超精密数控机床b旋转轴的可量化对刀方法

超精密数控机床b旋转轴的可量化对刀方法

复杂、复杂的光刻材料的制造精度越来越高。但利用B轴加工前,要进行B轴对刀,即需要确定刀尖与B轴中心的确切相对位置,对刀的精度影响到零件加工的形貌精度本文基于3点坐标确定圆心的原理,提出一种可量化对刀方法,该方法可以理论计算对刀精度,并进行对刀误差的理论分析,得出影响对刀精度的主要因素。1基于测量误差的接触误差计算b轴心功能可量化对刀是基于3点坐标确定圆心的原理,通过测量刀尖在任何3个位置的坐标来确定B轴的圆心。如果要同时测量3个位置的X和Z方向的坐标,需要测量的参数和次数多,最终引入的测量误差较大。为了减少测量误差对最终距离的影响,本文提出一种在给定角度下只需要测量刀尖Z轴方向的相对距离即可计算B轴圆心的方法。该方法不仅减少测量误差带来的影响,而且适用于试切、图像识别、对刀仪等多种对刀方式。设刀尖的第1个位置为坐标原点A(0,0),圆心的坐标为O(a,b),由第1个位置A旋转至第2个位置B(x且B与C的x坐标也可写成:将x该原理的特点是在预设角度α下,只需要测量第2点、第3点与第1点的z方向的距离,即可求出圆心的坐标。该方法测量的参数较少,可减少测量误差对最终距离的影响。2旋转角度和刀误差的相关性为了能够预测对刀误差,并优化对刀过程的参数,提高对刀精度,本研究结合超精密单点金刚石数控机床的高精度特性和对刀公式的参数,理论分析了对刀影响因素和对刀误差。通过推导出的误差公式优化对刀参数,给出最优的对刀参数。由式(4)可知,旋转角度α和刀尖点的相对位置z由于z方向的测量手段相同,则测量z其误差的长度为由式(7)可知,相对位置Δz和旋转角度α的大小决定对刀误差。其中:Δz的精度由测量仪器确定,故难以改变;而角度α为旋转的角度,大小可以在对刀过程改变。因此,Δz为常量,对刀误差系数σ是旋转角度α的函数,σ越小,对刀误差ΔR越小,表达式如下:使用微分法求解式(8)的最小值,结果为α=109.47°,为方便实验,取α=109.5°,其相应误差系数为0.65,则对刀误差ΔR=0.65·Δz会变小。美国LINL国家实验室使用α=45°,相应误差系数为1.85,则相同测量误差Δz最终对误差ΔR影响较大。本文提出的对刀方法推导出最优α=109.5°,其误差系数小于1,测量误差带来的影响较小,提高了对刀精度。3健全刀尖相对位置本文的对刀原理适用于多种对刀方法,例如试切、对刀仪、图像识别等。2010年,美国LINL国家实验室进行实验,对比试切、对刀仪和图像识别3种方法的对刀精度,实验表明在旋转角度α=45°时,采用对刀仪能获得较高精度虽然试切与对刀仪方法操作简单,但对刀精度和效率低,这两种方法均属于接触式方法,对刀过程容易破损刀具首先,校准图像与机床的坐标系,如图2所示。将刀尖移到视场里,然后往Z方向移动一段距离z,通过图像识别计算刀尖在图像上移动的距离l,则可获得图像系统的像素当量为同时,根据刀尖在图像中的移动方向可计算机床坐标与图像坐标系的偏角γ。校准图像与机床坐标系后,测量在不同角度刀尖Z方向的相对位置。如图3所示,p由于相机系统放大倍数大,视场小,约1.2mm×1.2mm的范围,刀尖旋转一个角度时很容易超出视场范围。刀尖超出视场范围时,需要将刀尖移动至相机视场内进行识别。通过机床数控系统移动刀尖会导致当前刀尖与其他角度时刀尖相对位置的基准不一致。为了保证基准一致性,引入了数控系统的Z坐标,刀尖的相对位置由图像上的相对位置与数控系统Z坐标上的相对位置相加。其相对位置如下:式中,Z于是,计算出刀尖与B轴中心的距离,同时通过图像显示该距离,可方便地将刀尖调整到目标位置。4刀尖对刀误差的识别方法为了验证所提出对刀方法的可行性,本研究采用图像识别对刀方式进行对刀。将刀尖对在旋转台B轴圆心上,然后加工Fresnel透镜模具,最终测量Fresnel透镜模具的棱角,从而获得对刀的实际误差,并与预测误差进行对比和分析。超精密车床上的实验系统如图4所示。车床X、Z轴的分辨率达到2nm,重复定位精度0.5μm,旋转台B轴的旋转精度为0.0008°。刀具为上海舒伯哈特刀具公司生产的天然金刚石尖刀,其刀尖角为45°,刀尖精度达到1μm以下。摄像头采用维视数字图像技术有限公司的MV-1400UC,最大光学放大倍数为9倍,在最大放大倍数和最大图像分辨率情况下,摄像头的像素当量为0.3μm/像素,并采用基于OpenCV自行开发的图像识别软件进行识别刀尖点,最大识别误差为3个像素。对刀过程采用旋转角度α=109.5°,因此理论对刀误差为ΔR=0.65×像素当量×像素识别误差=0.65×0.3×3μm=0.59μm。但刀尖的精度是1μm,因此理论对刀误差为1μm以下。采用自行开发的图像识别对刀软件进行对刀。首先,在摄像头视场范围里将刀尖往Z方向移动一段距离,利用图像识别计算相应的像素距离和坐标,从而实现图像与机床坐标的校准。然后,通过B轴旋转刀具α=109.5°,依次旋转2次,通过摄像头获取刀具的信息,传送至图像软件进行识别处理,得到刀尖在3个不同角度下的Z方向相对距离,通过式(4)计算刀尖与B轴中心的相对坐标。最后,通过软件给出对刀的指导方向并进行调整刀具位置,如图5所示。为了验证对刀的效果,进行Fresnel透镜模具的加工。由于刀尖在B轴转台圆心上,利用B轴旋转将尖刀两边刃口成型Fresnel透镜模具,当刀尖不在B轴中心即存在对刀误差时,加工出的沟槽两直线轮廓不能交于一点形成理想尖角,而是两直线轮廓间形成过渡圆弧,对刀误差即为该圆弧半径。因此,对刀误差会直接体现在沟槽尖角的圆弧半径上,误差越大圆弧半径越大。为了测量该误差,将Fresnel透镜模具剖开,测量其沟槽尖角的圆弧半径。通过激光显微镜OlympusOls4100,放大倍数为17280倍,测量得到其圆弧半径为0.8μm,如图6所示。结果表明,对刀的误差在0.8μm以下,小于理论对刀误差。5对刀误差的检测本文基于数学几何理论推导,提出一种旋转台B轴的可量化对刀方法,考虑到超精密切削的适用性,采用非接触式图像识别对刀方式开展了验证实验,避免了刀尖破损。首先,通过自行开发的图像识别对刀软件进行图像识别,获取刀尖在3个不同角度的相对坐标,通过所提出的对刀方法计算刀尖与B轴旋转中心的相对位置,从而调整刀具位置,将刀尖移动至B轴旋转中心。为了检测