專利名稱：一種混頻驅(qū)動的三維橢圓車削方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納超精密加工和難加工材料自由曲面切削技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一 種混頻驅(qū)動的三維橢圓車削方法。
背景技術(shù)：
具有復(fù)雜幾何特征的超精密零件在許多重要的工業(yè)領(lǐng)域有著日益增長的應(yīng)用需 求?；诳焖俚毒咚欧?簡稱FTS)的金剛石車削是創(chuàng)成復(fù)雜幾何超精密零件的一種重要 加工方法，它通過一個FTS裝置產(chǎn)生自由曲面創(chuàng)成所需的刀具快速往復(fù)運(yùn)動。然而該方法 的主要困難之一在于金剛石可切削的材料種類十分受限制。對于硬化鋼等黑色金屬材料 和碳化硅等硬脆材料，金剛石的切削加工性較差，往往導(dǎo)致嚴(yán)重的刀具磨損，使加工表面質(zhì) 量惡化、加工精度大幅度降低。為了擴(kuò)展金剛石可切削材料的范圍，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界提出了 一些改進(jìn)的切削方法，例如低溫切削、碳飽和切削和橢圓振動切削(簡稱EVC)等。迄今為 止的研究表明三維EVC是一種最有發(fā)展前途的難加工材料切削方法，具有減少切削力、抑 制刀具磨損、改善加工表面質(zhì)量等諸多優(yōu)點。將FTS車削與三維EVC集成，將為難加工材料自由曲面金剛石車削創(chuàng)成提供一種 新的技術(shù)途徑。但是通過在一個FTS裝置上安裝一個EVC裝置的方法是不實際的，因為二 者之間的動力學(xué)耦合將使得整個系統(tǒng)的動態(tài)性能不可控。日本學(xué)者鈴木等人提出在EVC過 程中改變橢圓長軸的大小以便包絡(luò)出所期望的表面，然而這種方法存在嚴(yán)重的缺陷(1)橢圓長軸的大小由期望的表面形狀確定，這勢必導(dǎo)致不能獲得最佳的切削加 工性。由于EVC的參數(shù)(橢圓長軸大小、形狀、長軸方位、以及頻率等)主要取決于難加工 材料的金剛石切削加工性，這意味著必須對EVC的參數(shù)進(jìn)行獨立控制，而鈴木等人的方案 無法實現(xiàn)這一點。(2)由于橢圓長軸的大小改變受限制，鈴木等人的方案僅適合在平坦的表面上進(jìn) 行微結(jié)構(gòu)加工，不適合具有較大的“非回轉(zhuǎn)對稱性”的自由曲面創(chuàng)成。為了克服這些缺陷，本發(fā)明提出了一種混頻驅(qū)動的三維橢圓車削方法，通過混頻 驅(qū)動方式，在一個三維切削運(yùn)動生成裝置上，同步產(chǎn)生兩種切削運(yùn)動其一是三維EVC運(yùn) 動，其二是自由曲面車削創(chuàng)成所需的FTS運(yùn)動，這兩種切削運(yùn)動的控制是獨立的。適用于難 加工材料自由曲面的金剛石車削創(chuàng)成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種混頻驅(qū)動的三維橢圓車削方法，以解決具有復(fù)雜幾何特征的超精 密零件加工困難的問題。