CN113232177A - 一种飞切机床纳米调姿补偿装置及低频形状误差抑制方法 - Google Patents

一种飞切机床纳米调姿补偿装置及低频形状误差抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种飞切机床纳米调姿补偿装置及低频形状误差抑制方法，涉及超精密加工技术领域，其技术方案要点是：卧式飞切机床布置三自由度纳米调姿补偿装置，并将加工工件与三自由度纳米调姿补偿装置固定；根据气浮主轴的静动态参数建立断续切削力作用下气浮主轴轴线倾角摆动轨迹的精准预测模型；将精准预测模型预测的轴线倾角摆动轨迹进行补偿反姿态所需的各位移驱动支撑点的伸缩量转化为位移控制指令，并将位移控制指令输入到三自由度纳米调姿补偿装置，以保持加工工件的中心线与气浮主轴的轴线相互平行进行轴线摆动误差补偿。本发明有效解决现有加工机床加工表面存在的低频“类马鞍”形状误差问题，实现低频“类马鞍”形状误差的有效消除。

Description

一种飞切机床纳米调姿补偿装置及低频形状误差抑制方法
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，更具体地说，它涉及一种飞切机床纳米调姿补偿装置及低频形状误差抑制方法。
背景技术
磷酸二氢钾(KDP)晶体由于激光损伤阈值高和透光率好等优良光学性能，被广泛应用于激光大功率装置等国家重大科学工程中，是实现光电开关与倍频转换的重要光学材料。KDP晶体光学元件的使用性能与其表面形貌精度密切相关，例如激光惯性约束聚变对KDP晶体光学元件的低频面形误差、中频波纹误差和高频粗糙度误差分别提出了不同的极高制造精度要求。
而KDP晶体由于质软、易碎、易潮解和各向异性等特点，而被公认为是最难加工的光学材料之一。传统的研磨抛光加工工艺难以达到KDP晶体光学元件所需的精度要求，超精密飞切加工是目前加工KDP晶体光学元件最有效和使用最广泛的加工方式，但切削表面通常存在低频“类马鞍”形状误差。对于激光大功率装置，此类低频几何形状误差容易造成激光光束的偏斜或发散，使得光束超出靶丸的接收范围，甚至会引起激光的异常聚焦而破坏光学元件。研究表明，加工过程中主轴倾角摆动误差是导致飞切加工表面产生低频“类马鞍”形状误差的主要原因，如图1所示。针对此类低频误差，现有的抑制方法通常是对机床结构设计优化，更换主轴，浪费大量的时间和成本，而在现有的飞切机床上，此类低频误差通常难以得到有效消除。
因此，如何研究设计一种飞切机床纳米调姿补偿装置及低频形状误差抑制方法是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种飞切机床纳米调姿补偿装置及低频形状误差抑制方法，通过实时调姿以减小主轴倾角摆动对加工面形的影响，实现对飞切表面低频“类马鞍”形状误差有效抑制，从而提高卧式飞切机床的加工精度。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种飞切机床纳米调姿补偿装置，包括底座和支撑部，支撑部设有供加工工件固定的安装平台，所述支撑部设有三个沿安装平台四周呈三角分布的柔性铰链，每个柔性铰链与底座之间对应设有至少一个位移驱动件以及至少一个位移检测件。
进一步的，所述支撑部呈三角形中空框架，柔性铰链分布在支撑部对应边框的中部。
进一步的，所述位移驱动件位于柔性铰链与底座的相向面之间，位移检测件位于支撑部的外侧，且位移驱动件、位移检测件均垂直于底座表面设置。
进一步的，所述位移驱动件为压电陶瓷。
进一步的，所述位移检测件为电容传感器。
进一步的，所述安装平台为带孔的真空吸盘。
第二方面，提供了如第一方面中任意一项所述的一种飞切机床纳米调姿补偿装置的低频形状误差抑制方法，包括以下步骤：
卧式飞切机床布置三自由度纳米调姿补偿装置，并将加工工件与三自由度纳米调姿补偿装置固定；
根据气浮主轴的静动态参数建立断续切削力作用下气浮主轴轴线倾角摆动轨迹的精准预测模型；
将精准预测模型预测的轴线倾角摆动轨迹进行补偿反姿态所需的各位移驱动支撑点的伸缩量转化为位移控制指令，并将位移控制指令输入到三自由度纳米调姿补偿装置，以保持加工工件的中心线与气浮主轴的轴线相互平行进行轴线摆动误差补偿。
