[发明专利]复杂表面的机械加工控制系统及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是复杂表面的机械加工技术领域，具体涉及复杂微结构表面的车削加工控制方法。

背景技术

复杂微结构表面是指具有特定功能微小拓扑形状的表面，由于其独特的光学特性，摩擦性、可阵列性等，在军用和民用领域得到了越来越广泛的应用，如菲涅尔透镜、微透镜阵列等。近年来出现的多种现代加工技术如LIGA技术、激光直写技术、“三束”加工技术等等，虽然能够实现特定微结构表面的加工，但是由于其工艺复杂、加工条件苛刻，很难保证所加工微结构表面的面形精度，并且加工效率很低。随着高精度、高刚度的空气静压主轴和精密伺服机构的出现，利用超精密车削的方法可以直接加工出工件面形精度达到亚微米级，表面粗糙度达到纳米级的复杂三维结构，所加工的微结构形状可以根据数控程序自定义设置，并且加工效率很高，目前已成为极具应用前景的微结构表面加工方法。

微结构表面可以分为回转对称微结构表面和非回转对称微结构表面。它们的加工原理有一定的相似性，加工过程中工件安装在主轴上随主轴一起旋转，X向进给由导轨实现，Z向进给由导轨或者安装在X导轨上的快速伺服刀架(FTS)来实现，如图1所示。对于回转对称微结构表面的车削，只是Z向导轨或者快速伺服刀架和X向导轨两个加工轴的联动，实现起来较为简单。而对于非回转对称微结构，其加工需要X轴、Z轴与主轴的转角θ三者联动，即Z向进给是X轴位置与主轴转角θ二者的函数。对于一些复杂的非回转对称微结构表面，在主轴低速运转的情况下，Z向进给的频率也达到几十赫兹，传统的多轴联动机床由于Z向导轨负载较重，很难满足其要求。

近年来，针对非回转对称微结构表面的加工，出现了快速刀具伺服技术(FTS，Fast Tool Servo)，即利用快速伺服刀架作为微进给机构，实现刀具沿Z向高频响、短行程的快速精密进刀运动。目前欧美发达国家已成功研制出装载有FTS系统的多轴联动超精密机床，并加工出各种非回转对称型微结构表面，国内一些研究机构也在引进国外超精密机床的基础上进行了相关微结构表面车削实验的研究，香港理工大学先进光学制造中心利用引进美国Precitech公司的Nanoform200加工出了光学自由曲面、微透镜阵列等（李荣彬，张志辉，杜雪，孔令豹，蒋金波. 自由曲面光学元件的设计、加工及面形测量的集成制造技术, 机械工程学报, 2010, 46(11):137-147；李荣彬，张志辉，杜雪，孔令豹，蒋金波. 自由曲面光学的超精密加工技术及其应用, 红外与激光工程, 2010, 39(1):110-117）。哈尔滨工业大学利用自行研制的快速伺服刀具进行了微结构表面的车削实验研究，但是其研究内容主要涉及回转对称微结构表面的车削工作(杨元华. 基于FTS的微结构功能表面超精密切削加工关键技术，哈尔滨工业大学，2007；王晓慧，孙涛. 基于FTS的非轴对称微结构表面超精密切削系统研究，制造技术与机床，2011,7：90~93)。

国外用于非回转对称微结构表面超精密车削加工的机床是采用可以进行位置闭环控制的精密主轴来实现FTS、主轴、X轴三者的联动，并且使用独立的FTS控制模块对FTS进行位置闭环控制，这类机床往往价格非常昂贵，且高端产品对中国严格禁运。而且对于主轴这种大转动惯量，小阻尼的系统进行位置闭环控制，对主轴和其伺服控制器的性能要求较高，其造价也非常高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂表面的机械加工控制系统及其控制方法，解决对于主轴这种大转动惯量，小阻尼的系统进行位置闭环控制所存在的对主轴和其伺服控制器的性能要求较高，其造价也非常高昂的问题。

在非回转对称微结构表面的车削加工过程中，FTS的输出信号是由主轴的角度位置θ和X轴的位置共同决定的，即：FTS的指令切深

Z_FTS=f(R·sin(θ))，式中R为每个加工点对应的X轴走过的距离；θ为主轴相对于起始点转过的角度，这就要求FTS进给、X轴进给和主轴转角三者之间需要精确同步。

1．控制系统整体结构

为了实现FTS、X轴、主轴三者之间的精确位置同步功能，本发明中首先搭建了基于UMAC运动控制器的多轴联动数控系统。

UMAC运动控制器的控制接口轴卡(ACC-24E2A)共有4个控制通道，选取其中任意三个通道来分别负责X向导轨伺服电机的位置闭环控制、主轴驱动电压的输出以及主轴编码器信号输入、快速伺服刀架(FTS)模拟量控制电压的输出。

2. 主轴速度闭环控制