本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下通過一個三維切削運(yùn)動生成裝置，利用分別沿X軸、Y軸和Z軸方向的三個壓電疊 堆執(zhí)行器驅(qū)動金剛石刀具，使金剛石刀具同步產(chǎn)生兩種切削運(yùn)動其一是旨在改善切削加 工性的三維橢圓振動切削運(yùn)動，其二是車削創(chuàng)成自由曲面車削所需的快速刀具伺服運(yùn)動；對所述的三個壓電疊堆各施加一組混頻的驅(qū)動信號，該混頻驅(qū)動信號包括兩個成分其一 是產(chǎn)生三維橢圓振動切削運(yùn)動的信號成分，其二是實現(xiàn)快速刀具伺服運(yùn)動的信號成分，這 兩個信號成分的控制是獨立的；對所述的產(chǎn)生三維橢圓振動切削運(yùn)動的信號成分，通過匹配X、Y和Z三個方向上 的幅值和相位，使金剛石刀具產(chǎn)生三維橢圓振動切削運(yùn)動；對于沒有主動誤差抵消的自由曲面車削，所期待的快速刀具伺服運(yùn)動一般只在X 軸、或只在Z軸、或只在X軸和Z軸上有投影分量；對于主動誤差抵消的自由曲面車削，所期 待的快速刀具伺服運(yùn)動在X軸、Y軸和Z軸上都有投影分量。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1)利用一個三維運(yùn)動生成裝置，即可同步實現(xiàn)兩種切削運(yùn) 動其一是三維EVC運(yùn)動，其二是車削創(chuàng)成自由曲面所需的FTS運(yùn)動；( 兼顧了基于FTS 的自由曲面車削創(chuàng)成的優(yōu)點和通過EVC改善難加工材料切削加工性的優(yōu)點；(3)所述的兩 種切削運(yùn)動，通過混頻信號進(jìn)行獨立驅(qū)動控制，這使得三維EVC的參數(shù)調(diào)整以及FTS的運(yùn)動 路徑皆可分別最優(yōu)化；(4)由于FTS運(yùn)動路徑的瞬態(tài)切削速度的大小和方向皆是變化的，三 維EVC可使橢圓平面處于最佳方位。


圖1是三維切削運(yùn)動生成裝置以及在超精密車床上的布置；
圖2是三維切削運(yùn)動生成裝置放大圖3是FTS運(yùn)動在Z軸方向上的投影；
圖4是Z向刀具接觸點FTS運(yùn)動與刀具圓弧半徑補(bǔ)償后FTS運(yùn)動的對比；
圖5是三維橢圓切削運(yùn)動在TL平面上的投影；
圖6是混頻驅(qū)動下刀具運(yùn)動在TL平面上的投影；
圖7是圖6中標(biāo)記部分的局部放大圖8是X向進(jìn)給位移規(guī)律與刀具圓弧半徑補(bǔ)償后進(jìn)給運(yùn)動的對比；
圖9是FTS運(yùn)動在X軸方向上的投影；
圖10是系統(tǒng)控制框圖。
附圖標(biāo)記說明
1-主軸、2-自由曲面工件、3-三維切削運(yùn)動生成裝置、4-Z軸溜板、5-X軸溜板、
6-床身、7-主軸角度編碼器、Sa-Z向直線光柵位移傳感器、Sb-X向直線光柵位移傳感器、 9-金剛石刀具、IOa-X軸方向壓電疊堆、IOb-Y軸壓電疊堆、IOc-Z軸壓電疊堆、1 Ia-X向位移 傳感器、Ilb-Y向位移傳感器、IlC-Z向位移傳感器。
具體實施例方式
圖1和圖2分別示出了三維運(yùn)動生成裝置3及其在超精密車床上的布置。如圖1 和圖2所示，三維運(yùn)動生成裝置3安裝在車床的Z軸溜板4之上，Z軸溜板安裝在車床的X 軸溜板5之上，X軸溜板5安裝在床身6上，Z向直線光柵位移傳感器8a安裝在X軸溜板5 上，X向直線光柵位移傳感器8b安裝在Z軸溜板4上，主軸角度編碼器7安裝在床身上，金 剛石刀具9分別與X軸方向壓電疊堆10a、Y軸方向壓電疊堆10b、Z軸方向壓電疊堆IOc固 定連接，X軸方向壓電疊堆10a、Y軸方向壓電疊堆10b、Z軸方向壓電疊堆IOc分別與三維切削運(yùn)動生成裝置的基座固定連接，X向位移傳感器11a、Y向位移傳感器lib、Z向位移傳 感器Ilc分別與三維切削運(yùn)動生成裝置的基座固定連接。