超精密机床（共7篇）
超精密机床 篇1
0 引言
误差预估是超精密机床的一个系统性的精度分析工具,在超精密机床的设计阶段可用于预测和控制机床加工零件的总误差[1]。对超精密机床来说精度是一个重要的评价指标,根据机床的设计误差值,利用误差预估可以在总的误差模型中进行子系统的误差限制,也可以平衡子系统之间的实际加工困难水平。在预测模型中,子系统的设计方案可以用于评估每个误差项,进而预测工件的加工误差。
光纤接头V型微槽超精密机床是一个复杂的机械系统,误差预估的设计变量数目众多,误差模型复杂,实践证明传统的基于参数方程和数理统计理论的误差预估方法远远不能满足实际要求。目前,用于超精密机床的误差预估研究方法有Wills-Moren法[2]、Thompson法[3]、均方根法和蒙特卡洛法等。考虑到机床的精度水平是由各零件的误差最终体现,想要提前知道零件的加工质量就必须进行机床的误差预估。本文将针对光纤接头V型微槽超精密机床使用均方根法进行误差预估,进而预测该机床的加工精度。
1 光纤接头V型微槽超精密机床简介
光纤接头V型微槽超精密机床是广东工业大学微电子精密制造技术与装备教育部重点实验室设计与制造的一台加工最大工件尺寸为150mm×150mm×10mm的超精密加工机床,主要用于微V沟槽、微柱面槽、导光槽、背光模组及划片等的超精密加工。它有三个直线运动轴和一个超精密主轴,直线运动轴采用直线电机驱动,主轴采用全闭环反馈控制,海德汉超精密光栅尺,能达到很高的分辨率。机床实际调试图如图1所示。图1中标出了三个直线运动轴的正方向。
2 均方根(RMS)原则在机床误差预估中的应用
均方根(RootMean Square,RMS)原则[4]是由Robert R Donaldson首次提出并应用于超精密机床的误差预估中。他利用超精密测量仪器得到N个变化的误差源的振幅,然后经过一系列的计算得出工件的加工误差,而且他假设所有单个误差项都是可以线性叠加并且是不相关的。实际操作过程如下:①寻找各个误差源,并确定它们的波峰-波谷(Peak to Valley amplitude,P-V)振幅;②使用均方根(RMS)原则进行超精密机床的误差预估。
2.1 寻找误差源
用光纤接头V型微槽超精密机床加工光纤接头V型微槽的形状误差是由刀具和工件的相对空间位置误差造成的,它不会是一个空间或时间上的理想轮廓。按照误差源的特点可将误差源分成4个部分:稳定性误差、基于长度的误差、基于时间的误差和其他误差。
光纤接头V型微槽超精密机床的稳定性误差源及其波峰- 波谷振幅如表1 所示。考虑到机床在X向误差对加工精度影响不大,可忽略不计。
超精密机床对温度具有很强的敏感性,当温度大于或小于20 ℃时,机器运转,光栅尺就会发生细微的形状变化,故机床需要放置在恒温隔震的环境中,否则在加工过程中不可避免地会造成机床导轨的热变形,因此在设计过程中必须考虑温度变化对加工过程的影响。
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光纤接头V型微槽超精密机床基于长度的误差源及其P-V振幅如表2所示。表2中,使用线位移误差近似表示角位移误差来简化计算过程。
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阿贝误差是溜板在光栅尺上运动时偏离导轨运动方向造成的误差,其值可以用溜板的倾斜和偏航运动进行计算,以此来表示光栅尺反馈装置与刀具或者工件之间的距离,偏离的平均值用激光干涉仪进行测量。当机床温度改变的时候,金属部件之间由于热膨胀系数不同所产生的影响就不可忽略。例如,由于溜板是金属的而底座是花岗岩的,这会引起X轴和Z轴方向垂直度的改变。由于垂直度对于工件精度有很大影响,还会影响溜板的倾斜角度误差,因此需要对轴进行误差补偿。
光纤接头V型微槽超精密机床基于时间的误差源及其P-V振幅如表3所示。
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基于时间的误差是由机床预热期间的热效应产生的,在这种情况下,温度渐变引起的机床漂移将最终由必要的加工时间和均匀分布的误差决定。机床的每一个提供动力的部件产生的热量都会造成机床形状的改变,如果机床没有被完全预热起来,那么理解这种现象就可以帮助操作者来预估加工误差。
光纤接头V型微槽超精密机床的其他误差源及其P-V振幅如表4所示。
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其他误差包含的误差源不会容易地掉进之前的误差源中,这种情况下,误差一直是一样的,是不变的值。无论工件的尺寸、进给速度或间歇时间多长,由于刀具边缘的带状缺损区域会产生同样的振幅误差,主轴的同步误差都会在工件的中心表现出来。
表1、表2、表3和表4中的部分数据是参考或经验数据,数据来源参照参考文献[5]。
2.2 使用均方根(RMS)原则进行误差预估
分别使用式(1)、式(2)和式(3)计算所有误差源的算术和(EA)、均方根和(ER)以及算术和与均方根和的平均值(EM)[6]:
其中:Ei为每个误差源的振幅;K为比例系数,它的取值是由误差源的概率分布类型决定的,由于本文的各个误差源都符合正态分布,故K取值为0.25。
所以,使用均方根(RMS)原则计算的最大误差为:
其中:EMY为Y向的平均值;EMZ为Z向的平均值。代入相关参数,计算得到的结果如表5所示。
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3 结论
本文详细介绍了先进的光纤接头V型微槽超精密机床的误差预估过程。文中对每个误差源及其振幅都进行了数值标定,并且使用均方根原则的方法将误差预估的全过程展现出来。通过均方根法得到光纤接头V型微槽超精密机床的预估形状误差为937.3nm。在以后的研究中我们将深入研究单个误差项对预测误差的影响规律,为超精密机床的设计提供更加可靠的误差预估方法。
参考文献
[1]Daniel C Thompson.Error budgeting as applied to the design of the international x-ray observatory mansrel measuring machine[J].Precision Engineering,2012,18(6):18-19.
[2]Wills-Moren W J.Error budgeting[J].The Mechanical Design of High Precision Machines,Machine tools Manufacture,2011,33(5):1-17.
[3]Thompson D C.The Design of ultra-precision CNC measuing machine[C]//Annals of the CIRP.[s.l.]:[s.n.],1989:501-504.
[4]Robert R Donaldson.Error budgets[J].Technology of Machine Tool,1980,5(14):1-14.
[5]Mark Walter,Bruce Norlund,Rober Koning,et al.Error budgetas a design tool for ultra-precision diamond turning machines[C]//Proceedings of the ASPE’s 17th Annual Meeting.[s.l.]:[s.n.],2002:66-71.
[6]Uriarte L,Herrero A,Zatarain M,et al.Error budget and stiffness chain assessment in a micro-milling machine equipped with tools less than 0.3 mm in diameter[J].Precision Engineering,2007,31(1):1-12.
