【導(dǎo)讀】efficiency.precision.

　　

【正文】 往復(fù)運(yùn)動?？刂葡到y(tǒng)在實(shí)時采集主軸角度信號的基礎(chǔ)上，實(shí)時發(fā)出控制量，控制刀具實(shí)時微進(jìn)給，從而實(shí)現(xiàn)刀具跟蹤工件面形的起伏變化。快刀伺服在加工前僅需對零件面形進(jìn)行精確計算，生成能表征零件面形的數(shù)據(jù)文件。此外，快刀伺服系統(tǒng)的運(yùn)動頻響高、行程只有數(shù)毫米，更適于加工面形突變或不連續(xù)、有限行程內(nèi)的微小結(jié)構(gòu)。 復(fù)雜光學(xué)曲面在提高光學(xué)系統(tǒng)性能。實(shí)現(xiàn)特殊光學(xué)特性。減少系統(tǒng)零件數(shù)量。減小系統(tǒng)尺寸等方面有許多顯而易見的優(yōu)點(diǎn)。隨著光電信息 技術(shù)的迅猛發(fā)展。復(fù)雜光學(xué)曲面零件的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹謴V闊。復(fù)雜光學(xué)曲面無疑是非球面光學(xué)零件發(fā)展和應(yīng)用的趨勢之一。但目前還遠(yuǎn)未能納入到現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的主流當(dāng)中。問題的重要原因之一就在于復(fù)雜光學(xué)曲面的超精密制造相當(dāng)困難。隨著機(jī)床技術(shù)的進(jìn)步。直線電機(jī)驅(qū)動、主軸伺服等一系列新技術(shù)應(yīng)用于超精密車床的設(shè)計中。使得一種新的基于慢刀伺服技術(shù)的超精密車削創(chuàng)成加工成為可能。機(jī)床具有主軸伺服的多軸聯(lián)動功能。刀具可嚴(yán)格按照規(guī)劃路徑相對于工件復(fù)雜表面運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)各種高精度的復(fù)雜曲面加工。本文以慢刀伺服車削技術(shù)作為復(fù)雜光學(xué)曲面的加工手段。對其 創(chuàng)成原理、刀具設(shè)計、軌跡規(guī)劃和精度分析等幾方面的關(guān)鍵技術(shù)開展研究。 慢刀伺服超精密車削技術(shù)原理及關(guān)鍵技術(shù)通過對機(jī)床結(jié)構(gòu)和創(chuàng)成運(yùn)動的分析。研究了慢刀伺服車削加工原理。揭示了其與快刀伺服和普通三軸數(shù)控加工之間的根本區(qū)別。分析指出：直線軸運(yùn)動性能、先進(jìn)插補(bǔ)技術(shù)以及主軸位置控制是技術(shù)關(guān)鍵所在。為研究制約進(jìn)給驅(qū)動性能的關(guān)鍵因素。建立了直線驅(qū)動進(jìn)給系統(tǒng)模型。開展了一系列仿真及實(shí)驗研究。研究表明進(jìn)給軸達(dá)到高動態(tài)、高精度驅(qū)動的 必要條件是：導(dǎo)軌具有足夠的動態(tài)剛度。反饋環(huán)節(jié)量化誤差噪聲抑制到較低水平。針對復(fù)雜曲面數(shù)控插補(bǔ)問題。提出了適應(yīng)加工特點(diǎn)的參數(shù)計算方法。將PvT 插補(bǔ)技術(shù)引入復(fù)雜曲面車削。解決了使用線性插補(bǔ)存在的弊端。從伺服軸驅(qū)動能力限制和軌跡跟蹤精度兩個角度分析。得到伺服軸執(zhí)行能力幅頻圖。用于確定可加工范圍。這些研究為構(gòu)建慢刀伺服加工平臺。正確選擇慢刀伺服加工方法奠定了理論基礎(chǔ)。 復(fù)雜光學(xué)曲面慢刀伺服超精密車削的刀具設(shè)計理論刀具設(shè)計是指刀具模型的建立和幾何參數(shù)的確定。運(yùn)用解析分析方法。得到了切削刃輪廓的空間解析模型。為確定刀具 幾何參數(shù)的合理范圍。從復(fù)雜曲面面形、加工表面微觀形貌、加工表面光學(xué)特性以及加工材料等角度。研究了對刀具幾何參數(shù)的制約關(guān)系。復(fù)雜曲面每一點(diǎn)處對刀具的限制均不相同。通過對曲面基本方程的分析。推導(dǎo)出代表制約關(guān)系的關(guān)鍵矢量。