（机械工程专业论文）复杂面形结构零件车削加工关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 摘要 近年来，复杂面形结构零件的应用范围越来越广，不论在军事上还是在民用 上的需求越来越紧迫，某些特殊成像效果的光学系统只有采用复杂面形光学零件 或复杂结构才能够实现，而且往往一个零件上既有复杂面形也有微小结构，这些 零件不能用传统的切削加工方法进行加工。而具有大行程、高频响特点的快刀伺 服加工技术，结合了快刀伺服和慢刀伺服加工技术的优点，能够实现复杂面形结 构零件的精密高效加工，是目前国内外研究的热点之一。 本文主要针对适合复杂面形结构零件加工的大行程、高频响快刀伺服加工方 法开展研究，主要内容如下： 1 ) 对复杂面形结构零件快刀伺服加工的特点进行分析，研究了刀具轨迹控制 的实现方式；在此基础上，对整个工艺系统进行方案设计； 2 ) 分析了音圈电机驱动的f t s 伺服刀架的结构，建立具有大行程、高频响特 点的伺服刀架机电耦合模型；分别基于模拟控制器和p m a c 运动控制卡设计f t s 控制系统，为实现系统的全数字控制奠定了基础，同时对f t s 伺服刀架的运动特 性进行测试分析； 3 ) 分析了机床几何误差对快刀伺服加工精度的影响，对加工机床导轨、主轴 的性能进行测试和分析： 4 ) 针对一个典型的复杂结构零件进行快刀伺服加工实验，对加工结果进行了 评价和分析。 主题词：复杂面形，结构零件快刀n i t 伺服刀架音圈电机轨迹控制 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o ns c o p e so fc o m p l e xs h a p ea n ds t r u c t u r ep a r t sa r eb e c o m i n gw i d e r a n dw i d e r t h ed e m a n d sf o rc o m p l e xs h a p ea n ds t r u c t u r ep a r t sa r eb e c o m i n gm o r ea n d m o r es t r i n g e n ti nb o t hm i l i t a r ya n dc i v i lf i e l d s s o m eo p t i cs y s t e m sw i t ht h es p e c i a l i m a g i n ge f f e c tc a r lj u s tb er e a l i z e dw h e nt h ec o m p l e xs h a p ep a r t so rc o m p l e xs t r u c t u r e p a r t sa l ea p p l i e d t h e s ep a r t s 、 ，i t hb o t hc o m p l e xs h a p es u r f a c e sa n dm i c r os t r u c t u r e s c a n tb em a c h i n e db yt r a d i t i o n a lm a c h i n i n gp r o c e s s 诹t l ll l i g he f f i c i e n c ya n dh i g h a c c u r a c y a st h ef a s tt o o ls e r v o ( f t s ) p r o c e s st e c h n o l o g yw i t hl o n gd i s t a n c ea n dh i g h r e s p o n s ei s an o v e lm a c h i n i n gp r o c e s s c a p a b l eo fm a c h i n i n gc o m p l e xs h a p ea n d s t r u c t u r ep a r t sa c c u r a t e l y ，a n di th a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ed e v i c e sa n dt e c h n i q u e so ff t ss y s t e ma r es t u d i e di no r d e r t om a c h i n i n gc o m p l e xs h a p ea n ds t r u c t u r ep a r t s t h em a i nc o n t e n t sa r ee x p r e s s e da s f o l l o w ： 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a c h i n i