CN111571272A - 回转类零件精确找正方法 - Google Patents

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Abstract

一种回转类零件精确找正方法，属于精密超精密加工领域，步骤：1)在位精车回转类工件夹具定位安装面，将零件与回转类工件夹具定位安装面贴合，将固持力调小至零件可推动但不自动滑落；安装并调试主控制系统、高精度位移检测系统和微纳米位移执行系统。2)调整高精度位移检测系统中微位移检测模块、微纳米位移执行系统中微纳米位移执行器至回零件外圆面的距离。3)主控制系统控制高精度位移检测系统检测零件外圆面的跳动，根据零件外圆跳动检测结果，控制微纳米位移执行器移动并推动零件移动。4)重复步骤3)至零件跳动量≤理论计算最大跳动值，完成找正。本发明能够降低生产成本，找正精度可达到亚微米甚至纳米级水平，找正精度重复性好。

Description

回转类零件精确找正方法
技术领域
本发明属于精密超精密加工领域，涉及回转类零件精确找正方法。
背景技术
回转类零件，例如：环、轴、轴套、球面或非球面零件、罩壳等，广泛应用于汽车、医疗、电子、精密仪器仪表、航空航天、军事及精密物理实验等领域。为满足不同领域对高性能及高可靠性的应用需求，对零件的加工精度提出了极其苛刻的要求，关键零部件的加工精度需要达到精密或超精密水平，即要求其尺寸精度达到微米甚至亚微米级，表面粗糙度达到纳米级。
高精度回转类零件作为工业应用中的关键零部件，主要采用超精密车削、超精密磨削等方法加工。超精密加工过程是保证零件尺寸精度和表面质量的关键工序，其加工过程切深极小，通常在百十纳米至几微米，材料去除率极低，加工效率低，加工成本高，因此为提高加工效率，降低加工成本，通常超精密加工阶段的加工余量控制较小，一般不超过十几微米，具体余量大小根据实际工艺过程的尺寸精度控制能力确定。
超精密车削或超精密磨削加工中，零件装夹时，保证零件回转中心线和机床主轴回转中心线同轴的过程称为找正，找正是车削加工中保证零件加工尺寸精度和后道工序加工余量控制的重要过程，主要表现在两方面：第一，对于回转类零件单面加工，找正精度低，即零件回转中心线和实际主轴回转中心线偏心较大，零件围绕机床主轴回转中心线做偏心运动，导致加工余量不均匀，加工过程工具的切深变化，切削力波动导致加工过程不稳定，易引起刀具崩碎，零件表面质量差，同时由于零件装夹过程找正精度低，零件回转中心线和实际主轴回转中心线偏心较大，上道工序必须保留更多的加工余量，以保证后续零件加工时尺寸精度的控制，这必然导致加工效率低下，加工成本增加；第二，尤其对于回转类零件双面加工，针对内外表面的加工需要进行二次装夹定位，由于找正精度低，加工后，内表面的实际回转中心线和外表面的实际回转中心线不同轴，即使内外表面的理论轮廓精度很高，能满足要求，但由于内外表面的回转中心线存在同轴度偏差，必然造成零件壁厚误差大，难以满足零件高精度的加工需求。目前，对于普通零件单面加工，无需进行精密/超精密加工，加工效率高，零件装夹通常是操作人员采用百分表或千分表对零件的径向跳动进行检测，然后采用铜棒、铝棒、橡胶或塑料等较软的棒或锤击打零件外圆，使零件中心和机床主轴中心同轴，该方法快捷便利，但是找正精度低，通常在10微米以上，对于部分特殊有更高加工精度要求的零件，可以通过高技能的工人师傅反复找正，能获得接近微米级的找正精度，并通过适当增加零件的加工余量，可以满足只需单面加工的回转类零件的要求，但是其难度高，且费时费力。
即便如此，然而，对于零件内外表面均需要加工以同时保证零件的内外表面轮廓精度、尺寸精度和壁厚误差时，找正误差直接决定该类零件加工壁厚误差，无法通过增加零件加工余量降低或消除，此时找正精度已然成为约束零件加工精度进一步提高的关键技术瓶颈，对于超精密加工中要实现亚微米级的找正精度，依靠操作技术人员已难以实现。
