一种快速刀具伺服装置的应用方法转让专利
申请号 : CN202010778729.7
文献号 : CN111889699B
文献日 : 2021-08-27
发明人 : 戴一帆 , 彭小强
申请人 : 中国人民解放军国防科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种快速刀具伺服装置的应用方法,其特征在于,所述快速刀具伺服装置包括基座(1)、刀具(2)、刀具运动组件(3)以及设置于基座(1)上的直线电机(4),所述刀具(2)通过刀具运动组件(3)和直线电机(4)连接,其特征在于,所述刀具运动组件(3)包括线性导轨(32)和滑块(33),所述线性导轨(32)设置于基座(1)上,所述滑块(33)滑动布置于线性导轨(32)上且分别和刀具(2)、直线电机(4)连接,所述快速刀具伺服装置用于复杂曲面快轴伺服加工的步骤包括:
1)确定切削参数和刀具几何参数;
2)针对目标复杂曲面的面型函数表达式生成刀具轨迹驱动点,从而获得由所有刀具轨迹驱动点构成的刀具加工轨迹;
3)针对所有刀具轨迹驱动点构成的刀具加工轨迹进行刀具半径补偿;且进行刀具半径补偿时刀具半径补偿后目标复杂曲面的面型函数表达式为:上式中,Z为Z轴进给位移,f为目标复杂曲面的面型函数表达式,r为点E1(r,z)的X轴进给位移,r0为点E(r0,z0)的X轴进给位移,R0为刀具圆弧半径,θ为主轴的转角,E(r0,z0)为目标复杂曲面的轮廓曲线上任意一点,E1(r,z)为点E(r0,z0)的刀具半径补偿后目标复杂曲面的轮廓曲线上的对应点;
4)根据切削参数和刀具几何参数、进行刀具半径补偿后的刀具加工轨迹生成车床数控程序和快轴伺服切削程序;
5)运行车床数控程序和快轴伺服切削程序对工件进行复杂曲面的快轴伺服加工。
2.根据权利要求1所述的快速刀具伺服装置的应用方法,其特征在于,所述切削参数包括主轴转速、X轴的进给速度,所述刀具几何参数包括刀具前角、刀具后角、刀具圆弧半径。
3.根据权利要求1所述的快速刀具伺服装置的应用方法,其特征在于,步骤2)中针对目标复杂曲面的面型函数表达式生成刀具轨迹驱动点的步骤包括:采用等角度、以指定的采样周期对X轴的X轴进给位移ri和主轴的转角θj进行采样,根据所加工的目标复杂曲面的面型函数表达式来计算一系列的刀具轨迹驱动点zi,j=f(ri,θj),这些刀具轨迹驱动点构成刀具加工轨迹。
4.根据权利要求1所述的快速刀具伺服装置的应用方法,其特征在于,步骤1)中目标复杂曲面为正弦放射线曲面,生成目标复杂曲面的面型函数表达式为:z=Asin(mθ)
上式中,z为Z轴进给位移,A为正弦放射线曲面的幅值,m为周期数,θ为主轴的转角;
正弦放射线曲面进行刀具半径补偿后目标复杂曲面的面型函数表达式为:z(r,θ)=Asin(mθ)+R0上式中,z(r,θ)为进行刀具半径补偿后的Z轴进给位移,A为正弦放射线曲面的幅值,m为周期数,θ为主轴的转角,R0为刀具圆弧半径。
5.根据权利要求1所述的快速刀具伺服装置的应用方法,其特征在于,步骤1)中目标复杂曲面为凹球面阵列,生成目标复杂曲面的面型函数表达式为:上式中,z为Z轴进给位移,R是球面透镜的曲率半径,r为X轴进给位移,H为透镜的最大深度,θ为主轴的转角,(rc,θc)为透镜中心极坐标;
凹球面阵列进行刀具半径补偿后目标复杂曲面的面型函数表达式为:上式中,z(r,θ)为进行刀具半径补偿后的Z轴进给位移,R是球面透镜的曲率半径,r为X轴进给位移,H为透镜的最大深度,θ为主轴的转角,(rc,θc)为透镜中心极坐标,R0为刀具圆弧半径。
说明书 :
一种快速刀具伺服装置的应用方法
技术领域
背景技术
快速刀具伺服装置得到非常广泛的应用,如非圆活塞车削加工、复杂光学曲面超精密车削
加工、辊子表面微结构车削加工等。
失,因此压电陶瓷驱动的快速刀具一般自由行程较小,仅有百余微米左右,仅适合波度幅值
较小的形状加工。现有技术的快速刀具伺服装置一般采用气浮导轨导向,这种结构虽然能
够实现大行程的输出,但由于在系统中引入了气浮导轨,增加了复杂性,并且气浮导轨的刚
度和承载相对较小,因此该装置仅适合较小切削力的加工领域。
发明内容
快速刀具伺服加工装置用于重切削场合;本发明采用直线电机对刀具进行驱动,直线电机