n gp r o c e s so fc o m p l e xs h a p ea n ds t r u c t u r ep a r t s b yf t sa r ea n a l y z e da n dt h em e t h o do fc o n t r o l l i n gt o o l p a t h si sr e s e a r c h e d b a s eo n t h e s ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，t h es c h e m eo ff t s s y s t e mi sd e s i g n e d 2 ) t h es t r u c t u r eo ff t ss y s t e mi sa n a l y z e dw h i c hi sd r i v e nb yt h ev o i c ec o i lm o t o r , a n dt h ec o u p l i n gm o d e lo fm e c h a n i c sa n de l e c t r i c i t yi sf o u n d e d t h ec o n t r o ls y s t e mo f f t si sd e s i g n e db yu s i n ga n a l o gc o n t r o l l e ra n dp m a cr e s p e c t i v e l y ，a n dt h ew o r k sa r e t h ef o u n d a t i o nf o ra l l n u m e r i c a lc o n t r o la b o u tt h ef t s a f t e rt h i s ，t h em o v e m e n t p e r f o r m a n c e sa r et e s t e da n da n a l y z e d 3 ) o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ei n f l u e n c e so fm a c h i n et o o l sg e o m e t r i c a le r r o r so n t h ea c c u r a c yo ff t s ，t h ep e r f o r m a n c e so fs l i d ea n ds p i n d l ea r et e s t e da n da n a l y z e d 4 ) at y p i c a lc o m p l e xs t r u c t u r ep a r ti sm a c h i n e db yf t ss y s t e m a c c o r d i n gt o e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，s o m ei m p r o v i n gm e t h o d sa r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：c o m p l e xs h a p ea n ds t r u c t u r ep a r t s f a s tt o o ls e r v o s e w ot o o iv o i c ec o l im o t o rt r a j e c t o r yc o n t r o l 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图i 1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图目录 红外焦平面阵列与微透镜阵列的集成2 微透镜阵列提高探测器探测率2 f f s 棱镜在h m d 中的应用i 3 t 型布局车床示意图3 m o o r e 公司研制的s 3 车床示意图4 快刀伺服加工( f t s ) 示意图一5 i i v i 公司快刀伺服加工6 k i n e t i cc e r a m i c s 公司f t s 模块及加工实例7 p r e c i t e c h 公司f t s 系统加工的微透镜阵列7 旋转式f t s 加工的铝质工件表面轮廓8 f t s 加工靶球示意图8 切削角度的变化。1 1 复杂面形结构零件快刀伺服加工系统的控制框图。