CN112405108A - 一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法 - Google Patents

一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法，属于误差补偿的超精密加工领域。本发明包括：将固定有工件的压电致动微位移器固定于工作台上；椭圆振动辅助飞切装置和位移传感器固定于床身上，位移传感器通过测量固定在工作台上的高精度标准块可测得工作台移动误差；通过位移传感器测量另一压电致动微位移器变位量的方法，改善压电致动非线性响应问题的基础上，优化反馈控制系统；随着工作台的移动，椭圆振动辅助飞切装置在工件上加工线性微结构的同时，位移传感器将测得的工作台移动误差实时反馈给压电致动微位移器，驱动工件做出相应位移补偿量，改善加工误差，实现普通机床对平行线性微结构的超精密加工。

Description

一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法
技术领域
本发明属于微结构制造技术领域，涉及一种误差补偿的超精密加工方法。
背景技术
微结构功能表面使物体表面具有了一些特定的物理、化学等功能，在成像、探测、太阳能等高科技领域有着广泛应用前景。对于超精密微结构，如多相交线阵组成的线槽组织和微槽结构、棱柱体基体、棱锥体基体以及特殊反射面涂层、薄膜的微观结构等，因其结构几何形状的限制和刀具加工轨迹的限制，普遍采用了经济的金刚石飞切加工。但此类微结构的超精密加工，一般只能在超精密铣床上完成，加工成本较高，难以推广应用，同时占用了超精密机床资源。另外，在超精密加工的误差补偿领域，多是在精密或者超精密机床上安置热传感器和位移传感器监测热变形误差和几何误差，通过修改系统参数法、NC代码补偿法等，靠机床自身基准元部件移动相应误差量来实现微结构超精密加工的。但对于普通机床，当其所能控制自身基准元部件的最小移动量远大于需要补偿的误差量时，则无法通过此类误差补偿方式实现对微结构的超精密加工。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法，基于本发明中的误差补偿方式可以在普通机床上实现对超精密平行线性微结构的低成本加工。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：将固定有工件的压电致动微位移器固定于工作台上；椭圆振动辅助飞切装置和位移传感器固定于床身上，位移传感器通过测量固定在工作台上的高精度标准块可测得工作台移动误差；
步骤二：通过位移传感器测量另一压电致动微位移器变位量的方法，改善压电致动非线性响应问题的基础上，优化反馈控制系统；
步骤三：随着工作台的移动，椭圆振动辅助飞切装置在工件上加工线性微结构的同时，位移传感器将测得的工作台移动误差实时反馈给压电致动微位移器，驱动工件做出相应位移补偿量，改善线性微结构槽的切深方向精度和直线度，按同样方法加工下一行，最终实现普通机床对平行线性微结构的超精密加工。
进一步地，步骤一中，反馈控制系统中装置的具体位置关系为：两个位移传感器藉由微位移台固定于夹具，夹具与椭圆振动辅助飞切装置固定于床身，工件固定于压电致动微位移器上，压电致动微位移器与高精度标准块固定于工作台上，固定方式皆为刚性固定，使总体的位置配置关系实现两个位移传感器可通过测量高精度标准块实时并间接测得线性微结构槽的切深方向误差和直线度误差。
进一步地，步骤二、三中，反馈控制系统采用I-PD控制法，其参数值的设定目标要求为使压电致动微位移器快速响应，且不产生过冲现象。
进一步地，步骤二、三中，采用变换系数确保反馈控制系统驱动工件作出精确的位移反馈量。
进一步地，步骤二、三中，位移传感器的性能要求为：高采样频率，高测量精度。
进一步地，步骤二、三中，压电致动微位移装置及椭圆振动辅助飞切装置的性能要求为：高刚度、高响应精度、高响应频率、低振动误差；压电致动微位移器能驱动工件做出相应位移，来补偿线性微结构槽的切深方向误差和直线度误差。
本发明的有益效果在于：椭圆振动辅助飞切装置结合基于压电致动微位移器的微位移反馈控制系统，以改善平行线性微结构槽的切深方向精度和直线度为目的，实现普通机床对平行线性微结构的超精密加工。使用本发明的反馈控制加工系统，可以不占用精密甚至超精密机床资源，充分发挥利用普通机床资源，在普通机床上完成高附加价值产品的加工，从而实现更高的经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例的加工方法原理图（主视图）；
图2是本发明实施例的加工方法原理图（俯视图）；
图3是本发明的X向反馈控制系统框图；
图4是本发明的X向微位移器非线性响应矫正系统图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：配置反馈控制系统中装置的位置关系，使位移传感器可通过测量高精度标准块实时并间接测得线性微结构槽的加工误差。由图1和图2所示，反馈控制飞切加工部分的位置配置为：固定在压电致动微位移器（压电致动微位移器包含X向微位移器3和Z向微位移器6，两者都是具有压电陶瓷7和作为弹性支撑的磷青铜片13的微位移调节机构，并由螺栓12连接）上的工件4垂直于工作台14；安装有V形（可以是其他形状）金刚石刀具15的椭圆振动辅助飞切装置5刚性固定于床身；压电致动微位移器和高精度标准块11 （其垂直于X轴和Z轴的平面为高精度平面）均刚性固定在工作台14上；位移传感器2（用于测量工作台Z向的误差）和位移传感器8（用于测量工作台X向的误差）通过微位移台9和微位移台10（用于调节位移传感器与高精度标准块之间的距离）固定在夹具1上，夹具1刚性固定于床身上。以上固定方式，满足Abbe原则，以保证两个位移传感器在加工中能通过测量高精度标准块间接测得线性微结构槽的切深方向误差和直线度误差。
步骤二：调整硬件配置和反馈控制方式为适用于普通机床实现超精密误差补偿的最优反馈控制系统。以补偿线性微结构槽的切深方向误差（工作台的X向误差）的反馈控制系统为例：如图3所示，控制系统采用I-PD控制方法，优化I-PD的参数，确保快速的系统响应速度的同时，避免过冲现象的产生，否则将导致压电致动微位移器位移突变造成刀具损坏；为解决X向微位移器3非线性响应的问题，如图4所示，采用了通过位移传感器16监测与X向微位移器3同样配置的另一微位移器17变位量的方法；通过变换系数T来确保正确的反馈误差量（在X向误差补偿的反馈控制系统中，因不能保证两个制作的微位移器性能完全相同，两位移传感器测得的电压值可能有所差异。为此，为确保正确的反馈值，需要一个变换系数T，其测得方法为：通过功能发生器给X向微位移器3和微位移器17相同电压，将位移传感器8移入X向微位移器3中测量其变位量，位移传感器16测量微位移器17的变位量，将位移传感器16测得的电压值除以位移传感器8测得的电压值即得到T的值。在实际控制加工系统中，将变换系数T乘以位移传感器8的电压值，便能保证系统正确的反馈值）。同理，以上方法适用于优化补偿线性微结构槽的直线度误差（工作台的Z向误差）的反馈控制系统。
在本发明中，压电致动微位移器及椭圆振动辅助飞切装置的性能要求为：高刚度、高响应精度（数纳米～数十纳米级）、高响应频率、低振动误差；位移传感器的性能要求为：高采样频率，高测量精度（数纳米～数十纳米级）。否则将无法通过误差补偿实现普通机床对平行线性微结构的超精密加工。
步骤三：如图2所示，工作台14沿Y轴负方向移动，椭圆振动辅助飞切装置5的金刚石刀具15以飞切的形式在工件4上加工线性微结构槽的同时，位移传感器2和位移传感器8通过测量高精度标准块11的移动误差，间接测得线性微结构槽的直线度误差和切深方向误差，进而反馈控制系统将此误差量实时反馈给压电致动微位移器，驱动工件4做出相应位移补偿量，改善线性微结构槽的切深方向精度和直线度。通过调整微位移台9和微位移台10，重新调节位移传感器2和位移传感器8与高精度标准块11之间的距离后，按同样方法加工下一行，如此不断对线性微结构槽进行误差补偿加工，最终实现普通机床对平行线性微结构的超精密加工。以补偿线性微结构槽的切深方向误差（工作台的X向误差）的反馈控制系统为例：在加工V形槽的过程中，当因机床误差致使工作台14在X方向出现误差，导致工件4表面远离或接近椭圆振动辅助飞切装置5时，位移传感器8实时测量高精度标准块11的位置变化（即工作台在X方向出现的误差），通过反馈控制系统将误差量反馈给压电致动微位移器，使X向微位移器3驱动工件4做出相应的变位量，补偿掉工件4与飞椭圆振动辅助飞切装置5之间产生的相对位移误差，从而提高V形槽的切深方向精度（X向的精度）。同理，通过补偿线性微结构槽的直线度误差（工作台的Z向误差）的反馈控制系统，可提高V形槽的直线度（Z向的精度）。

