一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削机床及对刀及加工监控方法技术

一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削机床及对刀及加工监控方法，涉及微小构件加工技术领域，为解决现有的微小构件超精密车削加工无法精确非接触对刀，且无法同时对加工过程进行精确监控并进行修正问题。本发明专利技术提供了一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削机床，它包括机床主体、对刀及加工监控装置和加工监控控制系统，机床主体包括基座、X轴直线单元、Y轴直线单元、Z轴直线单元、工件轴C轴、液压回转台B轴和刀具组；本发明专利技术还提供了一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削对刀及加工监控方法，实现了加工前的精确对刀和加工过程的准确监控，大大提高了加工效率和加工质量。大大提高了加工效率和加工质量。大大提高了加工效率和加工质量。

【技术实现步骤摘要】
一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削机床及对刀及加工监控方法


[0001]本专利技术涉及微小构件加工
，具体而言，涉及一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削机床及对刀及加工监控方法。

技术介绍

[0002]随着现代科学技术的日益发展，在国防军事、航空航天及电子行业、生物医疗等领域，各类具有高的轮廓精度、低的表面粗糙度的微小回转体零件得到广泛应用。例如，能源研究用的微小锥形构件的整体尺寸小于3mm，需要在其表面车削出槽宽50～300μm，深宽比大于3的微槽，同时要保证零件的轮廓误差小于0.3μm，表面粗糙度数值Ra小于20nm。要完成此类微小构件的超精密车削加工不仅要求机床本身具有高的运动精度(直线轴具有高的移动精度、旋转轴具有高的回转精度)，此外由于对刀误差是加工误差的一大重要来源，因此还要求机床具有高的对刀精度。另一方面，在超精密车削过程中刀具的磨损以及颤振会严重降低工件的表面质量，因此机床还需要具有加工监控系统，实时监控加工过程中刀具的磨损状态、切屑形态以及刀具的振动状态等，进而实时修正加工工艺参数，改善加工表面质量。
[0003]传统的接触式对刀试切法对刀中，当观察到切屑产生时刀具已切入工件大于300nm，并且试切法多采用观察刀具倒影的方式进行对刀，操作过程繁琐，对刀效率低。另一方面，目前大部分的超精密刀具监控系统的监控参数较为单一，无法全面的评价当前机床所处的加工状态。为了实现超精密车削过程中材料的稳定可控去除。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：
>[0005]现有的微小构件超精密车削加工无法精确非接触对刀，且无法同时对加工过程进行精确监控并进行修正问题。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削机床，它包括机床主体、对刀及加工监控装置和加工监控控制系统，机床主体包括基座、X轴直线单元、Y轴直线单元、Z轴直线单元、工件轴C轴、液压回转台B轴和刀具组；
[0008]所述X轴直线单元和Y轴直线单元均安装在基座的上表面，所述X轴直线单元包括：X轴直线电机和X轴运动拖板，所述X轴直线电机驱动X轴运动拖板沿X轴方向运动，X轴方向为一个水平方向，所述Y轴直线单元安装于X轴直线单元的上方，通过X轴直线单元的带动可实现Y轴直线单元沿X轴方向的直线运动，所述Y轴直线单元包括：Y轴直线电机和Y轴运动拖板，所述Y轴直线电机驱动Y轴运动拖板沿Y轴方向运动，Y轴方向为竖直方向；所述工件轴C轴安装于Y轴运动拖板上，通过Y轴直线单元的带动可以实现工件轴C轴沿Y轴方向的直线运动；所述Y轴直线单元内部安装有驱动工件轴C轴转动的C轴转动电机，工件轴C轴安装有回
转型气压筒夹，工件一端通过弹性夹头安装于回转型气压筒夹内，工件的另一端为加工端，弹性夹头与工件的接触区域与工件形状适配；
[0009]所述Z轴直线单元安装于X轴直线单元上且与工件轴C轴同侧，所述Z轴直线单元包括：Z轴直线电机和Z轴运动拖板，Z轴直线电机驱动Z轴运动拖板沿Z轴方向运动，所述Z轴方向为与X轴方向相垂直的一个水平方向；所述Z轴运动拖板上表面安装有液压回转台B轴，并通过Z轴直线单元的带动实现液压回转台B轴沿Z轴方向的直线运动，所述Z轴直线单元内部安装有驱动液压回转台B轴转动的B轴转动电机，液压回转台B轴上表面安装有过渡盘；