1 4 日本仙台t o h o k u 大学利用f t s 加工平面正弦栅格过程1 4 零件面形的网格化15 快刀伺服加工时切削力的变化图1 7 复杂面形结构零件快刀伺服加工系统的整体设计一1 8 研制的快刀伺服工艺系统实物图1 9 压电陶瓷驱动的直线伺服刀架2 0 “旋转电机+ 丝杠螺母副”驱动的直线伺服刀架2 0 安培力原理图2 1 直线式音圈电机的结构图2 1 f t s 伺服刀架的结构布局2 3 快速刀架伺服系统的力学和电路模型2 4 伺服刀架阶跃响应曲线2 6 f t s 伺服刀架的模拟式控制结构2 6 f t s 伺服刀架模拟控制器的结构2 7 f t s 伺服刀架在模拟式控制条件下的频率响应实验结果2 8 基于模拟控制器的f t s 控制系统2 8 基于p m a c 的f t s 控制系统。3 0 p m a c 数字控制器的结构示意图3 1 “p i d + 前馈”控制中伺服刀架的2 0 0 9 m 阶跃响应曲线3 2 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图3 1 l 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图5 1 图5 2 图5 3 f t s 伺服刀架测试装置的结构布局3 5 f t s 伺服刀架运动分辨率的测试结果3 6 导轨直线度测量图4 0 x 、z 轴导轨直线度误差曲线4 l x 与z 轴导轨垂直度测量图4 l 车床空气静压主轴结构4 3 空气静压主轴实物图4 3 主轴回转精度测量原理图4 4 主轴轴向刚度测量原理图4 4 主轴径向刚度测量原理图4 5 车削平面结果4 5 主轴安装误差示意图4 6 f t s 进刀速度的变化曲线4 8 f t s 伺服刀架进给加速度变化曲线4 8 改进的零件夹具5 1 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 表目录 表1 1k i n e t i cc e r a m i c s 公司f t s 模块参数6 表1 2p r e c i t e c h 公司f t s 模块参数7 表3 1p i d 和前馈参数整定结果3 2 表3 2f t s 伺服刀架运动误差的测量值3 6 表4 1主轴轴向受力与变形关系4 5 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：复壅亘丝z 缱堑墨往奎削盘三差缝筮盔盈究 学位论文作者签名： g 蕴丝日期：必7 年f ，月砷日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名：罄缝丝 日期： 卅年1 1 月二7 日 作者指导教师始越生 日期岬年唧日 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 1 1 1 课题的来源 第一章绪论 1 1 课题来源及意义 本课题来源于装备预先研究项目复杂面形结构超精密快刀伺服加工技术， 项目编号为5 1 3 1 8 0 2 0 1 0 8 。课题的目标是针对普通方式的超精密车削加工和压电陶 瓷驱动的快刀伺服加工方法的局限性，以高陡度复杂形面零件为加工对象，通过 分析超精密快刀伺服加工系统的动态响应、稳定性、抗干扰能力、切削机理和影 响因素，以及加工表面的走刀路径，对超精密快刀伺服加工的共性技术进行研究； 突破大行程、高精度快刀伺服加工系统的结构设计、控制策略和工艺方法的技术 难关，形成高陡度复杂形面零件快刀伺服加工的技术路线和工艺规范。 本课题将通过采用直线式音圈电机作为伺服刀架的驱动装置，设计和研制出 能够满足大行程、高频响、高精度加工要求的复杂面形结构零件快刀伺服加工系 统。 1 1 2 课题研究的背景和意义 近年来，复杂面形结构零件的应用范围越来越广，某些特殊成像效果的光学 系统只有采用复杂面形光学零件( 如侦察卫星光学系统中补偿像差的光学零件) 或复杂结构( 如红外探测器中微透镜阵列) 才能够实现，而且往往一个零件上既 有复杂面形也有微小结构。但是，复杂面形结构零件一般没有最接近球面，或者 与最接近球面的差值很大；并且随着应用系统的发展，复杂面形结构零件越来越 陡、局部曲率越来越大，因此其加工非常困难。 在传统加工方式中，磨削和铣削能够实现复杂面形结构零件的加工，但是均 存在明显的缺点。对于磨削加工而言，加工面呈现出显著的峰谷相间结构，并且 由于球形砂轮的磨损及修整误差，加工精度受到限制；而铣削加工时工件的安装 与调整比较困难，加工面形受到铣刀尺寸的影响，表面粗糙度值也较大；同时这 两种方法的加工周期很长，且需要昂贵的多轴超精密机床。 采用车削加工方式可以实现复杂面形结构零件的精密高效加工，下面以三类 具体的复杂面形结构零件的加工方式为例加以说明： 1 ) 激光核聚变靶球微结构的加工 激光核聚变不仅具有军事用途，同时也可解决人类能源危机。世界各国都投 入大量人力、物力在该领域进行研究，美国国家点火装置( n i f ) 即将进行点火实 第l 页 国防科学技术人学研究生院硕+ 。学位论文 验。 我国也对激光核聚变技术进行了研究，但其中靶球微结构的加工与检测足技 术难点，至今未找到一种行之有效的工艺手段。基于复杂面形车削加工方法，能 够实现靶球元件微结构的高精度、低表面粗糙度值加工。 