CN113495527B - 一种快-慢速刀具伺服主-从协同切削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快‑慢速刀具伺服主‑从协同切削方法，包括以下步骤：步骤1：根据工件被加工面的几何形貌计算出刀具轨迹Z(t)；步骤2：将刀具轨迹Z(t)指令输入给机床，慢速刀具伺服系统带动Z轴慢速刀具伺服溜板(6)往复运动；步骤3：快速刀具伺服系统实时补偿慢速刀具伺服系统的误差，最终刀尖运动为快速‑慢速刀具伺服运动之和。本发明以具有快速响应特性的FTS补偿响应速度较慢的STS，实现轨迹跟踪精度的数量级提高，从而可提高STS切削的有效跟踪频率，实现相同精度约束下制造效率的提高。

Description

一种快-慢速刀具伺服主-从协同切削方法
技术领域
本发明属于复杂光学曲面超精密制造技术领域，具体涉及一种快-慢速刀具伺服主-从协同切削方法。
背景技术
复杂光学表面由于具有诸多优异特性在不同领域得到了广泛的应用，而该类元件表面复杂度的增加对其制造技术提出了更高的挑战，而基于刀具伺服的单点金刚石切削技术被认为是该类复杂光学元件极具发展前景的制造技术。
慢速刀具伺服(Slow tool servo，STS)通过XZC三轴闭环伺服联动控制，以Z轴往复运动配合c轴旋转及X轴进给，实现复杂曲面的切削创成。Z轴运动频率一般为以主轴(C)旋转频率为基频的谐频叠加。一般而言，STS具有较大的行程和较低的运动带宽，被应用于表面陡度较大的曲面加工。对于STS的Z轴往复运动，除了定位误差外，不可避免的存在着动态轨迹跟踪误差，且从原理上存在着轨迹频率越高、跟踪误差越大的特点。因此，为获得理想的面型精度，一般需选取足够低的主轴转速以降低STS往复轨迹频率，这将不可避免的降低切削效率。而对于面型相对复杂的光学曲面，所能采用的主轴频率是极低的，这严重制约了表面创成效率、增加了制造成本。面对该问题，目前学术界及工业界均采用切削-测量-再切削校正的闭环重复切削修正方法，获得面型误差的逐步迭代收敛，这是极为耗时的；且面型复杂度的提高也增加了准确测量的难度。整体而言，学术界及工业界尚未能针对刀具伺服切削，找到一种高效、低成本的面型精度保持方法。
刀具伺服的另一类为快速刀具伺服(Fasttoolservo，FTS)，与STS相比具有较低的运动行程和较高的运动带宽，更多的被应用于表面陡度低、空间分布密集度高的微结构表面加工。虽然FTS在加工过程中面临着与STS同样的问题，但在相同频率轨迹跟踪时，FTS一般具有更高的跟踪精度，限制其取代STS的原因仅是其行程较低，难以实现高陡度曲面的创成。结合FTS的特点，新近出现了一种方法则是将曲面分解为空间低频和高频成分，分别采用STS和FTS加工低、高频曲面，这可以在一定程度上提高加工效率。但是该方法的主要问题在于：1)曲面分解适用于特定的层叠曲面，而对于一般性的复杂曲面则使得曲面分解算法复杂，并存在边缘效应带来曲面分解误差；2)STS的跟踪精度仍取决于自身，在加工低频曲面时仍存在如上所述精度低、效率低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快-慢速刀具伺服主-从协同切削方法，将快速刀具伺服系统加在慢速刀具伺服系统中，提高了切削效率和被加工曲面的面型精度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种快-慢速刀具伺服主-从协同切削方法，在x轴快速刀具伺服溜板上设置机床主轴，所述机床主轴的末端夹装工件，在Z轴慢速刀具伺服溜板的输出端串联安装快速刀具伺服系统，所述切削方法包括以下步骤：
步骤1：根据工件被加工面的几何形貌计算出刀具轨迹Z(t)，即刀具在Z轴方向的位移值；
步骤2：将刀具轨迹Z(t)指令输入给机床，慢速刀具伺服系统根据该指令工作，从而带动Z轴慢速刀具伺服溜板往复运动；
步骤3：快速刀具伺服系统实时补偿慢速刀具伺服系统的误差；具体包括：
步骤3.1：实时测量Z轴慢速刀具伺服溜板的位移Zs(t)；
步骤3.2：获得机床主轴转动角度c(t)并计算出刀具轨迹Z(t)的位移信号Z1(t)；
步骤3.3：根据下式将位移信号Z1(t)与位移Zs(t)作差得到慢速刀具伺服系统的跟踪误差es(t)，es(t)＝Z(t)-Zs(t)；
将该误差es(t)作为快速刀具伺服系统的输入命令，以闭环控制的快速刀具伺服跟踪慢速刀具伺服误差实现对该误差的补偿，最终刀尖运动为快速-慢速刀具伺服运动之和。
进一步地，在所述机床主轴上安装圆光栅尺，在步骤3.2中通过所述装圆光栅尺(3)测量获得机床主轴转动角度c(t)。
进一步地，在Z轴慢速刀具伺服溜板的输出端安装直线光栅尺，在步骤3.1中通过所述直线光栅尺测量Z轴慢速刀具伺服溜板的位移Zs(t)。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
