CN114472989A - 表面微结构加工的几何误差补偿方法及加工方法、装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了表面微结构加工的几何误差补偿方法及加工方法、装置，几何误差补偿方法，包括以下步骤：S1、获取机床的几何误差；S2、提取i时刻的设计加工指令，获得i时刻的刀具设计位置，根据机床运动误差模型获得刀具运动误差；S3、基于刀具设计位置和刀具运动误差获得i时刻刀具实际位置；S4、基于刀具实际位置、刀具运动误差，以及主轴旋转角度和主轴转速，构建进给速度修正模型，基于进给速度修正模型修正进给速度、行距和切削深度，获得修正后的进给速度、行距、切削深度；S5、重复步骤S2‑S4，直到表面微结构加工完成。将本发明所述几何误差补偿方法用机床加工表面微结构，能够解决现有加工方法导致表面微结构的加工精度较差的问题。

Description

表面微结构加工的几何误差补偿方法及加工方法、装置
技术领域
本发明涉及表面微结构加工技术领域，具体涉及表面微结构加工的几何误差补偿方法及加工方法、装置。
背景技术
通过对生物表面结构进行微观尺度观测，发现很多生物表面具备特殊功能的原因取决于其微观表面具备特殊结构。目前常用的表面微观结构加工方法有激光加工技术、MEMS加工和机械加工，相较于激光加工技术和MEMS加工，机械加工具备自动化程度高、重复性好、材料去除速率高、加工成本低、较为环保的优势，随着逐年提升的加工精度，基于机械加工的表面纹理生成方法正受到越来越多的关注。机械加工中以超精密铣削和车削为主要加工方法，该方法均需使用微型刀具和超精密加工设备，对于设备的要求较高。此外，加工的表面微结构多以规则形状为主，难以满足对生物表面微结构的准确复刻，进而难以充分发挥仿生表面微结构的功能和性能。
目前，表面微结构的加工是以超精密加工机床为加工平台，以铣刀为铣削刀，根据表面微结构铣削路径设计表面微结构铣削参数组合，加工过程中一直按照设计的铣削参数组合进行加工。由于铣削过程中的刀刃和工件间相对运动由机床的进给轴运动和主轴旋转运动同步运动实现，相对运动精度主要受机床几何误差影响，而机床几何误差是无法避免的，因此，采用现有的加工方法会导致加工后的表面微结构是设计的表面微结构存在误差，即现有加工方法导致表面微结构的加工精度较差。
发明内容
本发明的目的在于提供表面微结构加工的几何误差补偿方法，解决现有加工方法导致表面微结构的加工精度较差的问题。
此外，本发明还提供基于上述几何误差补偿方法的表面微结构加工方法和补偿装置。
本发明通过下述技术方案实现：
表面微结构加工的几何误差补偿方法，包括以下步骤：
S1、获取机床的几何误差，并构建机床运动误差模型；
S2、根据设计的表面微结构铣削路径，提取i时刻的设计加工指令，获得i时刻的刀具设计位置，根据步骤S1构建的机床运动误差模型获得i时刻的刀具运动误差
Figure BDA0003500272710000011
刀具位置由进给轴在X、Y、Z三轴上的运动距离确定；
S3、基于步骤S2获得的刀具设计位置和刀具运动误差
Figure BDA0003500272710000012
获得i时刻刀具实际位置
Figure BDA0003500272710000021
S4、基于步骤S3获得的刀具实际位置
Figure BDA0003500272710000022
步骤S2获得的刀具运动误差
Figure BDA0003500272710000023
以及主轴旋转角度
Figure BDA0003500272710000024
和主轴转速S，构建进给速度修正模型，基于进给速度修正模型修正进给速度F、行距P和切削深度dz，获得修正后的进给速度Fi set、行距
Figure BDA0003500272710000025
切削深度
Figure BDA0003500272710000026
S5、重复步骤S2-S4，直到表面微结构加工完成。
本发明所述几何误差是机床进给运动轴的几何误差，可以通过现有仪器测量获得，所述机床运动误差模型是利用多体运动学理论建立的包含进给轴几何误差的模型。
具体地：
表面微结构的加工一般是采用铣削，铣削表面微结构所需的结构是由铣刀刀刃在超精密数控机床上与工件相对运动形成的，铣刀刀刃和工件的相对运动受进给运动轴的直线/旋转运动、主轴的旋转运动、刀具形状及姿态共同决定，相对运动的准确性受机床的精度决定。依据表面微结构设计要求，综合考虑机床精度因素，计算机床各轴的运动过程，确定相对运动轨迹及加工参数，然后再设计刀具形状，即可加工得到表面微结构。
铣削过程中的刀刃和工件间相对运动由机床的进给轴运动和主轴旋转运动同步运动实现，相对运动精度主要受机床几何误差影响，因此，为了使实际运动过程与理想运动一致，需满足每个进给轴运动过程和主轴旋转运动与每个理想运动过程均一致，即
Figure BDA0003500272710000027
其中(X,Y,Z)是进给轴运动距离，
Figure BDA0003500272710000028
是主轴旋转角度，t指运动过程中的某一时刻。
