基于工件面形精度的超精密机床误差建模与分析

在影响超精密加工工件面形精度的诸多因素中,机床的空间几何误差与运动误差往往占主要作用.在本单位一台新型超精密加工试验台的加工试验中,出现了较大的面形误差.为了辨识影响工件面形精度的主要误差,首先将机器人运动学理论与多体系统运动学理论相结合,建立新型超精密加工试验台的实际运动模型;其次,定量分析各个误差,如对刀误差、两轴不平行度误差和摆动中心定位误差等对工件面形精度的影响,得到工件面形精度(波峰-波谷值)随不同误差的变化规律;最后进行加工试验,并用PG I1240轮廓仪检测工件面形,将实际加工工件的检测结果与各个误差的分析结果进行相关性分析.通过上述分析,确定试验台两轴不平行是影响工件面形精度的主要误差因素.     

基于多体运动学理论的机床误差灵敏度分析

针对机床加工误差出现后如何查找影响加工精度的关键因素这一问题,提出了一种基于多体系统运动学理论的机床误差灵敏度分析新方法.该方法首先利用多体系统运动学理论,将机床抽象为多个运动刚体,在各个刚体上建立体参考坐标系和运动参考坐标系,将刀具中心点和工件加工点分别通过各自坐标系描述到系统坐标系,以此方法建立约束方程并求解加工误差;然后通过对误差求导的方式获得误差参数的灵敏度并建立误差参数影响分析模型.实例的分析和计算证明,该方法可以有效地查找对机床误差影响较大的因素,从而可为机床设计者和使用者提供有效的机床改进理论基础.     

精密车削中心热误差和切削力误差综合建模

热误差和切削力误差是影响数控机床精度的最重要的两个误差源,误差补偿技术是一种消除机床误差经济有效的方法,而有效的误差补偿依赖于准确的误差模型。在对切削加工过程中的热变形和切削力分析的基础上,选取合理的参量,采用BP神经网络和PSO算法相结合的优化方法建立了热误差和切削力综合模型。BP-PSO建模方法改善了网络模型的收敛速度和预测精度。基于所建误差模型,对一台精密车削中心加工实时补偿后使得径向加工误差从27μm提高到8μm,大大提高了车削加工中心的加工精度,验证了模型精度。     

超薄件加工变形误差补偿的研究（英文）

超薄件可广泛应用于高精度微型器件、光子系统等领域.针对加工后超薄件的较大变形,采用基于超精密车削的误差补偿方法进行研究.提出补偿理论与补偿方法,对原位面形误差与离线面形误差进行测量,利用补偿理论计算得到补偿面形,最后采用三轴伺服控制技术对超薄件变形误差进行车削补偿.补偿加工的超薄铝几何尺寸为Φ20×0.1 mm,一次补偿加工后,工件面形峰谷值由变形产生的误差从15μm降到10μm,具有较好的补偿效果.对补偿中原位测量误差与位置偏移误差进行讨论,提出提高补偿加工精度的方法.     

机床主轴回转误差对加工精度影响分析

机床的质量取决于机床关键部件的质量,而机床主轴部件是保证机床加工精度的核心,主轴回转误差是影响机床加工精度的重要因素之一,直接影响到加工零件的形状精度、表面的粗糙程度和质量,实验结果表明:由主轴回转误差引起的精密     

超精密加工振动误差源诊断实验研究

超精密车床结构及加工过程的复杂性使得对加工精度的影响因素不能完全确定，尤其是随机性因素的影响更难确定。为此本文首先系统分析了超精密车床中影响加工精度的各项误差源，然后通过实验辨识了主要振动误差源对加工精度的影响，为减少和补偿由这些误差源引起的误差提供了依据和指导。     

蜗杆砂轮磨齿机几何误差敏感度分析

为识别影响蜗杆砂轮磨齿机空间精度的关键几何误差项,提出一种基于旋量理论和Sobol法的几何误差敏感度分析方法。以YW7232型蜗杆砂轮磨齿机为研究对象,首先,基于旋量理论建立机床的几何误差模型;然后,采用Sobol法计算机床磨削过程中各几何误差项对空间误差分量的敏感度系数,并识别出关键几何误差项;最后,对机床的关键几何误差项进行修正,通过仿真分析对比修正前后机床的空间误差分量以及3种测量模式下球杆仪的杆长。仿真结果表明所提出的方法可有效识别出机床磨削过程中的关键几何误差,这可为提高机床精度提供理论指导。     