本发明以快度刀具伺服补偿慢速刀具伺服的轨迹跟踪误差，以快-慢刀速刀具伺服系统协同工作实现系统有效跟踪频率的提高，从而实现相同精度约束下制造效率的提高。
附图说明
图1是本发明快-慢速刀具伺服主-从协同切削装置图。
图2是本发明快-慢速刀具伺服主-从协同切削原理图。
图中，1.X轴快速刀具伺服溜板，2.机床主轴，3.圆光栅尺，4.工件，5.快速刀具伺服系统，6.Z轴慢速刀具伺服溜板，7.直线光栅尺，8.快速刀具伺服控制系统，9.快刀伺服系统信号线，10.直线光栅尺信号线，11.圆光栅尺信号线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
结合图1-2，本发明提出一种以高频响快刀补偿低频响慢刀动态误差的主-从协同切削方法，机床主轴2末端夹装工件4，并带动工件4转动；X轴快速刀具伺服溜板1带动工件4沿X轴运动；圆光栅尺3装在机床主轴2上，用于实时测量主轴2的转角；直线光栅尺7装在Z轴慢速刀具伺服溜板6输出端，用于实时测量Z轴慢刀伺服溜板的输出位移；快速刀具伺服装置5串联安装于Z轴慢速刀具伺服溜板6的输出端，快速刀具伺服装置5的前端安装有金刚石刀具，Z轴慢速刀具伺服溜板6运动时会带动快速刀具伺服装置5一起运动，最终刀具的运动为Z轴慢速刀具伺服溜板6与快速刀具伺服装置5两者运动之和；快刀伺服系统信号线9、直线光栅尺信号线10及圆光栅尺信号线11用于传递信号给快速刀具伺服控制系统8，从而控制快刀伺服装置驱动刀具运动。
本发明快-慢速刀具伺服主-从协同切削方法包括以下步骤：
步骤1：根据工件4被加工面的几何形貌计算出刀具轨迹Z(t)，即刀具在Z轴方向的位移值，该值为主轴2转角c(t)与X轴快速刀具伺服溜板1位移x(t)的函数：Z(t)＝f(c，x)；
步骤2：将刀具轨迹Z(t)指令输入给机床，慢速刀具伺服系统根据该指令工作，从而带动Z轴慢速刀具伺服溜板6往复运动；
步骤3：快速刀具伺服系统实时补偿慢速刀具伺服系统的误差；具体包括：
步骤3.1：通过直线光栅尺7实时测量Z轴慢速刀具伺服溜板6的位移Zs(t)；
步骤3.2：由于理想轨迹命令信号Z(t)在慢速刀具伺服机床内部运行，无法直接获得，故由圆光栅尺3测量获得机床主轴2转动角度c(t)并通过插值方法实时计算出刀具轨迹Z(t)的位移信号Z1(t)；
步骤3.3：根据下式将位移信号Z1(t)与位移Zs(t)作差得到慢速刀具伺服系统的跟踪误差es(t)，es(t)＝Z(t)-Zs(t)；
将该误差es(t)作为快速刀具伺服系统的输入命令，以闭环控制的快速刀具伺服跟踪慢速刀具伺服误差实现对该误差的补偿，最终刀尖运动为快速-慢速刀具伺服运动之和，该部分功能由快速刀具伺服控制系统8实现，由于快刀伺服系统具有高频响，故能快速跟踪慢刀伺服系统的误差。通过搭建协同工作平台能有效提高慢刀伺服系统的精度和效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种快-慢速刀具伺服主-从协同切削方法，在X轴快速刀具伺服溜板(1)上设置机床主轴(2)，所述机床主轴(2)的末端夹装工件(4)，在Z轴慢速刀具伺服溜板(6)的输出端串联安装快速刀具伺服系统(5)，其特征在于，所述切削方法包括以下步骤：
步骤1：根据工件(4)被加工面的几何形貌计算出刀具轨迹Z(t),即刀具在Z轴方向的位移值；
步骤2：将刀具轨迹Z(t)指令输入给机床，慢速刀具伺服系统根据该指令工作，从而带动Z轴慢速刀具伺服溜板(6)往复运动；
步骤3：快速刀具伺服系统实时补偿慢速刀具伺服系统的误差；具体包括：
步骤3.1：实时测量Z轴慢速刀具伺服溜板(6)的位移Zs(t)；
步骤3.2：获得机床主轴(2)转动角度c(t)并计算出刀具轨迹Z(t)的位移信号Z1(t)；
步骤3.3：根据下式将位移信号Z1(t)与位移Zs(t)作差得到慢速刀具伺服系统的跟踪误差es(t)，es(t)＝Z(t)-Zs(t)；
将该误差es(t)作为快速刀具伺服系统的输入命令，以闭环控制的快速刀具伺服跟踪慢速刀具伺服误差实现对该误差的补偿，最终刀尖运动为快速-慢速刀具伺服运动之和。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述机床主轴(2)上安装圆光栅尺(3)，在步骤3.2中通过所述装圆光栅尺(3)测量获得机床主轴(2)转动角度c(t)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在Z轴慢速刀具伺服溜板(6)的输出端安装直线光栅尺(7)，在步骤3.1中通过所述直线光栅尺(7)测量Z轴慢速刀具伺服溜板(6)的位移Zs(t)。
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