假定主轴转速是理想无转速误差，即Sacutal＝Sideal，那么实际运动过程与理想运动过程则需满足在t处的进给轴运动过程一致即可。由于主轴转速一致，那么主轴在t时刻处旋转的角度一致，
Figure BDA0003500272710000029
也就意味着实际运动时间与理想运动时间也一致
Figure BDA00035002727100000210
依据进给轴几何误差镜像补偿方法，实际的运动指令可修改为：
Figure BDA00035002727100000211
其中
Figure BDA00035002727100000212
是测得的t时刻处的刀具实际位置与理想位置间的误差，
Figure BDA00035002727100000213
和
Figure BDA00035002727100000214
是实际的加工运动指令和理想加工运动指令。
Figure BDA00035002727100000215
均与行距p和切削深度dz相关，所以实际的输入加工系统中的行距和切削深度也相应优化为
Figure BDA00035002727100000216
此时，若实际加工运动指令按照理想指令中的进给速度加工时，使得实际的tacutal≠tideal，即不满足补偿的条件。因此为了使得补偿后的进给轴运动时间与理想时间一直，则需依据实际的运动距离和主轴转速修正进给速度，即需要如下式所示的进给速度修正模型修正进给速度；
Figure BDA0003500272710000031
式中，
Figure BDA0003500272710000032
为实际刀具进给速度，
Figure BDA0003500272710000033
是设计刀具位置；
Figure BDA0003500272710000034
为刀具运动误差，
Figure BDA0003500272710000035
为机床的主轴旋转角度；S为机床的主轴转速。
本发明所述几何误差补偿方法能够有效补偿机床的几何误差，将本发明所述几何误差补偿方法用机床加工表面微结构，能够解决现有加工方法导致表面微结构的加工精度较差的问题。
进一步地，步骤S1中，机床的几何误差测量采用的仪器包括激光干涉仪和球杆仪。
一种存储介质，存储有用于执行几何误差补偿方法的指令。
一种几何误差补偿装置，包括：
处理器；
存储介质，其中存储有所述处理器的可执行指令；
其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行几何误差补偿方法的步骤。
基于几何误差补偿方法的表面微结构加工方法，包括以下步骤：
步骤一、基于所设计的表面微结构确定表面微结构的尺寸特征及分布特征；
步骤二、基于所设计的表面微结构设计刀具形状；
步骤三、根据表面微结构设计需求及机床拓扑结构，设计铣削路径；
步骤四、依据表面微结构设计需求、刀具形状、铣削路径设计铣削参数；
步骤五、采用步骤二设计的刀具，基于步骤三设计的铣削路径和步骤四设计的铣削参数，在机床上进行表面微结构加工，在加工过程中，采用权利要求1-3任一项所述几何误差补偿方法对铣削参数进行修正。
本发明的构思在于：
在传统超精密铣削技术的基础上，以超精密数控机床作为加工平台，利用铣刀铣削过程中不可避免产生的切削残留构造表面微结构，利用铣削过程中进给速度和主轴转速等铣削参数以及刀具形状和刀具倾角共同作用下切削残留高度的变化，从而实现表面微结构定量加工。同时，考虑到机床几何误差对表面微结构的影响，在表面微结构定量加工规划时同步计算几何误差补偿量，通过改变进给速度和主轴转速的同步配合控制实现几何误差补偿。利用该方可以用实现微米级的表面微结构超精密加工，为表面微结构超精密加工提供一种简单便捷且有效加工方法。
现有加工方法是利用超精密设备的高精度来消除切削残高，残高越小越好。本发明不以残差越小越好为最终目标，而是利用切削过程中必然存在的切削残高，通过残高与机床精度、加工工艺参数、刀具形状尺寸等因素间的关系，设计加工表面微结构，本方法实施过程中对机床的精度要求不是非常苛刻，当实现设备精度较低时，残高较明显，有利于本发明的微结构加工方法。
即本发明的表面微结构加工方法以超精密数控机床作为加工平台、采用微铣刀为铣削刀具，在加工过程中同步考虑机床进给轴几何误差和刀具形状，通过改变进给速度和主轴转速来实现几何误差补偿，实现被加工零件的表面微结构加工。
进一步地，步骤二中，刀具形状包括刀刃形状、刀具高度H和刀刃刃数N。
进一步地，步骤四中，铣削参数包括主轴转速S、进给速度F、行距P和切削深度dz。
进一步地，步骤五中，具体修改过程为：
依据刀具实际位置
Figure BDA0003500272710000041
和主轴转速S修正进给速度F、行距P和切削深度dz，获得修正后的进给速度Fi set、行距
Figure BDA0003500272710000042
切削深度
Figure BDA0003500272710000043
进一步地，刀具采用球形微铣刀，刀具的材料包括金刚石和硬质合金，切削刀具可以依据被加工材料选择合适的刀具材料，被加工零件为金属材料或非金属材料，依据微结构功能需求选取被加工零件材料；机床采用三轴机床和五轴机床，分别用于实现加工平面微结构和加工曲面微结构，铣削路径可以平面铣削路径或曲面铣削路径，按运动方向铣削路径可以为往复铣削、螺旋铣削、自由曲线铣削等。