2 ) 光学微透镜阵列的精密高效加 ： 微透镜阵列作为红外探测器成像系统的组成部分( 参见图1 1 ) ，通过与焦 面阵列相结合，能够减少探测器体积，减缓凝视焦平面饱和，简化成像系统，人 大提高系统的灵敏度、信噪比和综合性能。中国科学院光电技术研究所研究了通 过微透镜阵列来实现光聚能的方法，基了二微透镜阵列和红外焦平面的耦合作用能 够将探测器的探测率提高2 8 倍【1 2 1 ( 见图1 2 所示) 。 图1 1红外焦平面阵列与微透镜阵列的集成图1 2 微透镜阵列提高探测器探测率 微透镜阵列常用制作方法存在许多不足之处，如对材料和设备要求高、刻蚀 图形边缘不清晰、难以制作大f 数的微透镜阵列、加工精度的一致性较差、工艺 可控性不好、对环境有污染等。相对而吉，复杂面形车削加工方法能够克服上述 缺点，通过优化的控制方案和合理的i ：艺措施可以直接加工出精密、光滑的微透 镜阵列或对应的成形模具，对红外探测器光学性能的提高具有重要意义。 3 ) 头盔显示器( h e a dm o u n t e dd i s p l a y ，h m d ) 中复杂形面棱镜的加工 头盔显示器是现代战争中单兵数字化部队必不可少的重要兵器装备，作战时 的命令传达、战场观察、地形查看、夜视系统显示、炮瞄系统等需要信息显示的 地方，都可以采用头盔来完成。在保证像质的前提下，为了简化头盔显示器中光 学系统的结构，采用复杂面形棱镜( f r e e f o r ms u r f a c ep r i s m ，f f s ) 是一种行之有 效的方法。 图1 3 ( a ) 为f f s 棱镜构成的h m d 光学系统【3 1 ，图1 3 ( b ) 为c a n o n 公司设 计的一种f f s 棱镜，具有紧凑、耐用、成像质量好等特点。从图中可以看出，f f s 棱镜的三个面均为复杂曲面，曲面顶点相对边缘的拱形高在毫米量级，加工异常 困难，费用相当昂贵。 总之，复杂面形结构零件无论是在军事领域还是在民用方面的应用将会越来 越广泛，传统加工方式存在精度、效率和设备造价昂贵等方面的难题。本课题针 对复杂面形车削加工中装置设计、工艺方法规划等关键技术进行研究，这对于解 第2 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 决复杂面形结构零件的精密高效加工、扩大其应用范围具有重要的现实意义。 鹕 令反射面 ，图象源 户 f f s 棱镜 补偿棱镜 ( a ) f f s 棱镜构成的h m d 光学系统( b ) c a n o n 公司设计f f s 棱镜 图1 3f f s 棱镜在h m d 中的应川 1 2 实现复杂面形结构零件车削加工的方式 普通方式的精密超精密车削加工在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常 重要的地位，如导弹惯性仪表中的零部件、雷达波导管腔体表面、红外探测器中 接收红外线的反射镜等都需要采用超精密车削加工来完成，但是传统的车削方式 对于复杂面形结构零件显得无能为力。 以典型的t 型布局( 见图1 4 ) 金刚石车床为例，对于普通车削系统，能够进 行位置控制的为x 和z 轴。对于3 维轮廓坐标( x ，y ，z ) ，由于不能对主轴转角0 进 行描述，因此对于具有复杂面形结构的零件没有加工能力。如果增加了对主轴转 角e 的描述，则复杂面形结构零件的3 维轮廓坐标( x ，y ，z ) 描述为( r ，0 ，z ) ，则可以 通过车削方式实现对复杂面形结构零件的加工。 图i 4t 型布局车床示意图 在复杂面形结构零件的车削加工中，如何根据零件面形对刀具的运动轨迹进 行控制是其中的关键点。生成刀具轨迹的方式有两种：慢刀伺服( s l o wt o o ls e r v o ， s t s ) 、快刀伺服( f a s tt o o ls e r v o ) ，下面分析这两种加工方式的特点。 第3 页 国防科学技术人学研究生院硕卜学位论文 1 2 1 慢刀伺服加工 慢刀伺服加工，也称为s 3 ( s l o ws l i d es e r v o ，s 3 ) 加工。同典型的金刚石车 床一4 样，s 3 车床包括两个直线轴和一个旋转轴( 主轴) 。不同之处在于普通车床 数控系统对两个直线轴( x 、z ) 进行位置控制，时旋转轴( 主轴) 则是速度控制。 但对于s 3 车床而言，对旋转轴( 主轴) 也进行位置控制，构成c 轴【4 1 。 在s 3 车床中，由于增加了c 轴的位置控制，实现3 维轮廓加工的3 个轴( x 、 y 、c ) 在空问构成柱坐标系，复杂面形零件的3 维轮廓坐标( x ，y ，z ) 描述为( r ，0 ，z ) ， 因此能够实现对复杂面形零件的车削加工。 加工过程中，数控系统对复杂面形零件的3 维轮廓进行插补运算，生成数控 程序；然后对所有3 轴发送插补指令，控制刀具进行3 维轮廓轨迹运动，实现对 复杂面形零件的车削加工。 