解決了復(fù)雜曲面對刀具制約問題。這些工作為復(fù)雜曲面慢刀伺服車削加工合理設(shè)計刀具提供了理論支撐。 復(fù)雜光學(xué)曲面慢刀伺服超精密車削的刀具路徑規(guī)劃理論精確規(guī)劃刀具路徑是復(fù)雜曲面車削加工的基本要求。在合理規(guī)劃刀具接觸點(diǎn)軌跡的基礎(chǔ)上。采用誤差控制的方法離散。提出法向偏置和穩(wěn)定 x 軸偏置兩種方法補(bǔ)償?shù)毒咔邢魅休喞?。結(jié)合提出的刀位點(diǎn)修正方法解決前角非零刀具過切與欠切問題?？筛咝Ь_獲得合理刀具路徑。針對刀具路徑在曲面邊界外的情況。創(chuàng)造性地利用空間曲線插值技術(shù)在螺旋曲線上延拓刀位軌跡。實(shí)現(xiàn)了刀具路徑的平滑過渡。為達(dá)到提高復(fù)雜光學(xué)曲面車削精度的目的。提出了基于刀位點(diǎn)修正的慢刀伺服車削誤差補(bǔ)償算法。利用數(shù)據(jù)濾波方法或 Zemike 重構(gòu)方法。從加工誤差中分離出需要補(bǔ)償?shù)恼`差分量。對刀具路徑進(jìn)行修正后再次加工?？蓪?shí)現(xiàn)特定面形誤差成分的補(bǔ)償。這些研究為生成高質(zhì)量的數(shù)控程序。拓展加工范圍。提高加工精度提供了理論指導(dǎo)。 慢刀伺服超精 密車削的精度建模與仿真分析加工過程定量分析包含幾何仿真和誤差分析兩個相互聯(lián)系的重要方面。用 zmap 矢量表達(dá)曲面。以刀位點(diǎn)間隔作為仿真步長。通過坐標(biāo)變換和擬合算法獲得刀刃輪廓掃描曲面。討論了矢量與 NuRBS 曲面交點(diǎn)的求解方法。對 zmap 矢量進(jìn)行更新。解決了慢刀伺服車削的幾何仿真問題。針對各種誤差源的影響。詳細(xì)研究了誤差特征矩陣。以多體系統(tǒng)理論推導(dǎo)了包含誤差因素的成形函數(shù)。解決了仿真分析誤差影響的問題。精度仿真、預(yù)測、分析系統(tǒng)的建立為深入認(rèn)識慢刀伺服車削機(jī)理。開展精度分析。預(yù)測加工結(jié)果等提供了有力手段。 復(fù) 雜光學(xué)曲面慢刀伺服超精密車削實(shí)驗復(fù)雜光學(xué)曲面加工實(shí)驗用于所述理論的全面驗證。離軸拋物面鏡的加工主要體現(xiàn)了以仿真分析為指導(dǎo)。解決刀具對中誤差對面形精度的影響；在凹球面反射鏡陣列加工中。主要體現(xiàn)了刀具路徑規(guī)劃方式對伺服軸動態(tài)性能的不同要求；在波前校正眼鏡加工中。主要驗證了加工、檢測、修正、再加工循環(huán)對提高面形精度的作用；螺旋相位板、連續(xù)相位板的加工主要體現(xiàn)了慢刀伺服技術(shù)在解決傳統(tǒng)工藝難題方面的優(yōu)勢。從上述幾方面入手。探討了如何利用慢刀伺服超精密車削技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜光學(xué)曲面高精度加工。研究成果對慢刀伺服車削加工機(jī)床的 建立具有指導(dǎo)作用。對復(fù)雜曲面慢刀伺服車削加工具有技術(shù)支撐作用 慢刀伺服車削典型的機(jī)床布局形式如圖 1 所示，與普通單點(diǎn)金剛石車削以及快刀伺服車削加工布局類似。兩根直線進(jìn)給軸呈“ T”字形布局。工件主軸安裝在 X 軸上。 X 軸的移動方向與工件主軸的旋轉(zhuǎn)軸方向垂直。刀具安裝在 Z 軸，運(yùn)動方向垂直于 X 軸并與工件主軸旋轉(zhuǎn)軸線平行。工件安裝在主軸上并且隨之? 和徑向位置 x 相對于工件表面運(yùn)動，即刀具運(yùn)動應(yīng)由圓柱坐標(biāo)系。 Configuration of slowtoolservo turning lathe 這種在普通超精密車削機(jī)床基礎(chǔ)上發(fā)展起來，通過將主軸運(yùn)動由速度控制改為位置控制，利用 C， X， Z 軸聯(lián)動在極坐標(biāo)或圓柱坐標(biāo)系內(nèi)實(shí)現(xiàn)非回轉(zhuǎn)對稱曲面加工的方法，由于帶動刀具運(yùn)動的 Z 軸最高只能達(dá)到幾十赫茲，相比快刀幾百甚至上千赫茲的運(yùn)動較慢因此稱為慢刀伺服技術(shù)。