本发明专利技术公开了一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法及专用装置，属于难加工材料自由曲面切削技术领域；本发明专利技术利用非共振驱动方式，使金刚石刀具生成中高频或超高频三维椭圆运动，形成高速或超高速金刚石飞切主运动，刀刃运动轨迹在ｘ－ｚ平面上投影为往复直线运动，在ｘ－ｙ和ｙ－ｚ平面上投影分别为椭圆运动；光学自由曲面的创成是基于三维椭圆金刚石飞切、Ｘ轴进给、Ｚ轴往复进给、以及工件的圆周进给等运动合成的；本发明专利技术还公开了一种实现上述方法所用的基于四个压电叠堆直接驱动的金刚石刀具三维椭圆运动轨迹生成装置；三维椭圆运动的参数皆可自主控制，有利于获得最佳切削加工性；三维椭圆运动的跟踪控制，避免了实际切削时的失真。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超精密切削加工和难加工材料复杂光学零件切削加工
，特别 是涉及一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法及专用装置。
技术介绍
光学自由曲面是指没有回转对称性的光学曲面(Garrard 2005)，具有改善光学系 统性能、减缩光学系统尺寸等诸多优点，在许多工业领域有着广泛的应用需求。金刚石飞切是一类重要的光学自由曲面加工方法(Brinksmeier 2008)，其实质是 单刃圆周铣削，在每一转时间内刀刃只有部分时间参与切削，因而与连续切削相比，减少了 切削热引起的刀具磨损。现有金刚石飞切方法的不足之处在于①.不适合局部曲率半径 较小的光学自由曲面；②.切削速度的提高十分受限制；③.对于硬化钢等黑色金属材料 和碳化硅等脆性材料，金刚石刀具的切削加工性较差。为了扩展金刚石可切削材料的范围，学术界和工业界相继提出了一些改进的工艺 方法，例如低温切削、碳饱和切削、表面改性切削和椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting，以下简称EVC)等。EVC被认为是目前最有发展前途的一种加工方法，具有减少 切削力、改善加工精度和表面质量、减少刀具磨损、实现脆性材料延性切削等诸多优点，近 几年来受到国际学术界和工程界的高度关注，例如日本神户大学的森协俊道教授等人， 名古屋大学的社本英二教授等人，德国Bremen大学的E. Brinksmeier教授等人，美国北 Carolina大学的Thomas A. Dow教授等人，美国西北大学的K. F. Ehmann教授等人。现有的 研究结果表明，除了 EVC，其它工艺方法还难以既获得光学质量表面、又减少金刚石刀具磨 损。目前EVC的驱动主要包括两种方式一种是共振型方式；另一种是非共振型方式。 对于共振型方式，主要是在刀杆的两侧贴附两对PZT陶瓷材料，通过信号发生器控制每一 对PZT致动器以对刀杆施加两对分布载荷。当外部激励的频率整数倍接近刀杆高阶模态的 频率，从而产生超谐共振。通过两个横向振动合成或者一个横向振动与一个纵向振动的合 成以使刀刃产生二维的椭圆运动轨迹。共振型驱动EVC的主要缺点是①.对于具有非线性 的刀杆，两个横向弯曲振动和纵向振动往往都是耦合的，易于产生串扰。②.刀刃的椭圆运 动参数(例如频率)不可调整，难以适应不同加工材料对刀刃运动参数的不同要求。③.各 阶振型和结点位置的确定依赖于刀杆的设计，而且刀杆的实际装夹方式也将改变刀杆的各 阶固有振型和结点位置。为了克服共振型驱动方式之不足，北Carolina大学的Thomas A. Dow教授等人研 究并提出了非共振的驱动方式。对于非共振驱动，目前主要是基于压电叠堆平行配置和压 电叠堆相互垂直配置等两种方式。与共振驱动方式相比，非共振驱动方式的主要优点在于 刀尖椭圆运动的频率和幅值等参数可主动连续控制，因而对于不同的加工材料和加工表面 要求有更好的适应性；两个谐运动是非耦合的、可独立控制。但是，为了获得最佳的切削性能，这种非共振驱动方式仍然存在一些不足有待进一步解决，主要包括①.无论是平行配 置、还是相互垂直配置压电执行器，这两类结构皆仅仅能实现平面内的二维EVC，椭圆平面 的方位是难以调整的。②.现有的非共振二维EVC都是开环控制的，实际切削时的椭圆运 动轨迹不可避免地会失真。名古屋大学的社本教授等人在共振型二维EVC的基础上提出了共振型三维EVC。 对于共振型三维EVC，刀尖椭圆运动的产生仍是基于刀杆的超谐共振合成的，主要包括两个 横向振动和一个纵向振动。三维EVC比二维EVC要优越，因为三维EVC可控制刀刃椭圆运 动的平面方位、使之位于屑流平面。但不足之处仍在于现有的共振型三维EVC，刀刃椭圆 运动轨迹参数(例如椭圆运动频率)依然难以调整、缺乏对不同材料的适应性。综上所述，现有的光学自由曲面飞切创成方法和难加工材料的切削加工方法还存 在着许多不足。因此必须针对这些不足之处，研究并提出一种新的光学自由曲面金刚石飞 切方法及装置，以实现金刚石不可切削材料自由曲面光学零件的加工，获得最佳的切削加 工性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面的方法。本专利技术的另一目的是提供一种实现非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方 法的装置。