为此，急需发明回转类零件精确找正方法，以满足回转类零件精密/超精密加工中亚微米级甚至更高精度的找正需求。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出回转类零件精确找正方法，以满足回转类零件精密/超精密加工中亚微米级甚至更高精度的找正需求。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
回转类零件精确找正方法，基于主控制系统、高精度位移检测系统和微纳米位移执行系统等三大主要部分实现：
所述的主控制系统主要用于控制高精度位移检测系统工作，并对高精度位移检测系统采集到的位移数据进行分析处理，然后根据数据处理结果控制微纳米位移执行系统进行工作，完成零件位置调整。
所述的高精度位移检测系统主要包括微位移检测模块6、数据传输与信号处理模块、数据存储和显示模块，用于对零件的径向跳动进行检测，并输出相关可被识别的量化的位移量。其中，微位移检测模块6根据实际应用需求可以选择激光位移传感器、电容位移传感器、电感测微仪等高精度位移检测装置中的一种或几种组合使用，用于实现微小位移量的检测，并将检测结果转换成可被数据传输与信号处理模块识别的模拟量信号；数据传输与信号处理模块主要用于向微位移检测模块提供必要的电能，并实时采集微位移检测模块输出的位移量模拟信号，并将该位移量模拟信号进行放大后转换成数字量信号并传输给数据存储和显示模块；数据存储和显示模块主要用于对微位移检测模块采集到的位移信号经数据传输与信号处理模块进行信号放大和模数转换后进行存储和显示。
所述的微纳米位移执行系统主要包括微纳米位移执行器9、微纳米位移控制器两部分。其中，微纳米位移执行器9可根据需求选用微纳米压电陶瓷执行器、音圈电机、微位移运动机构等中的一种或几种组合使用，用于实现微纳米精度的位移量；微纳米位移控制器主要用于对输入信号进行处理，并根据输入信号大小，控制微纳米位移执行器输出相应大小的位移量。
所述的回转类零件精确快速找正方法包括以下步骤：
A、将回转类工件夹具3安装在机床主轴1上，在位精车回转类工件夹具3定位安装面，将回转类曲面零件7的法兰4与回转类工件夹具3定位安装面相贴合，并将固持力调小至回转类曲面零件7可以推动但不自动滑落，安装好回转类曲面零件7并粗调法兰4外圆跳动至10-30μm。
B、安装并调试主控制系统、高精度位移检测系统和微纳米位移执行系统将高精度位移检测系统和微纳米位移执行系统按要求安装固定在待加工零件附近，并将主控制系统、高精度位移检测系统和微纳米位移执行系统按要求通过导线或数据线连接并调试好，具体为：
将高精度位移检测系统的微位移检测模块6按要求安装固定在回转类曲面零件7的法兰4附近，并通过信号线A1 5将微位移检测模块6和数据传输与信号处理模块相连，通过信号线A3 13将数据传输与信号处理模块和数据存储与显示模块相连，通过信号线A2 12将数据存储与显示模块和主控制系统相连组成高精度位移检测系统；
将微纳米位移执行系统的微纳米位移执行器9按要求安装固定在回转类曲面零件7的法兰4附近，并通过信号线B1 10将微纳米位移执行器9和微纳米位移控制器相连，通过信号线B2 11将微纳米位移控制器和主控制系统相连组成微纳米位移执行系统；
同时主控制系统还通过信号线C14与机床主轴1相连，用于控制机床主轴1旋转或停止。
C、调整高精度位移检测系统中微位移检测模块6至回转类曲面零件7外圆面的距离，使得微位移检测模块6至回转类曲面零件7外圆面的距离在微位移检测模块6的测量范围内。
D、调整微纳米位移执行系统中微纳米位移执行器9至回转类曲面零件7外圆面的距离，使得微纳米位移执行器9前端面至回转类曲面零件7的法兰4外圆面的距离d0小于微纳米位移执行器9的最大行程L0的1/4。
E、主控制系统控制高精度位移检测系统检测回转类曲面零件7的法兰4外圆面的跳动；