图1 5 为美国m o o r e 公司研制的s 3 车床示意副4 1 ，x 轴与z 轴成t 型布局， 金刚石车刀安装在车床z 轴，i ：，c 轴安装在x 轴上，通过x z c 轴插补控制，实 现复杂面形零件的车削加工。 图1 5m o o r e 公司研制的s 3 下床示意图 1 2 2 快刀伺服加工 快刀伺服加工是在普通t 型车床上附加一个f t s 模块，这个模块在加工过程 中驱动刀具在z 方向产生高频响、小范围的快速精密进刀运动，配合主轴的回转， 来完成复杂面形结构零件的精密高效加：l 快刀伺服加工的示意图见图1 6 所示1 5 1 。 在快刀伺服加工中，f t s 模块是独立于车床数控系统之外的一套附加装置， f t s 与车床数控系统之i n j 没有双向的通讯关系，f t s 的输出信号由主轴的角度位 置0 和x 轴的刀具位置x 来决定。f t s 模块具体的工作原理将在第二章详细阐述。 第4 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 主轴 图1 6 快刀伺服加i ：( f t s ) 示意图 1 2 3 两种加工方式的特点比较 比较分析发现，慢刀伺服加工与快刀伺服加工都需要获得精确的主轴转角0 数值，因而都能够实现复杂面形结构零件的车削加工；但两者也有不同之处： 1 ) 慢刀伺服加工的数控系统要进行包括主轴的三轴插补运算，需要专用的刀 具轨迹生成器； 2 ) 快刀伺服加工不需要对主轴进行伺服控制，只需跟踪主轴转角变化，但需 要额外的f t s 模块及其控制系统； 3 ) 慢刀伺服加工需要对主轴进行非常精密的位置控制，因此需要主轴编码器 要达到数十万线，本质上是三轴或四轴联动机床，通常这是很困难的，也大大增 加了系统成本； 4 ) 慢刀伺h i d i ：i 工需要对车床的x 和z 轴进行超精密伺服控制，尤其是平稳的 低速运动控制，要求x 和z 轴的光栅尺要有极高的分辨率，快刀伺服加工的核心 是f t s 伺服模块，相对而言快刀伺服加工对车床的x 和z 轴要求要低一些； 5 ) 相对来说，慢刀伺服加工的运动频响低、行程很大适合加工离轴非球面等 复杂面形，而传统的快刀伺服加工中的f t s 模块运动频响高、行程较小，适合加 工微小结构。 从上述这些特点中不难看出：慢刀伺服加工，对车床和主轴的分辨率要求极 高，适合加工大型复杂面形零件；高频响的快刀伺服加工，精度高、行程小，对 于加工光学微透镜阵列类的复杂结构，具有不可替代的优点。但是这两种方法都 难以解决具有复杂面形的微结构零件d h - r ，需要研究新的加工技术。 本文针对复杂面形结构零件的快刀伺服加工方式进行研究，以实验室现有的 超精密金刚石车床为基础，综合快刀伺服和慢刀伺服超精密车削的特点，开展大 行程、高频响快刀伺服加工技术的研究，对装置设计、工艺系统构件和工艺路线 规划等方面的关键技术进行初步探讨，丌发具有复杂面形和微结构综合加工能力 的新技术。 第5 页 国防科学技术人学研究生院硕_ ：学何论文 1 3 复杂面形结构零件快刀伺服加工的国内外研究现状 在快刀伺服加工中，起关键作用的是实现高频n 向精密迸刀运动的快速刀具伺 服系统。早期大部分的快速刀具伺服系统用来补偿车削系统中的各种误差，例如 主轴回转运动的振动等。早在2 0 世纪8 0 年代，随着低成本微处理器的发展，困 外关丁利用快速j 具伺服来补偿乍削系统巾各种误差的研究就已经丌始。近年来， 随着快刀伺服系统存精度、频响等方而性能的提升，在复杂面形结构零件力i ii ：领 域的研究越来越受到人们的苇视。国外( 尤其是美国) 在该领域的研究很多，技 术相对成熟，已研制出高精度、高频响的快刀伺服系统，并且有些产品已经商晶 化。 2 0 0 1 年，美刚i i v i 公司住n a n o f o r m3 5 0 金刚石车床基础上率先开发了一套 快刀伺服系统，通过采用压电陶瓷驱动，信号处理更新率达到2 0 k h z ，p v 值为3 0 t m 时运动频响可达1 0 0 0 h z ，打破了普通车削方法不能加工复杂面形结构零件的限 制。在铜、铝、锗、硫化锌等材料的零件上，可以加工出复杂面形光学零件、螺 旋线结构、圆柱光学零伺：、微透镜阵列等【6 j 。图1 7 所示为i i v i 公司研制的快j 伺服系统加工铜质工件的场景。 劁1 7i i v i 公司快刀伺服加i ： 2 0 0 3 年有资料报道【7 】 美困k i n e t i cc e r a m i c s 公司利用压电陶瓷作为快刀伺服 系统的驱动装置，生产了= 三个模块化的f t s 系统：f t s 4 0 0 、f t s 一5 0 0 和f t s 6 0 0 ， 具体性能参数见表1 1 所示。 表1 1 k i n e t i cc e r a m i c s 公司f t s 模块参数 f t s 型号 行程 f t s 4 0 0 。 