小型精密蜗杆专用机床 篇2
(专利申请号:200920059554.3)
本实用新型公开了一种小型精密蜗杆专用机床。其包括一导轨, 导轨上安装有直角座, 直角座与伺服电机连接, 在直角座上安装有主轴, 主轴的一端通过两个滑动轴承安装在主轴箱内。主轴的另一端与调频电机连接, 所述主轴的中轴线上安装有夹嘴, 夹嘴与夹紧油缸连接, 所述主轴箱的一端安装有中心扶架, 中心扶架上连接有扶架油缸, 中心扶架的一侧安装有飞刀盘定位装置。本实用新型所加工蜗杆的主参数———导程可实现任意设置及微调, 可保证所加工的切削刚性及精确性。同时本实用新型实现了整个操作过程自动化, 切削系统连贯一体, 全过程安全、高效、方便、更有效地提高产品的质量。
超精密机床 篇3
台中精机厂股份有限公司 (简称台中精机公司) 是台中地区最老的机床生产企业之一。创办人黄奇煌曾在中寮制糖会社与父亲一起学做木模, 后到台中日本人所开办的东洋兵工所当铁工学徒, 因技术精湛, 被台湾第一家机械制造厂——振英铁工厂聘为机修师傅, 1954年与李道东、黄德金自行创业, 在台中“草尾仔埕”向人承租13平方米大的屋檐作为厂房, 以组装生产牛头刨床起家。
1960年, 迁厂至台中市西屯区长春公园现址附近, 人员增至30余人, 增制皮带式车床, 并正式登记厂名为“台中精机厂”。1964年在台中市永和街建新厂, 改为股份有限公司, 员工一跃为80余人, 并开发完成皮带式普通车床及直结式牛头刨床。1973年迁入建地中港路现址, 并开发成功高速精密车床, 引进海外加工技术, 生产大型立式镗铣床, 月产机床百余台, 1976年以自创品牌“VICTOR”积极开拓外销市场。
随着上世纪七八十年年代全球精密机械产业发展的浪潮, 台中精机公司陆续开发出数控车床、数控铣床、计算机数控综合加工中心与塑料射出成型机等诸多产品, 逐渐发展成为台湾岛内机床业的龙头老大。
1990年, 学财务出身的黄家第二代黄明和接掌总经理职务后, 开始多元化布局, 将经营触角伸向半导体、光电科技, 甚至生物与医疗设备领域, 为公司营收大幅扩张全力做准备。1990年在黄明和主导下, 台中精机顺利挂牌上市, 取得大众资金的挹注, 让公司营运得以快速成长, 被当时岛内机械业界看好是最有机会代表台湾业界与日、德机床大厂一决高下的厂商。但因过度操作财务杠杆及在集团企业间进行交叉持股、股票质押借贷, 在1998年东南亚金融风暴爆发后受到波及, 背负高达78亿元新台币的沉重负债压力, 导致公司财务周转失灵, 恐慌下民众拚命抛售股票, 导致股价狂泄, 再加上银行抽紧银根, 造成违约交割, 最终下市重整……, 与台中精机长期有供货关系的200余家的协作厂商, 其订单瞬间要化为乌有, 近乎1万个人的生计即将没有着落。
对于一路走来都是荣耀的台中精机而言, 这样的处境是很难熬的。“那时候失败是很彻底”黄明和检讨说, “因资金取得太容易, 而过度扩充才铸下大错。”
在股价狂泻之下, 台中精机的营运却一刻也没有停过。黄明和选择将手上仅剩的2亿余元新台币现金保留下来, 用来支付部分协作厂商的货款与员工薪资, 只为了不让公司停工。黄明和强调:“公司脚步可以慢下来, 但绝对不可以停下来, 一停下来就没有希望了, 我一定要撑下去。”
黄明和痛定思痛, 锐意改革, 先争取台当局“财政部”同意其纾困, 再寻求银行团与法院支持其企业重整计划。2004年台湾法院宣布准予重整后, 黄明和进行机构整并, 将公司员工数由最高时的1100人减至680人, 经营核心项目也回归到机床、塑料射出成型机、汽车轮圈加工生产线及薄膜制程设备等高毛利产品上。不过短短数年的时间, 台中精机先前积欠银行的高额负债已清偿完毕。2011年, 台中精机集团 (包括位于台中市中港路一厂、台中市工业区二厂、后里三厂及2009年10月落成的彰滨工业区鹿港新厂) 营收达到86亿元新台币, 2012年集团营收冲刺至103亿元, 冠居台湾同业, 平均毛利率达20%、30%, 重拾昔日机床业“获利王”的光彩。
新营运策略, 营收冠居同业
一朝被蛇咬, 十年怕井绳。黄明和检讨以往失败的原因, 认清过去盲目扩充规模、冲高营收的误区, 作风转趋保守, 不再迷恋财务操作, 而是强化技术核心, 同时慎选客户, 挑战获利程度更大的高端机床订单, 替公司争取更高的利润。
当台湾机床同业近几年来因产业景气复苏, 接单都大幅成长之际, 黄明和却要求该公司每位业务人员应更仔细筛选订单, 淘汰毛利率偏低的订单, 并坚守价格底限, 让台中精机因而有更多的盈余。
例如台中精机新研发的300吨级全电式塑料射出机为台湾岛内业界最大型的机种, 由于其伺服马达、驱动器与导螺杆等零组件都是台湾自产, 连最关键的电脑控制器零组件都是自行研发, 使其整机自制率已达到100%, 生产成本比日本机器便宜20%至30%, 具备较强的市场竞争力。
台中精机也是岛内生产全电式塑料机械机种产品最齐全的厂商, 近年因宏棋、华硕等厂商开发的微型笔记本电脑相当盛行, 让台中精机陆续接获鸿海、台达电、光宝、达方、神达等多家代工大厂订单。
“以终为始”是台中精机总经理黄明和常挂在嘴边的4个字, 意思是了解客户的需求, 以此为开始, 创造价值。
1992年开始, 台中精机公司开拓大陆市场, 初期以销售服务及教育训练为主要业务。其后, 随着需求量大增, 配合业务缩短交货期的需求, 陆续在天津、上海、广州、天津、重庆、东莞等地经济技术开发区购地建厂, 积极落实本土化生产, 建立装配生产线, 达到从营业接单、装配生产、顾客服务、教育训练一条龙的作业模式。配合大陆积极发展交通及运输工业的发展计划, 由于服务体系完整, 品质稳定, 销售对象从台商延伸至大陆国营厂渐次拓展至个体户, 目前已成销售排名第一的台湾机床品牌。
2011年初, 台中精机成立一家“顾客创值应用中心”。就像是纺织业的衣服打样中心, 由客户提供图面, 台中精机试产机床。客户再当场与技术、研发人员共同反复测试、调整参数。
