一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法技术

一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，解决了现有超精密飞切加工机床存在的面形误差大，特别是中频误差较为突出等问题。根据飞切机床主轴角度编码器实时测得的角度信号以及刀具‑工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律，将实时所测振动信号反相输入，通过调控压电驱动纳米进给补偿平台的位置和姿态，实现对超精密飞切机床加工面形波纹度误差抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法
本专利技术涉及超精密加工
，具体涉及一种基于压电驱动纳米进给平台的超精密飞切机床加工面形误差补偿及控制方法。
技术介绍
磷酸二氢钾(KDP)晶体由于激光损伤阈值高和透光率好等优良光学性能而被广泛应用于激光惯性约束聚变、激光武器等国家重大科学工程中，是实现光电开关与倍频转换的重要光学材料。KDP晶体光学元件的使用性能与其表面形貌精度密切相关，例如激光惯性约束聚变对KDP晶体光学元件的低频面形误差、中频波纹误差和高频粗糙度误差分别提出了不同的极高制造精度要求。KDP晶体由于质软、易碎、易潮解和各向异性等特点而被公认为是最难加工的光学材料之一，传统的研磨抛光加工工艺难以达到KDP晶体光学元件所需的精度要求，超精密单点金刚石飞切是目前加工KDP晶体光学元件最有效和使用最广泛的技术。通过飞刀去除零件表面极薄的一层材料，直接获得纳米级表面质量和形状精度，但其加工表面普遍存在较明显的波纹度误差。波纹度误差的空间频率介于面形误差和粗糙度之间，波长从几十微米到数百微米，幅值一般低于100纳米。KDP晶体加工表面的这种中频微波纹误差将会直接影响其光学性能和聚焦光斑质量，周期性微波纹会使激光发生散射或者衍射，甚至发生激光的异常聚焦而破坏光学元件，使激光损伤阈值大幅度降低。
技术实现思路
针对上述现有超精密飞切加工机床加工表面普遍存在明显的波纹度误差，本专利技术提供了解决上述问题的一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，解决了现有超精密飞切加工机床存在的面形误差大，特别是中频波纹误差较为突出等问题。本专利技术通过下述技术方案实现：一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，包括以下步骤：S1.构建刀具-工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律；S2.基于刀具-工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律，结合飞切机床主轴角度编码器实时测得的角度信号；S3.将实时测得的振动信号反相输入，通过调控压电驱动纳米进给补偿平台位置和姿态，实现对加工面形波纹度误差实时补偿。进一步优选，所述S1步骤中，具体操作包括以下步骤：建立刀具-工件相对振动及其对飞切加工表面波纹度的映射关系，通过仿真分析，获得面形仿真模型；通过面形仿真模型获得飞切仿真面形的全频段面形信息；对全频段面形信息根据高频、中频以及低频频段进行有效分解，选取中频面形信息，获得中频面形信息和形成规律。进一步优选，通过以下方法获得面形仿真模型：S11.利用单点金刚石飞切机床整体动力学模型，仿真分析断续切削力不同幅值和频域分布导致的工件-刀具相对振动规律，同时开展工艺切削试验并检测刀具和工件处的振动信号，对仿真结果进行验证；S12.结合主轴转速、进给速度和刀具-工件相对振动，根据飞切机床的结构特点，分析刀具的空间运动轨迹；S13.考虑金刚石刀具的几何形状，设定金刚石刀具将其切削刃轮廓通过刀具与工件之间的相对运动复映到工件表面形成工件面形，利用三维形貌仿真技术，建立刀具-工件相对振动轨迹到面形的仿真映射模型。此外，可采用改进的二维经验模态分解方法对仿真面形数据进行多尺度自适应模态分解，提取面形数据的局部细节信息；基于Riesz技术变换构造单演面形信号，计算面形整体频率，获得二维经验模态分解循环终止条件；对仿真面形进行轮廓曲线提取；结合最优匹配跟踪算法生成伪信源的单通道信源分离方法，对提取的轮廓曲线进行去伪信源分离；在最优匹配跟踪算法的每一步计算时，利用遗传算法选定最佳原子，然后采用空间功率谱密度(PSD)技术对分离后的特征轮廓曲线进一步做功率谱密度分析，计算仿真面形的波纹度误差；形成断续切削到波纹度误差的完整仿真分析预测算法，利用算法研究机床动力学行为导致飞切表面波纹度误差的变化规律。进一步优选，还包括对压电驱动纳米进给补偿平台进行模型识别和优化控制操作，包括以下步骤中至少一项或几项的组合：A.对于迟滞非线性，采用遗传算法对基于Bouc-Wen模型的非线性模型进行辨识以获得迟滞逆模型参数；B.利用频域辨识方法获得系统线性环节模型参数；C.采用改进型零相位前馈消除相位误差，提高压电驱动纳米进给补偿平台的跟踪性能；D.引入一种延迟位置反馈控制器来增加平台的阻尼，减小压电驱动纳米进给补偿平台实际运行中产生的振荡，并提高系统带宽。进一步优选，所述步骤A中，具体操作包括以下步骤：SA1.构建系统模型：采用Hammerstein模型表示含有线性环节和非线性环节的纳米进给补偿平台的动态系统，由迟滞环节H(·)和线性环节G(·)级联组成；如式(1)所示：其中，其中，u、x分别为压电陶瓷的电压输入和平台的位移输出，m、k、b为线性环节参数，分别代表质量、阻尼系数和刚度；SA2.建立迟滞环节和线性环节之间的耦合关系：采用Bouc-Wen模型描述压电“电压－位移”迟滞现象；对于压电陶瓷中的迟滞环节，根据式(1)，设计模型系统的动力学模型如式(2)所示：其中，其中d为压电陶瓷的介电常数，c1和c2为整理和代换减少的辨识参数；SA3.迟滞环节和线性环节之间的耦合关系解耦操作：式(3)所示的模型中有8个待辨识未知参数构成参数集{m,b,k,α,β,γ,c1,c2}；所述参数集合分为2组：线性环节参数Kl＝{m,b,k}以及非线性Bouc-Wen模型参数Kbw＝{α,β,γ,c1,c2}；分别辨识非线性Bouc-Wen模型参数Kbw,再辨识线性环节参数Kl。进一步优选，所述迟滞环节和线性环节之间的耦合关系解耦操作：选用频率为1Hz的低频正弦信号激励系统，测得平台的实际位移；采用Bouc-Wen模型对迟滞环节进行建模，对迟滞环节H(·)进行辨识，获得迟滞环节参数Kbw；选用小幅值正弦扫频信号作为输入对系统进行激励，对线性环节G(·)进行辨识，获得线性环节参数Kl。本专利技术具有如下的优点和有益效果：1、本专利技术基于飞切表面波纹度误差的变化规律，同时结合飞切机床主轴角度编码器实时测得的角度信号，将实时所测振动信号反相输入，通过调控压电驱动纳米进给补偿平台位置和姿态，实现对加工面形波纹度误差实时补偿。本专利技术有效解决现有超精密飞切加工机床加工表面普遍存在明显的波纹度误差问题，同时可以提高机床切削加工的效率，减小压电驱动纳米进给补偿平台实际运行中产生的振荡，并提高系统带宽，保证超精密加工面形的性能使用要求。2、本专利技术通过对系统模型进行辨识和优化控制，解决了压电驱动纳米进给补偿平台存在的迟滞非线性、低带宽、跟踪周期性锯齿波时出现的相位滞后等一系列问题，使飞切纳米进给补偿平台能够准确跟踪输入信号，提高压电驱动纳米进给补偿平台的跟踪性能。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术的面形计算示意图；图1(a)表示网格划分示意图；确定坐标节点K(xk,yk)示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1.构建刀具-工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律；/nS2.基于刀具-工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律，结合飞切机床主轴角度编码器实时测得的角度信号；/nS3.将实时测得的振动信号反相输入，通过调控压电驱动纳米进给补偿平台位置和姿态，实现对加工面形波纹度误差实时补偿。/n

