超精密數(shù)控機床b旋轉(zhuǎn)軸的可量化對刀方法

復雜、復雜的光刻材料的制造精度越來越高。但利用B軸加工前,要進行B軸對刀,即需要確定刀尖與B軸中心的確切相對位置,對刀的精度影響到零件加工的形貌精度本文基于3點坐標確定圓心的原理,提出一種可量化對刀方法,該方法可以理論計算對刀精度,并進行對刀誤差的理論分析,得出影響對刀精度的主要因素。1基于測量誤差的接觸誤差計算b軸心功能可量化對刀是基于3點坐標確定圓心的原理,通過測量刀尖在任何3個位置的坐標來確定B軸的圓心。如果要同時測量3個位置的X和Z方向的坐標,需要測量的參數(shù)和次數(shù)多,最終引入的測量誤差較大。為了減少測量誤差對最終距離的影響,本文提出一種在給定角度下只需要測量刀尖Z軸方向的相對距離即可計算B軸圓心的方法。該方法不僅減少測量誤差帶來的影響,而且適用于試切、圖像識別、對刀儀等多種對刀方式。設刀尖的第1個位置為坐標原點A(0,0),圓心的坐標為O(a,b),由第1個位置A旋轉(zhuǎn)至第2個位置B(x且B與C的x坐標也可寫成:將x該原理的特點是在預設角度α下,只需要測量第2點、第3點與第1點的z方向的距離,即可求出圓心的坐標。該方法測量的參數(shù)較少,可減少測量誤差對最終距離的影響。2旋轉(zhuǎn)角度和刀誤差的相關性為了能夠預測對刀誤差,并優(yōu)化對刀過程的參數(shù),提高對刀精度,本研究結合超精密單點金剛石數(shù)控機床的高精度特性和對刀公式的參數(shù),理論分析了對刀影響因素和對刀誤差。通過推導出的誤差公式優(yōu)化對刀參數(shù),給出最優(yōu)的對刀參數(shù)。由式(4)可知,旋轉(zhuǎn)角度α和刀尖點的相對位置z由于z方向的測量手段相同,則測量z其誤差的長度為由式(7)可知,相對位置Δz和旋轉(zhuǎn)角度α的大小決定對刀誤差。其中:Δz的精度由測量儀器確定,故難以改變;而角度α為旋轉(zhuǎn)的角度,大小可以在對刀過程改變。因此,Δz為常量,對刀誤差系數(shù)σ是旋轉(zhuǎn)角度α的函數(shù),σ越小,對刀誤差ΔR越小,表達式如下:使用微分法求解式(8)的最小值,結果為α=109.47°,為方便實驗,取α=109.5°,其相應誤差系數(shù)為0.65,則對刀誤差ΔR=0.65·Δz會變小。美國LINL國家實驗室使用α=45°,相應誤差系數(shù)為1.85,則相同測量誤差Δz最終對誤差ΔR影響較大。本文提出的對刀方法推導出最優(yōu)α=109.5°,其誤差系數(shù)小于1,測量誤差帶來的影響較小,提高了對刀精度。3健全刀尖相對位置本文的對刀原理適用于多種對刀方法,例如試切、對刀儀、圖像識別等。2010年,美國LINL國家實驗室進行實驗,對比試切、對刀儀和圖像識別3種方法的對刀精度,實驗表明在旋轉(zhuǎn)角度α=45°時,采用對刀儀能獲得較高精度雖然試切與對刀儀方法操作簡單,但對刀精度和效率低,這兩種方法均屬于接觸式方法,對刀過程容易破損刀具首先,校準圖像與機床的坐標系,如圖2所示。將刀尖移到視場里,然后往Z方向移動一段距離z,通過圖像識別計算刀尖在圖像上移動的距離l,則可獲得圖像系統(tǒng)的像素當量為同時,根據(jù)刀尖在圖像中的移動方向可計算機床坐標與圖像坐標系的偏角γ。校準圖像與機床坐標系后,測量在不同角度刀尖Z方向的相對位置。如圖3所示,p由于相機系統(tǒng)放大倍數(shù)大,視場小,約1.2mm×1.2mm的范圍,刀尖旋轉(zhuǎn)一個角度時很容易超出視場范圍。