除了让客户参与机器研发, 机床业者还必须帮客户规划整条生产线。前不久, 大陆山东省一家生产汽车刹车盘的企业, 请台中精机帮助规划自动化生产线。台中精机必须从机器、零件的整合, 到整条生产线的资金都帮客户规划并估价。由于是整组议价, 让客户可以优先采用台中精机的机床设备, 一次订单金额就达到上千万元新台币。
黄明和说:“现在讲附加值, 就是在帮客户做整体解决方案, 不只是卖机器。”
台中精机研发的机床新产品, 平均需经过两到三年才能量产。首先要根据客户的需求, 向台湾中钢公司提出所需的冶金新材料, 做出样品后再经过耐久、噪音、机能等测试, 先是小量生产, 当一切都通过客户的考验后才能正式量产。
高精度生产高价订单回流
黄明和至今仍时常拜访下游客户。近几年, 他发现台湾下游客户有很明显的改变, 过去台中精机出售到台湾业者的机械中, 有70%被出口到中国大陆的工厂使用, 仅30%留在台湾岛内。但自从2010年后, 比例对调, 有70%的机械留在台湾厂使用。
黄明和说:“他们在大陆面临到压力, 必须回到台湾做转型。”过去台中精机只占营收10%的高端机床, 现在比重已提高到30%。
这些高端机床将多种功能结合在一起, 成为多轴加工中心, 像是五轴、九轴等。例如, 船舶使用的螺旋桨, 以往用三轴加工中心加工后还必须经过一道程序, 拆下来另外装在旋转台上, 才能形成弯曲的桨面。现在只需要一台五轴加工中心就可以一次完成, 节省了加工时间。
台中精机机床内销服务处协理胡鸿森说:“台湾下游零组件客户越来越要求精度。”这两年, 台湾客户愿意购买价格更贵的机床, 将产品的精度提高一倍半。使用高端机床, 可以提高汽车的引擎零件精度, 燃烧汽油的效率也会跟着提高, 达到省油的效益。
这几年, 台湾生产汽车零部件模具的业者发现在岛内生产更有竞争力, 于是台中精机制造的高端机床售量也跟着提高。目前一台低端加工中心, 售价在300万元新台币以内, 但五轴以上的加工中心, 每台售价平均400万元到1000万元新台币不等, 毛利率大约近20%。
精密与超精密磨削关键技术探讨 篇4
现代新产品新工艺的出现对工件表面质量提出了越来越高的要求,磨削是一种广泛应用于精加工的技术,随着科学技术的不断发展,精密与超精密磨削的技术指标也在不断发生变化。精密磨削是指加工精度介于0.1 um～1 um、表面粗糙度为Ra0.1 um～Ra0.16 um范围的磨削;超精密磨削是指加工精度小于0.01 um、表面粗糙度小于Ra0.01 um范围的磨削技术[1]。目前超精密磨削已经达到纳米级工艺阶段。本文就精密与超精密磨削所涉及的关键技术进行探讨。
1精密与超精密磨削机理研究
精密磨削是将金刚石或立方氮化硼等具有高硬度的磨料砂轮进行精细修整,使磨粒在具有微刃的状态下进行加工而得到低的表面粗糙度参数值。微刃的数量很多且具有很好的等高性,因此被加工表面留下的磨削痕迹极细,残留高度极小。与普通磨削相比,超精密磨削具有如下特点:
(1)极小量切除。超精密磨削是一种切削量非常小的磨削,磨削深度可能比晶粒的尺寸还小,因此磨削在晶粒内进行,要使磨削顺利进行,必须使磨削力大大超过晶粒的结合力,甚至可以达到材料的剪切强度[2]。同时,磨粒在磨削时产生高温和高压,因此磨粒材料要选取高温性能好、硬度大的材料,如金刚石、立方氮化硼等。
(2)连续磨削。在磨削初始阶段,砂轮与工件相接触,慢慢切入,此时砂轮的切深少于工件的减少量,即砂轮与工件形成一个弹性变形的阶段;砂轮逐渐切入时,砂轮切深与工件减少量的差值逐渐减少,最后砂轮的切深等于工件的减少量,即砂轮达到稳定磨削阶段;接下来,随着砂轮切深的加大,最后达到加工值,加工完成。该加工的整个过程为一个连续磨削的持续过程,这种磨削要求机床刚性高、磨削量小、砂轮修锐量好。
随着磨削建模和计算机仿真技术的发展,对磨削机理的研究更加深入,人们可以对加工过程在计算机上进行仿真与数值计算,进而对磨削加工做出有效的预测与评估。目前,通过建立砂轮模型,在已知磨削运动和磨具参数、磨削振动及磨削力等初始条件下,对磨削形成过程、磨削力与磨削区温度变化、磨削精度和表面质量进行仿真,进而可以模拟再现整个磨削过程,并最终分析和预测在特定加工条件下的加工精度及效果。
针对不同工程材料,国内外也开展了有关精密及超精密磨削的磨削机理与工艺的研究,但研究面较窄,没有建立起独立完整的理论体系,所以今后的研究重心主要集中在:①各种常用材料的磨削机理研究;②磨削加工工艺参数优化研究;③磨削全过程、磨削力、磨削温度的研究;④磨削加工的计算机仿真与模拟研究。
2精密与超精密磨削磨具技术
随着航空航天、汽车及高精密模具制造所涉及的新型材料的加工需求及其应用,使CBN和人造金刚石砂轮等精密磨具有了更多的用武之地。精密磨削的加工方式根据要求及加工条件的不同,主要有超精密砂轮磨削和超精密砂带磨削、ELID磨削、超硬材料微粉砂轮磨削、超声振动磨削、电泳磨削及双断面精密磨削等[3]
实际生产中应用最为广泛的是精密砂轮磨削,其加工的主要对象包括陶瓷、玻璃、黑色金属等硬脆材料。精密磨削中砂轮的材料有立方氮化硼(CBN砂轮)、人造金刚石、蓝宝石等硬度极高的磨料[4],此外还有新型陶瓷磨料及微晶刚玉砂轮等。
在精密磨削加工中,砂轮修整技术是保证零件加工质量的关键。砂轮的修整会直接影响被磨工件的表面质量、生产成本及生产效率,是目前普遍的一个技术难题。修整主要包括修形与修锐两部分。修形是使砂轮达到特定的几何形状;修锐是将磨粒间的结合剂去除,以保证有足够的容屑空间和切削刃。目前,超硬材料砂轮的修整方法主要包括电解加工整形、电火花整形、杯形砂轮整形、气体喷砂修锐、超声振动修锐和弹性修锐。也可以将这两种技术及其以上修整复合在一起,如电火花—超声修整、电火花—化学修整等。
对新型高精密砂轮进行设计与制造,需要考虑砂轮的截面形状及其优化、粘结剂的种类和应用场合、砂轮的制造工艺及选取的基体材料等,其中需重点攻克的技术难题有:①砂轮新型粘结剂的试验研究与开发;②选择合适的基体材料进行制造工艺的开发与优化;③研究新型砂轮的制造技术,在满足砂轮充分容屑空间的同时保证其良好的凸出性;④新型磨料制备工艺研究,如可使磨料容易产生新切削刃的加工方法;⑤适合于超精密磨削的超微粉砂轮制备技术等。
3精密磨削加工设备及基础零部件技术