进一步的，所述精准预测模型具体为：
基于空气静压轴承润滑理论计算得到空气轴承的气体润滑雷诺方程信息；
基于轴承在稳态位置受微小扰动作用计算得到轴承内各点的气膜厚度分布信息；
采用泰勒展开方法将气膜压力转换为稳态压力和轴颈各扰动量的函数，得到气膜压力分布信息；
将气膜压力分布信息、气膜厚度分布信息与气体润滑雷诺方程信息融合计算，并基于线性摄动法计算得到稳态雷诺方程信息和摄动方程信息；
基于流量平衡算法，采用有限差分法和微分求积法求解稳态雷诺方程信息和摄动方程信息，得到轴承的稳态和动态气膜压力分布信息；
将稳态和动态气膜压力分布信息沿整个气膜面积积分，得到轴承的稳态承载力、动态刚度和阻尼；
根据轴承的稳态承载力、动态刚度和阻尼将气浮轴承内气膜等效为弹簧阻尼支撑转子，基于断续切削力作用并结合主轴旋转运动微分方程，建立轴承-转子系统动力学模型；
采用锤击法模态试验辨识模型参数，并基于龙格库塔法求解进行气浮轴承-主轴系统的耦合振分析，预测得到主轴倾角摆动响应。
进一步的，所述位移控制指令生成过程具体为：
根据优化后的切削参数构建轴线摆动轨迹预测算法；
实时测量主轴倾角角度与进给位置，并结合待加工晶体的尺寸与夹紧空间点，通过轴线摆动轨迹预测算法获得轴线摆动轨迹；
根据轴线摆动轨迹以及主轴倾角与三个位移驱动件的支撑点空间几何关系，计算得到补偿装置反姿态补偿所需的各位移驱动件支撑点的伸缩量；
将支撑点的伸缩量转化为相应位移驱动件的位移指令。
进一步的，所述切削参数包括主轴转速、进给速度、切削深度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明设计的三自由度纳米调姿补偿装置，由三组圆形柔性铰链与三组相同型号的堆叠式压电陶瓷呈等边三角形对称分布组成三维虚拟快刀装置，结构布局合理刚度高，自由度数与驱动元件数相同，无冗余且无需解耦，能够更加精确的实现纳米级精度的姿态调节功能；
2、本发明基于加工过程中飞切机床气浮主轴轴线倾角摆动的变化规律，同时结合飞切机床主轴角度编码器实时测得的角度信号，通过控制吸附在三自由度纳米调姿装置上的KDP晶体的姿态，使KDP晶体的工件中心线与加工过程的主轴轴线始终相互平行，实现对飞切加工表面低频“类马鞍”形状误差的有效抑制；本发明有效解决现有超精密飞切加工机床加工表面存在的低频“类马鞍”形状误差问题，对气浮主轴的旋转精度无需特别苛刻要求的条件下，通过无需解耦的三自由度纳米调姿装置，依据主轴轴线摆动规律，实现低频“类马鞍”形状误差的有效消除，保证飞切加工的KDP晶体在高功率激光装置中的精度使用要求。
3、本发明通过对断续切削力作用下空气静压轴承的动态特性进行分析，获得断续切削力作用下气浮轴承的动刚度与动阻尼系数，建立轴承-转子系统的动力学模型，获得精确的卧式飞刀切削主轴倾角摆动预测模型。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中主轴倾角摆动引起的飞切表面低频“类马鞍”形状误差示意图；
图2是本发明实施例中三自由度纳米调姿补偿装置的结构示意图；
图3是本发明实施例中三自由度纳米调姿补偿装置与飞切机床的集成安装示意图；
图4是本发明实施例中飞切机床气浮主轴的轴线摆动轨迹预测建模的流程图；
图5是本发明实施例中飞切加工表面低频“类马鞍”形状误差补偿示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
101、底座；102、支撑部；103、柔性铰链；104、安装平台；105、位移检测件；106、位移驱动件；107、三自由度纳米调姿补偿装置；201、床身；202、进给组件；203、气浮主轴；204、定位组件；205、隔振组件；206、支撑组件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1：一种飞切机床纳米调姿补偿装置，如图2所示，包括底座101和支撑部102，支撑部102设有供加工工件固定的安装平台104，所述支撑部102设有三个沿安装平台104四周呈三角分布的柔性铰链103，每个柔性铰链103与底座101之间对应设有一个位移驱动件106以及一个位移检测件105。在本实施例中，位移驱动件106为压电陶瓷，位移检测件105为电容传感器，安装平台104为带孔的真空吸盘，真空吸盘以真空吸附方式实现对KDP晶体的夹紧。