本发明所述加工方法适用于各种分布特征的表面微结构，表面微结构的分布特征可以矩阵式等间距分布，也可以为螺旋等间距分布，亦可以非等间距分布；表面微结构功能包括超疏水特性、减阻特性、增阻特性、高反射特性等，具有适用范围广的优点。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明所述几何误差补偿方法能够有效补偿机床的几何误差，利于提高表面微结构的加工精度，本发明首次提出了通过对机床几何误差进行补偿以提高表面微结构的加工精度，对表面微结构的高精度加工提供了新的思路。
2、本发明所述加工方法考虑了机床几何误差，在加工过程中同步考虑机床进给轴几何误差和刀具形状，通过改变进给速度和主轴转速来实现几何误差补偿，提高了表面微结构的加工精度。
3、相比于传统加工方法，本发明还具有操作简单，对设备精度依赖度较低的优点。
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为本发明所使用的三轴数控机床示意图；
图2为本发明所使用刀具模型示意图；
图3为图2所示表面微结构铣削路径设计示意图；
图4为本发明测量机床几何误差示意图；
图5为本发明加工参数优化方法流程图；
图6为本发明的表面微结构铣削仿真示意图，图中的数字表示尺寸，单位为mm；
图7为具体实施方式中工件表面微结构SEM测试图。
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。
实施例1：
几何误差补偿方法的表面微结构加工方法，包括以下步骤：
步骤一、基于所设计的表面微结构确定表面微结构的尺寸特征及分布特征；
步骤二、基于所设计的表面微结构设计刀具形状，刀具形状包括刀刃形状、刀具高度H和刀刃刃数N；
步骤三、根据表面微结构设计需求及机床拓扑结构，设计铣削路径；
步骤四、依据表面微结构设计需求、刀具形状、铣削路径设计铣削参数，铣削参数包括主轴转速S、进给速度F、行距P和切削深度dz；
步骤五、采用步骤二设计的刀具，基于步骤三设计的铣削路径和步骤四设计的铣削参数，在机床上进行表面微结构加工，在加工过程中，对铣削参数进行修正，具体修正方法包括以下步骤：
S1、采用激光干涉仪和球杆仪获取机床的几何误差，并构建机床运动误差模型；
S2、根据设计的表面微结构铣削路径，提取i时刻的设计加工指令，获得i时刻的刀具设计位置，根据步骤S1构建的机床运动误差模型获得i时刻的刀具运动误差
Figure BDA0003500272710000051
刀具位置由进给轴在X、Y、Z三轴上的运动距离确定；
S3、基于步骤S2获得的刀具设计位置和刀具运动误差
Figure BDA0003500272710000061
获得i时刻刀具实际位置
Figure BDA0003500272710000062
S4、基于步骤S3获得的刀具实际位置
Figure BDA0003500272710000063
步骤S2获得的刀具运动误差
Figure BDA0003500272710000064
以及主轴旋转角度
Figure BDA0003500272710000065
和主轴转速S，构建进给速度修正模型，基于进给速度修正模型修正进给速度F、行距P和切削深度dz，获得修正后的进给速度Fi set、行距
Figure BDA0003500272710000066
切削深度
Figure BDA0003500272710000067
进给速度修正模型如下所示：
Figure BDA0003500272710000068
式中，
Figure BDA0003500272710000069
为实际刀具进给速度，
Figure BDA00035002727100000610
是设计刀具位置；
Figure BDA00035002727100000611
为刀具运动误差，
Figure BDA00035002727100000612
为机床的主轴旋转角度；S为机床的主轴转速；
S5、重复步骤S2-S4，直到表面微结构加工完成。
本实施例以铝合金表面加工类圆锥微结构进行具体说明：
1)、预加工一个具有超疏水特性的表面微结构，根据超疏水特性设计表面微结构的加工要求为在铝合金表面加工类圆锥微结构，高度约为10μm，微结构等间距分布，间距约0.5μm。
2)、依据类圆锥结构特征，可以通过球型铣刀完成铣削加工，刀具模型如图2所示。刀具半径R＝1mm，刀刃数为N＝2，用于切削的刀刃高度H＝0.5mm。
3)、因为加工零件为平面件，选择三轴数控机床为加工平台，如图1所示。
根据要求设计表面微结构铣削路径，铣削路径为往复路径，即先从左至右加工，随后提刀，回到最左端的同时，沿径向方向移动距离p＝0.5mm，如图3所示。
4)、根据设计的微结构特征需求，设计铣削参数，主轴旋转速度为S＝500rpm；进给速度F＝500mm/min；行距P＝0.5mm；切削深度dz＝0.1mm。
5)、利用激光干涉仪测量机床的几何误差，如图4所示：图4得到的机床Y轴的定位误差，某一时刻修正后的参数为
