CN113458870A - 一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件及方法，试件包括基座；所述基座的表面上设置有多个周期性沟槽阵列结构，多个周期性沟槽阵列结构用于构造不同周期频率结构特征，以实现进给系统的伺服动刚度辨识。本发明提供的试件在切削过程中可以对超精密机床进给系统产生周期性激励，从而实现以试件加工检测来辨识机床进给系统伺服动刚度的效果。
Description
技术领域
本发明属于超精密机床刚度性能检测技术领域，具体涉及一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件及方法。
背景技术
随着我国大科学工程及国防领域武器系统研发的推进，关键核心部件如精密物理实验样品、光学零件等高性能零件对加工精度和表面质量提出了越来越高的超精密制造要求。超精密机床是高性能零件超精密加工的主要工作母机之一，其性能精度是保障零件加工质量的基础，超精密机床的伺服动态性能直接影响非回转对称复杂曲面特征的超精密加工效果。超精密车床的进给伺服系统为静压直驱进给系统，其进给方向的动态特性由伺服刚度决定，为满足超精密加工过程中的刀刃与被加工元件准确相对位置关系这一要求，伺服控制系统不仅需要足够的稳态定位精度，还需要足够的刚度，以抵抗切削力载荷对切削运动的影响，从而保证机床进给轴在切削过程中的运动精度，进而实现高性能元件的高精度加工。因此，辨识伺服动刚度特性对优化提升进给系统的动态特性具有重要意义。
现有伺服动刚度辨识方法是基于仪器检测的方法，即通过外部激励器对被检对象施加载荷，检测进给系统在载荷驱动下的位移偏差，二者比值即为伺服动刚度的辨识值。基于仪器检测方法原理简单，但仍存在不以切削工件为本源的局限性，辨识过程与机床实际加工过程存在差异，导致伺服动刚度辨识结果不准确，不能完全表征机床抵抗扰动的真实水平。
基于试件的机床检测评价方法是以切削工件为本源的检测辨识方法，通过设计试件结构、开展试切检测实验真实地表征机床各项性能。但是，目前利用试件的机床检测评价主要集中在几何误差、热误差等准静态误差，缺少对属于动态因素的伺服动刚度辨识的检测试件，因此，面临日趋严苛的超精密切削机床对伺服控制系统高动刚度的需求，迫切需要设计一种伺服动刚度辨识检测试件，提升吻合实际加工状态的进给系统伺服动刚度检测辨识准确性和全面性。
发明内容
为了全面准确地辨识超精密金刚石机床进给系统的伺服动刚度，本发明提供了一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件。本发明在切削加工该试件过程中可以对超精密机床进给系统产生周期性激励，从而实现以试件加工检测来辨识机床进给系统伺服动刚度的效果。
本发明通过下述技术方案实现：
一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件，包括基座；
所述基座的表面上设置有多个周期性沟槽阵列结构，多个周期性沟槽阵列结构用于构造不同周期频率结构特征，以实现进给系统的伺服动刚度辨识。
优选的，本发明的基座为圆盘结构；所述基座的上表面上沿径向方向设置有多层径向圆环结构，多层所述径向圆环结构呈同心圆分布，每层所述径向圆环结构为不连续的周期性沟槽阵列结构，各层所述径向圆环结构用于构造出不同周期频率的结构特征；
所述基座的圆周表面上沿轴向方向设置有多排轴向圆环结构，每排所述轴向圆环结构为不连续的周期性沟槽阵列结构，各排所述轴向圆环结构用于构造出不同周期频率的结构特征；
所述不连续的周期性沟槽阵列结构为在圆环结构上均匀设置多个沟槽结构。
优选的，本发明的基座的直径为100-200mm，厚度为20-50mm。
优选的，本发明的沟槽结构的宽度为3mm，深度为2mm。
优选的，本发明的周期性沟槽阵列结构的每一周期性结构所占圆心角为3°。
优选的，本发明的基座的上表面上设置有4层所述径向圆环结构；
4层所述径向圆环结构的周期依次为30、50、70、100。
优选的，本发明的基座的圆周表面设置有3排所述轴向圆环结构；
三排所述轴向圆环结构的周期依次为30、70、100。
第二方面，本发明提出了如上所述的一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件的方法，包括：
加工基座的表面的周期性沟槽阵列结构时，切深随着沟槽阵列周期性变化，进而产生周期性切削力，与该基座表面法向方向的切削力将对垂直于该基座表面的超精密机床进给系统产生周期性激励；