支撑部102呈正三角形中空框架，柔性铰链103分布在支撑部102对应边框的中部。
位移驱动件106位于柔性铰链103与底座101的相向面之间，位移检测件105位于支撑部102的外侧，且位移驱动件106、位移检测件105均垂直于底座101表面设置。
如图3所示，卧式超精密飞切机床包括从下至上依次设置的支撑组件206、四个隔振组件205、床身201，床身201上表面设有进给组件202和定位组件204，进给组件202上设置有用于安装飞刀盘的气浮主轴203，三自由度纳米调姿补偿装置107安装在定位组件204上，通过控制气浮主轴203直线运动实现飞刀盘上金刚石刀具的进给，通过根据不同输入指令对三个压电陶瓷进行控制，实现KDP晶体的姿态调节，使KDP晶体的工件中心线与加工过程的气浮主轴203轴线始终相互平行。以此减小在断续切削过程中气浮主轴203轴线倾角摆动对飞切加工表面误差的影响，抑制由气浮主轴203轴线摆动产生的低频“类马鞍”形状误差。因此，能够实现在不需要更换气浮主轴203的条件下，能较为灵活的有效抑制低频“类马鞍”形状误差。
需要说明的是，三自由度纳米调姿补偿装置107安装于卧式超精密飞切机床的Z轴定位组件204上，气浮主轴203和带有金刚石刀具的飞刀盘安装在X轴上。
实施例2：一种飞切机床纳米调姿补偿装置的低频形状误差抑制方法，如图5所示，包括以下步骤：
S1：卧式飞切机床布置三自由度纳米调姿补偿装置，并将加工工件与三自由度纳米调姿补偿装置固定；三自由度纳米调姿补偿装置可采用实施例1中记载的纳米调姿补偿装置；
S2：根据气浮主轴的静动态参数建立断续切削力作用下气浮主轴轴线倾角摆动轨迹的精准预测模型；
S3：将精准预测模型预测的轴线倾角摆动轨迹进行补偿反姿态所需的各位移驱动支撑点的伸缩量转化为位移控制指令，并将位移控制指令输入到三自由度纳米调姿补偿装置，以保持加工工件的中心线与气浮主轴的轴线相互平行进行实时响应补偿，从而获得补偿后的飞切表面，实现对加工表面低频“类马鞍”形状误差的抑制。
在步骤S2中，如图4所示，精准预测模型具体为：
S21：基于空气静压轴承润滑理论，联立Navier-Stokes方程、质量守恒定律以及气体状态方程计算得到空气轴承的气体润滑雷诺方程信息；
S22：基于轴承在稳态位置受微小扰动作用计算得到轴承内各点的气膜厚度分布信息；
S23：采用泰勒展开方法将气膜压力转换为稳态压力和轴颈各扰动量的函数，得到气膜压力分布信息；
S24：将气膜压力分布信息、气膜厚度分布信息与气体润滑雷诺方程信息融合计算，并基于线性摄动法计算得到稳态雷诺方程信息和摄动方程信息；
S25：基于流量平衡算法，采用有限差分法和微分求积法求解稳态雷诺方程信息和摄动方程信息，得到轴承的稳态和动态气膜压力分布信息；
S26：将稳态和动态气膜压力分布信息沿整个气膜面积积分，得到轴承的稳态承载力、动态刚度和阻尼；
S27：根据轴承的稳态承载力、动态刚度和阻尼将气浮轴承内气膜等效为弹簧阻尼支撑转子，基于断续切削力作用并结合主轴旋转运动微分方程，建立轴承-转子系统动力学模型；
S28：采用锤击法模态试验辨识模型参数，并基于龙格库塔法求解进行气浮轴承-主轴系统的耦合振分析，预测得到主轴倾角摆动响应。
在本实施例中，气浮轴承的动态参数计算包括径向空气轴承静动态参数计算和止推空气轴承静动态参数计算。
A.径向空气轴承静动态参数计算
采用有限差分法计算雷诺方程，可以得到动态特性参数。为了简化轴颈轴承的计算，采用柱坐标。径向空气轴承的气体润滑雷诺方程如下：
Figure BDA0003081026260000061
式中，R为轴颈半径；H为气膜厚度；p为气膜压力；μ为气体粘度系数；Ω为轴颈角速度。
忽略扰动二阶以上的高阶项：
Figure BDA0003081026260000062
代入如下无量纲参数：
Figure BDA0003081026260000063
τ＝γΩt，
Figure BDA0003081026260000064
式中，
Figure BDA0003081026260000065