主控制系统控制机床主轴1旋转，并同时控制高精度位移检测系统中微位移检测模块6对回转类曲面零件7的法兰4外圆面跳动进行检测，根据回转类曲面零件7的法兰4外圆直径大小，将回转类曲面零件7的法兰4外圆周长分成N(N为正整数)段等长度的弧长，记录回转类曲面零件7的法兰4连续旋转n(n为正整数)圈时每等分点的跳动值。
F、对高精度位移检测系统检测的回转类曲面零件7的法兰4外圆跳动数据进行分析计算对应角度位置θ(i)及相应的偏移量δ(i)；
主控制系统对高精度位移检测系统采集到的数据进行分析，具体根据每周360°，按弧长等分为N段，即；回转类曲面零件(7)每旋转一周采样N个点，所有数据点经过低通滤波后，每转数据分别进行数据拟合，再按等角度细分，因此每个角度点有n个数据点，则圆周上对应角度位置θ(i)点的偏移量δ(i)的平均值δ(i)＝(δ(1)+δ(2)+…+δ(j)+…+δ(n))/n。
G、主控制系统根据回转类曲面零件7的法兰4外圆跳动检测结果，通过控制微纳米位移控制器控制微纳米位移执行器9移动并推动回转类曲面零件7移动；
主控制系统对步骤E中获得的N个采样角度点θ(i)上的偏移量依次求平均位移δ(i)，控制微纳米位移控制器控制微纳米位移执行器9移动并推动回转类曲面零件7移动，其实际移动量L＝R(i)+d0。
H、重复步骤E、F、G直至回转类曲面零件7的跳动量δ≤ε，完成回转类曲面零件7找正，其中ε为理论计算的最大跳动值，。
对于内外表面均需要加工以同时保证零件的内外表面轮廓精度、尺寸精度和壁厚误差的零件，只需将零件翻面后安装上述方法找正，保证零件找正精度即可。
与现有技术比较，本发明具有以下优点：
(1)本发明的回转类零件精确找正方法采用高精度位移检测装置和微纳米位移执行器对回转类零件进行找正，与传统的通过操作员采用千分表和人工手握软质棒料锤击的方式相比，本发明的回转类零件精确找正方法具有找正精度高，解除了找正精度严重依赖操作人员的技能约束，对操作者技术要求低，减轻了操作者的劳动强度，降低了生产成本；
(2)本发明的回转类零件精确找正方法与传统的找正方法相比，该方法的找正精度可达到亚微米甚至纳米级水平，找正精度重复性好，能有效解决精密/超精密加工中找正精度低，困难大这一技术瓶颈，且可用于自动化加工中零件精确快速找正。
附图说明
图1为本发明实施例的回转类零件精确快速找正示意图。
图2为本发明实施例的回转类零件精确快速找正方法流程图。
图中：1机床主轴，2机床主轴回转中心线，3回转类工件夹具，4法兰，5信号线A1，6微位移检测模块，7回转类曲面零件，8曲面零件回转中心线，9微纳米位移执行器，10信号线B1，11信号线B2，12信号线A2，13信号线A3，14信号线C。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
如图1和图2所示，回转类零件精确找正方法，包括以下步骤：
A、将回转类工件夹具3安装在机床主轴1上，在位精车回转类工件夹具3定位安装面，将回转类曲面零件7的法兰4与回转类工件夹具3定位安装面相贴合，并将固持力调小至回转类曲面零件7可以推动但不自动滑落，安装好回转类曲面零件7并粗调法兰4外圆跳动至10-30μm。
B、安装并调试主控制系统、高精度位移检测系统和微纳米位移执行系统；
将微位移检测模块6按要求安装固定在回转类曲面零件7的法兰4附近，并利用信号线A1 5将微位移检测模块6和数据传输与信号处理模块相连，信号线A3 13将数据传输与信号处理模块和数据存储与显示模块相连，信号线A2 12将数据存储与显示模块和主控制系统相连组成高精度位移检测系统；将微纳米位移执行器9按要求安装固定在回转类曲面零件7的法兰4附近，并利用信号线B1 10将微纳米位移执行器9和微纳米位移控制器相连，信号线B2 11将微纳米位移控制器和主控制系统相连组成微纳米位移执行系统；同时主控制系统还通过信号线C14与机床主轴1相连，用于控制机床主轴1旋转或停止。
