CN116871542A - 一种基于切圆槽的超精密机床b轴车削高精对刀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，通过金刚石圆弧刃车刀在工件表面车削出特殊的两个圆槽结构，再将工件置于激光干涉仪下高精度测量出对应的槽直径和槽深，建立其与对刀误差和B轴悬臂之间的关系并计算相应的结果，进一步关联所输入任意坐标点并转换进入机床坐标系，最终实现了超精密机床B轴车削高精对刀。具有以下优点：首先，所提出的试切圆槽结构的方法简单易行，并且不依赖于操作人员的实际经验，对刀过程可重复性高；其次，基于高精度的激光干涉仪测量能够突破传统CCD相机测量分辨率低下的局限性，测量过程不受到机床测量环境以及操作台振动干扰，以获得无损测量并获取高精度结果。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法。
背景技术
作为先进的纳米制造技术之一，超精密车削能够以高质高效低耗的方式创成具有纳米表面纹理的光学表面。目前，面向复杂非回转对称的光学表面加工，基于多轴联动的超精密车削已然成为技术发展前沿和趋势，其典型代表为四轴XCZB架构和五轴XYZCB架构。其中，机床B轴能够带动刀架以一定角度旋转，为精准控制刀具与工件之间相对位置提供了有效途径。B轴对刀误差作为影响超精密车削复杂光学表面的重要因素，通常指的是实际刀尖中心与机床设置的理论中心位置不重合造成的偏差，该误差的存在将严重影响所加工质量。对于超精密机床B轴车削对刀，通常需要以下步骤：首先针对X轴和Z轴对刀误差进行校准，并计算B轴旋转中心至刀尖距离即B轴摆臂距离，进而将加工程序中任意一点坐标转换到机床坐标系确定相应的刀尖位置，最终实现超精密机床B轴车削高精对刀。针对这一问题，目前传统方法主要为对刀仪法和观察法。对刀仪法基于CCD相机成像，通过拟合算法将刀尖图像进行位置变换从而计算出刀具与工件在机床坐标系中相对位置，以实现完整对刀过程。观察法通过操作人员在放大镜下观察在不同坐标处所试切的工件表面接触点的情况并判断其相对位置关系，进而计算出在机床坐标系下的对刀零点，循环往复直至主观判断对刀完成。对于超精密机床B轴车削高精对刀，有必要提出具有高精度、高效率、简单易行的对刀方法。
传统超精密机床车削B轴对刀方法的有效性已被广泛验证，但依然存在以下缺点：1)对刀仪法获取刀尖拟合点与操作人员主观选取有关，计算结果具有不够客观且受到视觉误差影响大；2)对刀仪法受限于CCD相机的低分辨率，受到机床测量环境以及操作台振动干扰，因而难以实现高精对刀；3)观察法严重依赖对刀人员的技术水平，对刀过程效率不高且可重复性低；4)观察法可能需要反复多次才能达到高精度效果，操作过程容易积累刀具磨损进而影响接续光学表面加工质量。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明旨在公开一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，以提升对刀过程的精度、效率和可行性，最终提高光学表面加工质量。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，包括以下步骤：
S1：依靠专用夹具将工件装夹并用吸盘装置吸附于超精密机床主轴上，通过装刀架将刀具安装于B轴上，旋转B轴使其调整至0°位置，记此时B轴零点记为O，记刀尖点为A，记B轴旋转中心点为E，记刀尖点A与B轴旋转中心E距离AE即B轴悬臂长度为L，分别记刀尖点A与B轴中心沿X轴和Z轴对刀误差为ΔX和ΔZ；
S2：将机床沿X轴移出工件一定距离并旋转主轴，进行工件端面车削，加工完成后将对应的机床Z轴坐标值设置为Z轴零点并记为F，以此消除Z轴对刀误差ΔZ，记相应的B轴旋转中心O至工件表面距离OF为Z0；
S3：给予主轴转速w，将刀具以O点为参考坐标点沿X轴移动X1，记该位置为G，在该位置沿Z轴以车削深度d车削第一圆槽结构；
S4：待第一圆槽结构加工完成后，维持主轴转速w，将刀具以O为参考点沿X轴移动距离X2，记该位置为H，将B轴沿顺时针旋转角度θ，并在该位置沿Z轴同样以车削深度d车削第二圆槽结构；
