CN115302315A - 一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法及系统 - Google Patents

一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法及系统，所述一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法包括：利用超精密飞切刀具试切工艺参数对待试切零件进行试切处理得到试切球面零件；获取所述试切球面零件参数进行超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识，通过试切简单球面即可，操作简单快捷，可实现较好的实际加工效果。

Description

一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法及系统
技术领域
本发明涉及超精密加工领域，具体涉及一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法及系统。
背景技术
光学自由曲面具有较大的设计设计自由度，在改善系统性能的基础上，还可以实现系超精密切削加工技术具有加工精度高、加工效率高及加工过程易于控制等优点，可实现多种曲面的高精度加工。然而在前期的研究中发现，超精密加工刀鼻半径误差与XZ轴垂直度误差对曲面加工的影响较大，严重影响着曲面最终的加工精度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法及系统，通过基于试切球面误差分离方式，获得刀鼻半径误差和XZ垂直度误差，实现误差高精度识别效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法，包括：
利用超精密飞切刀具试切工艺参数对待试切零件进行试切处理得到试切球面零件参数；
利用所述试切球面零件参数进行超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识。
优选的，所述利用超精密飞切刀具试切工艺参数对待试切零件进行试切处理得到试切球面零件参数包括：
利用超精密飞切刀具试切工艺参数计算得到超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数；
利用所述超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数进行试切处理得到试切球面；
利用激光干涉仪对所述试切球面测量得到试切球面零件参数。
进一步的，利用超精密飞切刀具试切工艺参数计算得到超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数的计算式如下：
Figure BDA0003826772690000011
其中，x为超精密飞切刀具试切工艺X轴参数，y为超精密飞切刀具试切工艺Z轴参数，z为超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数，R为试切球面曲率半径。
优选的，利用所述试切球面零件参数进行超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识包括：
利用所述试切球面零件参数得到超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差。
进一步的，利用所述试切球面零件参数得到超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差包括：
当超精密飞切刀具存在超精密飞切刀具刀鼻半径误差时，利用所述试切球面零件参数计算超精密飞切刀具刀鼻半径误差；
当超精密飞切刀具存在超精密飞切刀具垂直角度误差时，利用所述试切球面零件参数计算超精密飞切轴系垂直角度误差。
进一步的，利用所述试切球面零件参数计算超精密飞切刀具刀鼻半径误差包括：
利用所述超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数得到超精密飞切零件的Y轴单位法向矢量分量与Z轴单位法向矢量分量；
利用所述Y轴单位法向矢量分量与Z轴单位法向矢量分量计算超精密飞切刀具刀鼻半径误差。
进一步的，利用所述Y轴单位法向矢量分量与Z轴单位法向矢量分量计算超精密飞切刀具刀鼻半径误差的计算式如下：
x1＝x
z1＝z+fzΔR
y1＝z+fyΔR
其中，x1为存在刀具半径误差时的超精密飞切刀具X轴位移量，y1为存在刀具半径误差时的超精密飞切刀具Y轴位移量，z1为存在刀具半径误差时的超精密飞切刀具Z轴位移量，x为超精密飞切刀具试切工艺X轴参数，z为超精密飞切刀具试切工艺Z轴参数，fy为Y轴单位法向矢量分量，fz为Z轴单位法向矢量分量，R为试切球面曲率半径，ΔR为超精密飞切刀具半径误差。
进一步的，利用所述试切球面零件参数计算超精密飞切轴系垂直角度误差的计算式如下：
xm＝x*cosα
zm＝z+xsinα
Figure BDA0003826772690000021
其中，xm为存在垂直角度误差时的超精密飞切刀具X轴位移量，ym为存在垂直角度误差时的超精密飞切刀具Y轴位移量，zm为存在垂直角度误差时的超精密飞切刀具Z轴位移量，x为超精密飞切刀具试切工艺X轴参数，z为超精密飞切刀具试切工艺Z轴参数，α为超精密飞切刀具垂直角度误差，R为试切球面曲率半径。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识系统，包括：
处理模块，用于利用超精密飞切刀具试切工艺参数对待试切零件进行试切处理得到试切球面零件参数；
辨识模块，用于获取所述试切球面零件参数进行超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