【技术特征摘要】
1.一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.构建刀具-工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律；
S2.基于刀具-工件相对振动对飞切加工表面波纹度误差的形成规律，结合飞切机床主轴角度编码器实时测得的角度信号；
S3.将实时测得的振动信号反相输入，通过调控压电驱动纳米进给补偿平台位置和姿态，实现对加工面形波纹度误差实时补偿。


2.根据权利要求1所述的一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，其特征在于，所述S1步骤中，具体操作包括以下步骤：建立刀具-工件相对振动及其对飞切加工表面波纹度的映射关系，通过仿真分析，获得面形仿真模型；通过面形仿真模型获得飞切仿真面形的全频段面形信息；对全频段面形信息根据高频、中频以及低频频段进行有效分解，选取中频面形信息，获得中频面形信息和形成规律。


3.根据权利要求2所述的一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，其特征在于，通过以下方法获得面形仿真模型：
S11.利用单点金刚石飞切机床整体动力学模型，仿真分析断续切削力不同幅值和频域分布导致的工件-刀具相对振动规律，同时开展工艺切削试验并检测刀具和工件处的振动信号，对仿真结果进行验证；
S12.结合主轴转速、进给速度和刀具-工件相对振动，根据飞切机床的结构特点，分析刀具的空间运动轨迹；
S13.考虑金刚石刀具的几何形状，设定金刚石刀具将其切削刃轮廓通过刀具与工件之间的相对运动复映到工件表面形成工件面形，利用三维形貌仿真技术，建立刀具-工件相对振动轨迹到面形的仿真映射模型。


4.根据权利要求1所述的一种超精密飞切加工机床面形误差补偿及控制方法，其特征在于，还包括对压电驱动纳米进给补偿平台进行模型识别和优化控制操作，包括以下步骤中至少一项或几项的组合：
A.对于迟滞非线性，采用遗传算法对基于Bouc-Wen模型的非线性模型进行辨识以获得迟滞逆模型参数；
B.利用频域辨识方法获得系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏巍，李加胜，阳红，黄明，徐斯强，刘品宽，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51