S5：待第二圆槽结构加工完成后，将机床退刀至安全位置，取下工件材料进行清洁，并在表面测量设备上进行形貌测；
S6：对于第一圆槽结构，获取槽最低点处圆直径记为D，槽深度记为d1，沿着X轴方向，建立X轴对刀误差ΔX，刀具移动距离X1和槽最低点处的圆直径D之间关系，表示为：
将所计算的ΔX补偿进机床系统，以此实现机床X轴对刀误差的校准，沿着Z轴方向，建立切削深度d，槽深度d1，B轴悬臂长度L和B轴中心至工件表面距离Z0之间关系，表示为：
L+d-d1＝Z0
S7：对于第二圆槽结构，获取槽深度记为d2，沿着Z轴方向，建立切削深度d，槽深度d2，B轴悬臂长度L，B轴摆角θ和B轴中心至工件表面距离Z0之间关系，表示为：
Lcosθ+d-d2＝Z0
S8：联立S6和S7公式，解出B轴悬臂长度L，表示为：
S9：通过上述方法校准机床X轴和Z轴对刀误差ΔX和ΔZ并解出B轴悬臂长度后，对于任意一点机床坐标沿X轴和Z轴移动距离Xt和Zt,以及B轴摆角φ，计算相应的刀尖位置点(Xφ,Zφ)，表示为：
依次将所输入坐标点转换进入机床坐标系即可实现超精密机床B轴车削高精对刀。
进一步地，所述步骤S1中的所述工件材料为黄铜。
进一步地，所述步骤S1中的所述夹具为弹簧夹头夹具。
进一步地，所述步骤S1中的所述刀具为金刚石圆弧刃车刀。
进一步地，所述步骤S3中的所述主轴转速w为3000rpm。
进一步地，所述步骤S3中的所述主轴切削深度d为1μm。
进一步地，所述步骤S5中的所述测量设备为激光干涉仪。
进一步地，所述第一圆槽和所述第二圆槽的深度相同。
进一步地，所述步骤S1中的所述吸盘装置为真空吸盘。
本发明的有益效果为：
本发明公开的一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，通过金刚石圆弧刃车刀在工件表面车削出特殊的两个圆槽结构，再将工件置于激光干涉仪下高精度测量出对应的槽直径和槽深，建立其与对刀误差和B轴悬臂之间的关系并计算相应的结果，进一步关联所输入任意坐标点并转换进入机床坐标系，最终实现了超精密机床B轴车削高精对刀。具有以下优点：首先，所提出的试切圆槽结构的方法简单易行，并且不依赖于操作人员的实际经验，对刀过程可重复性高；其次，基于高精度的激光干涉仪测量能够突破传统CCD相机测量分辨率低下的局限性，测量过程不受到机床测量环境以及操作台振动干扰，以获得无损测量并获取高精度结果；进一步的，所提出的方法仅需进行单次试切，同时有效减少操作过程所积累的刀具磨损进而提高光学表面加工质量。重要的是，该方法能够解决传统方法误差大可行性不高的问题，能够实现超精密B轴车削高精度高效率对刀。
附图说明
图1为本发明一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法的步骤1和步骤2的示意图；
图2为本发明一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法的步骤3的示意图；
图3为本发明一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法的步骤4的示意图；
图4为本发明一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法的步骤5的示意图；
图5为本发明一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法的步骤6的示意图；
图6为本发明一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法的步骤7和步骤8的示意图。
图7为本发明一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法的步骤9的示意图。
图中：1、工件；2、刀具；3、第一圆槽结构；4、第二圆槽结构；5、激光干涉仪。
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。