采用试切球面的方式，通过测量试切球面的面形误差后，基于数学计算确定刀鼻半径误差和XZ轴垂直度误差，球面试切过程简单，操作简单快捷，可实现较好的实际误差分析辨识结果。
附图说明
图1是本发明提供的一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法流程图；
图2是本发明提供的超精密飞切装置结构示意图；
图3是本发明提供的一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差示意图；
图4是本发明提供的一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识系统流程图；
附图标记：
1、试切件；2、超精密飞切刀架；3、超精密飞切刀具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法，如图1所示，包括：
步骤1：利用超精密飞切刀具试切工艺参数对待试切零件进行试切处理得到试切球面零件参数；
步骤2：获取所述试切球面零件参数进行超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识。
步骤1具体包括：
1-1、利用超精密飞切刀具试切工艺参数计算得到超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数；
1-2、利用所述超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数进行试切处理得到试切球面；
1-3、利用激光干涉仪对所述试切球面测量得到试切球面零件参数。
步骤1-1的计算式如下：
Figure BDA0003826772690000041
其中，x为超精密飞切刀具试切工艺X轴参数，y为超精密飞切刀具试切工艺Z轴参数，z为超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数，R为试切球面曲率半径。
步骤2具体包括：
2-1、利用所述试切球面零件参数得到超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差。
步骤2-1具体包括：
2-1-1、当超精密飞切刀具存在超精密飞切刀具刀鼻半径误差时，利用所述试切球面零件参数计算超精密飞切刀具刀鼻半径误差；
2-1-2、当超精密飞切刀具存在超精密飞切刀具垂直角度误差时，利用所述试切球面零件参数计算超精密飞切轴系垂直角度误差。
步骤2-1-1具体包括：
2-1-1-1、利用所述超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数得到超精密飞切零件的Y轴单位法向矢量分量与Z轴单位法向矢量分量；
2-1-1-2、利用所述Y轴单位法向矢量分量与Z轴单位法向矢量分量计算超精密飞切刀具刀鼻半径误差。
步骤2-1-1-2的计算式如下：
x1＝x
z1＝z+fzΔR
y1＝z+fyΔR
其中，x1为存在刀具半径误差时的超精密飞切刀具X轴位移量，y1为存在刀具半径误差时的超精密飞切刀具Y轴位移量，z1为存在刀具半径误差时的超精密飞切刀具Z轴位移量，x为超精密飞切刀具试切工艺X轴参数，z为超精密飞切刀具试切工艺Z轴参数，fy为Y轴单位法向矢量分量，fz为Z轴单位法向矢量分量，R为试切球面曲率半径，ΔR为超精密飞切刀具半径误差。
步骤2-1-2的计算式如下：
xm＝x*cosα
zm＝z+xsinα
Figure BDA0003826772690000051
其中，xm为存在垂直角度误差时的超精密飞切刀具X轴位移量，ym为存在垂直角度误差时的超精密飞切刀具Y轴位移量，zm为存在垂直角度误差时的超精密飞切刀具Z轴位移量，x为超精密飞切刀具试切工艺X轴参数，z为超精密飞切刀具试切工艺Z轴参数，α为超精密飞切刀具垂直角度误差，R为试切球面曲率半径。
实施例2：
本发明提供了一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识实际应用方法，包括：
超精密飞切装置结构示意图，如图2所示，包括：试切件1、超精密飞切刀架2、超精密飞切刀具3，X、Y、Z、C、B分别代表X轴、Y轴、Z轴、C轴、B轴的运动方向。其中X轴、Y轴和Z轴是三个直线轴，X轴和Y轴控制刀具切削深度，Z轴控制进给，C轴和B轴是两个旋转轴，C轴是主轴，控制固定在其上的刀具旋转，B轴固定被加工件。通过X、Y、Z、C联动实现目标面形加工：
步骤如下：
1.选取试切件为球面，方程为
Figure BDA0003826772690000052
利用超精密飞切装置对试切件进行试切。
2.利用激光干涉仪测量步骤1试切球面的面形，获得其面形误差。
3.根据步骤2获得的面形误差反算得到相应的刀鼻半径误差ΔR和XZ轴垂直度误差α。
步骤3中采用最优化拟合方法进行误差识别，在超精密飞切转置下，试切件的切削方程如下：
Figure BDA0003826772690000053
其中，X，Y和Z为X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨的运动量，x，y和z为仿真球面坐标值，仿真面形为图3的(a)所示。
当存在刀鼻半径误差ΔR，其切削方程如下式，该误差带来的面形误差形式图3的(b)所示。
Figure BDA0003826772690000054
Figure BDA0003826772690000061
其中，X1，Y1和Z1分别表示，当误差存在时，X轴导轨、Y轴导轨、Z轴导轨的运动量，fy和fz是其沿着Y轴和Z轴的法矢分量。
当存在XZ轴垂直度误差α，其切削方程如下，该误差带来的面形误差形式图3的(c)所示。
Figure BDA0003826772690000062