垒q q 些塑 带宽 线性度 刚度 1 0 0 h z ( 满行程) 士0 2 5 d b ( 0 2 0 0 h z ) ! 三q 丛! 些塑 一 第6 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 该模块化的f t s 系统可以安装在精密单点金刚石车床上，能够加工出球面、 离轴非球面以及其它“自由曲面”，成功地应用到从光学透镜到汽车活塞的加工中， 加工出的复杂面形光学表面粗糙度优于r m s l 2 n m 。图1 8 ( a ) 所示为k i n e t i c c e r a m i c s 公司生产的f t s 模块，图( b ) 为利用该f t s 模块在球面上加工出的方形轮 廓。 ( a ) f t s 模块( b ) f t s 加工的轮廓 图1 8k i n e t i cc e r a m i c s 公司f t s 模块及j j l l ：i - 实例 美国p r e c i t e c h 公司用音圈电机和压电陶瓷生产了三个模块化的快速刀具伺服 装置【8 】：f t s 5 0 0 、f t s 7 0 和f t s 3 5 ，行程分别为5 0 0 p m 、7 0 p m 和3 5 9 m ，三个模 块的具体性能参数见表1 2 ，图1 9 为加工出的微透镜阵列。 表1 2p r e c i t e c h 公司f t s 模块参数 f t s 型号f t $ 5 0 0f t $ 7 0f t s 3 5 驱动装置音圈电机压电陶瓷压电陶瓷 导向装置空气轴承柔性铰链柔性铰链 行程 5 0 0 9 m7 0 9 m3 5 1 x m 带宽 1 0 0 0 h z7 0 0 h z9 0 0 h z 加工表面特征 r a8 n mr a5 n mr a5 n m 加t = 表面形面p v3 0 0 n mp v 6 0 0 n mp v1 0 0n m 位置传感器类型模拟模拟模拟 美国麻省理工学院r c m o n t e s a n t i 和j l k l i n g m a n n 研制了采用压电陶瓷驱动 的旋转式快刀伺服加工系统，在低频时能够产生p v 值为5 0 9 m 的进刀运动，在2 k h z 第7 页 国防科学技术人学研究生院硕t 学位论文 时能产生p v 值为5 1 x m 的正弦进刀运动。 ( a ) d hi ：轮廓( b ) 检测结果 图1 1 0 旋转式f t s 加l ：的铝质f ：什表面轮廓 图1 1 0 为采用该系统加工的铝质工件，外径为9 m m ，具有2 5 0 个径向沟槽， 沿沟槽方向的表面粗糙度优于r m s1 2 n m 。他们准备对f t s 的动态性能作进一步 改进，以加工n i f 中进行高能密度物理实验的5 m m 直径靶球元件，图1 11 为加工 示意图【9 | 。 幽1 11f t s 加j ：靶球不意图 低成本微处理器的性z h * 匕1 6 个- - + 断地提高，已经对快刀伺服加工装置的设计和控制 起到积极作用。由于快刀伺服控制的动态精度决定了加工速度和零件精度，f t s 性能上的微小进步能够对加工效率和表面质量产生显著的影响。高频f t s 可以应 用于精细表面的加工，但控制输入的脉冲宽度太窄会引起输出振动，而且机电系 统的运动惯性和迟滞特性将影响到跟踪精度，需要采用先进的控制方法。 例如国外有些科研单位描述了为提高跟踪精度，采用非线性滑动模式控制器 对磁浮电机实现快刀伺服加工的情况。从事f t s 伺服控制的研究还包括加速度反 馈控制、前馈控制、重复学习控制，应用在电动液压式、电磁式、压电式和磁致 伸缩式等各种快速响应驱动器上i l 肌1 4 j 。 国内也有一些单位在从事超精密快刀伺服加工技术的研究，如香港理工大学 先进光学制造中心李荣彬教授购买了美国p r e c i t e c h 公司生产的模块化压电陶瓷驱 动的快刀伺服加工装置，结合自有的超精密数控车床，用于光学微透镜阵列、微 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 沟槽的加工【l p l 7 j 。但其行程只有3 5 1 x m ，无法满足头盔上复杂面形棱镜等需要大行 程快刀运动的加工要求，应用范围受到很大限制。此外，清华大学精密仪器与机 械系、哈尔滨工业大学精密工程研究所也有人开始进行快刀伺服加工技术的研究， 但并没有看到突破性的进展【1 8 ，l 纠。 可以看到，在快刀伺服加工的驱动方式上，传统的电机丝杠螺母结构不满足 动态性能要求；压电陶瓷驱动器虽然可以实现高频运动，但其行程很短，只有几 十微米，无法满足表面结构高度很大的复杂形面零件的快刀伺服加工要求。 部分学者因此采小用双层结构的驱动装置，即将大行程、低频响的驱动装置 和压电陶瓷结合起来，实现宽范围的快速伺服驱动。