进行精密及超精密磨削加工的主要设备有超精密磨削机床、各种研磨机等,对于这些加工设备要求其具有高精度、高刚度、高稳定性和高度自动化等特点。基础零部件技术包括高精度主轴单元制造技术及精密进给单元制造技术。
3.1 主轴单元
适应于高精度、高速度磨床的主轴单元是磨床的关键部件。主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等部分,其性能的好坏对系统的加工精度、应用范围及加工稳定性有着较大的影响,尤其其动力学特性在加工过程中起着至关重要的作用。
提高效率,保证主轴能快速升降,从而可以快速定位到加工准确位置,因此要求主轴具有较高的角加速度。目前,在高速高精度主轴结构上主要采用交流伺服电机进行直接驱动的集成方式。其有两种方案:①将转子与主轴连成一体;②采用电机与主轴通过联轴器直接相联。现在,大多数高精度高速机床采用了内装式电主轴的结构形式,即将变频电机和机床主轴合为一体,而主轴的变速完全通过控制交流电的频率来完成。
国内外用于高精度高速加工的机床主轴轴系的轴承主要有陶瓷球轴承、动静压轴承、静压轴承、气浮轴承及磁悬浮轴承。其中陶瓷球轴承的寿命最多也只有数千小时,且无法承受较重负载。磁悬浮轴承支承的电主轴寿命长,但由于对主轴的支撑刚度较低,难以用于磨削加工。静压轴承抗过载能力低,难以推广应用。液体动静压轴承则集中了动压轴承及静压轴承的优点,刚性好,精度高,在理论上具有无限寿命,应用前景很好,但目前的理论模型多是针对层流、不可压缩物体的粘度假设,范围较窄,有待于进一步研究。
对于超精密磨削加工而言,由于要求主轴单元系统具有刚性好、精度高、加工稳定性好、散热好、故障少等特点,因此在成本适中的条件下,对主轴的制造精度、主轴轴承结构方式、主轴的润滑和冷却系统、底座及主轴刚度等提出了更高的要求,主轴单元的静刚度和工作精度对磨床精密加工性能有很大的影响。磨床主轴单元的动态性能在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。
3.2 进给单元
进给单元是评价精密及超精密磨床性能的重要指标之一,也是使砂轮保持正常工作的必要条件。在精密和超精密磨削加工中,进给单元是影响精度的重要部件,由于其分辨率高,运转灵活,同时又具有较高的定位精度,加工时需要小进给或者微进给,而在空行程时又能够快速进给,有较大的加速度和推力,并且主轴单元系统刚性好,反应速度快,回转精度高。
由交直流伺服电机与滚珠丝杠组合的轴向进给方案是目前国内数控机床普遍采用的方式。基于高精密加工的要求,越来越多的国内外机床厂家采用直线伺服电机直接驱动技术,通过高性能的直线伺服电机结合数字控制技术,可以获得较高的尺寸精度与表面质量,从而满足加工要求。
4磨床支承技术及辅助单元技术
数控机床支承技术在精密机床的设计中占有非常重要的地位,它主要涉及磨床支承构件的研究开发与加工技术。相应的辅助单元技术则有夹具技术、加工主轴及砂轮的动平衡技术、机床冷却润滑液系统、机床安全装置、加工切屑处理及工件清洁技术等。
在磨床部件中,磨床支承构件主要包括砂轮架、头架、尾架、工作台等起支撑作用的基础件,要进行高精度加工,要求它具有良好的动刚度、静刚度及热刚度。在一些精密及超精密磨床设计中,为了提高部件的刚度,国内外多数采用聚合物混凝土制造床身和立柱;还有采用钢板焊接件,并将阻尼材料填充其内腔以提高抗震性;也有的将立柱和底座采用铸铁整体铸造而成,这些都收到了很好的效果。
在精密磨削领域,应在以下几个方面进行重点研究:①新型材料及结构的支承件优化设计及其制造技术研究;②磨削液过滤系统的研究;③砂轮动平衡技术研究;④精密自动跟刀架及支承件的研究;⑤安全防护装置设计制造技术的研究。
5精密磨削测量技术及误差补偿技术
精密检测是精密和超精密磨削的必要条件,实现加工过程的自动监控和误差补偿,以使制造系统长期保持高效率、高可靠性和低成本的运行状态。精密磨削监控检测技术多采用传感器进行信号的分析处理,对加工的整个过程实现实时监控,例如实时监控砂轮的磨损及破损情况以便及时更换砂轮,检测及监控工件的加工精度与表面质量等。目前,在超精密磨削加工领域,尺寸测量主要有两种技术:激光干涉技术和光栅技术[5]。
激光干涉仪分辨率高,最高可达0.3 nm,一般为1.25 nm;其测量范围大,可达几十米。由于激光波长受温度、湿度、压力的影响比较大,因此该测量方法对环境要求很高。
光栅在近年来被越来越多地选作为测量工具。从分辨率来看,北京光电量仪研究中心的光栅系统分辨率可达0.1 nm;精度上,Heidenhain的LIP401的准确度为±0.1 μm,LG100光栅系统分辨率可达0.1 nm,测量范围100 mm,精度±0.01 μm。单从分辨率和精度上看,光栅技术可以和激光干涉技术相媲美,同时对环境要求相对较低,可以满足精密磨削加工的使用要求,是一种非常有前途的精密测量工具。
当加工精度高于一定程度后,如果仍然从采用提高机床的制造精度、保证加工环境的稳定性等误差预防措施来提高加工精度,将会使成本极大地增加,得不偿失。而取而代之的是误差补偿措施,即通过消除或抵消误差本身的影响来达到提高加工精度的目的。国内外的一些著名精密磨床,采用了误差补偿的方法,取得了很好的效果。
6结束语
实现超精密磨削,不仅需要超精密的磨床和砂轮,也需要超稳定的环境条件,还需要运用计算机技术进行实时检测,反馈补偿,只有将各领域的技术集成起来,才有可能实现。随着磨削在切削加工中的比重日益增大,精密与超精密磨削的应用将越来越广泛,这将在极大程度上提高我国机械制造业的发展水平。
参考文献
[1]冯薇.精密与超精密磨削的发展现状[J].精密制造与自动化,2009(2):8-9.
[2]杨江河,程继学.精密加工实用技术[M].北京:机械工业出版社,2005.
[3]盛晓敏,邓朝晖.先进制造技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
[4]高兴军,赵恒华.精密和超精密磨削机理及磨削砂轮选择的研究[J].机械制造,2004,(12):43-45.
