CN114101766A - 一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法，属于超精密加工技术领域，具体方案包括以下步骤：建立球刀铣削表面侧向回程误差e的计算式；使用方形螺旋轨迹球刀铣削加工XY平面，判断误差方向；使用光栅式轨迹球刀铣削加工XY平面，获得X轴沿Z方向的侧向回程误差值e_xz、Y轴沿Z方向的侧向回程误差值e_yz；同理获得Z轴沿X方向的侧向回程误差值e_zx、Y轴沿X方向的侧向回程误差值e_yx，其中将步骤二和步骤三中的轴标X替换为Z，Z替换为X，Y不变化；利用步骤三和步骤四中得到的侧向回程误差值，通过处理加工程序进行侧向回程误差补偿。利用本发明补偿后的铣削表面质量可提高1～2倍，表面粗糙度值可降低为未补偿表面的40％～60％。

Description

一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，具体涉及一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法。

背景技术

在超精密切削加工领域中，超精密机床是至关重要的，超精密机床的性能直接决定工件的加工质量，包括工件精度与表面粗糙度等。通常，超精密机床中的误差首先考虑的是几何误差，机床的几何误差会直接影响零件的加工精度，除了几何误差，还有一种机床误差常被忽略，即机床线性轴的侧向回程误差。

侧向回程误差指的是机床线性轴做换向运动时产生的垂直运动方向的误差，与机床线性轴的间隙有关。侧向回程误差与回程差(即反向间隙误差)相似，但回程差与轴的运动方向平行，而侧向回程误差与轴的运动方向垂直。这种垂直误差会在切削加工时从切深方向影响表面的质量。超精密机床的侧向回程误差通常在几纳米至几十纳米之间，当机床线性轴的侧向回程误差较大时，会直接影响加工表面的粗糙度。

发明内容

本发明的目的是为了补偿超精密机床的侧向回程误差，提供一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、建立球刀铣削表面侧向回程误差e的计算式；

步骤二、使用方形螺旋轨迹球刀铣削加工XY平面，检测加工后的表面，判断误差方向；

步骤三、使用光栅式轨迹球刀铣削加工XY平面，获得X轴沿Z方向的侧向回程误差值e_xz、Y轴沿Z方向的侧向回程误差值e_yz；

步骤四、对于获得Z轴沿X方向的侧向回程误差值e_zx、Y轴沿X方向的侧向回程误差值e_yx的步骤同步骤二和步骤三，其中将步骤二和步骤三中的轴标X替换为Z，Z替换为X，Y不变化；

步骤五、确定加工一般面形时的侧向回程误差补偿方法，利用步骤三和步骤四中得到的侧向回程误差值，通过处理加工程序进行侧向回程误差补偿。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

1、本发明利用超精密铣削工艺，结合超精密铣削加工表面的形貌，根据建立的表面粗糙度与侧向回程误差值的关系式，可以有效地识别因机床线性轴的侧向回程误差并得到各轴的侧向回程误差值。

2、本发明可以有效地补偿机床中的侧向回程误差，补偿后的铣削表面质量可提高1～2倍，表面粗糙度值可降低为未补偿表面的40％～60％。

附图说明

图1是方形螺旋轨迹及表面区域划分示意图，

其中：1是沿X轴方向的截线，2是沿Y轴方向的截线；区域①为Y轴负向运动切出的区域，区域②为X轴正向运动切出的区域，区域③为Y轴正向运动切出的区域，区域④为X轴负向运动切出的区域；

图2是图1所示区域按截线1或者截线2截取得到的截面图，

其中：3是机床线性轴负向运动切出的平面高于负向运动切出的平面的截面，4是机床线性轴负向运动切出的平面低于负向运动切出的平面的截面，5是机床线性轴正向运动切出的平面的截面；

图3是光栅式走刀轨迹，

其中：图a是X轴方向作为走刀方向；Y轴方向作为走刀间距方向，图b是Y轴方向作为走刀方向；X轴方向作为走刀间距方向；

图4是处理加工程序进行侧向回程误差补偿的流程图，其中：Np为程序中坐标点数量。

具体实施方式

下面结合图1～4对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明公开了一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法，用于补偿超精密机床直线轴在换向产生的垂直于运动方向的纳米级误差。通常超精密机床的直线轴导轨为气浮导轨或液体静压导轨，导轨的部件之间存在一定的间隙，这种间隙会导致机床直线轴作换向运动时出现垂直于导轨方向的运动，从而影响工件表面加工质量。本发明利用超精密铣削工艺，结合超精密铣削加工表面的形貌识别侧向回程误差，并根据表面形貌得到侧向回程误差值，采取在加工程序中补偿的方法消除机床直线轴侧向回程误差。