Figure BDA00035002727100000613
6)、根据如图5所示的加工参数优化过程优化加工参数，得到修正后参数
Figure BDA00035002727100000614
7)、加工完成获得铣削表面微结构；加工的铝合金表面微结构仿真图如图6所示，加工的样件如7所示。
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.表面微结构加工的几何误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取机床的几何误差，并构建机床运动误差模型；
S2、根据设计的表面微结构铣削路径，提取i时刻的设计加工指令，获得i时刻的刀具设计位置，根据步骤S1构建的机床运动误差模型获得i时刻的刀具运动误差
Figure FDA0003500272700000011
刀具位置由进给轴在X、Y、Z三轴上的运动距离确定；
S3、基于步骤S2获得的刀具设计位置和刀具运动误差
Figure FDA0003500272700000012
获得i时刻刀具实际位置
Figure FDA0003500272700000013
S4、基于步骤S3获得的刀具实际位置
Figure FDA0003500272700000014
步骤S2获得的刀具运动误差
Figure FDA0003500272700000015
以及主轴旋转角度
Figure FDA0003500272700000016
和主轴转速S，构建进给速度修正模型，基于进给速度修正模型修正进给速度F、行距P和切削深度dz，获得修正后的进给速度Fi set、行距
Figure FDA0003500272700000017
切削深度
Figure FDA0003500272700000018
S5、重复步骤S2-S4，直到表面微结构加工完成。
2.根据权利要求1所述的表面微结构加工的几何误差补偿方法，其特征在于，步骤S4中，进给速度修正模型如下所示：
Figure FDA0003500272700000019
式中，
Figure FDA00035002727000000110
为实际刀具进给速度，
Figure FDA00035002727000000111
是设计刀具位置；
Figure FDA00035002727000000112
为刀具运动误差，
Figure FDA00035002727000000113
为机床的主轴旋转角度；S为机床的主轴转速。
3.根据权利要求1所述的表面微结构加工的几何误差补偿方法，其特征在于，步骤S1中，机床的几何误差测量采用的仪器包括激光干涉仪和球杆仪。
4.一种存储介质，其特征在于，存储有用于执行权利要求1-3任一项所述几何误差补偿方法的指令。
5.一种几何误差补偿装置，其特征在于，包括：
处理器；
存储介质，其中存储有所述处理器的可执行指令；
其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求1-3任一项所述的几何误差补偿方法的步骤。
6.基于权利要求1-3任一项所述几何误差补偿方法的表面微结构加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于所设计的表面微结构确定表面微结构的尺寸特征及分布特征；
步骤二、基于所设计的表面微结构设计刀具形状；
步骤三、根据表面微结构设计需求及机床拓扑结构，设计铣削路径；
步骤四、依据表面微结构设计需求、刀具形状、铣削路径设计铣削参数；
步骤五、采用步骤二设计的刀具，基于步骤三设计的铣削路径和步骤四设计的铣削参数，在机床上进行表面微结构加工，在加工过程中，采用权利要求1-3任一项所述几何误差补偿方法对铣削参数进行修正。
7.根据权利要求6所述的表面微结构加工方法，其特征在于，步骤二中，刀具形状包括刀刃形状、刀具高度H和刀刃刃数N。
8.根据权利要求6所述的表面微结构加工方法，其特征在于，步骤四中，铣削参数包括主轴转速S、进给速度F、行距P和切削深度dz。
9.根据权利要求6所述的表面微结构加工方法，其特征在于，步骤五中，具体修改过程为：
依据刀具实际位置
Figure FDA0003500272700000021
和主轴转速S修正进给速度F、行距P和切削深度dz，获得修正后的进给速度Fi set、行距
Figure FDA0003500272700000022
切削深度
Figure FDA0003500272700000023
10.根据权利要求6所述的表面微结构加工方法，其特征在于，刀具采用球形微铣刀，机床采用三轴机床或五轴机床。
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蔡永林等: "叶片曲面微结构加工刀位轨迹规划", 《北京交通大学学报》, vol. 43, no. 06, 30 December 2019 (2019-12-30), pages 111 - 117 *

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