C、调整高精度位移检测系统中微位移检测模块6至回转类曲面零件7的法兰4外圆面的距离，使得微位移检测模块6至回转类曲面零件7的法兰4外圆面的距离在微位移检测模块6的测量范围内，最好位于量程的1/2位置附近。
D、调整微纳米位移执行系统中微纳米位移执行器9至回转类曲面零件7的法兰4外圆面的距离，使得微纳米位移执行器9的前端面至回转类曲面零件7的法兰4外圆面的距离d0小于微纳米位移执行器9的最大行程L0的1/4。
E、主控制系统控制高精度位移检测系统检测回转类曲面零件7的法兰4外圆面的跳动；
主控制系统控制机床主轴1旋转，并同时控制高精度位移检测系统中微位移检测模块6对回转类曲面零件7的法兰4外圆面跳动进行检测，其跳动值δ即为附图1中机床主轴回转中心线2与曲面零件回转中心线8的距离，根据回转类曲面零件7的法兰4外圆直径大小，将回转类曲面零件7的法兰4外圆周长分成N(N为正整数)段等长度的弧长，记录回转类曲面零件7的法兰4连续旋转n(n为正整数)圈时每等分点的跳动值。
F、对高精度位移检测系统检测的回转类曲面零件7的法兰4外圆跳动数据进行分析计算对应角度位置θ(i)及相应的偏移量δ(i)；
主控制系统对高精度位移检测系统采集到的数据进行分析，具体根据每周360°，按弧长等分为N段，即回转类曲面零件(7)每旋转一周采样N个点，所有数据点经过低通滤波后，每转数据分别进行数据拟合，再按等角度细分，因此每个角度点有n个数据点，则圆周上对应角度位置θ(i)点的偏移量δ(i)的平均值δ(i)＝(δ(1)+δ(2)+…+δ(j)+…+δ(n))/n。
G、主控制系统根据回转类曲面零件7的法兰4外圆跳动检测结果，通过控制微纳米位移控制器控制微纳米位移执行器9移动并推动回转类曲面零件7移动；
主控制系统对步骤E中获得的N个采样角度点θ(i)上的偏移量依次求平均位移δ(i)，控制微纳米位移控制器控制微纳米位移执行器(9)移动并推动回转类曲面零件(7)移动，其实际移动量L＝δ(i)+d0。
H、重复步骤E、F、G直至零件实际跳动量δ满足δ≤ε，完成回转类曲面零件7找正，其中：δ值即为机床主轴回转中心线2与曲面零件回转中心线8的距离，ε为理论计算的最大跳动值。
对于内外表面均需要加工以同时保证零件的内外表面轮廓精度、尺寸精度和壁厚误差的零件，只需将零件翻面后安装上述方法找正，保证零件找正精度即可。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.回转类零件精确找正方法，其特征在于，所述的回转类零件精确快速找正方法基于主控制系统、高精度位移检测系统和微纳米位移执行系统三个主要部分实现，包括以下步骤：
A、将回转类工件夹具(3)安装在机床主轴(1)上，在位精车回转类工件夹具(3)定位安装面，将回转类曲面零件(7)的法兰(4)与回转类工件夹具(3)定位安装面相贴合，并将固持力调小至回转类曲面零件(7)可以推动但不自动滑落，安装好回转类曲面零件(7)并粗调法兰(4)外圆跳动至10-30μm；
B、安装并调试主控制系统、高精度位移检测系统和微纳米位移执行系统将高精度位移检测系统和微纳米位移执行系统按要求安装固定在待加工零件附近，并将主控制系统、高精度位移检测系统和微纳米位移执行系统按要求通过导线或数据线连接并调试好，具体为：
所述的高精度位移检测系统包括微位移检测模块(6)、数据传输与信号处理模块、数据存储和显示模块，用于对回转类曲面零件(7)的径向跳动进行检测，并输出相关可被识别的量化的位移量；将高精度位移检测系统的微位移检测模块(6)按要求安装固定在回转类曲面零件(7)的法兰(4)附近；并通过信号线A1(5)将微位移检测模块(6)和数据传输与信号处理模块相连，微位移检测模块(6)检测微小位移量，数据传输与信号处理模块实时采集微位移检测模块(6)输出的位移量模拟信号；通过信号线A3(13)将数据传输与信号处理模块和数据存储与显示模块相连，通过信号线A2(12)将数据存储与显示模块和主控制系统相连组成高精度位移检测系统；