具体实施方式一

一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法，所述的方法步骤如下：

步骤一：建立球刀铣削表面侧向回程误差e的计算式

其中，x_hi和x_li分别为相邻两个条纹的高度值，n为取样点数；

步骤二：使用图1所示的方形螺旋轨迹球刀铣削加工XY平面，检测加工后的表面，根据图2所示的截面判断误差方向；

步骤三：使用图3所示的光栅式轨迹球刀铣削加工XY平面，获得X轴沿Z方向的侧向回程误差值e_xz、Y轴沿Z方向的侧向回程误差值e_yz；

步骤四：对于获得Z轴沿X方向的侧向回程误差值e_zx、Y轴沿X方向的侧向回程误差值e_yx的步骤同步骤二和步骤三，其中将步骤二和步骤三中的轴标X替换为Z，Z替换为X，Y不变化；

步骤五：确定加工一般面形时的侧向回程误差补偿方法，利用步骤三和步骤四中得到的侧向回程误差值，通过处理加工程序进行侧向回程误差补偿，流程如图4所示。

具体实施方式二：

本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤二中，误差方向的判断包括如下步骤：

S1：在超精密机床上利用球刀铣削的方式，使用方形螺旋轨迹加工位于XY面上的平面；

S2：检测加工后的表面，以方形螺旋轨迹中心为原点，将表面分为四个部分，如图1所示的四个区域，分别对应Y轴负向运动、X轴正向运动，Y轴正向运动、X轴负向运动(各轴运动方向均为在机床坐标系下的方向，下同)；

S3：分别以X轴、Y轴正向运动切出的平面高度为基准，根据图2所示的截面状态判断，若各轴分别在负向运动时切出的平面高度高于正向运动切出的平面高度，定义该轴侧向回程误差为正值，反之定义为负值。

具体实施方式三：

本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤三中，X轴沿Z方向的侧向回程误差值e_xz、Y轴沿Z方向的侧向回程误差值e_yz获得的步骤如下：

步骤1：分别将X、Y轴方向作为走刀方向，使用图3所示的光栅式轨迹加工两个平面；

步骤2：利用式(1)计算侧向回程误差e的值，两个侧向回程误差值分别是X轴沿Z方向的侧向回程误差值e_xz(X为走刀方向)、Y轴沿Z方向的侧向回程误差值e_yz(Y为走刀方向)。

具体实施方式四：

本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤四中，Z轴沿X方向的侧向回程误差值e_zx、Y轴沿X方向的侧向回程误差值e_yx获得的步骤如下：

步骤①：分别将Z、Y轴方向作为走刀方向，使用光栅式轨迹加工两个平面；

步骤②：利用式(1)计算侧向回程误差e的值，两个侧向回程误差值分别是Z轴沿X方向的侧向回程误差值e_zx(Z为走刀方向)，Y轴沿X方向的侧向回程误差值e_yx(Y为走刀方向)。

具体实施方式五：

本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述步骤五中，处理加工程序进行侧向回程误差补偿的步骤如下：

步骤(1)：判断轨迹点从(x_n,y_n,z_n)运动到(x_n+1,y_n+1,z_n+1)时各轴的运动方向，当x_n+1-x_n≥0、y_n+1-y_n≥0、z_n+1-z_n≥0时各轴分别为正向运动，反之为负向运动，其中x、y、z分别指机床的三个线性轴坐标，n为程序中第n个坐标点(考虑到不同机床的架构不同，此处坐标点用机床坐标描述)；

步骤(2)：当各轴为正向运动时，不需要进行机床线性轴侧向回程误差的补偿，若某一轴为负向运动时，则按下述计算式进行坐标位置的补偿：

若x_n+1-x_n<0，X轴为负向运动，则补偿式为z_(n+1)补＝z_n+1+e_xz；

若y_n+1-y_n<0，Y轴为负向运动，则补偿式为z_(n+1)补＝z_n+1+e_yz，

x_(n+1)补＝x_n+1+e_yx；

若z_n+1-z_n<0，Z轴为负向运动，则补偿式为x_(n+1)补＝x_n+1+e_zx。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立球刀铣削表面侧向回程误差e的计算式；