Claims (6)

1.一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：将固定有工件的压电致动微位移器固定于工作台上；椭圆振动辅助飞切装置和位移传感器固定于床身上，位移传感器通过测量固定在工作台上的高精度标准块可测得工作台移动误差；
步骤二：通过位移传感器测量另一压电致动微位移器变位量的方法，改善压电致动非线性响应问题的基础上，优化反馈控制系统；
步骤三：随着工作台的移动，椭圆振动辅助飞切装置在工件上加工线性微结构槽的同时，位移传感器将测得的工作台移动误差（即线性微结构槽的切深方向误差和直线度误差）实时反馈给压电致动微位移器，驱动工件做出相应位移补偿量，改善线性微结构槽的切深方向精度和直线度，按同样方法加工下一行，最终实现普通机床对平行线性微结构的超精密加工。
2.根据权利要求1所述的一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法，其特征在于，步骤一中，反馈控制系统中装置的具体位置关系为：两个位移传感器藉由微位移台固定于夹具，夹具与椭圆振动辅助飞切装置固定于床身，工件固定于压电致动微位移器上，压电致动微位移器与高精度标准块固定于工作台上，固定方式皆为刚性固定，使总体的位置配置关系实现两个位移传感器可通过测量高精度标准块实时并间接测得线性微结构槽的切深方向误差和直线度误差。
3.根据权利要求1所述的一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法，其特征在于，步骤二、三中，反馈控制系统采用I-PD控制法，其参数值的设定目标要求为使压电致动微位移器快速响应，且不产生过冲现象。
4.根据权利要求1所述的一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法，其特征在于，步骤二、三中，采用变换系数确保反馈控制系统驱动工件作出精确的位移反馈量。
5.根据权利要求1所述的一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法，其特征在于，步骤二、三中，位移传感器的性能要求为：高采样频率，高测量精度。
6.根据权利要求1所述的一种普通机床实现超精密平行线性微结构加工方法，其特征在于，步骤二、三中，压电致动微位移装置及椭圆振动辅助飞切装置的性能要求为：高刚度、高响应精度、高响应频率、低振动误差；压电致动微位移器能驱动工件做出相应位移，来补偿线性微结构槽的切深方向误差和直线度误差。
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