CN110000606B - 一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法 - Google Patents

Abstract

一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法，它涉及一种对刀方法。本发明解决了传统的机械式对刀方法对刀存在装夹误差，每次样件的加工都需要进行一次对刀，加工效率低的问题。步骤一、坐标系的建立与标定：步骤二、绝对运动、相对运动结合的精准对刀：在完成坐标系的建立以及相机及夹具体、工件的位置参数的初始值标定后，并将两个相机上获得图像的水平和竖直方向的像素进行标定；根据数控***中设置的走刀速度、加速度参量，结合多次走刀实验中经过标定像素点的时间特性曲线，获得对刀过程中同时对其运动状态进行预判；采用软件补偿或减小放大实现精准对刀；步骤三、误差标定与补偿。本发明用于加工太赫兹慢波结构件装置的对刀。

Description

一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法

技术领域

本发明涉及一种微铣削机床对刀方法，具体涉及一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法。

背景技术

行波管是电子装备及武器装备中最重要的一种电真空功率器件，具有尺寸小、损耗大、准直度高等特点，对器件加工和***集成提出很高要求。慢波结构作为行波管的核心组件，亚毫米量级的介观尺寸决定其加工装备及工艺十分复杂；同时为保证***的可靠运行，慢波电路的尺寸偏差通常要求小于10％。太赫兹频段电磁波极小的趋肤深度也对加工的表面质量提出更高的要求。不仅要求具有较高的面形精度、表面粗糙度，而且零件形状也更加复杂化、材料多样化，除了传统的塑性金属材料，也向具有各向异性的复合金属材料发展。这些特点使得该类零件的加工难度也随之增加。

对于此类周期性折叠波导结构件的超精密加工，需要采用大长径比-极小直径超硬微铣刀，并结合相应结构形式的加工设备，才能避免加工过程中易产生毛刺、裂纹和薄壁孤岛等影响其使用性能的缺陷的产生。要求在对刀阶段的操作中使刀头轴线精确地位于转台的空间回转轴线上，并准确调整微铣刀与工件的相对位置，才能保证实现刀头与被加工件的相对运动轨迹，避免加工过程中的刀头运动轨迹与夹具体之间的干涉，同时该对刀精度也将直接影响工件的面形加工精度。由于目前待加工的零件几何尺寸越来越小，对机床的对刀精度的要求越来越高，现有技术中常用的块规对刀法、试切法、顶尖对刀法等方法受到机床结构、零件尺寸等因素的限制，对刀精度难以获得较大提升。而自动对刀仪的对刀精度取决于其传感器的精度，要满足高精度的对刀要求，对传感器的成本要求较高，而且实际中所能得到的测量精度不完全取决于所配套数控***的分辨率，还和机床传动***误差、对刀具的几何形状、加工精度以及装配质量等因素有关，所以要利用自动对刀仪达到高精度的效果难度很高。同时机械式的传统对刀方法缺乏空间位置参照，需要很长的时间对微铣刀头的位置进行调整，存在对刀效率低的问题。

综上，采用传统的机械式对刀方法对刀存在装夹误差，每次样件的加工都需要进行一次对刀，加工效率低。

发明内容

本发明为解决采用传统的机械式对刀方法对刀存在装夹误差，每次样件的加工都需要进行一次对刀，加工效率低的问题，进而提供一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法是按着以下步骤实现的：

步骤一、坐标系的建立与标定：

(1)根据拉格朗日法以机床主体为基准，在水平工作台面与A轴回转轴心交点为原点建立起绝对坐标系(X,Y,Z)；

(2)以水平CCD相机10所在的平面为YOZ平面，悬挂CCD相机13所在平面为XOZ平面，建立笛卡尔坐标系，同时对水平CCD相机10与悬挂CCD相机13夹持点的位置、夹具位置进行三维标定，再装夹上被加工件6后，定义根据工艺要求确定出的对刀控制体，以对刀控制体为基础建立相对坐标系；

