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.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用,此類表面的超精密加工已經(jīng)成為了21世紀先進制造技術(shù)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。采用金剛石車削方法實現(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,得到了越來越多的重視。車削加工此類表面時,需要同時考慮機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,不僅需要相應的超精密加工設備、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、加工仿真等關(guān)鍵技術(shù)進行研究。
　　刀具軌跡是實現(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描述表面的刀具軌跡計算方法。為保證所加工表面的形狀精度,需對刀尖圓弧半徑進行補償,而刀具補償量通常既有X坐標軸運動分量,又有Z坐標軸運動分量。刀尖圓弧半徑補償后,就使原本

3、單向、勻速進給的X向工作臺疊加了一個高頻往復運動分量,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插值和散亂點插值的兩種刀具軌跡生成方法,可將刀尖圓弧半徑補償后的高頻的運動分量都分解到Z坐標方向上。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,而基于散亂點插值的刀具軌跡生成算法則更適用于陣列類和離散點表示的表面。
　　形狀誤差評價是分析加工結(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方法。在進行輪廓誤差計算時,采用弧長曲率曲線互相關(guān)方法得到測量輪廓與設計輪廓的對應點,根據(jù)這些對應點推導了實現(xiàn)輪廓粗匹配時對測量輪廓進行的的旋轉(zhuǎn)、平移參數(shù)的快速計算方法,進而采用實數(shù)編碼遺傳算法實現(xiàn)測量輪廓與設計輪廓的精確匹配,得到了輪廓的輪廓誤差。在面形誤差評價時,采用曲率極值點作為粗匹配的特征點,建立了表面粗匹配和精匹配模型,采用遺傳算法依次實現(xiàn)了對上述匹配模型的求解,得到了表面面形誤差的評價結(jié)

5、果,并對算法的可靠性進行了討論。
　　加工仿真是預測形狀誤差,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,加工程序復雜、加工參數(shù)各異、加工結(jié)果易受環(huán)境影響。因此,需要參照真實加工系統(tǒng)建立相應的仿真系統(tǒng),仿真系統(tǒng)不僅包括切削力、運動控制系統(tǒng)、工作臺振動、切削刀具輪廓、加工表面三維形貌等模型,并且還包括機床運動和簡化的動力學模型,上述所有模型的綜合決定了工件的最終加工質(zhì)量。在機床運動模型中,將機床各運動部件均抽象

6、為具有六個自由度的剛體,并通過坐標變換得到金剛石刀具相對于工件的三維切削軌跡,進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、刀尖圓弧半徑補償、對刀誤差等加工參數(shù)對表面形狀誤差的影響,對實際加工具有指導意義。
　　加工非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面時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,它們在光學系統(tǒng)中具有廣泛的應用。在對非球面形狀參數(shù)進行光學性能優(yōu)化的基礎(chǔ)上,分別設計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)果的形狀精度進行了分析,對刀具對心誤差對透鏡形狀誤差的影響進行了討論,并對熱壓印后非球面微透鏡陣列的焦斑和成像性能進行了測試,表明超精密車削