超精密机床 篇5
关键词：电火花成型机床,机床结构,优化设计
精密数控电火花成型加工机床是精密特种加工技术的重要设备之一, 对精密机械、汽车、微电子、家电产品以及航空航天的精密零件和精密工模具制造具有重要意义[1]。当前, 市场上高精密数控电火花成型机床主要是以国外知名品牌为主, 国内品牌的电火花成型机床与之相比无论在机床性能、精度, 还是稳定性方面都存在着较大的差距。面向巨大的市场需求, 结合精密零件和工模具技术发展的要求, 笔者公司引进德国欧吉索先进技术, 成功研制出技术领先、性能优越、价格适中的中小型龙门式高精密数控电火花成型机床G450C。
1 数控电火花成型机床结构运动特点及其存在问题分析
1.1 数控电火花成型机床的结构形式及运动特点
数控电火花成型机床通常是由机械运动系统、脉冲电源系统、数控系统和工作液循环过滤系统及附件等组成。机械运动系统主要由运动部件、运动机构、主轴、工作台和工作液槽等组成。根据不同的机械结构形式, 主要分为立柱式 (C型) 结构、滑枕式 (牛头式) 结构、龙门式结构数控电火花成型机床。各种机械结构运动特点不一样, 分别适用于不同性能要求的机床。
立柱式 (C型) 结构数控电火花成型机床的运动特点是:床身和立柱固定不动, 滑板通过运动机构带动工作台相对底座床身实现横向伺服进给运动, 工作台通过运动机构相对滑板实现纵向伺服进给运动, 主轴头通过运动机构相对立柱实现上下伺服进给运动, 如图1所示。底座和立柱连成一体呈楔形对称结构, 刚性和精度较好。因采用三面开放式设计, 操作者容易进入工作区域, 装夹工件比较方便。由于此结构是靠工作台支承和装夹工件并实现纵横向运动, 因此工件的尺寸和重量不能太大, 通常应用于中、小型数控电火花成型机床。
滑枕式 (牛头式) 结构数控电火花成型机床的运动特点是:工作台固定不动, 滑板通过运动机构带动滑枕和主轴头相对底座床身实现横向伺服进给运动, 滑枕通过运动机构带动主轴头相对滑板实现纵向伺服进给运动, 主轴头通过运动机构相对滑枕实现上下伺服进给运动, 如图2所示。该结构沿用三面开放式设计, 操作者容易进入工作区域, 装夹工件比较方便, 也为设计、安装可升降式工作液槽提供方便。该结构三个运动轴相互关联, 制造比较困难。滑枕式结构在大、中、小型机床中均有采用, 比较适合数控化程度较高的机床。
龙门式结构数控电火花成型机床的运动特点是:工作台一般固定在床身上, 龙门架通过运动机构带动滑板和主轴头相对底座床身实现纵向伺服进给运动, 滑板通过运动机构带动主轴头相对龙门架实现横向伺服进给运动, 主轴头通过运动机构相对滑板实现上下伺服进给运动, 如图3所示。这种机床刚性好, 精度高, 稳定性好。但由于龙门结构较为复杂, 制造比较困难。龙门式结构适合大、中型电火花成型机床采用。
1.2 电火花成型机床常见机床结构内在问题分析
滑枕式结构具有承载能力强、工件安装稳定性好、滑枕移动便捷, 且加工精度不受工作台负荷影响等结构优势, 但滑枕式的结构使得其主轴相关部件的精度受重力的影响较大, 图4给出了滑枕式机床主轴相关部件及其变形示意图。由图可知, 平滑枕以及与其相连接的立轴底座、立滑枕受重力的作用而发生变形, 随着它们沿十字马鞍向+Y方向的移动, 变形量还会不断增大, 刚性也随着变差[2]。
对于滑枕式结构, 因为工作头的位置随滑枕的移动引起各部件受力的变化, 长期精度不稳定, 如图5所示。同时, 由于平滑枕悬伸过长刚性变差导致轴的行程也受到限制, 导轨平行度误差也随着悬伸量 (变形量) 的增大而得到放大;该结构的设计要求床身重、工作头轻, 这会导致床身受温度的变化较缓慢, 而工作头受温度的变化较为敏感, 这种受热不均结构会导致机床的精度受温度的变化而变化, 热稳定性较差。
立柱式电火花机床依靠工作台的移动来实现X/Y轴的运动, 因而这两条轴的精度与工件的重量密切相关, 其动态精度和刚性都会受之影响。同时, X/Y轴的行程因工作台需在狭小有限的空间内移动而受到限制, 如果要设计加工稍大一点的工件, 则机床的底座和立柱会更显大型化, 相对于机床尺寸来说, 可加工区域明显偏小, 而刚性也会随着立柱横梁悬伸加长而变差。此结构不宜设计、安装可升降式工作液槽, 工作液容易随着工作台的不断平动而溅出。
以上两种国内常见电火花成型机床结构由于机械结构本身内在的问题, 导致在实际的使用中直接影响到零件或模具的加工精度和表面质量, 因此必须通过机床结构正确选型和优化设计, 特别是针对这两种结构存在的问题来寻求相对应的解决方案。
2 高精密数控电火花成型机床结构选型及优化设计方案
2.1 结构选型基本思路
通过对国内常用的两种电火花成型机床机构内在问题点的比较及分析研究, 从中得到结论:虽然通过改良部分零件的设计和采用性能更加好的功能部件如导轨和丝杆等, 可以改善国内两种常见结构机床的刚性和精度, 但要避免因结构本身带来的各种问题, 因此需要对机床的结构进行合理选型和优化设计, 力求结构简洁、性能可靠, 以达到高精密数控电火花成型机床在性能、精度和稳定性等方面的要求。
相对于滑枕式结构, 龙门式结构因为工作头悬挂在龙门架上, 受力情况不会随主轴头的位置而变化, 长期精度可以保持稳定, 主轴头可以到达工作台面任意一个角落, 且受力情况都是一致的, 如图6所示。同时, 由于工作头悬伸短且固定不变, 刚性好, 受外力影响较小, 平行度误差也最小化;该结构的床身、工作液和龙门架可以实现整体温度控制, 从而实现机床的高精度和热稳定性。
相对于立柱式结构, 龙门式结构 (动龙门式) 因机床工作台固定不动, 各条轴的运动与工件的重量和工作液无关, 其动态精度和刚性不会受之影响。此结构便于设计、安装可升降式工作液槽, 油槽可装满工作液时移动, 随放电成型加工的位置自动升降, 省去冲放时间。
通过以上比较可以看出, 龙门式结构除了能够避免滑枕式结构和立柱式结构的内在结构问题, 而且本身很多优点也正好能够满足高精密电火花成型机床的各种要求, 因此龙门式结构是设计高精密数控电火花成型机床的首选机械结构。
2.2 方案
G450C龙门式高精密数控电火花机床是巨轮股份专门为中小型高精密零件和工模具市场开发的新机型, 该机型针对常见龙门式结构电火花成型机床制造成本高, 操作不太方便, 占地面积大, 只适合大、中型电火花成型机床等问题点, 从结构适用及加工工艺性好的设计原则方面考虑对龙门式结构进行优化设计。