步骤二、绝对运动、相对运动结合的精准对刀：

(1)在完成坐标系的建立以及相机及夹具体、工件的位置参数的初始值标定后，调整水平CCD相机10和悬挂CCD相机13，使其视线平行于水平台面并分别沿机床的Y轴与X轴方向观测对刀区域，并将两个相机上获得图像的水平和竖直方向的像素进行标定；

(2)通过水平CCD相机10与悬挂CCD相机13在不同视角的投影确定出铣刀头在相对坐标系的运动轨迹，根据数控***中设置的走刀速度、加速度参量，结合多次走刀实验中经过标定像素点的时间特性曲线，获得对刀过程中同时对其运动状态进行预判；

(3)通过运动状态的预判对即将到达设定对刀点的时候，通过调整水平CCD相机10与悬挂CCD相机13的放大倍数，进行视场放大，提高单点分辨率；同时采用软件补偿或减小放大过程中由于畸变率的变化带来的误差，实现精准对刀；

步骤三、误差标定与补偿：

完成初次标定后，在每次装夹工件时，通过夹具上标定点，根据每次水平CCD相机10与悬挂CCD相机13上夹具上标定参考点为基础；通过推导出的对刀控制体误差补偿方程对重复装夹产生的误差进行补偿，由于每次补偿是由软件根据初次标定值对对刀控制体自动修正，减少装夹产生的对刀误差，提高镜像贴合度，极大的提高对刀准确性，同时减少工件每次装夹的变化参数。

在一个实施方案中，所述对刀方法采用的太赫兹慢波结构加工对刀装置包括电主轴1、C轴旋转台2、电主轴支撑架3、电主轴夹头4、硬质微铣刀5、被加工件6、A轴旋转台7、夹具体8、水平CCD夹头9、水平CCD相机10、水平CCD相机定位块11、水平CCD相机微调模块12、悬挂CCD相机13、悬挂CCD相机夹头14、悬挂CCD相机微调模块15和悬挂CCD相机定位块16；水平CCD相机10通过水平CCD夹头9与水平CCD相机微调模块12连接，悬挂CCD相机13通过悬挂CCD相机夹头14与悬挂CCD相机微调模块15连接，水平CCD相机微调模块12通过水平CCD相机定位块11安装在水平工作台上，悬挂CCD相机微调模块15通过悬挂CCD相机定位块16与机床龙门吊相连；硬质微铣刀5通过卡头连接在电主轴1上，电主轴1通过电主轴夹头安装在电主轴支撑架3上，电主轴支撑架3安装在C轴旋转台2；A轴旋转台7与硬质微铣刀5初始轴线正对设置，被加工件6通过夹具定位固定在A轴旋转台7上。

在一个实施方案中，水平CCD相机10为千万像素变倍相机。

在一个实施方案中，悬挂CCD相机13为千万像素变倍相机。

在一个实施方案中，步骤三中推导出的对刀控制体误差标定方程：

当电极主轴径向跳动为δ，理想轴线的连线与竖直方向夹角为θ，可知此时的异面量为δ₃sinθ，建立处于此位置的砂轮直角坐标系O，并建立处于任意旋转位置的电极直角坐标系O₀，根据此坐标系推导在此状态下主轴径跳误差公式为：

式中ΔS_zx为主轴轴向跳动在X方向的分量；

R_s为微铣刀头运动轨迹半径，n＝1为圆心误差面，n＝2为外轮廓面；

d为微铣刀头端面直径。

在一个实施方案中，步骤三中推导出的对刀控制体误差补偿方程：

在实际状态下由工件装夹产生的误差宏观上可以分为平移与旋转两大类，具体为发生了绕X轴角度为α旋转、绕Y轴角度为β旋转、绕Z轴角度为γ旋转，如式(2)所示：

通过检测o、x、y三点坐标的前后变化，可由式(3)计算出旋转矩阵：

对刀控制体误差补偿控制方程为光学联动方程与旋转矩阵的合成。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明的针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法采用千万像素变倍CCD相机作为对刀工具，能够实现中低频太赫兹波段(0.14THz～0.65THz)的折叠波导慢波结构件的超精密微铣削加工中的精准对刀，工作范围为-50mm～50mm，误差控制在0.3μm范围内；