主轴回转误差引入飞切加工表面微波纹的形成机理与解决方案

为分析超精密飞切机床加工表面微波纹的形成机理,研究了主轴回转误差信息提取与表面形貌仿真技术,获取微波纹误差来源并研究解决方案。首先,在超精密飞切机床主轴上搭载五通道在线电容位移检测系统,并对采集到的信号进行误差分析提取。然后,建立飞切加工表面微观形貌三维仿真模型,仿真分析主轴误差引入的加工表面微波纹,并与表面检测结果比对确定误差来源。最后,通过调整主轴电机控制系统抑制该误差。三维仿真和实测结果相吻合,证实超精密飞切机床主轴转速波动导致的回转误差造成了工件表面1 Hz左右的规律性条纹,对主轴转速控制系统进行数字化改造后,基本消除了该因素导致的表面微波纹,表面粗糙度从5 nm以上抑制到2 nm左右,PV值优于10 nm。超精密飞切机床主轴转速波动会对飞切加工表面微观形貌以及表面粗糙度产生显著影响,需至少控制在0.5 r/min以内。     

基于热态信息挖掘的机床主轴系统热误差建模方法研究

针对数控机床热误差建模问题,通过对精密卧式加工中心主轴系统热变形数据特征进行分析,提出了一种利用均值理论进行数据分类、利用粗糙集理论进行数据挖掘和利用线性回归分析构建误差模型的机床热误差建模方法.该方法首先进行机床主轴的热误差实验,利用传感器同时检测机床主轴所选各检测点的温升和主轴轴端的热变形,然后利用均值理论和粗糙集理论对获得的数据进行分类和数据挖掘精简,最后通过线性回归分析进行热误差建模.为了评价所建模型的有效性,将所建模型与BP神经网络模型进行了对比,结果表明这种基于热态信息挖掘的热误差建模方法在机床主轴热误差预测方面有较高的准确性和实用价值.     

五轴联动机床动态误差与RTCP分析

在对零件加工进行研究的过程中,机床的动静态分析是主要的分析对象,机床的切削能力反应了机床的加工能力,不同的误差对机床的影响也不同,产生的精度影响也不同,误差仿真技术可以有效发现机床的误差源。动态性能会影响高精密机床的制造加工精度。该文分析了五轴精密加工机床的动态性能、机床的RTCP功能、影响机床加工精度的因素和机床误差的产生,同时对误差的影响因素进行了分析,通过减小机床的误差,保证机床的动态性能能够满足加工需求。     

并联机床的动力学特性对加工精度影响的分析

为了提高并联机床的加工精度,分析了并联机床的动力学特性对加工精度的影响。根据牛顿—欧拉方程,得到并联机床的动力学方程,解得连杆的驱动力;根据杆件轴向伸长量与受力之间的关系,得到连杆的长度误差;以无长度误差的连杆长度为优化目标,用优化的方法,得到动平台的位姿,并与连杆有长度误差时动平台的位姿比较,得动平台的位姿误差;根据刀具在动平台坐标系中位置,得刀具加工位置误差及对被加工零件精度的影响。结果表明：并联机床连杆的长度误差,引起刀具加工位置误差,使被加工零件产生形位误差和尺寸误差;并联机床电主轴偏心引起连杆的长度误差的扰动,产生刀具加工位置的扰动误差,影响被加工零件的表面粗糙度。     

刀具对中误差对离轴抛物面镜慢刀伺服车削加工的影响

离轴抛物面镜单件高效加工是离轴三反消像散(TMA)结构光学系统的技术难点之一.单点金刚石慢刀伺服车削加工技术可用于离轴非球面加工,加工尺寸范围较大,加工精度较高.此工艺制造的离轴抛物面面型精度可达到亚微米级,粗糙度达到纳米级.因此,可直接用于红外光学应用,若经后续抛光则可用于空间望远镜等更高精度需求的场合.介绍了慢刀伺服车削加工离轴抛物面镜的在轴加工方法,理论推导了刀具对中误差所带来的面形误差的极值分布规律.仿真研究进一步揭示了工件中心区域面形误差的详细分布.实验数据与理论结果和仿真计算结果均吻合.     

EFFECT OF TOOL WEAR AND TOOL SETTING ON PROFILE ACCURACY OF DIAMOND-TURNED NONFERROUS COMPONENTS

Diamond turning technology has gained great importance in high-precision optical component fabrication. The quality of machined optical surfaces is mainly affected by the machine tool's accuracy, cutting tool's quality, and dynamic machining effects. This study investigated the effects of cutting tool conditions and tool set-up error on the surface distortion. Controlled cutting tests were performed on a two-axis diamond turning machine. Spherical mirrors with preset tool offset values and tool height values were turned. The relationship among machined form accuracy, tool offset, and tool height was investigated based on experimental and analytical results. The influence of tool wear on machined surface quality was studied. Factors governing uneven wear along the cutting edge in contour machining were analyzed. A spherical surface with a form accuracy better than λ/10 was produced. Methods for minimizing the effect of tool wear are also discussed.     