本实施例中，一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识实际应用方法，利用刀鼻半径误差和XZ轴垂直度误差与试切球面面形误差之间的关系实现误差大小的确定，在利用超精密飞切时，刀鼻半径误差和XZ轴垂直度误差较其他误差影响较大，在试切球面时，若存在刀鼻半径误差，其引起面形误差为球差形式，当存在XZ轴垂直度误差时，其引起的面形误差为像散形式，通过球面面形误差反算可以获得准确的刀鼻半径误差和XZ轴垂直度误差。本发明操作方法简单，可同时实现刀鼻半径误差和XZ轴垂直度误差获取。
实施例3：
一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识系统，如图4所示，包括：
处理模块，用于利用超精密飞切刀具试切工艺参数对待试切零件进行试切处理得到试切球面零件；
辨识模块，用于获取所述试切球面零件参数进行超精密飞切刀具半径和垂直度误差辨识。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法，其特征在于，包括：
利用超精密飞切刀具试切工艺参数对待试切零件进行试切处理得到试切球面零件参数；
利用所述试切球面零件参数进行超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识。
2.如权利要求1所述的一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法，其特征在于，所述利用超精密飞切刀具试切工艺参数对待试切零件进行试切处理得到试切球面零件参数包括：
利用超精密飞切刀具试切工艺参数计算得到超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数；
利用所述超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数进行试切处理得到试切球面；
利用激光干涉仪对所述试切球面测量得到试切球面零件参数。
3.如权利要求2所述的一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法，其特征在于，利用超精密飞切刀具试切工艺参数计算得到超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数的计算式如下：
Figure FDA0003826772680000011
其中，x为超精密飞切刀具试切工艺X轴参数，y为超精密飞切刀具试切工艺Z轴参数，z为超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数，R为试切球面曲率半径。
4.如权利要求1所述的一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法，其特征在于，利用所述试切球面零件参数进行超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识包括：
利用所述试切球面零件参数得到超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差。
5.如权利要求4所述的一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法，其特征在于，利用所述试切球面零件参数得到超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差包括：
当超精密飞切刀具存在超精密飞切刀具刀鼻半径误差时，利用所述试切球面零件参数计算超精密飞切刀具刀鼻半径误差；
当超精密飞切刀具存在超精密飞切刀具垂直角度误差时，利用所述试切球面零件参数计算超精密飞切轴系垂直角度误差。
6.如权利要求5所述的一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法，其特征在于，利用所述试切球面零件参数计算超精密飞切刀具刀鼻半径误差包括：
利用所述超精密飞切刀具试切工艺Y轴参数得到超精密飞切零件的Y轴单位法向矢量分量与Z轴单位法向矢量分量；
利用所述Y轴单位法向矢量分量与Z轴单位法向矢量分量计算超精密飞切刀具刀鼻半径误差。
7.如权利要求6所述的一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法，其特征在于，利用所述Y轴单位法向矢量分量与Z轴单位法向矢量分量计算超精密飞切刀具刀鼻半径误差的计算式如下：
x1＝x
z1＝z+fzΔR
Figure FDA0003826772680000021
其中，x1为存在刀具半径误差时的超精密飞切刀具X轴位移量，y1为存在刀具半径误差时的超精密飞切刀具Y轴位移量，z1为存在刀具半径误差时的超精密飞切刀具Z轴位移量，x为超精密飞切刀具试切工艺X轴参数，z为超精密飞切刀具试切工艺Z轴参数，fy为Y轴单位法向矢量分量，fz为Z轴单位法向矢量分量，R为试切球面曲率半径，ΔR为超精密飞切刀具半径误差。
8.如权利要求5所述的一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识方法，其特征在于，利用所述试切球面零件参数计算超精密飞切轴系垂直角度误差的计算式如下：
xm＝x*cosα
zm＝z+xsinα
Figure FDA0003826772680000022
其中，xm为存在垂直角度误差时的超精密飞切刀具X轴位移量，ym为存在垂直角度误差时的超精密飞切刀具Y轴位移量，zm为存在垂直角度误差时的超精密飞切刀具Z轴位移量，x为超精密飞切刀具试切工艺X轴参数，z为超精密飞切刀具试切工艺Z轴参数，α为超精密飞切刀具垂直角度误差，R为试切球面曲率半径。
9.一种超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识系统，其特征在于，包括：
处理模块，用于利用超精密飞切刀具试切工艺参数对待试切零件进行试切处理得到试切球面零件参数；
辨识模块，用于获取所述试切球面零件参数进行超精密飞切刀具半径和轴垂直度误差辨识。
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