本发明的针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法采用拉格朗日法与欧拉法的结合，通过每次装夹工件时对刀控制体相对坐标系的修正能将误差控制在微米级，通过焦距变化保证相机视角放大后刀头在视场大小3mm×3mm范围内，将像素点分辨能力从0.5μm提升至0.1μm，从而提高对刀精度；

本发明的针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法采用高分辨率CCD对刀装置，通过与工作台相对静止与绝对运动的两个CCD相机从不同视角进行对刀，通过误差补偿算法，将对刀误差降低34％，控制在0.3μm内；

本发明的针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法能极大的缩短对刀时间；从原来的55秒缩短至30秒，有效提高慢波微结构中特征结构的位置精度以保证零件最终的组装精度。

附图说明

图1是本发明的针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法的装置结构图；

图2是本发明具体实施方式一中电极主轴径向跳动分析原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式的针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法步骤如下：

步骤一、坐标系的建立与标定：

(1)根据拉格朗日法以机床主体为基准，在水平工作台面与A轴回转轴心交点为原点建立起绝对坐标系(X,Y,Z)；

(2)以水平CCD相机10所在的平面为YOZ平面，悬挂CCD相机13所在平面为XOZ平面，建立笛卡尔坐标系，同时对水平CCD相机10与悬挂CCD相机13夹持点的位置、夹具位置进行三维标定，再装夹上被加工件6后，定义根据工艺要求确定出的对刀控制体，以对刀控制体为基础建立相对坐标系；

步骤二、绝对运动、相对运动结合的精准对刀：

(1)在完成坐标系的建立以及相机及夹具体、工件的位置参数的初始值标定后，调整水平CCD相机10和悬挂CCD相机13，使其视线平行于水平台面并分别沿机床的Y轴与X轴方向观测对刀区域，并将两个相机上获得图像的水平和竖直方向的像素进行标定；

(2)通过水平CCD相机10与悬挂CCD相机13在不同视角的投影确定出铣刀头在相对坐标系的运动轨迹，根据数控***中设置的走刀速度、加速度参量，结合多次走刀实验中经过标定像素点的时间特性曲线，获得对刀过程中同时对其运动状态进行预判；

(3)通过运动状态的预判对即将到达设定对刀点的时候，通过调整水平CCD相机10与悬挂CCD相机13的放大倍数，进行视场放大，提高单点分辨率；同时采用软件补偿或减小放大过程中由于畸变率的变化带来的误差，实现精准对刀；

步骤三、误差标定与补偿：

完成初次标定后，在每次装夹工件时，通过夹具上标定点，根据每次水平CCD相机10与悬挂CCD相机13上夹具上标定参考点为基础；通过推导出的对刀控制体误差补偿方程对重复装夹产生的误差进行补偿，由于每次补偿是由软件根据初次标定值对对刀控制体自动修正，减少装夹产生的对刀误差，提高镜像贴合度，极大的提高对刀准确性，同时减少工件每次装夹的变化参数。