检测该进给系统为抵抗该周期性激励干扰形成的微位移；
根据切削力和微位移即可辨识该进给系统与切削力相同频段的伺服动刚度。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提出的检测试件能够适用于伺服动刚度这种动态误差检测，填补了目前缺乏对伺服动刚度检测的试件的空白。
激励源可通过本发明的试件结构特征实现频率的调控，克服一起检测难以复现超精密加工中客观存在的宽频带、变幅值激励源的难题。
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为本发明的检测试件结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图1的侧视图。
图4为本发明的检测试件切削力示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-基座，2-径向圆环结构，3-轴向圆环结构，4-沟槽结构，21-第一沟槽阵列结构，22-第二沟槽阵列结构，23-第三沟槽阵列结构，24-第四沟槽阵列结构，31-第五沟槽阵列结构，32-第六沟槽阵列结构，33-第七沟槽阵列结构。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
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。
实施例
现有检测试件大多针对机床几何误差、热误差等准静态误差，不适用于超精密机床伺服动刚度误差检测；目前针对车床的检测试件均为回转连续体，不适用于伺服动刚度检测；现有的超精密阵列加工技术，主要的研究着手于加工工艺研究，实现表面特定的功能，如疏水性、减阻特性等，尚未有利用加工过程来检测机床性能。
针对上述问题以及超精密机床静压直驱进给系统伺服动刚度辨识准确性的需求，本实施例提供了一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件，本实施例通过设计包含多个周期性沟槽阵列结构的试件，不同周期的沟槽阵列结构提供不同周期频率的切削力激励。
本实施例的进给系统伺服动感度是指伺服系统抵抗或克服外部周期性干扰产生位移偏差的能力，此处的周期性干扰为进给系统的输入，产生的位移偏差为系统的输出；从而根据进给系统的输入和输出即可获得进给系统伺服动刚度，填补了目前缺乏针对伺服动刚度的检验试件的空白，同时解决由仪器检测方法的检测过程与实际加工过程状态偏差而引起的检测结果不准确的问题。
如图1所示，该试件包括基座1，该基座1为圆盘结构。
该基座1上表面上沿径向方向设置有多层径向圆环结构2，多层径向圆环结构2呈同心圆分布，每层径向圆环结构2为不连续的周期性沟槽阵列结构，沟槽结构4呈近似的立方体凹槽，均匀分布于径向圆环结构2上，各层径向圆环结构2构造出不同周期频率的结构特征。
该基座1圆周表面上沿轴向方向设置有多排轴向圆环结构3，每排轴向圆环结构3为不连续的周期性沟槽阵列结构，沟槽结构4呈近似的立方体凹槽，均匀分布于轴向圆环结构3上，各排轴向圆环结构3构造出不同周期频率的结构特征。至此，构造了用于超精密金刚石机床进给系统伺服动刚度辨识所需的检测试件。
本实施例提供的检测试件的工作原理为：
加工圆盘上表面不同半径的沟槽阵列结构时，切深随着沟槽阵列周期性变化，进而产生周期性切削力，尤其是与圆盘表面垂直方向的切削力将对垂直于圆盘表面的超精密机床进给系统产生周期性激励，进给系统为抵抗周期性外力干扰形成的微位移，从而根据切削力和微位移即可辨识该进给系统在与切削力相同频段的伺服动刚度。切削不同半径处的沟槽阵列结构，根据不同的构成阵列结构周期，会形成不同周期切削力激励，从而辨识得到该进给系统在不同频率段的伺服动刚度。通过改变切削深度，可以得到幅值大小不同的切削力，进而实现变幅值下的伺服动刚度辨识。
同理，加工圆盘圆周表面上不同周期的沟槽阵列结构，可实现垂直于圆盘表面法线方向的进给系统的伺服动刚度辨识。
如图2中所示的该试件在基座1上表面设置有4层径向圆环结构2，每层圆环结构2呈不连续的周期性沟槽阵列结构；如图3所示的在基座1圆周表面设置有3排轴向圆环结构3，每排轴向圆环结构3呈不连续的周期性沟槽阵列结构。
本实施例的基座1为圆盘结构，其直径为100-200mm，厚度为20-50mm，本实施例优选采用直径为100mm，厚度为20mm的圆盘结构。