相对于现有压电驱动器行程更大,能够实现高刚度、大行程的车削加工。
括线性导轨和滑块,所述线性导轨设置于基座上,所述滑块滑动布置于线性导轨上且分别
和刀具、直线电机连接。
永磁体定子的外表面之间设有用于作为循环水通道的密闭空腔,所述外壳开设有循环水入
口和循环水出口,所述密闭空腔和循环水入口、循环水出口连通,所述活动杆和移动线圈之
间设有隔热垫片。
装槽,所述刀具座滑动设置于安装槽中,所述转接件的高度方向开设有螺纹孔,所述安装槽
和螺纹孔连通,所述螺纹孔中设有与螺纹孔配合的调整螺钉,所述调整螺钉穿过螺纹孔和
刀具座螺纹连接,所述快速刀具伺服装置还包括光栅尺,所述光栅尺的主尺固定于活动杆
上,所述光栅尺的读数头固定于基座上,所述线性导轨的两侧分别沿直线间隙布置有用于
调整线性导轨的直线度的导轨压块,所述导轨压块与线性导轨紧密接触。
线圈前进位置的缓冲件,所述外壳内设有用于限制移动线圈后退位置的限位杆,所述刀具
运动组件以及直线电机的外部设有壳体,所述活动杆穿过壳体,所述壳体和活动杆之间设
有伸缩保护套。
根据所加工的目标复杂曲面的面型函数表达式来计算一系列的刀具轨迹驱动点zi,j=f
(ri,θj),这些刀具轨迹驱动点构成刀具加工轨迹。
为目标复杂曲面的轮廓曲线上任意一点,E1(r,z)为点E(r0,z0)的刀具半径补偿后目标复杂
曲面的轮廓曲线上的对应点。
具圆弧半径。
获得由所有刀具轨迹驱动点构成的刀具加工轨迹、并进行刀具半径补偿;根据切削参数和
刀具几何参数、进行刀具半径补偿后的刀具加工轨迹生成车床数控程序和快轴伺服切削程
序、并对工件进行复杂曲面的快轴伺服加工。本发明能够实现对各种典型的复杂曲面进行
高效精密加工,通过进行刀尖圆弧半径补偿使得沿加工的径向方向不会产生刀具过切现
象,从而能够有效提高对复杂曲面面形的加工精度,具有高频响、高精度的特点。
附图说明
42‑移动线圈;43‑外壳底板;5‑刀具座;51‑安装板;6‑转接件;61‑调整螺钉;7‑光栅尺;71‑
主尺;72‑读数头;8‑壳体;81‑入口孔;82‑出口孔;9‑伸缩保护套;101‑安装支架;102‑隔热
垫片;103‑导轨压块;104‑固定螺钉。
具体实施方式
运动组件3包括线性导轨32和滑块33,线性导轨32设置于基座1上,滑块33滑动布置于线性
导轨32上且分别和刀具2、直线电机4连接。本实施例的刀具运动组件3中采用线性导轨32,
线性导轨32刚度较大,可用于重切削场合;本实施例采用直线电机4对刀具2进行驱动,直线
电机4相对于现有压电驱动器行程更大,从而能够实现高刚度、大行程的车削加工。
便,线性导轨32的刚度和承载也远高于气浮导轨,可以用于中等程度重载切削。线性导轨32
除了采用本实施例中的超精密线性滚珠导轨以外,还可以采用其他形式的线性导轨,如滚
柱导轨,同样可以达到更高的承载和刚度。
连,外壳41的内壁和永磁体定子的外表面之间设有用于作为循环水通道的密闭空腔,外壳
41开设有循环水入口411和循环水出口412,密闭空腔和循环水入口411、循环水出口412连
通,循环水入口411、循环水出口412分别与冷却机连接以形成循环水冷却回路,可以减少直
线电机4运行中因温升带来的精度损失。本实施例中,移动线圈42设置于外壳41的一端,外
壳41的另一端安装有外壳底板43,永磁体定子通过螺栓固定于外壳底板43上,移动线圈42
的前端开有螺纹孔,通过螺栓和活动杆31连接。
件6设有竖直方向的安装槽,刀具座5滑动设置于安装槽中,转接件6的高度方向开设有螺纹
孔,安装槽和螺纹孔连通,螺纹孔中设有与螺纹孔配合的调整螺钉61,调整螺钉61穿过螺纹
孔和刀具座5螺纹连接,上述结构通过转动调整螺钉61可以实现对刀具座5高度的微调。
转接件6上。
与活动杆31的轴线平行,使得主尺71的轴线与活动杆31的轴线距离最近,阿贝误差最小,提
高了伺服反馈精度,本实施例中为了使光栅尺7的读数头72朝向主尺71,基座1上设有安装
支架101,读数头72固定于安装支架101上。
两侧导轨压块103可精细调整线性导轨32直线度。
滑块33超出设计行程时,滑块33触发限位开关11,控制单元立即切断电源,减小直线电机4
的驱动力至零,保护整个装置安全。
12和限位杆的端部设有聚氨酯块等弹性材料,本实施例的缓冲件12还可以采用缓冲气缸等