为无量纲气膜压力；pa为环境压强；C为轴颈平均半径间隙；γ为涡动比；τ为无量纲时间；Λ为轴承数；c0为轴承平均半径间隙，t为时间。
将上述无量纲参数代入式(2)：
Figure BDA0003081026260000066
忽略沿z轴的运动，由微扰动引起的无量纲气膜压力和气膜厚度可以表示为：
Figure BDA0003081026260000067
Figure BDA0003081026260000068
其中，
Figure BDA0003081026260000069
为轴承稳态时的无量纲气膜厚度；Φm0为轴承稳态姿态角；ε0为轴承稳态偏心率；
Figure BDA00030810262600000610
和
Figure BDA00030810262600000611
分别为绕x方向与y方向的倾斜角。
由小扰动量产生的位移和倾斜角度
Figure BDA00030810262600000612
较小。将式(3)和式(4)代入式(1)，只保留零项和一阶项。采用有限差分法计算压力的变化，通过对气膜压力积分，可以确定径向空气轴承的动态特性系数：
Figure BDA0003081026260000071
式中，
Figure BDA0003081026260000072
和
Figure BDA0003081026260000073
为径向轴承沿x和y方向的稳态承载力，单位N；Mx0和My0为径向轴承沿x和y方向的稳态承载力矩，单位Nm；P0为稳态气膜压力分布，单位N/m2。
Figure BDA0003081026260000074
Figure BDA0003081026260000075
式中，KJB为径向轴承的动态刚度；cJB为径向轴承的动态刚度；
Figure BDA0003081026260000076
为径向轴承各方向的动态压力。
B.止推空气轴承静动态参数计算
在β-γ坐标系下止推空气静压轴承的雷诺方程为：
Figure BDA0003081026260000077
在不考虑径向平移运动的情况下，由微扰动引起的气膜厚度和气膜压力为：
Figure BDA0003081026260000078
Figure BDA0003081026260000079
其中，
Figure BDA00030810262600000710
H0为轴承稳态时的气膜厚度。
将下述无量纲参数代入式(9)、式(10)和式(11)：
Figure BDA0003081026260000081
可得止推空气静压轴承的无量纲形式雷诺方程以及无量纲形式的气膜压力和厚度的表达式：
Figure BDA0003081026260000082
Figure BDA0003081026260000083
Figure BDA0003081026260000084
式中，
Figure BDA0003081026260000085
是由于微扰动引起的z轴移动位移和绕x轴、y轴产生的倾角。
将式(13)、(14)代入式(12)，只保留零阶项和一阶项。采用有限差分法求解止推轴承稳态雷诺方程和摄动方程，可得止推轴承稳态和动态的气膜压力。通过对气膜内压力沿整个气膜面积积分，可以得到止推空气轴承的动态特性系数：
Figure BDA0003081026260000086
式中，
Figure BDA0003081026260000087
为止推轴承沿z方向的稳态承载力，单位N；MT x0、MT y0分别为止推轴承沿x、y方向的稳态承载力矩，单位Nm；P0为稳态气膜压力分布，N/m2；
Figure BDA0003081026260000088
Figure BDA0003081026260000089
式中，KTB为止推轴承的动态刚度；cTB为止推轴承的动态刚度；
Figure BDA00030810262600000810
为止推轴承各方向的动态压力。
在步骤S3中，位移控制指令生成过程具体为：
S31：根据优化后的切削参数构建轴线摆动轨迹预测算法；切削参数包括但不限于主轴转速、进给速度、切削深度；
S32：实时测量主轴倾角角度与进给位置，并结合待加工晶体的尺寸与夹紧空间点，通过轴线摆动轨迹预测算法获得轴线摆动轨迹；
S33：根据轴线摆动轨迹以及主轴倾角与三个位移驱动件的支撑点空间几何关系，计算得到补偿装置反姿态补偿所需的各位移驱动件支撑点的伸缩量；