请参阅图1-7，本发明公开了一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，包括以下步骤：如图1所示，S1：依靠专用夹具将工件1装夹并用吸盘装置吸附于超精密机床主轴上，通过装刀架将刀具2安装于B轴上，旋转B轴使其调整至0°位置，记此时B轴零点记为O，记刀尖点为A，记B轴旋转中心点为E，记刀尖点A与B轴旋转中心E距离AE即B轴悬臂长度为L。分别记刀尖点A与B轴中心沿X轴和Z轴对刀误差为ΔX和ΔZ；
如图1所示，S2：将机床沿X轴移出工件一定距离并旋转主轴，进行工件1端面车削，加工完成后将对应的机床Z轴坐标值设置为Z轴零点并记为F，以此消除Z轴对刀误差ΔZ。记相应的B轴旋转中心O至工件表面距离OF为Z0；
如图2所示，S3：给予主轴转速w，将刀具2以O点为参考坐标点沿X轴移动X1，记该位置为G，在该位置沿Z轴以车削深度d车削第一圆槽结构3；
如图3所示，S4：待第一圆槽结构加工完成后，维持主轴转速w，将刀具2以O为参考点沿X轴移动距离X2，记该位置为H，将B轴沿顺时针旋转角度θ，并在该位置沿Z轴同样以车削深度d车削第二圆槽结构4；
如图4所示，S5：待第二圆槽结构加工完成后，将机床退刀至安全位置，取下工件材料进行清洁，并在激光干涉仪5上进行形貌测量。
如图5所示，S6：对于第一圆槽结构3，获取槽最低点处圆直径记为D，槽深度记为d1。沿着X轴方向，建立X轴对刀误差ΔX，刀具移动距离X1和槽最低点处的圆直径D之间关系，表示为：
将所计算的ΔX补偿进机床系统，以此实现机床X轴对刀误差的校准。沿着Z轴方向，建立切削深度d，槽深度d1，B轴悬臂长度L和B轴中心至工件表面距离Z0之间关系，表示为：
L+d-d1＝Z0
如图6所示，S7：对于第二圆槽结构4，获取槽深度记为d2。沿着Z轴方向，建立切削深度d，槽深度d2，B轴悬臂长度L，B轴摆角θ和B轴中心至工件表面距离Z0之间关系，表示为：
Lcosθ+d-d2＝Z0
如图6所示，S8：联立S6和S7公式，解出B轴悬臂长度L，表示为：
如图7所示，S9：通过上述方法校准机床X轴和Z轴对刀误差ΔX和ΔZ并解出B轴悬臂长度后，对于任意一点机床坐标沿X轴和Z轴移动距离Xt和Zt,以及B轴摆角φ，计算相应的刀尖位置点(Xφ,Zφ)，表示为：
依次将所输入坐标点转换进入机床坐标系即可实现超精密机床B轴车削高精对刀。
具体而言，本发明中选用的工件1为黄铜，该材料容易获取且具有良好的材料性能稳定性。刀具选用金刚石圆弧刃车刀2，金刚石刀具硬度高、耐磨性好、热膨胀系数低且寿命很长；金刚石圆弧刃车刀在加工中切削状态平稳，能够得到更好的加工圆槽结构表面质量。
本发明中将工件1固定于机床主轴上采用的方法为夹具定位夹紧并通过吸盘装置吸紧，本实施例选用弹簧夹头夹具将工件定位夹紧，弹簧夹头夹具能够实现对工件的周向大面积夹持，且具有很高的定位精度，是被广泛应用的机床夹具。本实施例选用真空吸盘装置将夹具吸附于主轴上。真空吸盘是真空吸附装置的执行元件，具有吸附平稳可靠，不损坏所吸附物件表面的优点，能够有效提高加工工件、零部件在自动化、半自动化生产中的效率。
第一圆槽结构3和第二圆槽结构4的切削深度相同，目的是为了使利用测量设备测量时这两个槽结构所对应的最低点标准相同，便于测量结果的获取且利于数据处理。
本发明中测量设备为激光干涉仪5，是一种利用光波干涉现象的测量仪器，具备抗空气扰动和环境干扰能力强等特点，激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点，利用激光干涉仪能够实现三维表面形貌非接触式测量且具有很高的测量精度，非常适合应用于精密及超精密加工零件的测量。
通过以上方法进行超精密精对刀：首先，所提出的试切圆槽结构的方法简单易行，并且不依赖于操作人员的实际经验，对刀过程可重复性高；其次，基于高精度的激光干涉仪5测量能够突破传统CCD相机测量分辨率低下的局限性，测量过程不受到机床测量环境以及操作台振动干扰，以获得无损测量并获取高精度结果；进一步的，所提出的方法仅需进行单次试切，同时有效减少操作过程所积累的刀具磨损进而提高光学表面加工质量。重要的是，该方法能够解决传统方法误差大可行性不高的问题，能够实现超精密机床B轴车削高精度高效率对刀。