X軸溜板和Z軸溜板的直線運(yùn)動、以及主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)回轉(zhuǎn)對稱的切削運(yùn)動， X軸和Z軸位置均通過各自的直線光柵位移傳感器進(jìn)行反饋控制；工件裝夾在主軸前端的 夾具上，主軸由角度編碼器進(jìn)行反饋控制；X向、Y向和Z向壓電疊堆執(zhí)行器均由各自的電容 位移傳感器對其瞬態(tài)位置進(jìn)行反饋控制。不失一般性，三個壓電疊堆執(zhí)行器的驅(qū)動信號分別表示為
Uy{t) = Uye{t) + Uyf(t) uz(t) ^=Uze(J) +Uzf{t)
(1)式中，ux(t)、Uy (t)、Uz (t)分別是作用于X軸、Y軸、Z軸上三個壓電疊堆執(zhí)行器的 混頻驅(qū)動信號；Uxf、uyf, Uzf分別為作用于三個壓電疊堆的FTS驅(qū)動分量；uxe、uye, uze分別為 作用于三個壓電疊堆的正弦波驅(qū)動分量，且有
^JO = VxeCosilnft+ (^J
(2)式中，vxe, Vye和Vze分別為正弦波驅(qū)動分量uxe、uye和Uze的幅值；cpxe、iiV和cpze分 別為正弦波驅(qū)動分量Uxe、Uye和Uze的相位；f為正弦波驅(qū)動分量Uxe、Uye和Uze的頻率。在三個混頻驅(qū)動信號ux (t)、uy(t)和uz (t)的作用下，在金剛石刀位點處的實際位 移輸出x(t)、y(t)和z(t)由兩個運(yùn)動成分構(gòu)成，在笛卡爾坐標(biāo)系中可分別表示為
x(t) = xe(t) + xf(t) \y(t) = ye{t) + yf{t) z{t) = ze(t) + zf{t)
^eit) = Axecos{2nft + ^xe)
(3)
？ 4
/Iv式中，xe(t),ye(t)和^⑴分別是由正弦波驅(qū)動信號所產(chǎn)生的實際位移輸出； xf(t),yf(t)和 ⑴分別是FTS驅(qū)動信號的實際位移輸出；Axe、Zye和Aze分別是xe(t)、ye(t) 和 ze(t)的幅值；Ψχε、Ψ% 和 Vze 分別是 &(t)、ye(t)和 ze(t)的相位；f* &(t)、ye(t)和 ze(t)的頻率。通過匹配正弦波驅(qū)動信號Ux (t)、uy(t)、uz(t)的相位Cpxe，當(dāng) Xe (t)、ye(t) 和％(0的相位ΨΜ、UTye和不全相等時，則可使金剛石刀具的刀位點處實現(xiàn)空間任意 平面內(nèi)的橢圓切削運(yùn)動，例如當(dāng)Vze-Vxe= η/2且Vze-Vye= JI/2時，金剛石刀具在刀位 點處作垂直于)(Ζ平面的EVC運(yùn)動。通過精確跟蹤控制刀位點的實際位移輸出X(t)、y(t)和ζ (t)，金剛石刀位點可在產(chǎn)生EVC運(yùn)動的同時實現(xiàn)所需的FTS運(yùn)動。