本专利技术之方法的特征在于利用非共振的驱动方式以使金刚石刀刃在三维坐标空 间产生中高频或超高频椭圆运动轨迹，形成高速或超高速的三维椭圆金刚石飞切主运动； 在精密或超精密数控车床上，通过X轴直线进给、Z轴往复进给，以及工件的圆周进给等运 动的合成，实现难加工材料光学自由曲面的金刚石飞切创成。对Z轴实施动态误差补偿，以 提高Z轴的往复运动精度；实施金刚石刀刃的三维椭圆运动轨迹跟踪控制，避免了实际切 削时的失真。本专利技术之方法的步骤如下(1)、光学自由曲面的创成运动涉及三维椭圆金刚石飞切主运动(辅助轴)、X轴 直线进给运动、Z轴的往复进给运动、以及工件的圆周进给运动(C轴)；(2)、一种非共振三维椭圆运动轨迹生成装置，利用两对压电叠堆(3、4 ；6、7)作为 驱动元件，每一对压电叠堆为平行配置方式，两对压电叠堆之间则为相互垂直的配置方式。 利用非共振驱动方式，对这四个压电叠堆施加控制信号，使金刚石刀具产生高频的三维椭 圆运动，由此形成金刚石刀具的主切削运动；(3)、金刚石刀刃的主切削运动轨迹在x-z平面(切削基面)上的投影为往复直线 运动；在x-y平面(横向进给平面)和y_z平面(纵向进给平面)上的投影分别为椭圆运 动，由此在实际屑流面形成合成的椭圆运动轨迹。椭圆运动轨迹的参数(运动频率，椭圆形 状，椭圆长轴方位，椭圆平面方位等)皆可主动调整；(4)、实时检测非共振三维椭圆运动轨迹生成装置的四个驱动元件的瞬态位移，实 施三维椭圆运动轨迹的精确跟踪控制，避免实际切削时三维椭圆运动轨迹的变形或失真， 改善三维椭圆运动轨迹控制系统的动态性能；(5)、实时检测Z轴的瞬态坐标位置，通过在这个方向上实施动态误差补偿控制，实现Z轴的精密往复进给运动，提高Z轴的往复运动精度。本专利技术具有如下明显的优点(1)、显著地减少切削力、提高加工精度和表面质量、延长金刚石刀具寿命、抑制毛 刺和切削动态不稳定性、扩展金刚石可切削材料的范围等。(2)、解耦切削速度对工件(或刀具)回转半径的依赖性，在加工表面上可获得一 致的切削速度和加工质量。(3)、低成本地实现超高速切削，抑制了主轴回转误差对加工质量的影响以及对昂 贵的超高速精密主轴的需求。(4)、可主动控制金刚石刀刃三维椭圆运动轨迹的参数，对于实际的三维切削加工 将获得更好的切削性能。附图说明图1是本专利技术的基于四个压电叠堆直接驱动的金刚石刀具三维椭圆运动轨迹生 成装置的立体示意图。图2是本专利技术之方法的运动控制框图。其中，1-底座，2-楔形块，3、4_压电叠堆，5-预紧螺钉，6、7_压电叠堆，8_预紧螺 母，9-锁紧螺栓，10-刀杆，11-金刚石刀具，12-紧固螺钉。具体实施例方式不失一般性，设工件_刀刃之接触点的瞬态位置可写为式中，x、y和z是刀具-工件相对位置的笛卡尔坐标；ax、ay和az分别是x，y和z 向的振动幅值；Tx、Ty和分别是x向、y向和z向的相移；《是振动频率；t是时间变量； x本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法，该方法包括以下步骤：（１）、工件装夹在精密数控车床主轴前端的夹具上，主轴的回转形成工件的圆周进给运动（Ｃ轴）；（２）、将一个动态误差补偿控制台安装在精密数控车床Ｚ轴溜板上，实时检测精密数控车床Ｚ轴溜板的瞬态坐标位置，通过在Ｚ轴实施动态误差补偿控制，实现Ｚ轴的精密往复进给运动，提高Ｚ轴的往复进给运动精度；（３）、将非共振三维椭圆运动轨迹生成装置安装在该动态误差补偿控制台上，形成高速或超高速的三维椭圆金刚石飞切主运动。控制两对压电叠堆，使金刚石刀刃的主切削运动轨迹在ｘ－ｚ平面即切削基面上的投影为往复直线运动，在切屑流出面形成合成的椭圆运动轨迹，获得最佳的切削加工性；（４）、光学自由曲面的金刚石飞切创成运动涉及：三维椭圆金刚石飞切主运动、Ｘ轴直线进给运动、Ｚ轴的往复进给运动、以及工件的圆周进给运动（Ｃ轴）。
【技术特征摘要】
一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法，该方法包括以下步骤(1)、工件装夹在精密数控车床主轴前端的夹具上，主轴的回转形成工件的圆周进给运动(C轴)；(2)、将一个动态误差补偿控制台安装在精密数控车床Z轴溜板上，实时检测精密数控车床Z轴溜板的瞬态坐标位置，通过在Z轴实施动态误差补偿控制，实现Z轴的精密往复进给运动，提高Z轴的往复进给运动精度；(3)、将非共振三维椭圆运动轨迹生成装置安装在该动态误差补偿控制台上，形成高速或超高速的三维椭圆金刚石飞切主运动。控制两对压电叠堆，使金刚石刀刃的主切削运动轨迹在x z平面即切削基面上的投影为往复直线运动，在切屑流出面形成合成的椭圆运动轨迹，获得最佳的切削加工性；(4)、光学自由曲面的金刚石飞切创成运动涉及三维椭圆金刚石飞切主运动、X轴直线进给运动、Z轴的往复进给运动、以及工件的圆周进给运动(C轴)。2.一种非共振三维椭圆金刚石飞切光学自由曲面方法所用的专用装置，其特征在于 是由底座(1)，楔形块(2)，压电...
【专利技术属性】
技术研发人员：林洁琼，周晓勤，刘强，李迎春，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：82
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