Tool path re-planning in free-form surface machining for compensation of process-related errors

Free-form surfaces are widely used in many applications in today’s industry. This paper presents a new approach to identify and compensate process-related errors in machining of free-form surfaces. The process-related errors are identified online by a newly developed in-process inspection technique. In this technique, the surface is first machined through an intermediate semi-finishing process that is specifically designed to machine different geometric shapes on the surface with different process parameters. An inspection method is developed to identify the process-related errors in the selected regions on the semi-finished surface. The relationship between the machining/surface parameters and process-related error is then achieved using a neural network. This relationship is used to predict the process-related errors in the finishing process. The process-related errors, together with the machine tool geometric errors identified using a method developed in our previous work, are compensated in the finishing tool paths through tool path re-planning. Experiment has been conducted to machine a part with a free-form surface to show the improvements in the machining accuracy.     

Modelling and compensation of fixture locators’ error in CNC milling

Fixture errors are one of the error sources in machining operations. The fixture errors consist of positioning inaccuracies and errors due to workpiece and fixture deformations. Fixture locators’ height error causes incorrect positioning of the workpiece in the fixture and inaccuracy in machined surfaces which can be much more than the locators’ height error. For machining precise workpieces, it is necessary to eliminate these errors. This paper presents a method for modelling and compensating the fixture locators’ height error effect on workpiece machined surfaces. In this method, the planes of workpiece actual coordinate system (ACS) are mathematically modelled in the workpiece theoretical coordinate system (TCS). Using the model, required homogenous transformation matrix for coinciding ACS with TCS and modifying machining toolpath for compensating the errors is generated. The presented model is used to develop a post-processing fixture locator error compensation module, which can modify CNC machining codes to eliminate the effect of fixture locators’ height error on the workpiece machined surfaces. For verifying the presented method, machining simulations and cutting experiments have been performed in this work. The results show that the method can eliminate the effect of fixture locators’ height error on the workpiece machined surfaces considerably.     

非球面模具超精密补偿加工技术

为了实现非球面模具的超精密数控加工,研究了加工轨迹算法原理及整个软件系统的结构与实现.提出了基于表面粗糙度均匀化的工件进给速度控制法,分析了工具磨损误差和工件形状误差,重点提出了误差补偿方法,同时也讨论了采用砂轮平行磨削法时避免加工干涉的方法.软件能生成高精度的加工与补偿加工数控程序文件.最后,在一台镜面磨床上实验加工直径为6 mm的碳化钨透镜模具,经过多次补偿加工后,获得了谷峰值为0.123μm,误差均方根为0.021μm的表面形状精度.     

超精密磨削大型光学非球面元件的研究

介绍了加工大型光学非球面的超精密数控磨削系统，给出了用来生成NC加工软件的加工非球面时砂轮的中心位置的求解模型，在此基础上讨论并给出了由砂轮安装产生的砂轮与工件主轴的偏心误差形成的加工工件面形误差的计算模型，并提出有效的工具路径补偿方法。通过计算机模拟验证了这种补偿方法的可靠性。     

Adaptive nonlinear tool path optimization for five-axis machining

Current tool path computation in the CAM algorithms approximates the surface by piecewise linear interpolation. In the case of three-axis machining on a CNC machine the tool will exactly reproduce this computed tool path. However in the case of five-axis simultaneous machining the real tool path on the CNC machine will not follow the linear approximation computed by the conventional CAM algorithm. A new CAM algorithm is proposed which approximates the surface to be machined by a piecewise curved approximation. This curve represents the real tool path followed on the five-axis machine. This piecewise curved approximation is further optimized by formulating the tool path computation as the generation of a grid based on a variational smoothness penalty function. This new algorithm considerably improves the accuracy and reduces the number of blocks and machining time.     

机床主轴回转误差补偿信号的测量理论和方法

本文提出了一种机床主轴回转误差补偿信号的实时测量方法。该方法采用两组差动电容传感器，直接相对主轴表面进行测量，传感器的极板设计成弧形以消除被测截面的形状误差分量。文中分析了测量方法的原理，介绍了简单、实用的测试系统。     

加工中心的几何误差和热误差综合补偿模型

本将剂次坐标变换理论结合刀具与工件联结链矢量概念建立了加工中心误差运动综合偿模型。此模型不但包了三轴加工中心的几何误差而且还饮食了热误差的共计35个误差元素,使用此模型的补偿加工大幅度地提高了加工中心的加工精度。该方法可对多轴设备和机器人的非网体误差运动进行描述。