S34：将支撑点的伸缩量转化为相应位移驱动件的位移指令。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞切机床纳米调姿补偿装置，包括底座(101)和支撑部(102)，支撑部(102)设有供加工工件固定的安装平台(104)，其特征是，所述支撑部(102)设有三个沿安装平台(104)四周呈三角分布的柔性铰链(103)，每个柔性铰链(103)与底座(101)之间对应设有至少一个位移驱动件(106)以及至少一个位移检测件(105)。
2.根据权利要求1所述的一种飞切机床纳米调姿补偿装置，其特征是，所述支撑部(102)呈三角形中空框架，柔性铰链(103)分布在支撑部(102)对应边框的中部。
3.根据权利要求2所述的一种飞切机床纳米调姿补偿装置，其特征是，所述位移驱动件(106)位于柔性铰链(103)与底座(101)的相向面之间，位移检测件(105)位于支撑部(102)的外侧，且位移驱动件(106)、位移检测件(105)均垂直于底座(101)表面设置。
4.根据权利要求1所述的一种飞切机床纳米调姿补偿装置，其特征是，所述位移驱动件(106)为压电陶瓷。
5.根据权利要求1所述的一种飞切机床纳米调姿补偿装置，其特征是，所述位移检测件(105)为电容传感器。
6.根据权利要求1所述的一种飞切机床纳米调姿补偿装置，其特征是，所述安装平台(104)为带孔的真空吸盘。
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种飞切机床纳米调姿补偿装置的低频形状误差抑制方法，其特征是，包括以下步骤：
卧式飞切机床布置三自由度纳米调姿补偿装置，并将加工工件与三自由度纳米调姿补偿装置固定；
根据气浮主轴的静动态参数建立断续切削力作用下气浮主轴轴线倾角摆动轨迹的精准预测模型；
将精准预测模型预测的轴线倾角摆动轨迹进行补偿反姿态所需的各位移驱动支撑点的伸缩量转化为位移控制指令，并将位移控制指令输入到三自由度纳米调姿补偿装置，以保持加工工件的中心线与气浮主轴的轴线相互平行进行轴线摆动误差补偿。
8.根据权利要求7所述的一种飞切机床纳米调姿补偿装置的低频形状误差抑制方法，其特征是，所述精准预测模型具体为：
基于空气静压轴承润滑理论计算得到空气轴承的气体润滑雷诺方程信息；
基于轴承在稳态位置受微小扰动作用计算得到轴承内各点的气膜厚度分布信息；
采用泰勒展开方法将气膜压力转换为稳态压力和轴颈各扰动量的函数，得到气膜压力分布信息；
将气膜压力分布信息、气膜厚度分布信息与气体润滑雷诺方程信息融合计算，并基于线性摄动法计算得到稳态雷诺方程信息和摄动方程信息；
基于流量平衡算法，采用有限差分法和微分求积法求解稳态雷诺方程信息和摄动方程信息，得到轴承的稳态和动态气膜压力分布信息；
将稳态和动态气膜压力分布信息沿整个气膜面积积分，得到轴承的稳态承载力、动态刚度和阻尼；
根据轴承的稳态承载力、动态刚度和阻尼将气浮轴承内气膜等效为弹簧阻尼支撑转子，基于断续切削力作用并结合主轴旋转运动微分方程，建立轴承-转子系统动力学模型；
采用锤击法模态试验辨识模型参数，并基于龙格库塔法求解进行气浮轴承-主轴系统的耦合振分析，预测得到主轴倾角摆动响应。
9.根据权利要求7所述的一种飞切机床纳米调姿补偿装置及低频形状误差抑制方法，其特征是，所述位移控制指令生成过程具体为：
根据优化后的切削参数构建轴线摆动轨迹预测算法；
实时测量主轴倾角角度与进给位置，并结合待加工晶体的尺寸与夹紧空间点，通过轴线摆动轨迹预测算法获得轴线摆动轨迹；
根据轴线摆动轨迹以及主轴倾角与三个位移驱动件的支撑点空间几何关系，计算得到补偿装置反姿态补偿所需的各位移驱动件支撑点的伸缩量；
将支撑点的伸缩量转化为相应位移驱动件的位移指令。
10.根据权利要求9所述的一种飞切机床纳米调姿补偿装置及低频形状误差抑制方法，其特征是，所述切削参数包括主轴转速、进给速度、切削深度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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