[0010]所述刀具组安装于所述过渡盘的上表面；所述刀具组包括刀具、刀具固定架、刀具刀架、激光位移传感器和压电陶瓷，所述刀具刀架的底端安装于过渡盘的上表面，所述激光位移传感器和压电陶瓷安装于刀具刀架的内部；
[0011]所述对刀及加工监控装置包括：竖直高分辨率CCD相机组、水平高分辨CCD相机组、测力仪和加速度传感器，所述水平高分辨CCD相机组安装于过渡盘的上表面，所述竖直高分辨率CCD相机组安装于Y轴运动拖板上；所述测力仪安装于刀具刀架的边缘处，所述刀具固定架安装于测力仪的边缘处，所述刀具由刀具固定架固定，所述刀具固定架开设有减震槽，所述加速度传感器安装于刀具刀架的侧壁；
[0012]所述竖直高分辨率CCD相机组包括：竖直CCD相机和竖直CCD快换装置，所述竖直CCD快换装置安装于Y轴运动拖板上，所述竖直CCD相机安装于竖直CCD快换装置前端；
[0013]所述水平高分辨率CCD相机组包括：水平CCD相机和水平CCD的安装基座，所述水平CCD的安装基座安装于过渡盘上表面，所述水平CCD相机安装于水平CCD的安装基座的上端；
[0014]所述加工监控控制系统包括：多轴控制器、X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器、C轴驱动器和B轴驱动器、上位机处理器和上位机人机交互界面；
[0015]通过所述上位机人机交互界面将控制指令发送给多轴控制器，多轴控制器根据控制指令对应控制X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器、C轴驱动器和B轴驱动器，各驱动器分别对应控制各轴电机，从而实现对各对应平台的控制；通过传感器采集切削力信号、震动信号和CCD图像信号，通过上位机处理器分别对采集的信号进行处理后，传给多轴控制器的机床控制程序，对机床进行控制；
[0016]所述上位机处理器包括信号处理模块和信号分析与决策模块，信号处理模块用于对采集的切削力信号、振动信号及CCD图像信号进行处理；信号的分析与决策模块用于对加工结果进行预测并对加工参数进行优化后将优化参数传回机床的控制程序。
[0017]一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削对刀及加工监控方法，所述对刀方法的具体步骤包括：
[0018]步骤一、对刀具和工件回转轴间的垂直度进行测量和调节，使二者间相对于标准垂直的偏差角小于5
″
；
[0019]步骤二、对水平CCD相机和竖直CCD相机分别进行平场校正，使CCD相机的图像中的白色部分均匀，色彩还原平滑；
[0020]步骤三、控制Y轴直线电机结合刀具刀架的粗调旋钮对刀具和工件回转中心在竖直方向的距离进行调节，使刀具和工件回转中心在竖直方向的距离小于3mm，控制X轴直线电机，使刀尖与工件表面在水平方向的距离小于3mm；完成刀具相对于工件3位置的粗调节；
[0021]步骤四、采用Y轴的增量模式进行工件在Y轴方向的微位移调节，使工件的回转中
心尽量与刀具的刀尖在同一水平面内；采用Z轴的增量模式进行工件在Z轴方向的微位移调节，使工件端部尽量与刀尖处于垂直于Z轴的同一平面内；
[0022]步骤五、将镜头的光学放大倍率调至最大，对水平CCD相机和竖直CCD相机进行微调使刀具的刀尖位置处于CCD图像的中心位置；通过水平CCD相机和竖直CCD相机分别获取刀具和工件的相对空间位置在Z轴方向和Y轴方向的投影图像；
[0023]步骤六、采用图像处理工具对水平CCD相机和竖直CCD相机采集到的图像进行处理，对刀具和工件的边缘轮廓进行提取，得到刀尖和工件回转中心在像素坐标系中的位置坐标；
[0024]步骤七、通过图像处理工具量取刀尖和工具回本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削机床，其特征在于它包括机床主体、对刀及加工监控装置和加工监控控制系统，机床主体包括基座(23)、X轴直线单元、Y轴直线单元、Z轴直线单元、工件轴C轴(2)、液压回转台B轴(12)和刀具组；所述X轴直线单元和Y轴直线单元均安装在基座(23)的上表面，所述X轴直线单元包括：X轴直线电机和X轴运动拖板(21)，所述X轴直线电机驱动X轴运动拖板(21)沿X轴方向运动，X轴方向为一个水平方向，所述Y轴直线单元安装于X轴直线单元的上方，通过X轴直线单元的带动可实现Y轴直线单元沿X轴方向的直线运动，所述Y轴直线单元包括：Y轴直线电机和Y轴运动拖板(20)，所述Y轴直线电机驱动Y轴运动拖板(20)沿Y轴方向运动，Y轴方向为竖直方向；所述工件轴C轴(2)安装于Y轴运动拖板(20)上，通过Y轴直线单元的带动可以实现工件轴C轴(2)沿Y轴方向的直线运动；所述Y轴直线单元内部安装有驱动工件轴C轴(2)