非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面超精車削軌跡生成及形狀誤差評價(jià).pdf

1、非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面在成像、照明、精密測量、激光光束整形等領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用,此類表面的超精密加工已經(jīng)成為了21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。采用金剛石車削方法實(shí)現(xiàn)非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面加工,具有形狀精度高、表面粗糙度好、加工形狀可靈活控制等優(yōu)點(diǎn),得到了越來越多的重視。車削加工此類表面時(shí),需要同時(shí)考慮機(jī)床工作臺的直線位移和主軸轉(zhuǎn)動的角度,這決定了非回轉(zhuǎn)對稱表面車削與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)對稱表面車削加工在表面成形原理上的差異。車削加工滿足

2、要求的非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面,不僅需要相應(yīng)的超精密加工設(shè)備、良好質(zhì)量的金剛石刀具,還需要對刀具軌跡生成、形狀誤差評價(jià)、加工仿真等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。
　　刀具軌跡是實(shí)現(xiàn)加工的基礎(chǔ)。根據(jù)非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面車削加工表面成形原理,分別給出了公式描述表面、陣列類表面和離散點(diǎn)描述表面的刀具軌跡計(jì)算方法。為保證所加工表面的形狀精度,需對刀尖圓弧半徑進(jìn)行補(bǔ)償,而刀具補(bǔ)償量通常既有X坐標(biāo)軸運(yùn)動分量,又有Z坐標(biāo)軸運(yùn)動分量。刀尖圓弧半徑補(bǔ)償后,就使原本

3、單向、勻速進(jìn)給的X向工作臺疊加了一個(gè)高頻往復(fù)運(yùn)動分量,不利于微結(jié)構(gòu)表面的車削加工。針對上述問題,提出了基于Hermite插值和散亂點(diǎn)插值的兩種刀具軌跡生成方法,可將刀尖圓弧半徑補(bǔ)償后的高頻的運(yùn)動分量都分解到Z坐標(biāo)方向上。其中,基于Hermite插值的刀具軌跡生成算法適用于公式描述的表面,而基于散亂點(diǎn)插值的刀具軌跡生成算法則更適用于陣列類和離散點(diǎn)表示的表面。
　　形狀誤差評價(jià)是分析加工結(jié)果的重要部分。分別給出了非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面加

4、工結(jié)果二維輪廓誤差及三維面形誤差的評價(jià)方法。在進(jìn)行輪廓誤差計(jì)算時(shí),采用弧長曲率曲線互相關(guān)方法得到測量輪廓與設(shè)計(jì)輪廓的對應(yīng)點(diǎn),根據(jù)這些對應(yīng)點(diǎn)推導(dǎo)了實(shí)現(xiàn)輪廓粗匹配時(shí)對測量輪廓進(jìn)行的的旋轉(zhuǎn)、平移參數(shù)的快速計(jì)算方法,進(jìn)而采用實(shí)數(shù)編碼遺傳算法實(shí)現(xiàn)測量輪廓與設(shè)計(jì)輪廓的精確匹配,得到了輪廓的輪廓誤差。在面形誤差評價(jià)時(shí),采用曲率極值點(diǎn)作為粗匹配的特征點(diǎn),建立了表面粗匹配和精匹配模型,采用遺傳算法依次實(shí)現(xiàn)了對上述匹配模型的求解,得到了表面面形誤差的評價(jià)結(jié)

5、果,并對算法的可靠性進(jìn)行了討論。
　　加工仿真是預(yù)測形狀誤差,保證加工質(zhì)量的有效手段。采用超精密車削加工非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面時(shí),加工程序復(fù)雜、加工參數(shù)各異、加工結(jié)果易受環(huán)境影響。因此,需要參照真實(shí)加工系統(tǒng)建立相應(yīng)的仿真系統(tǒng),仿真系統(tǒng)不僅包括切削力、運(yùn)動控制系統(tǒng)、工作臺振動、切削刀具輪廓、加工表面三維形貌等模型,并且還包括機(jī)床運(yùn)動和簡化的動力學(xué)模型,上述所有模型的綜合決定了工件的最終加工質(zhì)量。在機(jī)床運(yùn)動模型中,將機(jī)床各運(yùn)動部件均抽象

6、為具有六個(gè)自由度的剛體,并通過坐標(biāo)變換得到金剛石刀具相對于工件的三維切削軌跡,進(jìn)而通過采樣法建立了加工表面的三維形貌。此仿真系統(tǒng)不僅可以預(yù)測加工結(jié)果的表面粗糙度,還可以分析主軸轉(zhuǎn)速、刀尖圓弧半徑補(bǔ)償、對刀誤差等加工參數(shù)對表面形狀誤差的影響,對實(shí)際加工具有指導(dǎo)意義。
　　加工非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面時(shí)需選擇具有合適刀尖幾何參數(shù)的金剛石刀具,以避免刀具與所加工的表面發(fā)生干涉。本文給出了金剛石刀具刀尖圓弧半徑、前角、后角等幾何參數(shù)的選擇方法

7、,并加工了多種非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面。加工的公式描述表面為正弦網(wǎng)格表面,它可作為制作激光核聚變調(diào)制靶的模板。加工的陣列類表面為四邊形和六邊形排布的非球面微透鏡陣列,它們在光學(xué)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。在對非球面形狀參數(shù)進(jìn)行光學(xué)性能優(yōu)化的基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)并加工得到了四邊形和六邊形排布微透鏡陣列模板,對加工結(jié)果的形狀精度進(jìn)行了分析,對刀具對心誤差對透鏡形狀誤差的影響進(jìn)行了討論,并對熱壓印后非球面微透鏡陣列的焦斑和成像性能進(jìn)行了測試,表明超精密車削