基于摆动进给的超精密金刚石车削加工误差分析与补偿

摘要

随着科学技术发展，金刚石车削技术已经成为一种具有高可重复性的加工技术，能够实现多种材料的超精密加工，因此其被广泛应用于众多行业的精密零部件的生产制造。本文从铝制金属反射镜的摆动进给超精密金刚石车削加工方法入手，通过快速伺服刀架的设计与优化、系统性能测试，建立包含伺服刀架的机床整体运动误差模型，获得影响加工精度的主要误差项，进而提出相应的误差补偿方法，为提高摆动进给超精密金刚石车削加工精度提供理论指导。本研究主要内容包括：
　　⑴在分析R-θ结构机床原理的基础上，对摆动进给超精密金刚石车削机床（Swing Feed Ultra-precision Diamond Turning machine，SF-UDTM）的运动原理和加工成形方法进行分析；结合机床的实际配置，确定摆动进给超精密金刚石车削机床的球面实际加工范围，明确目标球面几何参数与摆轴转角、摆轴与主轴轴线夹角等机床调整参数的对应关系；基于三点法确定抛物面的最接近比较球面，提出非球面的三维空间非球面度矢量的计算方法和基于摆动进给方式径向非球面度的加工方法，进而得出非球面加工过程中刀具伺服系统的进给规律。随后，对摆动进给超精密金刚石车削机床和常见T型结构布局超精密金刚石车削机床的非球面加工方法进行对比分析，说明摆动进给非球面加工的特点。最后对摆动进给加工过程中的切削几何参数进行计算，得出刀具前刀面与切削速度间夹角、前刀面与工件切削点径向夹角等几何参数的变换规律，进而对摆动进给过程中产生的斜角切削力进行推导计算，得到在刀具伺服系统设计方面的性能指标。
　　⑵基于压电陶瓷驱动柔性铰链结构，完成了用于摆动进给超精密金刚石车削机床的快速刀具伺服系统的设计和制造，并通过力学建模和有限元分析对机构整体及单个柔性铰链进行分析；采用动力学方法对 FTS系统进行分析，得出刀具伺服机构整体性能与系统参数的对应关系；采用多种测量方法对系统寄生误差、静态刚度、动态切削刚度、固有频率、重复定位精度、分辨率、最大行程等刀具伺服机构主要性能参数进行测试，获得不同性能参数下刀具伺服系统性能的变化规律，为后面进行快速刀具伺服进给机构误差补偿奠定基础。
　　⑶根据多体系统运动学理论及机床实际结构配置，建立摆动进给超精密金刚石车削机床的空间几何误差模型；基于概率统计基本理论和正交实验法，建立了机床的空间误差回归分析模型和误差敏感度分析模型；通过 Isight软件对影响加工精度的主要误差项进行辨识，分析不同误差项之间的交互作用关系，得到各个误差项对空间误差的影响规律。
　　⑷为了提高摆动进给超精密金刚石车削加工精度，提出了摆动进给超精密金刚石车削机床的静态位置误差校正补偿法和工件面型误差在位补偿法。首先针对摆动进给超精密车削机床结构易调整的特点，根据静态位置误差校正工艺流程对分析得到的主要误差项进行校正；随后基于直径200mm平面工件的车削加工，在上一步的基础上进一步校正机床的摆轴轴线与主轴轴线间的平行度误差，从而对摆轴气浮座的零点位置进行标定，再次减小机床的静态位置误差；在采用静态位置误差补偿前后，平面工件的加工表面面形PV值在180mm测量范围内由0.5μm降至0.24μm。在100mm口径凹球面加工中，机床进行静态位置误差校正前后的球面加工面型 PV值从8.89μm减小到0.63μm；进一步通过对工件面型进行在位测量与误差补偿，加工面型误差PV值减小到0.45μm。在抛物面加工过程中采用4D动态剪切干涉仪进行在位测量，并对工件面形误差进行在位补偿，工件面形误差PV值由2.7μm降至1.45μm。

目录

第1章 绪 论

1.1课题研究目的及意义

1.2课题相关内容国内外研究现状

1.3现有研究现状的分析

1.4本文的研究内容

第2章 基于摆动进给超精密金刚石车削加工方法

2.1引言

2.2基于摆动进给超精密金刚石车削机床的球面加工方法

2.3基于FTS系统的非球面加工方法

2.4摆动进给超精密金刚石车削加工中的斜角切削

2.5本章小结

第3章 快速刀具伺服系统的研制及性能测试

3.1引言

3.2快速伺服刀架的结构设计

3.3 FTS系统动态特性分析

3.4 FTS系统性能测试

3.5本章小结

第4章 基于摆动进给超精密金刚石车削机床误差分析

4.1引言

4.2基于摆动进给超精密机床空间几何误差建模

4.3摆动进给超精密车削机床的误差敏感性分析

4.4基于摆动进给超精密机床的主要误差因素分析

4.5本章小结

第5章 基于摆动进给超精密金刚石车削加工误差补偿

5.1引言

5.2机床的静态位置误差校正

5.3基于软件补偿的非球曲面加工误差补偿方法

5.4加工实验与结果分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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