本实施例的沟槽结构4的宽度为3mm，深度为2mm。
本实施例的周期性沟槽阵列结构的每一周期性结构(即圆环结构上的凸起)所占圆心角为3°。
本实施例的基座1上表面设置的沟槽阵列结构的周期(即圆环结构上的凸起个数)由外向内分别为30、50、70、100，如图2所示，第一沟槽阵列结构21的周期为30，第二沟槽阵列结构22的周期为50，第三沟槽阵列结构23的周期为70，第四沟槽阵列结构24的周期为100。
本实施例的基座1圆周表面设置的沟槽阵列结构的周期从下至上分别为30、70、100，如图3所示，第五沟槽阵列结构31的周期为30，第六沟槽阵列结构32的周期为70，第七沟槽阵列结构33的周期为100。
如图4所示，本实施例将上述检测试件安装在超精密机床上加工时，试件进行端面车削时，圆盘表面沟槽结构的不连续性使得切削过程存在切入切出过程，产生交变的切削力，结构的频率决定切削力交变的频率，产生进给系统伺服动刚度辨识所需的不同频率的激励信号，从而实现对进给系统施加伺服动刚度辨识所需的激励。
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 (8)
1.一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件，其特征在于，包括基座(1)；
所述基座(1)的表面上设置有多个周期性沟槽阵列结构，多个周期性沟槽阵列结构用于构造不同周期频率结构特征，以实现进给系统的伺服动刚度辨识。
2.根据权利要求1所述的一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件，，所述基座(1)为圆盘结构；
所述基座(1)的上表面上沿径向方向设置有多层径向圆环结构(2)，多层所述径向圆环结构(2)呈同心圆分布，每层所述径向圆环结构(2)为不连续的周期性沟槽阵列结构，各层所述径向圆环结构(2)用于构造出不同周期频率的结构特征；
所述基座(1)的圆周表面上沿轴向方向设置有多排轴向圆环结构(3)，每排所述轴向圆环结构(3)为不连续的周期性沟槽阵列结构，各排所述轴向圆环结构(3)用于构造出不同周期频率的结构特征；
所述不连续的周期性沟槽阵列结构为在圆环结构上均匀设置多个沟槽结构(4)。
3.根据权利要求2所述的一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件，其特征在于，所述基座(1)的直径为100-200mm，厚度为20-50mm。
4.根据权利要求2所述的一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件，其特征在于，所述沟槽结构(4)的宽度为3mm，深度为2mm。
5.根据权利要求2所述的一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件，其特征在于，所述周期性沟槽阵列结构的每一周期性结构所占圆心角为3°。
6.根据权利要求2所述的一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件，其特征在于，所述基座(1)的上表面上设置有4层所述径向圆环结构(2)；
4层所述径向圆环结构(2)的周期依次为30、50、70、100。
7.根据权利要求2所述的一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件，其特征在于，所述基座(1)的圆周表面设置有3排所述轴向圆环结构(3)；
三排所述轴向圆环结构(3)的周期依次为30、70、100。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种超精密机床进给系统伺服动刚度辨识检测试件的方法，其特征在于，包括：
加工基座(1)表面的周期性沟槽阵列结构时，切深随着沟槽阵列周期性变化，进而产生周期性切削力，与该基座(1)表面法向方向的切削力将对垂直于该基座(1)表面的超精密机床进给系统产生周期性激励；
检测该进给系统为抵抗该周期性激励干扰形成的微位移；
根据切削力和微位移即可辨识该进给系统与切削力相同频段的伺服动刚度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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