步骤二、使用方形螺旋轨迹球刀铣削加工XY平面，检测加工后的表面，判断误差方向；

步骤三、使用光栅式轨迹球刀铣削加工XY平面，获得X轴沿Z方向的侧向回程误差值e_xz、Y轴沿Z方向的侧向回程误差值e_yz；

步骤四、对于获得Z轴沿X方向的侧向回程误差值e_zx、Y轴沿X方向的侧向回程误差值e_yx的步骤同步骤二和步骤三，其中将步骤二和步骤三中的轴标X替换为Z，Z替换为X，Y不变化；

步骤五、确定加工一般面形时的侧向回程误差补偿方法，利用步骤三和步骤四中得到的侧向回程误差值，通过处理加工程序进行侧向回程误差补偿。

2.根据权利要求1所述的一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法，其特征在于：步骤一中，球刀铣削表面侧向回程误差e的计算式为

其中，x_hi和x_li分别为相邻两个条纹的高度值，n为取样点数。

3.根据权利要求1所述的一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法，其特征在于：步骤二中，误差方向的判断方法包括以下步骤：

S1：在超精密机床上利用球刀铣削的方式，使用方形螺旋轨迹加工位于XY面上的平面；

S2：检测加工后的表面，以方形螺旋轨迹中心为原点，将表面分为四个部分，分别对应Y轴负向运动、X轴正向运动，Y轴正向运动、X轴负向运动，各轴运动方向均为在超精密机床坐标系下的方向；

S3：分别以X轴、Y轴正向运动切出的平面高度为基准，若各轴分别在负向运动时切出的平面高度高于正向运动切出的平面高度，定义该轴侧向回程误差为正值，反之定义为负值。

4.根据权利要求2所述的一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法，其特征在于：步骤三中，X轴沿Z方向的侧向回程误差值e_xz、Y轴沿Z方向的侧向回程误差值e_yz获得的步骤如下：

步骤1：分别将X、Y轴方向作为走刀方向，使用光栅式轨迹加工两个平面；

步骤2：利用式(1)计算侧向回程误差e的值，两个侧向回程误差值分别是X为走刀方向时X轴沿Z方向的侧向回程误差值e_xz，Y为走刀方向时Y轴沿Z方向的侧向回程误差值e_yz。

5.根据权利要求2所述的一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法，其特征在于：步骤四中，Z轴沿X方向的侧向回程误差值e_zx、Y轴沿X方向的侧向回程误差值e_yx获得的步骤如下：

步骤①：分别将Z、Y轴方向作为走刀方向，使用光栅式轨迹加工两个平面；

步骤②：利用式(1)计算侧向回程误差e的值，两个侧向回程误差值分别是Z为走刀方向时Z轴沿X方向的侧向回程误差值e_zx，Y为走刀方向时Y轴沿X方向的侧向回程误差值e_yx。

6.根据权利要求1所述的一种超精密机床线性轴侧向回程误差的补偿方法，其特征在于：步骤五中，处理加工程序进行侧向回程误差补偿的步骤如下：

步骤(1)：判断轨迹点从(x_n,y_n,z_n)运动到(x_n+1,y_n+1,z_n+1)时各轴的运动方向，当x_n+1-x_n≥0、y_n+1-y_n≥0、z_n+1-z_n≥0时各轴分别为正向运动，反之为负向运动，其中x、y、z分别指机床的三个线性轴坐标，n为程序中第n个坐标点；

步骤(2)：当各轴为正向运动时，不需要进行机床线性轴侧向回程误差的补偿，若某一轴为负向运动时，则按下述计算式进行坐标位置的补偿：

若x_n+1-x_n<0，X轴为负向运动，则补偿式为z_(n+1)补＝z_n+1+e_xz；

若y_n+1-y_n<0，Y轴为负向运动，则补偿式为z_(n+1)补＝z_n+1+e_yz，x_(n+1)补＝x_n+1+e_yx；

若z_n+1-z_n<0，Z轴为负向运动，则补偿式为x_(n+1)补＝x_n+1+e_zx。

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