与常见的龙门式电火花机床一样, 结构优化后的G450C机床主体机械结构仍然由床身、龙门架、滑枕、主轴箱和工作液槽组成, 整体结构没改变, 只是将一些主要零部件的结构进行改进和优化。
优化后的龙门式电火花成型机床结构跟原来的机械结构存在如下不同点。
传统的龙门式机床采用动龙门结构, 因为需要有足够大的“门”结构空间悬挂滑枕和主轴头, 因此只适合大中型电火花成型机床设计使用。为了兼容床身和工作液槽, 通常床身是由钢板焊接而成。为保证主轴头的悬伸刚性, 滑枕和主轴箱在满足刚性和使用尺寸的情况下, 采用了紧凑的设计原则。如图3所示。
而优化后的龙门结构则是针对G450C机床适用零件的特点, 对机械部分的几大部件进行改进和优化。主要体现在:龙门架采用三角横梁设计, 既能保持龙门结构的特点, 又加强了龙门架的刚性 (对比门式龙门架) ;床身为了配合龙门架的三角横梁设计, 将原来长方体的结构改进优化成L型箱体结构, 使得三角龙门架可以在L型箱体上部实现前后运动;为了确保X/Y轴的行程和刚性, 滑枕和主轴箱由原来的紧凑设计改成仿生箱体设计。如图7所示。
相对于传统的龙门式电火花成型机床结构, 优化后的G450C机床结构具有如下优点:
(1) 整机结构沿用经仿生优化设计的龙门式结构, 结构紧凑且行程大, 刚性大且可保持长期高精度, 静态和动态性能俱佳;
(2) 采用高性能铸铁结构, 确保机床的机械稳定性和精度, 不受工件重量或工作液重量的影响;
(3) 机床设计符合人机工程学原理, 提供了机床占地面积和加工面积的最佳比例, 工作台采用3方向的全开放式设计, 高度根据东方人的身高特点而设计;
(4) ATC采用独创的内藏式和悬挂导轨伸缩设计, 充分利用有限空间, 电极容量大且不干涉主轴的移动, 没有运动死角;
(5) 采用黄金侵害比例设计的外观造型, 整机简洁、匀称、色彩搭配协调, 巧妙的主轴伸缩防护设计确保了机床操作的安全性。
3 结束语
高精密数控电火花成型机床的制造首先应该有合理的结构设计, G450C通过对龙门电火花成型机床的结构进行仿生优化设计, 既吸取了立柱式和滑枕式机床结构的优点, 也保持了龙门式机床结构的优点, 这样的机械结构能有效地保证机床的高精度和高性能, 是高精密数控电火花成型机床结构设计的正确方向。
参考文献
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超精密机床 篇6
关键词：超精密加工,微型机床,五轴联动
0引言
超精密加工技术在航空航天、国防科工、电子信息、生物工程等产业以及相关民用产业中都有广泛应用也发挥着重要作用。微型机械制造加工系统作为超精密加工的一部分,是由一般制造加工系统向超精密制造加工系统过渡的关键技术。我国一直非常重视,其中微型机床作为其中一个重点发展方向。桌面式微型机床体积小巧,可以使用先进的制造加工方法,对微小零件进行精密加工,广泛用于航空航天、微电子、现代医学和国防工业等。
本文重点介绍微型五轴联动精密数控机床系统,该机床可进行立铣和卧铣切削,可用于加工平面轮廓、曲面轮廓和其他复杂型面类轮廓。
1微型机床系统设计
1.1微型机床结构组成
微型机床应当具有良好的静态和动态特性、较小的热变形、进给机构具有良好的低速性能和结构布局具有良好的人机关系。根据以上要求,对五轴微型数控机床进行总体结构方案的设计:该机床一共包括五个运动轴:X轴、Y轴、Z轴、B轴和C轴;床身使用人造大理石材料,热涨系数较小,基本上消除热变形对床身的影响,硬度高,耐磨性好;直线进给轴采用直线电机直接进给方式,回转轴采用直驱马达,没有中间传动机构, 负载可直接安装在DD马达的安装面上,没有精度损失, 机械效率高;直线反馈元件分辨率为50nm,定位精度高;主轴为空气主轴,使用气源驱动,转速可达120000转/分,切削力小,为获得好的切削质量提供保障。
直线电机使用玻璃光栅尺,内置有内插形线性编码器,可实现全闭环高精度定位控制,具有流畅的驱动性、较大的线速度和加速度,响应速度快。机构上使用高效的线性导轨,保证对负载具有充足的刚性,驱动器采用I-PD控制方法,可通过串行接口,简单地进行定位操作,不需要复杂的调整。
主轴是微型机床的关键部件,主轴转速越高,切削力越小,加工质量越好,同时对主轴的动平衡和振动噪声提出较高的要求。本文所选用空气主轴的轴承为气动轴承,主轴转速通过改变涡轮气源压强进行调速,解决了以往带传动和齿轮传动等方式转速低和振动噪声大的难题,保证机床的加工精度和加工表面的粗糙度。
Z轴采用直线电机驱动,需对Z轴全部负载进行配重,否则将出现Z轴坠落等危险情况。本文采用气缸配重的方法,对Z轴全部重量进行平衡,运动起来平稳,结构紧凑,解决了重力不平衡和配重机构的非线性特性。
机床切削加工时,除抑制机床自身驱动电机、导轨及其他部件的振动外,还要对外界振动干扰进行隔离。 采用隔振台支承的措施将外界振动干扰隔离,气浮隔振台的固有频率特别低,能够对高频振动干扰很好的隔离,且可通过调整气缸压强大小,进行台面水平及高度的调整,操作方便简单。选用的气浮隔振台的固有频率只有2Hz,完全满足微型机床的隔振和承载要求。
该微型机床的主要技术参数如表1所示,外观如图1所示。
1.2微型机床电气系统组成
本系统以工控机为平台,采用美国泰道公司生产的UMAC作为运动控制器,构成数控系统的硬件结构体系。UMAC完成插补、运动前瞻、I/O口输入输出和联动控制等,工控机实现对控制系统实时监控管理。工控机通过以太网与UMAC实现通讯,工控机和UMAC具有自己独立的IP地址,构成一个局域网,UMAC通过双端口存储器(DPRAM)与电机进行通信,电机状态、位移、速度和跟随误差等实时数据不断高速读取和写入。 限位开关信号和状态指示信号经光隔电路送至UMAC的I/O口,被PLC程序利用。直线电机直接驱动工作台, 工作台的位移通过高分辨率的光栅尺反馈给UMAC控制器,构成全闭环控制,此方案从根本上克服了非线性因素对机床运动的影响,提高了伺服系统的定位精度。
2微型机床伺服控制算法和调试
本系统对电机采用速度控制方式,由光栅尺对电机实时位置、实时速度和加速度进行反馈,伺服控制算法采用UMAC和电机驱动器内部自带伺服算法。通过对驱动器参数和UMAC控制器PID参数进行调试,将UMAC与电机驱动器很好的整合匹配,获取响应速度快、稳定性好的系统。
2.1微型机床伺服控制算法
微型机床伺服控制系统结构如图2所示。