本發(fā)明的具體實施步驟如下將被加工的工件安裝在精密或超精密車床主軸上，三維運(yùn)動生成裝置及其在精密 或超精密車床上的布置如圖1、圖2所示；1、根據(jù)自由曲面的數(shù)學(xué)描述、精密或超精密車床所提供的加工運(yùn)動、以及實際的 加工表面粗糙度要求，生成所需的金剛石刀位點軌跡；2、根據(jù)實際生成的金剛石刀位點軌跡、以及實際的加工表面粗糙度要求，確定所 需的三維EVC參數(shù)包括橢圓的長短軸大小、橢圓平面的方位、橢圓運(yùn)動的頻率等；3、根據(jù)實際生成的金剛石刀位點軌跡，在X軸和Z軸上分別分解為一個單調(diào)趨勢 成分和一個擾動成分，其中擾動成分即為所需跟蹤的FTS運(yùn)動，對于有主動誤差抵消的自 由曲面車削、以及非零前角的自由曲面車削，刀位軌跡在Y軸也有投影分量；4、分別對X軸、Y軸和Z軸的壓電疊堆執(zhí)行器施加由正弦波驅(qū)動分量與FTS驅(qū)動 分量所構(gòu)成的混頻信號，使金剛石刀具同步產(chǎn)生兩種切削運(yùn)動其一是速刀具伺服的往復(fù) 運(yùn)動，其二是三維橢圓振動切削運(yùn)動。5、由所得到的單調(diào)趨勢成分，生成精密或超精密車床的CNC代碼指令，驅(qū)動X軸溜 板和Z軸溜板作同步運(yùn)動。在以下的內(nèi)容中，以環(huán)曲面為例進(jìn)一步說明如何生成期待的三維EVC運(yùn)動和FTS 運(yùn)動。在車床的坐標(biāo)系中，待加工的環(huán)曲面可表示為
權(quán)利要求
1. 一種混頻驅(qū)動的三維橢圓車削方法，其特征在于通過一個三維切削運(yùn)動生成裝置，利用分別沿X軸、Y軸和Z軸方向的三個壓電疊堆執(zhí) 行器驅(qū)動金剛石刀具，使金剛石刀具同步產(chǎn)生兩種切削運(yùn)動其一是旨在改善切削加工性 的三維橢圓振動切削運(yùn)動，其二是車削創(chuàng)成自由曲面車削所需的快速刀具伺服運(yùn)動；對所 述的三個壓電疊堆各施加一組混頻的驅(qū)動信號，該混頻驅(qū)動信號包括兩個成分其一是產(chǎn) 生三維橢圓振動切削運(yùn)動的信號成分，其二是實現(xiàn)快速刀具伺服運(yùn)動的信號成分，這兩個 信號成分的控制是獨立的；對所述的產(chǎn)生三維橢圓振動切削運(yùn)動的信號成分，通過匹配X、Y和Z三個方向上的幅 值和相位，使金剛石刀具產(chǎn)生三維橢圓振動切削運(yùn)動；對于沒有主動誤差抵消的自由曲面車削，所期待的快速刀具伺服運(yùn)動一般只在X軸、 或只在Z軸、或只在X軸和Z軸上有投影分量；對于主動誤差抵消的自由曲面車削，所期待 的快速刀具伺服運(yùn)動在X軸、Y軸和Z軸上都有投影分量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混頻驅(qū)動的三維橢圓車削方法，屬于自由曲面微納超精密切削和難加工材料切削技術(shù)領(lǐng)域。金剛石刀具由分別沿X軸、Y軸和Z軸方向的三個壓電疊堆執(zhí)行器驅(qū)動；對每一個壓電疊堆執(zhí)行器施加一組混頻的驅(qū)動信號，該混頻驅(qū)動信號主要包括兩個成分，其一是產(chǎn)生三維橢圓切削的正弦波信號，其二是車削創(chuàng)成自由曲面的快速刀具伺服信號。通過匹配三個正弦波信號的幅值和相位，使在金剛石刀具在刀位點處產(chǎn)生三維的橢圓切削運(yùn)動；根據(jù)金剛石刀位點軌跡在各坐標(biāo)軸上的投影分量之?dāng)_動成分，分別驅(qū)動三個壓電疊堆執(zhí)行器產(chǎn)生所需的快速刀具伺服運(yùn)動。本發(fā)明方法可對兩種切削運(yùn)動進(jìn)行獨立控制和優(yōu)化，簡便易于實施。
文檔編號B23B1/00GK102078967SQ20101062147
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者周曉勤, 林潔瓊, 王剛 申請人:吉林大學(xué)