如美国p r e c i t e c h 公司利用其 生产的模块化的压电陶瓷驱动的行程为7 0 9 m 的f t s 装置( f t s 7 0 ) ，配合数控机 床本身具有的伺服运动，能够实现较大行程的快速走刀运动；但这类装置结构复 杂，传动环节增多，动态性能受到影响，而且无法加工面形突变、局部曲率较大 的复杂形面零件。 总体来说，由于表面结构高度很大的复杂面形和复杂结构的应用范围越来越 广泛，需求也越来越迫切，而国内( 特别是大陆) 在毫米级行程的快刀伺服加工 领域的技术研究几乎是空白，而国外的加工设备对我们又是禁运的。由于缺乏相 关的快刀伺服加工技术，使得我国许多复杂形面零件需要选用进口产品，价格十 分昂贵。为了解决这个难题，相关部门与科研机构正在进行有关的研究工作，但 如何高精度、大行程、高频响的快速精密进刀运动，是一个急需解决的难题。因 此必须尽快开展快刀伺服加工技术的研究，采用新颖的结构设计方法、驱动方式 和合理的工艺方案，满足现代武器系统、相关民用产品对各种复杂面形零部件高 精度、高效率的j n - r 需要。 1 4 本文的主要研究内容 复杂面形结构零件的应用范围越来越广、需求越来越紧迫，传统加工方法难 以实现其高效高精度加工，特别是具有复杂面形和微小结构复合特征的零件需要 新的加工手段。具有大行程、高频响的快刀伺服加工技术既能够实现复杂面形零 件的加工，也能很好满足微小结构零件的加工要求，在生产中具有重要意义。针 对这种情况，本文拟开展复杂面形结构零件快刀伺服加工技术的研究。 本文的主要研究内容安排如下： 1 ) 第二章对复杂面形结构零件在快刀伺服加工过程中的特点进行分析，研究 刀具运动轨迹控制的实现方式；在此基础上，分析快刀伺服加工对整个工艺系统 的性能要求，并针对这些性能对整个工艺系统进行方案设计，着重研究f t s 伺服 刀架的驱动方式； 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 2 ) 在第二章中，分析f t s 伺服刀架结构，建立具有大行程、高频响刀架的机 电耦合模型；根据f t s 伺服刀架的特点，设计f t s 控制系统；并对f t s 伺服刀架 进行运动性能测试； 3 ) 第四章对车床的几何误差对加工精度的影响进行分析，并对车床的几何误 差进行测试和结果分析； 4 ) 第五章针对一个典型的复杂结构零件进行结构特征分析，确定工艺参数的 选择方法，最后进行试加工，并对加工结果进行评价与分析。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 第二章复杂面形结构零件快刀伺服加工的特征分析 大行程、高频响的快刀伺服加工是加工复杂面形结构零件的有效方式，具有 许多不同于普通的车削加工的特征。本章分析快刀伺服加工的特点，分析其刀具 轨迹控制实现方式，提出了快刀伺服加工对整个工艺系统的性能要求，在此基础 上，对整个工艺系统进行了方案设计，重点是对f t s 伺服刀架的驱动方案的选择。 2 1 快刀伺服加工的切削特点 快刀伺服加工过程中，由于刀具在z 方向存在高频响的快速精密进刀运动， 因此在切削零件时也与普通车削有所不同。研究快刀伺服加工的切削特点，重点 研究加工过程中的切削力及其对刀具的要求，对工艺系统设计和使用有着重要的 指导意义。 2 1 1 快刀伺服加工过程的切削力分析 由于切削力来源于切屑、工件表面层金属的弹性变形和塑性变形产生的抗力、 刀具与切屑和工件表面间的摩擦力，因此凡影响变形和摩擦的因素都将影响到切 削力1 2 们。一般来说，这些影响因素主要包括工件材料、切削用量、刀具的几何参 数、刀具磨损、刀具材料以及切削液等。 在普通车削加工普通零件和快刀伺服加工复杂面形结构零件中，两者的根本 区别在于垂直于工件加工面的方向上( z 向) 有无快速进刀运动。快刀伺服加工中 刀具的z 向运动使得切削深度不断变化，甚至存在断续切削；同时刀具的工作角 度也在不断地发生变化，因此会引起切削力的变化。 如图2 1 所示，设车刀在z 向的进给速度为u 。，主轴转速为，切削角度变 化值为z ，则存在如下关系： 图2 1 切削角度的变化 第1 1 页 国防科学技术犬学研究生院硕十学位论文 比( r ，臼) a z 积瑟d p 叫小纠 = 詈= 手d t = 警r f ，t , 塑o xd o + 嘉) ( 2 ) 一班 因此，实际的切削前角为r ( r ，0 ) = y o + ，切削后角为口( r ，0 ) = 6 0 一。 从式( 2 1 ) 可见，当工件的半径小，且半径或端面高度相对于转角的变化量 很大时，一定要注意刀具工作角度的变化。刀具工作角度的变化会影响到工件的 粗糙度。 切削力的经验计算公式为： e = 屯a p f = 屯6 d - ( 2 2 ) 式中：c 为主切削力；恕为单位切削力，通过实验求得，与切削条件有关；a 。 为背吃刀量；f 为进给量；6 d 为切削宽度；为切削深度。 由此可以看出切削力与切削深度成正比，由于快刀伺服加工时切削深度在不 断变化，主切削力也会发生变化，加工时应给予足够的重视。