用于柱面菲涅尔结构超精密加工的切削系统误差补偿方法技术方案

用于柱面菲涅尔结构超精密加工的切削系统误差补偿方法，属于超精密加工技术领域。所述方法包括以下步骤：S1、分析柱面菲涅尔五轴机运动链，建立所述五轴机床运动学模型和机床误差模型；S2、利用傅里叶幅值敏感性分析方法，分析五轴机床的15项位置无关几何误差对柱面菲涅尔形状精度的敏感性，找到对加工影响最大的若干项几何误差，S3、采用千分表和试切法对几何误差进行辨识，测量得到几何误差值；S4、提出五轴机床误差补偿迭代算法，对各轴运动量进行误差补偿。本发明专利技术的方法实现了柱面菲涅尔结构超精密加工的切削系统的误差补偿，以保证柱面菲涅尔加工的精度和刚度。面菲涅尔加工的精度和刚度。面菲涅尔加工的精度和刚度。

【技术实现步骤摘要】
用于柱面菲涅尔结构超精密加工的切削系统误差补偿方法


[0001]本专利技术属于超精密加工
，特别涉及一种用于柱面菲涅尔结构超精密加工的切削系统误差补偿方法。

技术介绍

[0002]菲涅尔结构有很广泛的应用，它以重量轻、体积小等优势广泛应用于太阳能聚焦、宏观微观成像等许多领域，例如聚光光伏系统的聚光镜、激光电视的抗光幕等。随着科技的快速发展，大口径菲涅尔光学元件的需求量越来越大，柱面菲涅尔加工方法可以减小机床尺寸，降低模具成本，结合Roll
‑
to
‑
Roll复制技术，可以高效大批量生产菲涅尔元件。目前在仿形法加工柱面菲涅尔的过程中，用于调整刀具位置的两个手动位移台会导致机床整体刚度低，易出现切削颤振等问题，从而影响柱面菲涅尔加工的精度和刚度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于为克服现有仿形法加工柱面菲涅尔的过程中，用于调整刀具位置的两个手动位移台会导致机床整体刚度低，出现切削颤振等问题，进而提供一种用于柱面菲涅尔结构超精密加工的切削系统误差补偿方法。所述切削系统即为五轴机床本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于柱面菲涅尔结构超精密加工切削系统的误差补偿迭代方法，其特征在于，所述包括以下步骤：S1、分析柱面菲涅尔五轴机床运动链，建立所述五轴机床运动学模型和机床误差模型；S2、利用傅里叶幅值敏感性分析方法，依次分析五轴机床的15项位置无关几何误差对柱面菲涅尔形状精度的敏感性，找到对加工影响最大的若干项几何误差；S3、采用千分表和试切法对几何误差进行辨识，测量得到几何误差值；S4、提出五轴机床误差补偿迭代算法，对A轴、B轴、C轴和Y轴、Z轴这五个轴运动量进行误差补偿。2.根据权利要求1所述的用于柱面菲涅尔结构超精密加工的切削系统误差补偿方法，其特征在于：所述步骤S1中，分析五轴机床运动链，建立五轴机床运动学模型和机床误差模型的方法如下：根据旋量理论建立机床运动学正解模型，已知A轴、B轴、C轴、Y轴和Z轴这五个轴运动量，求解刀具在工件坐标系中的坐标，得到工件运动链和刀具运动链的齐次变换矩阵：量，求解刀具在工件坐标系中的坐标，得到工件运动链和刀具运动链的齐次变换矩阵：量，求解刀具在工件坐标系中的坐标，得到工件运动链和刀具运动链的齐次变换矩阵：量，求解刀具在工件坐标系中的坐标，得到工件运动链和刀具运动链的齐次变换矩阵：量，求解刀具在工件坐标系中的坐标，得到工件运动链和刀具运动链的齐次变换矩阵：其中，和分别为C轴、Z轴、X轴、A轴、B轴的运动齐次矩阵的指数形式；g
bw
(0)和g
bt
(0)分别是初始状态下工件和刀具的齐次矩阵；θ
a
,θ
b
,θ
c
,θ
x
,θ
z
分别为A轴、B轴、C轴、X轴、Z轴运动量；w0＝(w
0x
,w
0y
,w
0z
)
T
和t0＝(t
0x
,t
0y
,t
0z
)
T
分别为初始状态下工件坐标系和刀具坐标系在绝对坐标系里的坐标；g
bw
和g
bt
分别为一般状态下的工件和刀具的齐次变换矩阵，经过机床五个轴的运动由初始状态下的工件和刀具的齐次变换矩阵变换而来；w
0x
,w
0y
,w
0z
分别为初始状态下工件坐标系原点在绝对坐标系里的x,y,z坐标；t
0x
,t
0y
,t
0z
分别为初始状态下刀具坐标系原点在绝对坐标系里的x,y,z坐标；对五轴机床进行五个轴的几何误差和刀具位姿误差分析，建立15项位置无关几何误差，15项位置无关几何误差分别是：X轴和Z轴的垂直度误差S