伺服控制器由UMAC运动控制器实现,其内部自带有PID控制、速度/加速度前馈控制和NOTCH滤波控制,伺服算法原理如图3所示。其中Kp为系统比例增益,决定系统刚性和系统的响应速度,Kp越大,系统的响应速度越快,但Kp值过大会引起超调量过大,甚至系统会产生震荡;Ki是系统积分增益,用于消除系统稳态误差,提高系统稳定性;Kd为系统微分增益,为系统提供一个阻尼项,改善系统的动态特性;Kvff为系统速度前馈增益,用于减小正常运动中的跟随误差,Kaff为系统加速度前馈增益,用于减小系统加速和减速过程的跟随误差。UMAC内部伺服算法原理如图3所示。
2.2控制系统调试
控制系统的调试按照从电机到控制器的顺序,首先使用自动调节功能调试电机驱动器速度控制环参数, 然后进行驱动器试运行。如无异常情况,将电机驱动器接入UMAC控制器,打开PMAC Tuning Pro2软件,首先进行开环测试,确保开环特性正确,指令与反馈方向一致,如果速度反馈的线性度不好,有其他频率波动成分,需对驱动器的PID参数进行调整;然后使用阶跃响应对系统稳态特性进行调整,最后调整系统动态响应特性,观察正弦运动跟踪曲线,通过调节统速度前馈增益值、系统加速度前馈值和摩擦前馈值,尽可能的减小系统跟随误差。
在以上系统调试的基础上,对各轴进行坐标系定义,并编写运动程序,对各轴进行精度检测。图4给出X轴的定位精度检测数据。
3微型机床加工实验
本加工实验通过在PMAC数控系统对所要加工零件进行程序编制,实现微型机床的数控加工。所用刀具为 Φ1mm的硬质合金平头立铣刀,零件材料为硬铝,进行微小图案的加工实验,切削深度为1mm。加工实例如图5所示。
4结束语
本文介绍了微型五轴联动数控系统的结构及电气系统的设计,并对控制系统进行了调试和设置,对各轴的几何精度进行检测,获得了较好的定位精度。在以上调试基础上进行加工实验,切削质量较好。
参考文献
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超精密机床 篇7
光纤阵列FA(Finer Array)器件是一种高集成、小型化和大数据传输的光学器件,已经被广泛用于光通信、医学、工业、军事等领[1,2]。目前常采用微V型槽法制作FA器件。由于FA器件的耦合损耗、回波损耗、可靠性、制造成本等指标很大程度上与微V型槽基板元件的制造精度密切相关,因此,微V型槽阵列元件是FA器件最基本的关键元件。
微V型槽阵列的加工方法主要有化学刻蚀、激光加工和机械加工等。梁静秋[2]等采各项异性腐蚀技术研制出一维单晶硅V型槽的光纤阵列。蔡玉丽[3]等在微电机系统技术的基础上优化了湿法刻蚀工艺,制造出不同尺寸的单元MEMS光纤连接器件和多通道硅V型槽阵列;刘勇[4]等基于普通车床分析与设计了微V型槽飞切装置,并采用PCD成形车刀在铝材料上进行了飞切加工V型槽的实验;谢晋[5]等针对脆性石英玻璃的微加工,研发了光纤阵列石英玻璃微V槽磨削技术;雷莹[6]研究了光纤阵列的Si-V型槽的制作,探讨了Si-V型槽制作的理论、尺寸设计及工艺;杨利[7]提出FA光纤定位技术之流派浅析,探讨了U型槽和V型槽俩种主流光纤定位方法的特点;李志才[8]等提出基于A3200控制器采用磨削方法实现微V槽加工。
微V型槽阵列的加工方法主要有刻蚀和机械加工两大类。化学刻蚀法加工难以精确控制微V槽的形状精度,且加工效率较低。机械加工主要有飞刀切削和精密成型磨削等加工方法,其中精密成型磨削加工微V槽阵列是目前较为成熟的工艺方法。微V槽阵列精密磨削技术的关键在于精度成形磨削工艺、成形砂轮的修整和精密机床及其控制系统。
基于对微V槽阵列精密磨削工艺的要求,利用PMAC控制器在硬件平台开发出开放式微V槽精密磨床控制软件模块化控制系统,激光干涉仪利用PMAC补偿功能对Z轴定位精度进行测量和补偿,采用金刚石成型砂轮对微V槽精密机床进行高精度磨削加工,满足微V槽阵列精密机床加工工件的高精度设计要求。
1 微V槽阵列精密机床整体构造及加工零件要求
1.1 微V槽阵列高精密机床加工要求
微V沟槽阵列基板元件对加工要求的主要的难点是微V槽的截面形状精度、微V槽间的间距以及所有V槽的间距累误差。微V槽的截面形状主要是靠成型砂轮的制造、修整精度以及主轴回转精度保障,对此本文不作展开。微V槽之间的槽距加工误差通常要求控制在±0.5μm,各V槽间距的累计误差要求控制在±1μm,加工中主要是通过机床进给系统的定位精度来保障。因此,在精密机床设计、制造过程中保障V槽间距方向的运动轴要有足够高的精度要求。
1.2 微V沟槽阵列高精密机床机械结构
针对工件的加工需要,微V槽阵列元件精密机床采用如图2所示机床结构模型。机床进给运动由X/Y/Z三个移动轴加一个B轴转动轴组成。为满足V槽间距及其累计误差的高加工精度要求,机床结构X和Z轴采用精密机床典型的T型布局,严格控制Z轴的定位和重复定位精度。机床采用SP级高精度直线滚动导轨,这种导轨直线度精度高、刚度高、承载能力大,适应高速运动;为了减少机械传动误差,X/Y/Z各线性轴采用直线电机直接驱动。整个机床的进给运动机构安装在人造大理石床身上,大理石床身由四个隔振频率3 Hz的气浮隔振垫上,整台机床再安装在具有隔振沟的隔振地基上,以确保机床具有很好的隔振/抗振能力。
该机床X轴的有效行程为-150~150 mm,Y轴的有效行程为0~150 mm;Z轴有效行程为-80~80 mm,定位精度要求为±0.5μm。
机床主轴采用英国Loadpoint公司的精密气浮电主轴,该主轴轴向和径向旋转精度≤0.05μm,静刚度>300 N/μm,最高转速12 000 r/min,采用水套冷却,具有回转精度高,高速运转时温升小,负载能力强等特点,满足微V槽精密磨削的要求。
2 微V沟槽控制系统的硬件结构设计与软件构架
2.1 硬件简单介绍和硬件结构
机床测控和驱动系统硬件主要包括工业PC机、运动控制卡、驱动放大器、直线电机,光栅尺,气浮主轴变频器等部分。采用Win7系统的工业PC机,运用Delta Tau公司的PMAC运动控制卡实现与机床之间的信息传输,包括各轴的运动控制、插补运算、误差补偿、程序执行、信号处理等。根据控制NC程序,PMAC运动控制卡完成位置环、速度环和电流环的计算,通过Trust TA330线性伺服驱动器将驱动信号放大,直接驱动Park直线电机。采用海德汉公司生产的Lip481R光栅尺进行位置反馈,实现全闭环伺服直接位置控制,保证进给轴的定位精度。机床控制系统硬件结构原理图如图2所示。
2.2 软件框架