主切削力主要由f t s 伺服刀架的机械结构所承受，因此伺服刀架在主切削力方向应具有足够的刚度。 2 1 2 快刀伺服加工的刀具要求 要实现大行程、高频响、高精度的快刀伺服加工，刀具的性能以及如何根据 加工对象的特征选用合适的刀具具有极为重要的影响。快刀伺服加工过程中，工 件表面的起伏使得切削深度不断变化，有时还会出现断续切削，因此切削力不是 恒定值，在设计刀具时应该对此给予足够的重视。 根据快刀伺服加工的特点，对刀具的主要要求如下： 1 ) 主切削力由f t s 伺服刀架所承受，切削力的大小和变化量直接影响到系统 的控制精度；为了减少切削力，刀具后角不能太小。 2 ) 快刀伺服加工微透镜阵列这样的复杂结构零件时，刀具的刀尖圆弧半径应 取较小值，使得刀具与工件面形之间不发生干涉：同时为了降低加工后工件表面 的粗糙度值，刀具的圆弧半径又不能取得太小；需要根据加工要求和工件表面的 结构特征进行综合衡量。 3 ) 为了实现薄层切削和得到较高的切削精度，要求刀具的刃口半径很小；金 刚石是自然界中已知的最硬材料，能够磨出锋锐的刀刃，且具有很高的耐磨性和 极低的摩擦系数、较好的导热性及较低的线膨胀系数，能够长期保持锋利的切削 刃【2 l 】，适于快刀伺服加工；但金刚石的抗振能力比较差，在快刀伺服加工中如果 工艺条件选择不好，容易发生刀具崩刃现象；因此为了实现稳定地快刀伺服加工， 还需要对工艺参数进行优化选择、对环境条件进行稳定控制。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 快刀伺服加工的刀具轨迹控制 从加工对象上来说，快刀伺服和s 3 能够加工出普通车削不能加工的复杂面形 结构零件；但从刀具轨迹控制的角度来说，普通车削和s 3 都是通过插补运算实现 的，快刀伺服加工具有不同的刀具轨迹控制方式。 2 2 1 刀具轨迹控制的插补实现 下面以s 3 加工技术为代表，分析插补运算实现的刀具轨迹控制方式： 1 ) 数控系统基于工件的几何模型，根据机床、刀具、走刀方式以及加工余量 等工艺条件进行刀具位置的计算，得到刀具运动轨迹；对于轨迹中的任意点p ，可 以记为p ( r ，只z ) = p ( x c o s o ，0 ，z ) 叁p ( x ，0 ，z ) ； 2 ) 根据得到的刀具运动轨迹，数控系统每隔一个插补周期t ，计算各中间点 的坐标信息尸 x ( z ) ，口( z ) ，z ( z ) ； 3 ) 根据得到的坐标信息p x ( z ) ，秒( z ) ，z ( z ) ，数控系统在相应的时间间隔z 内 给x 轴、z 轴和c 轴的伺服系统发送位置指令x ( z ) 、z ( z ) 和秒( z ) ，驱动伺服电 机按照指令位置进行运动。 通过上述三个步骤，s 3 机床可以控制刀具按照要求的轨迹进行运动。如果是 普通车削加工，则在上述步骤中不对秒位置进行计算和控制。 2 2 2 快刀伺服加工的刀具轨迹控制 与s 3 加工技术一样，在快刀伺服加工系统中，工件一般为具有复杂面形结构 的零件，工件表面上的任意点p 可以在圆柱坐标系中表示为 p ( r ，0 ，z ) = p ( x e o s o ，0 ，z ) 全p ( x , o ，z ) 。对于不同的三维面形，可以得到不同的数学 关系式z = f ( x , 0 1 。即在复杂面形结构零件的快刀伺服加工中，机床除了作x 轴 的进给运动和主轴的回转运动( 有时还包括z 轴的进给运动) 之外，还需要进行 大行程、高频响的快速进刀运动；为了区别于z 轴的普通进给运动，快速进刀的 运动位置记为z 。但不同之处在于，s 3 加工中的运动轨迹控制不是通过插补运算 实现的。 图2 2 为复杂面形结构零件快刀伺服加工系统的总体控制框图，已知所要加 工的工件面形，通过数控系统控制机床进行x 向走刀运动和主轴旋转运动，利用 位置传感器和角度传感器可以测出x 轴进给量工和主轴转角口的大小，f t s 系统 求解出快刀进给量z 幸( 五0 1 ，控制刀具产生快速运动。z 吖五日) 、x 和口共同作用于 第1 3 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 工件表而，能够加工出所需要的复杂面形或结构。 图2 2 复杂面形结构零件快刀伺服加1 ：系统的控制框图 图2 3 所示为日本仙台t o h o k u 大学利用f t s 加工平面f 弦栅格过程 2 2 1 ，下面 我们来分析f t s 刀具轨迹控制的实现方法。 。：一 - - - 潦乞a ：t ( d i - ，| j +蒸 ，。， ：。 o ? x i x 、一7， 、 二0 一 e n c o d 甜0 1 _ i t p b t i c 蕊谚，g i l 壁 c a l e u l a t i o n ( b = f i ) r em a c h i n i d a t ao fd e p t ho fc t t t d a t af i k 图2 3日本仙台t o h o k u