xz
，A轴绕Y轴的角度误差ε
ba
和A轴绕Z轴的角度误差ε
ca
；B轴绕X轴的角度误差ε
ab
、B轴绕Z轴的角度误差ε
cb
以及B轴相对理想A轴的偏移误差δ
zb
；C轴绕X轴的角度误差ε
ac
、C轴绕Y轴的角度误差ε
bc
以及C轴相对理想A轴的偏移误差δyc；初始状态下刀具的位置误差和姿态误差，其中刀尖点坐标位置误差为沿三个坐标轴的偏移δxt、δyt和δzt，刀具姿态误差为刀具绕三个坐标轴的转角εat、εbt和εct；
将误差变换矩阵依次相乘得到五个轴的总误差变换矩阵：其中，和分别为平动轴X轴和Z轴的总误差变换矩阵；分别为平动轴X轴和Z轴的总误差变换矩阵；和为旋转轴A轴、B轴和C轴的总误差变换矩阵；是S
xz
的变换矩阵，S
xz
表示X轴和Z轴的垂直度误差，是δyc的变换矩阵，是ε
ac
的变换矩阵，是ε
bc
的变换矩阵，是ε
ba
的变换矩阵，是ε
ca
的变换矩阵，是δ
zb
的变换矩阵，是ε
ab
的变换矩阵，是ε
cb
的变换矩阵，是δxt的变换矩阵，是δyt的变换矩阵，是δzt的变换矩阵，是εat的变换矩阵，是εbt的变换矩阵，是εct的变换矩阵；I4×4为4
×
4的0,1对角矩阵，对角线为1，其余为0；将各轴几何误差误差矩阵左乘运动矩阵，得到各轴实际的运动矩阵，带入式(3)中，得到柱面菲涅尔五轴机床的几何误差模型：结合理想的刀尖点的齐次坐标P＝(0,0,0,1)
T
和切削刃的方向向量L＝(0,0,0,1)
T
，并结合各轴运动量，求出实际刀尖点位置P
′
和切削刃的方向L
′
,如式(8)和式(9)所示：P'＝g
wt
P
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)L'＝g
wt
L
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，g
wt
表示刀具坐标系原点在工件坐标系下坐标矩阵。3.根据权利要求1所述的用于柱面菲涅尔结构超精密加工的切削系统误差补偿方法，其特征在于：所述步骤S2中，利用傅里叶幅值敏感性分析方法，依次分析五轴机床的15项位置无关几何误差(PIGEs)对柱面菲涅尔形状精度的敏感性，找到对加工影响最大的若干项几何误差的方法如下：以柱面菲涅尔的三项形状指标：深度Δh、半径r以及工作角度β作为敏感性分析的目标函数：
其中，P
0ρ
为刀尖点极径坐标，P
0θ
为刀尖点极角坐标，P
0z
为刀尖点Z坐标，r0为刀尖点菲涅尔半径，r1为切削刃上一点的菲涅尔半径，R
roll
为辊筒模具半径，P
1ρ
为P1点的极径坐标；针对每个目标函数，建立其变量空间搜索曲线：其中：θ为各轴运动量组成的向量；δ为15项几何误差组成的向量，以振荡采样函数进行采样，是搜索曲线参数s的函数；Δh(s)、r(s)、β(s)分别表示菲涅尔环的深度；菲涅尔环半径；菲涅尔某处的工作角度；f
Δh
、f
r
、f
β
分别表示菲涅尔环的深度的搜索曲线函数；菲涅尔环半径搜索曲线函数；菲涅尔某处的工作角度的搜索曲线函数；最终分析得到主要影响菲涅尔形状精度的五轴机床几何误差为初始状态下刀具沿X和Z方向的偏差δ
xt
和δ
zt
；B轴沿Z方向的偏差δ
zb
，C轴沿Y方向的偏差δ
yc
。4.根据权利要求3所述的用于柱面菲涅尔结构超精密加工的切削系统误差补偿方法，其特征在于：所述步骤S3中，采用千分表和试切法对几何误差进行辨识，测量得到几何误差值的方法如下：将一个标准圆柱安装在A轴上，调整使其与A轴同心；在五轴机床上在位车削一个直径与标准圆柱相同圆柱面，该圆柱面与C轴等高，把A轴安装在五轴机床工作台上，千分表分别打在标准圆柱表面和车削的圆柱表面，安装千分表的表架被放置在一个高精度平板上，则千分表两侧的示数差就是A轴和C轴的高度差δ
yc
；初始状态下B轴的偏心误差是由δ
xt
和δ
zt
组成的；当B轴旋转时，偏心误差体现为刀尖点的X坐标和Z坐标的改变，使用对刀法测算刀尖点X坐标的变化值，B轴每旋转一个角度θ
b
，移动机床X轴使刀尖刚刚接触工件表面，记录X轴光栅测量的位置，B轴多转几个角度，多次对刀，得到刀尖X轴坐标与B...

【专利技术属性】
技术研发人员：王波，乔政，张庆辉，吴言功，丁飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：