如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：依靠专用夹具将工件装夹并用吸盘装置吸附于超精密机床主轴上，通过装刀架将刀具安装于B轴上，旋转B轴使其调整至0°位置，记此时B轴零点记为O，记刀尖点为A，记B轴旋转中心点为E，记刀尖点A与B轴旋转中心E距离AE即B轴悬臂长度为L，分别记刀尖点A与B轴中心沿X轴和Z轴对刀误差为ΔX和ΔZ；
S2：将机床沿X轴移出工件一定距离并旋转主轴，进行工件端面车削，加工完成后将对应的机床Z轴坐标值设置为Z轴零点并记为F，以此消除Z轴对刀误差ΔZ，记相应的B轴旋转中心O至工件表面距离OF为Z0；
S3：给予主轴转速w，将刀具以O点为参考坐标点沿X轴移动X1，记该位置为G，在该位置沿Z轴以车削深度d车削第一圆槽结构；
S4：待第一圆槽结构加工完成后，维持主轴转速w，将刀具以O为参考点沿X轴移动距离X2，记该位置为H，将B轴沿顺时针旋转角度θ，并在该位置沿Z轴同样以车削深度d车削第二圆槽结构；
S5：待第二圆槽结构加工完成后，将机床退刀至安全位置，取下工件材料进行清洁，并在表面测量设备上进行形貌测；
S6：对于第一圆槽结构，获取槽最低点处圆直径记为D，槽深度记为d1，沿着X轴方向，建立X轴对刀误差ΔX，刀具移动距离X1和槽最低点处的圆直径D之间关系，表示为：
将所计算的ΔX补偿进机床系统，以此实现机床X轴对刀误差的校准，沿着Z轴方向，建立切削深度d，槽深度d1，B轴悬臂长度L和B轴中心至工件表面距离Z0之间关系，表示为：
L+d-d1＝Z0
S7：对于第二圆槽结构，获取槽深度记为d2，沿着Z轴方向，建立切削深度d，槽深度d2，B轴悬臂长度L，B轴摆角θ和B轴中心至工件表面距离Z0之间关系，表示为：
Lcosθ+d-d2＝Z0
S8：联立S6和S7公式，解出B轴悬臂长度L，表示为：
S9：通过上述方法校准机床X轴和Z轴对刀误差ΔX和ΔZ并解出B轴悬臂长度后，对于任意一点机床坐标沿X轴和Z轴移动距离Xt和Zt,以及B轴摆角φ，计算相应的刀尖位置点(Xφ,Zφ)，表示为：
依次将所输入坐标点转换进入机床坐标系即可实现超精密机床B轴车削高精对刀。
2.根据权利要求1所述的一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，其特征在于：
所述步骤S1中的所述工件材料为黄铜。
3.根据权利要求1所述的一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，其特征在于：
所述步骤S1中的所述夹具为弹簧夹头夹具。
4.根据权利要求1所述的一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，其特征在于：
所述步骤S1中的所述刀具为圆弧刃金刚石车刀。
5.根据权利要求1所述的一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，其特征在于：
所述步骤S3中的所述主轴转速w为3000rpm。
6.根据权利要求1所述的一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，其特征在于：
所述步骤S3中的所述主轴切削深度d为1μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，其特征在于：所述步骤S5中的所述测量设备为激光干涉仪。
8.根据权利要求1所述的一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，其特征在于：所述第一圆槽和所述第二圆槽的深度相同。
9.根据权利要求1所述的一种基于切圆槽的超精密机床B轴车削高精对刀方法，其特征在于：
所述步骤S1中的所述吸盘装置为真空吸盘。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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