刀尖超出視場范圍時,需要將刀尖移動至相機視場內(nèi)進行識別。通過機床數(shù)控系統(tǒng)移動刀尖會導致當前刀尖與其他角度時刀尖相對位置的基準不一致。為了保證基準一致性,引入了數(shù)控系統(tǒng)的Z坐標,刀尖的相對位置由圖像上的相對位置與數(shù)控系統(tǒng)Z坐標上的相對位置相加。其相對位置如下:式中,Z于是,計算出刀尖與B軸中心的距離,同時通過圖像顯示該距離,可方便地將刀尖調(diào)整到目標位置。4刀尖對刀誤差的識別方法為了驗證所提出對刀方法的可行性,本研究采用圖像識別對刀方式進行對刀。將刀尖對在旋轉(zhuǎn)臺B軸圓心上,然后加工Fresnel透鏡模具,最終測量Fresnel透鏡模具的棱角,從而獲得對刀的實際誤差,并與預測誤差進行對比和分析。超精密車床上的實驗系統(tǒng)如圖4所示。車床X、Z軸的分辨率達到2nm,重復定位精度0.5μm,旋轉(zhuǎn)臺B軸的旋轉(zhuǎn)精度為0.0008°。刀具為上海舒伯哈特刀具公司生產(chǎn)的天然金剛石尖刀,其刀尖角為45°,刀尖精度達到1μm以下。攝像頭采用維視數(shù)字圖像技術有限公司的MV-1400UC,最大光學放大倍數(shù)為9倍,在最大放大倍數(shù)和最大圖像分辨率情況下,攝像頭的像素當量為0.3μm/像素,并采用基于OpenCV自行開發(fā)的圖像識別軟件進行識別刀尖點,最大識別誤差為3個像素。對刀過程采用旋轉(zhuǎn)角度α=109.5°,因此理論對刀誤差為ΔR=0.65×像素當量×像素識別誤差=0.65×0.3×3μm=0.59μm。但刀尖的精度是1μm,因此理論對刀誤差為1μm以下。采用自行開發(fā)的圖像識別對刀軟件進行對刀。首先,在攝像頭視場范圍里將刀尖往Z方向移動一段距離,利用圖像識別計算相應的像素距離和坐標,從而實現(xiàn)圖像與機床坐標的校準。然后,通過B軸旋轉(zhuǎn)刀具α=109.5°,依次旋轉(zhuǎn)2次,通過攝像頭獲取刀具的信息,傳送至圖像軟件進行識別處理,得到刀尖在3個不同角度下的Z方向相對距離,通過式(4)計算刀尖與B軸中心的相對坐標。最后,通過軟件給出對刀的指導方向并進行調(diào)整刀具位置,如圖5所示。為了驗證對刀的效果,進行Fresnel透鏡模具的加工。由于刀尖在B軸轉(zhuǎn)臺圓心上,利用B軸旋轉(zhuǎn)將尖刀兩邊刃口成型Fresnel透鏡模具,當?shù)都獠辉贐軸中心即存在對刀誤差時,加工出的溝槽兩直線輪廓不能交于一點形成理想尖角,而是兩直線輪廓間形成過渡圓弧,對刀誤差即為該圓弧半徑。因此,對刀誤差會直接體現(xiàn)在溝槽尖角的圓弧半徑上,誤差越大圓弧半徑越大。為了測量該誤差,將Fresnel透鏡模具剖開,測量其溝槽尖角的圓弧半徑。通過激光顯微鏡OlympusOls4100,放大倍數(shù)為17280倍,測量得到其圓弧半徑為0.8μm,如圖6所示。結果表明,對刀的誤差在0.8μm以下,小于理論對刀誤差。5對刀誤差的檢測本文基于數(shù)學幾何理論推導,提出一種旋轉(zhuǎn)臺B軸的可量化對刀方法,考慮到超精密切削的適用性,采用非接觸式圖像識別對刀方式開展了驗證實驗,避免了刀尖破損。首先,通過自行開發(fā)的圖像識別對刀軟件進行圖像識別,獲取刀尖在3個不同角度的相對坐標,通過所提出的對刀方法計算刀尖與B軸旋轉(zhuǎn)中心的相對位置,從而調(diào)整刀具位置,將刀尖移動至B軸旋轉(zhuǎn)中心。為了檢測