标准件。缓冲件12和限位杆分别限制移动线圈42直线运动的两个方向,在电气限位组件(限
位开关11)之外额外提供安全保护,防止移动线圈42超出安全行程。
411对应的入口孔81以及与循环水出水口412对应的出口孔82。壳体8安装在基座1上,配合
伸缩保护套9将刀具运动组件3、直线电机4、光栅尺7全部罩在内部,既保证了刀具2的前后
运动,又保护了重要元件不受加工环境中水、油、切屑等杂质污染。
金属,涵盖轻切削和中等程度重切削。
现象。
过程特性和材料的切削性能,设计合适的切削参数和刀具几何参数,以确保加工表面质量。
样,根据所加工的目标复杂曲面的面型函数表达式来计算一系列的刀具轨迹驱动点zi,j=f
(ri,θj),这些刀具轨迹驱动点构成刀具加工轨迹。
为目标复杂曲面的轮廓曲线上任意一点,E1(r,z)为点E(r0,z0)的刀具半径补偿后目标复杂
曲面的轮廓曲线上的对应点。
角坐标系与圆柱坐标系的转换中,可以方便地假设直角坐标系的参考平面是直角坐标系中
的XY平面,圆柱轴是直角坐标系的Z轴。直角坐标系和圆柱坐标系两者之间的z坐标是相同
的。其中,直角坐标(x,y,z)和圆柱坐标系(r,θ,z)关系如下式所示:
尖顶点和刀具圆弧中心两种,选取刀具圆弧的中心作为刀具刀位点,刀具加工路径即刀位
点与工件的相对运动轨迹。加工过程中,如果没有进行刀尖圆弧半径补偿,则沿加工的径向
方向会产生刀具过切现象,会对复杂曲面面形加工精度产生不利的影响,因此需要进行刀
具半径补偿设计。在某一转角θ处的复杂曲面截面曲线及刀具中心轨迹如图8所示。其中,待
加工曲面轮廓曲线Z0=f(r0,θ)为EF,刀具半径补偿后的刀具中心轨迹为E1F1。刀具圆弧中
心轨迹线与工件表面轮廓线是等距线。加工表面轮廓上的E点在刀具中心轨迹上有一个唯
一的对应点E1。EE1为截面曲线和刀具中心轨迹二者间的法向距离,长度大小等于刀具圆弧
半径R0,β是刀具半径补偿后的刀具中心轨迹EE1和Z轴的夹角。一般情况下,加工表面轮廓曲
线的轨迹方程是已知的,通过几何关系可以计算出刀具中心的等距轨迹方程,即快轴伺服
加工的刀具半径补偿后刀位点轨迹表达式Z=f(r,θ)。式(1)的推导过程如下:
曲面的轮廓曲线上任意一点,f为目标复杂曲面的面型函数表达式。
为:
移,E1(r,z)为点E(r0,z0)的刀具半径补偿后目标复杂曲面的轮廓曲线上的对应点,β是刀具
半径补偿后的刀具中心轨迹EE1和Z轴的夹角。
选取合适的加工参数和路径补偿后,理想的加工表面应为刀具轮廓线沿加工路径运动后所
形成的表面。将工件安装于超精密车床主轴上,即可执行步骤5)运行车床数控程序和快轴
伺服切削程序对工件进行复杂曲面的快轴伺服加工。
曲面中“复杂曲面”的定义为:表面起伏、面形陡、表面不连续。需要说明的是,本实施例方法
能够实现对符合上述定义的各类目标复杂曲面的高效精密加工。
轮廓与表面沿半径方向的轮廓线相切,避免实际加工过程中的过切现象。本实施例中正弦
放射线曲面的工件材料为硬铝,工件口径为40mm,步骤1)确定切削参数和刀具几何参数时,
主轴转速为100rpm,X轴进给速度为1mm/min,刀具前角γ0为0°,后角 为‑10°,刀具圆弧半
径为0.5mm。
具圆弧半径,通过上述方式补偿加工路径,使得刀具轮廓与表面沿半径方向的轮廓线相切,
避免实际加工过程中的过切现象。本实施例中凹球面阵列的工件材料为硬铝,工件口径为
40mm,步骤1)确定切削参数和刀具几何参数时,主轴转速为100rpm,X轴进给速度为1mm/
min,刀具前角γ0为0°,后角 为‑10°,刀具圆弧半径为0.5mm。
金刚石刀具安装在快轴伺服装置刀架上;然后将被加工工件安装于超精密车床主轴上,运
行车床数控程序和快轴切削程序,通过运动控制器的控制快轴伺服加工出所需的复杂曲
面。
据切削参数和刀具几何参数、进行刀具半径补偿后的刀具加工轨迹生成车床数控程序和快
轴伺服切削程序、并对工件进行复杂曲面的快轴伺服加工。本发明能够实现对各种典型的
复杂曲面进行高效精密加工,通过进行刀尖圆弧半径补偿使得沿加工的径向方向不会产生
刀具过切现象,从而能够有效提高对复杂曲面面形的加工精度,具有高频响、高精度的特
点。
内容,依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均应落在
本发明技术方案保护的范围内。