在微V槽精密机床数控系统中,PMAC作为下位机,工控机作为上位机。考虑机床操作的简便性和安全性,基于机床数控系统具有开放性等特点,采用Windows操作系统,基于QT的图形界面功能采用C++完成开发。软件是基于Delta Tau公司为PMAC上位软件开发提供的Pcomm Sever软件包开发。Pcomm Sever包含了400多种函数功能,主机与PMAC的通讯和数据交换都可以通过Pcomm Sever中的函数来实现[9]。
机床数控系统软件采用模块化设计方法。数控系统操作软件由单个模块编写调试成功后集成到一起组成,当机床的控制需求改变时,只需分拆和加减模块功能重新进行组装。因此,模块化的设计方法提高了软件开发的灵活性,降低了软件开发的难度,充分体现了数控系统的开放性特点。
微V槽阵列磨床控制系统界面如图3、图4所示,本机床控制系统软件由以下模块组成:
(1)文件管理模块:对于NC文件的读写和编译,对于V沟槽NC代码的生成;
(2)显示处理模块:对于坐标速度状态及电机位置检测显示,生产信息显示和运行过程的警报显示和错误处理;
(3)加工程序自动编程模块:通过输入微V槽阵列元件设计参数和工艺参数,自动生成加工程序;
(4)自动模式模块:连续代码自动加工处理,单段代码自动加工处理,代码断点自动加工处理;
(5)管理模块:加工仿真及校验处理,砂轮参数处理,系统诊断及警告处理,工件坐标系设计及处理,PLC编程处理,系统参数设置处理。
3 Z轴定位精度的检测及补偿
虽然在机床各元件的选型、制造、安装和光栅位置闭环反馈等环节都作了严格的保障,但由于微V槽之间的间距有较高的精度要求,为此,本文在控制系统中通过制定误差补偿表的方式,对Z轴定位精度进行补充,以提高其定位和重复定位精度,保证加工要求。
PMAC提供了螺距补偿和反向间隙补偿(对旋转电机)功能,为了获得最快的速度和最高的精度,PMAC将补偿功能放在伺服周期内执行。当执行定位误差补偿时,PMAC根据电机位置在误差补偿表中查找匹配位置进行补偿。补偿表的相关参数如下:
I51:补偿表的使能,为0时禁用补偿表,为1时启用补偿表。
IXX85:Ixx85决定方向变换时齿隙的获取速度,尽可能设为一个高的值。
IXX86:Ixx86电机XX的齿隙大小,可以是常数,也可以是变化的函数。
IXX87:该变量确保一个非常小的方向变化(例如来自主控编码器的抖动)不会引起齿隙的突然跳动。
误差补偿首先要获取机床的原始误差。测量轴Z轴采用海德汉公司生产的Lip481R光栅尺进行位置反馈,光栅尺输出为正余弦信号,信号周期为2μm,无细分,轴比系数500 cts/mm(每走2μm发送1个脉冲)。论文采用雷尼绍XL-80激光干涉仪测量Z轴正/反向行程的定位误差,由-85 mm~85 mm往返测量三次,每5 mm记录一个点,取正向三次测量误差的平均值,通过PMAC的补偿原理,得出补偿值。补偿值计算方法:先对各个补偿点原始误差值进行误差初始化,值为各补偿点误差值与零点位置原始误差值的差值;生成各个补偿点的误差值=(误差初始化值)*(单位长度产生的脉冲数),最后得出螺距补偿值=各误差值*16(因为所得各误差值是所求补偿表数据的1/16)。将原始测量数据、螺距补偿值、补偿后各点误差值及PMAC补偿顺序依次记录在如表1中。表1中数据为Z轴的部分补偿点相关数据。以零点为参考点,补偿顺序为相对零点正方向第一个点依次到正方向最大位置处,再由负方向最大位置处依次到零点。
制定补偿表:
#4 define comp 35 87500
-3-6-14-16-21-24-26-31-31-34-35-39-44-45-46-48-49 86 81 76 71 65 61 56 49 4437 31 22 15 9 6 2 2 0
图5所示为Z轴未加入补偿的定位精度,图6所示为Z轴加入补偿后检测的定位精度。由图可知,利用激光干涉仪对机床Z轴的定位精度进行6次检测的往返双向误差补偿,补偿后Z轴±85 mm全行程的定位误差从17.561μm降低到0.621μm,这说明Z轴的定位和重复定位精度经过误差补偿后都有了显著提高,能够较好地满足高精密机床加工精度±0.5μm的要求。
4 微V槽阵列高精密机床工件加工结果验证
图8为微V槽实际磨削加工现场照片,利用金刚石砂轮圆盘刀尖端及尖端表面分布的微磨粒切削刃,以砂轮转速带动微尖端上的微金刚石切削刃,对加工工件进行亚微米尺度的塑性域切削。通过双Y轴的进给往复运动、Z轴的进给纵向运动及X轴的进给横向运动使高精度金刚石砂轮圆盘刀微尖端轮廓复制到加工原件上,完成对工件的加工。
加工后采用全自动变焦三维粗糙度轮廓仪Infinite Focus进行形貌检测。图8为微V槽表面形貌比例长度、图9为微V槽表面形貌、图10为微V槽间距。由图10可知,第6个V槽间距为707.37μm、第7个V槽间距为707.5μm、第9个V槽间距为707.11μm及第11个V槽间距为707.79μm,间距偏差分别为0.37μm、0.5μm、0.11μm和0.79μm;实验结果满足加工工件基本要求。
5 结论
针对微V槽阵列元件的加工要求,论文探讨了一种微V槽阵列元件精密磨削机床的结构设计和控制、补偿方法。机床结构采用T型布局,用金刚石成型砂轮对工件进行加工;控制系统采用工业PC机+PMAC运动控制卡的开放式构架,采用线性驱动放大器+直线电机、精密光栅尺全闭环反馈、精密气浮主轴等保障机床运动精度,并利用PMAC控制器的误差补偿控制功能对进给轴进行误差补偿控制,实现对微V槽阵列的的高精密加工。
通过实际加工实验和对加工样件的检测结果表明,本文提出的工业PC+PMAC运动控制卡的微V槽阵列精密磨床,经过对进给轴的定位精度测量和补偿后,其加工定位精度可控制在±0.5μm内,满足对微V槽阵列元件的高精度要求,具有良好的实际运用价值。
摘要：针对微V槽阵列元件V槽间距高精度等加工要求,开展了一种微V槽阵列元件磨削加工机床的研究与开发。介绍了机床的机械结构整体布局和主要零部件选型,并详细介绍了机床控制及驱动系统的结构系统。在机床软硬件平台支持下,基于工控机+PMAC运动控制器完成了系统控制软件的开发。针对微V槽间距较高的精度要求,开展了利用激光干涉仪进行测量和误差补偿的研究,并利用所研发的机床进行了加工实验的加工样件检测。实验和检测结果表明,所研发的微V槽阵列机床加工定位精度可控制在±0.5μm内,满足对微V槽阵列元件的高精度要求。
关键词：微V槽阵列元件,精密机床,定位精度,误差补偿
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