所述的微纳米位移执行系统包括微纳米位移执行器(9)、微纳米位移控制器；将微纳米位移执行系统的微纳米位移执行器(9)按要求安装固定在回转类曲面零件(7)的法兰(4)附近，并通过信号线B1(10)将微纳米位移执行器(9)和微纳米位移控制器相连，微纳米位移执行器(9)用于实现微纳米精度的位移量，微纳米位移控制器对输入信号进行处理，并根据输入信号大小，控制微纳米位移执行器(9)输出相应大小的位移量；通过将和主控制系统相连；
所述的主控制系统通过信号线B2(11)与微纳米位移控制器相连，主控制系统还通过信号线C(14)与机床主轴(1)相连，用于控制机床主轴(1)旋转或停止；主控制系统用于控制高精度位移检测系统工作，并对高精度位移检测系统采集到的位移数据进行分析处理，根据数据处理结果控制微纳米位移执行系统工作，完成零件位置调整；
C、调整高精度位移检测系统中微位移检测模块(6)至回转类曲面零件(7)外圆面的距离，使得微位移检测模块(6)至回转类曲面零件(7)外圆面的距离在微位移检测模块(6)的测量范围内；
D、调整微纳米位移执行系统中微纳米位移执行器(9)至回转类曲面零件(7)外圆面的距离，使得微纳米位移执行器(9)前端面至回转类曲面零件(7)的法兰(4)外圆面的距离d0小于微纳米位移执行器(9)的最大行程L0的1/4；
E、主控制系统控制高精度位移检测系统检测回转类曲面零件(7)的法兰(4)外圆面的跳动主控制系统控制机床主轴(1)旋转，并同时控制高精度位移检测系统中微位移检测模块(6)对回转类曲面零件(7)的法兰(4)外圆面跳动进行检测，根据回转类曲面零件(7)的法兰(4)外圆直径大小，将回转类曲面零件(7)的法兰(4)外圆周长分成N段等长度的弧长，记录回转类曲面零件(7)的法兰(4)连续旋转n圈时每等分点的跳动值，其中N为正整数、n为正整数；
F、对高精度位移检测系统检测的回转类曲面零件(7)的法兰(4)外圆跳动数据进行分析计算对应角度位置θ(i)及相应的偏移量δ(i)；
主控制系统对高精度位移检测系统采集到的数据进行分析，具体根据每周360°，按弧长等分为N段，即回转类曲面零件(7)每旋转一周采样N个点，所有数据点经过低通滤波后，每转数据分别进行数据拟合，再按等角度细分，因此每个角度点有n个数据点，则圆周上对应角度位置θ(i)点的偏移量δ(i)的平均值δ(i)＝(δ(1)+δ(2)+…+δ(j)+…+δ(n))/n；
G、主控制系统根据回转类曲面零件(7)的法兰(4)外圆跳动检测结果，通过控制微纳米位移控制器控制微纳米位移执行器(9)移动并推动回转类曲面零件(7)移动；
主控制系统对步骤E中获得的N个采样角度点θ(i)上的偏移量依次求平均位移δ(i)，控制微纳米位移控制器控制微纳米位移执行器(9)移动并推动回转类曲面零件(7)移动，其实际移动量L＝δ(i)+d0；
H、重复步骤E、F、G直至回转类曲面零件(7)的跳动量值δ≤ε，完成回转类曲面零件(7)找正，其中ε为理论计算的最大跳动值，跳动值δ为机床主轴回转中心线与曲面零件回转中心线的距离。
2.根据权利要求1所述的回转类零件精确找正方法，其特征在于，所述的微位移检测模块(6)根据实际应用需求选择激光位移传感器、电容位移传感器、电感测微仪或其他高精度位移检测装置中的一种或几种组合使用。
3.根据权利要求1或2所述的回转类零件精确找正方法，其特征在于，微纳米位移执行器(9)根据需求选用微纳米压电陶瓷执行器、音圈电机、微位移运动机构中的一种或几种组合使用。
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