值偏移量S₁，以及上述偏移量间距的一半长度为S₂，则实际补偿相位值w₂为：w₂＝w_2b+

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七作出的进一步说明，补偿相位值的求取方法所述S1中，45°斜面的加工包括如下步骤：

S1：将平面加工程序中的前一部分机床X轴坐标以及Z轴坐标按过量补偿函数进行变换(对应过量补偿表面部分)，且平面加工程序中的后一部分不进行变换(对应原始表面部分)，过量补偿后函数如下：

其中：x_b为过量补偿后的机床X轴坐标值，z_b为过量补偿后的机床Z轴坐标值，x_m为机床X轴坐标，z_m为机床Z轴坐标，E_big为大于光栅误差的补偿函数幅值，w₁为同步相位值，已在前得到了确定，w_2b为相对补偿相位，满足0<w_2b<d；

S2：将变换后的程序上传到机床数控系统中，执行加工程序。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述S7中补偿量的确定方法，包括如下步骤：

S1：加工45°平面，通过调节数控程序使X轴以及Z轴的误差函数相位正好差半个周期，相位差对应光栅尺栅距的一半即d/2；

S2：利用白光干涉仪检测所述S2条件下加工的表面形貌；

S3：取S2中表面的二维截面获得PV值(取多个平面多次测量)，

S4：计算光栅尺误差

补偿量E_c＝E。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式九作出的进一步说明，补偿量的确定方法的所述S4中，光栅尺误差E与表面的PV值关系为

其推导过程如下：

S1：令具体实施方式二中的公式(7)中k＝1，则

其中：E_L45°为45°平面的误差值，L为平面加工长度(即斜面长度)，

S2：将公式(11)分为两部分，即：后一部分余弦值取值范围为：

以及前一部分常数部分当w＝-d/2时有极大值

此时X轴以及Z轴的误差函数相位正好差半个周期，因此

即

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1：建立存在正弦关系的光栅尺误差的铣削平面的误差条纹模型，所述模型包括水平设置的X轴和Z轴以及竖直设置的Y轴，通过X轴和Z轴的运动插补形成平面，通过所述Y轴控制平面的行间距；

S2：加工若干个与S1中Z轴方向呈不同角度的平面；

S3：对S2中加工生成的平面进行表面形貌检测；

S4：将S3中得到的表面形貌检测结果与对应角度的误差条纹模型进行对比，判断机床光栅尺误差的正弦性；

S5：确定机床光栅尺误差的同步位置，当机床光栅尺误差处于同步位置时，X轴和Z轴光栅尺的误差函数同步变化；

S6：确定补偿相位值；

S7：确定补偿量；

S8：确定补偿计算式，如下：

其中：x_mc为补偿后的机床X轴绝对坐标，z_mc为补偿后的机床Z轴绝对坐标，x_m为补偿前的机床X轴绝对坐标，z_m为补偿前的机床Z轴绝对坐标，w₁为同步相位值，w₂为补偿相位值，E_c为补偿量，d为光栅栅距；

S9：建立误差补偿表，选取间隔点将机床X轴、Z轴坐标利用S8中的补偿计算式进行变换补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，其特征在于：S1中所述铣削平面的误差条纹模型的建立过程包括如下步骤：

S1：假设X轴的正弦误差x_err为：

假设Z轴的正弦误差z_err为：

其中：x_m为X轴机床绝对坐标位置，z_m为Z轴机床绝对坐标位置，w_x为X轴相位偏移量，w_z为Z轴相位偏移量，d为光栅栅距，E为光栅尺误差幅值；

S2：当加工平面时，设X轴和Z轴运动比例为ΔL_x:ΔL_z＝1:k，当X轴运动△L时，平面加工长度L为：

S3：当X轴运动长度为△L时，加工平面实际表面位置坐标为(△L+x_err，k△L+z_err)，加工误差值E_L，即为：

S4：根据所述S1至S3，加工误差值E_L与平面加工长度L位置坐标的关系式，如下：

其中：w＝w_x-w_z，k与斜面角度θ关系满足

3.根据权利要求2所述的一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，其特征在于：所述X轴相位偏移量w_x以及Z轴相位偏移量w_z的值分别等于误差函数处于起始零位时对应轴机床位置值除以栅距的余数。

4.根据权利要求1所述的一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，其特征在于：所述S5中，机床光栅尺误差的同步位置的确定包括如下步骤：

S1：固定加工程序Z轴坐标；

S2：通过改变X轴坐标加工45°平面；

S3：持续向负方向偏移X轴坐标以持续加工不同平面；

S4：检测S3中不同X轴坐标加工的多个不同平面的形貌；

S5：当表面粗糙度值Ra最小时，即光栅尺误差同步。

5.根据权利要求4所述的一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，其特征在于：所述机床光栅尺误差的同步位置的确定过程的S3中，X轴坐标向负方向等距离偏移。

6.根据权利要求4所述的一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，其特征在于：所述机床光栅尺误差的同步位置的确定过程的S5中，当表面粗糙度值Ra最小时，记录平面加工程序的任一点的机床X轴绝对位置坐标以及Z轴绝对位置坐标，并分别除以光栅栅距长度d，分别得到余数w_x以及w_z，则同步相位值w₁＝w_x-w_z。

7.根据权利要求1所述的一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，其特征在于：所述S6中补偿相位值的求取方法包括如下步骤：

S1：加工45°斜面；

S2：使过量补偿函数幅值设置为大于光栅尺误差的值，设置的相对补偿相位为w_2b，且0<w_2b<d；

S3：测量加工后平面形貌；

S4：得出过量补偿表面条纹的峰值相对于原始表面误差条纹的峰值偏移量S₁，以及上述偏移量间距的一半长度为S₂，则实际补偿相位值w₂为：

8.根据权利要求7所述的一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，其特征在于：补偿相位值的求取方法所述S1中，45°斜面的加工包括如下步骤：

S1：将平面加工程序中的前一部分机床X轴坐标以及Z轴坐标按过量补偿函数进行变换，且平面加工程序中的后一部分不进行变换，过量补偿后函数如下：

其中：x_b为过量补偿后的机床X轴坐标值，z_b为过量补偿后的机床Z轴坐标值，x_m为机床X轴坐标，z_m为机床Z轴坐标，E_big为大于光栅误差的补偿函数幅值，w₁为同步相位值，w_2b为相对补偿相位；

S2：将变换后的程序上传到机床数控系统中，执行加工程序。

9.根据权利要求1所述的一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，其特征在于：所述S7中补偿量的确定方法，包括如下步骤：

S1：加工45°平面，通过调节数控程序使X轴以及Z轴的误差函数相位正好差半个周期，相位差对应光栅尺栅距的一半即d/2；

S2：检测所述S2条件下加工的表面形貌；

S3：取S2中表面的二维截面获得PV值；

S4：计算光栅尺误差

补偿量E_c＝E。

10.根据权利要求9所述的一种基于超精密铣削工艺的光栅尺误差补偿方法，其特征在于：补偿量的确定方法的所述S4中，光栅尺误差E与表面的PV值关系为

其推导过程如下：

S1：令公式(7)中k＝1，则：

其中：E_L45°为45°平面的误差值，L为平面加工长度，

S2：将公式(11)分为两部分，即：后一部分余弦值取值范围为：

以及前一部分常数部分当w＝-d/2时有极大值

此时X轴以及Z轴的误差函数相位正好差半个周期，因此

即

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