转动的C轴转动电机，工件轴C轴(2)安装有回转型气压筒夹(4)，工件(3)一端通过弹性夹头(5)安装于回转型气压筒夹(4)内，工件(3)的另一端为加工端，弹性夹头(5)与工件(3)的接触区域与工件(3)形状适配；所述Z轴直线单元安装于X轴直线单元上且与工件轴C轴(2)同侧，所述Z轴直线单元包括：Z轴直线电机和Z轴运动拖板(24)，Z轴直线电机驱动Z轴运动拖板(24)沿Z轴方向运动，所述Z轴方向为与X轴方向相垂直的一个水平方向；所述Z轴运动拖板(24)上表面安装有液压回转台B轴(12)，并通过Z轴直线单元的带动实现液压回转台B轴(12)沿Z轴方向的直线运动，所述Z轴直线单元内部安装有驱动液压回转台B轴(12)转动的B轴转动电机，液压回转台B轴(12)上表面安装有过渡盘(11)；所述刀具组安装于所述过渡盘(11)的上表面；所述刀具组包括刀具(6)、刀具固定架(7)、刀具刀架(9)、激光位移传感器和压电陶瓷，所述刀具刀架(9)的底端安装于过渡盘(11)的上表面，所述激光位移传感器和压电陶瓷安装于刀具刀架(9)的内部；所述对刀及加工监控装置包括：竖直高分辨率CCD相机组、水平高分辨CCD相机组、测力仪(8)和加速度传感器(13)，所述水平高分辨CCD相机组安装于过渡盘(11)的上表面，所述竖直高分辨率CCD相机组安装于Y轴运动拖板(20)上；所述测力仪(8)安装于刀具刀架(9)的边缘处，所述刀具固定架(7)安装于测力仪(8)的边缘处，所述刀具(6)由刀具固定架(7)固定，所述刀具固定架(7)开设有减震槽，所述加速度传感器(13)安装于刀具刀架(9)的侧壁；所述竖直高分辨率CCD相机组包括：竖直CCD相机(14)和竖直CCD快换装置(16)，所述竖直CCD快换装置(16)安装于Y轴运动拖板(20)上，所述竖直CCD相机(14)安装于竖直CCD快换装置(16)前端；所述水平高分辨率CCD相机组包括：水平CCD相机(15)和水平CCD的安装基座(22)，所述水平CCD的安装基座(22)安装于过渡盘(11)上表面，所述水平CCD相机(15)安装于水平CCD的安装基座(22)的上端；所述加工监控控制系统包括：多轴控制器、X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器、C轴驱动器和B轴驱动器、上位机处理器和上位机人机交互界面；通过所述上位机人机交互界面将控制指令发送给多轴控制器，多轴控制器根据控制指令对应控制X轴驱动器、Y轴驱动器、Z轴驱动器、C轴驱动器和B轴驱动器，各驱动器分别对应控制各轴电机，从而实现对各对应平台的控制；通过传感器采集切削力信号、震动信号和CCD图像信号，通过上位机处理器分别对采集的信号进行处理后，传给多轴控制器的机床控
制程序，对机床进行控制；所述上位机处理器包括信号处理模块和信号分析与决策模块，信号处理模块用于对采集的切削力信号、振动信号及CCD图像信号进行处理；信号的分析与决策模块用于对加工结果进行预测并对加工参数进行优化后将优化参数传回机床的控制程序。2.根据权利要求1所述的一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削机床，其特征在于水平CCD相机(15)和竖直CCD相机(14)的分辨率均为5120H
×
5120V，相机传感器尺寸大小均为12.8mm
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12.8mm，像素尺寸均为2.5μm
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2.5μm；相机镜头放大倍率均为2倍。3.根据权利要求2所述的一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削机床，其特征在于根据加工需求对CCD相机和镜头进行选型，计算方法具体为：于根据加工需求对CCD相机和镜头进行选型，计算方法具体为：当所需要的CCD相机测量精度确定以后，结合所需视场大小和相机的传感器尺寸以及相机的工作距离可以对镜头进行选型；根据加工观察需求选择合适的显示器放大倍率，具体计算过程为：显示器放大倍率＝光学放大倍率
×
电子放大倍率(4)。4.根据权利要求5所述的一种针对微小锥形回转体构件的超精密车削机床，其特征在于所述上位机人机交互界面设有显示加工过程中所采用的加工工艺...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明君，周星颖，于天宇，杨辉，刘赫男，王广洲，程健，郭锐阳，赵林杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：