具体实施方式二：如图1所示，本实施方式所述对刀方法采用的太赫兹慢波结构加工对刀装置包括电主轴1、C轴旋转台2、电主轴支撑架3、电主轴夹头4、硬质微铣刀5、被加工件6、A轴旋转台7、夹具体8、水平CCD夹头9、水平CCD相机10、水平CCD相机定位块11、水平CCD相机微调模块12、悬挂CCD相机13、悬挂CCD相机夹头14、悬挂CCD相机微调模块15和悬挂CCD相机定位块16；水平CCD相机通过水平CCD夹头9与水平CCD相机微调模块12连接，悬挂CCD相机通过悬挂CCD相机夹头14与悬挂CCD相机微调模块15连接，水平CCD相机微调模块12通过水平CCD相机定位块11安装在水平工作台上，悬挂CCD相机微调模块15通过悬挂CCD相机定位块16与机床龙门吊相连；硬质微铣刀5通过卡头连接在电主轴1上，电主轴1通过电主轴夹头安装在电主轴支撑架3上，电主轴支撑架3安装在C轴旋转台2；A轴旋转台7与硬质微铣刀5初始轴线正对设置，被加工件6通过夹具定位固定在A轴旋转台7上，如此设计，本发明的针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法采用高分辨率CCD对刀装置，通过相对静止与绝对运动的两个CCD相机从不同视角进行对刀，将对刀分辨率提高到0.1um的同时极大的缩短对刀时间；有效提高慢波微结构中特征结构的位置精度以保证零件最终的组装精度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式水平CCD相机10为千万像素变倍相机。如此设计，能够实现低频太赫兹波段的折叠波导慢波结构件的超精密微铣削加工中的精准对刀，误差控制在0.3um范围内。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式悬挂CCD相机13为千万像素变倍相机。如此设计，能够实现低频太赫兹波段的折叠波导慢波结构件的超精密微铣削加工中的精准对刀，误差控制在0.3um范围内。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：如图2所示，本实施方式步骤三中推导出的对刀控制体误差标定方程：

当电极主轴径向跳动为δ，理想轴线的连线与竖直方向夹角为θ，可知此时的异面量为δ₃sinθ，建立处于此位置的砂轮直角坐标系O，并建立处于任意旋转位置的电极直角坐标系O₀，根据此坐标系推导在此状态下主轴径跳误差公式为：

式中ΔS_zx为主轴轴向跳动在X方向的分量(单位为μm)；

R_s为微铣刀头运动轨迹半径(单位为mm)，n＝1为圆心误差面，n＝2为外轮廓面；

d为微铣刀头端面直径(单位为mm)。

如此操作，分析电主轴的径向跳动，可以获得较好的面型精度与表面粗糙度，需要分析加工过程中对面型精度的影响因素，其中对刀作为加工的初始准备阶段，其精度对后续加工精度尤其是尺寸精度与镜像对称情况有较大影响。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：如图1所示，本实施方式步骤三中推导出的对刀控制体误差补偿方程：

在实际状态下由工件装夹产生的误差宏观上可以分为平移与旋转两大类，具体为发生了绕X轴角度为α旋转、绕Y轴角度为β旋转、绕Z轴角度为γ旋转，如式(2)所示：

通过检测o、x、y三点坐标的前后变化，可由式(3)计算出旋转矩阵：

对刀控制体误差补偿控制方程为光学联动方程与旋转矩阵的合成。

如此操作，被加工件每次装夹存在误差，加上相机视场大小的限制，在使用机床床身最为绝对坐标时会引入装夹误差，从而加剧由对刀准确性下降产生的尺寸误差，基于此我们在采用拉格朗日法的前提下引入对刀控制体，在不增加额外走刀步骤的情况下完成对误差的补偿。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落在本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法，其特征在于所述针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法步骤如下：

步骤一、坐标系的建立与标定：

(1)根据拉格朗日法以机床主体为基准，在水平工作台面与A轴回转轴心交点为原点建立起绝对坐标系(X,Y,Z)；

(2)以水平CCD相机(10)所在的平面为YOZ平面，悬挂CCD相机(13)所在平面为XOZ平面，建立笛卡尔坐标系，同时对水平CCD相机(10)与悬挂CCD相机(13)夹持点的位置、夹具位置进行三维标定，再装夹上被加工件(6)后，定义根据工艺要求确定出的对刀控制体，以对刀控制体为基础建立相对坐标系；

步骤二、绝对运动、相对运动结合的精准对刀：

(1)在完成坐标系的建立以及相机及夹具体、工件的位置参数的初始值标定后，调整水平CCD相机(10)和悬挂CCD相机(13)，使其视线平行于水平台面并分别沿机床的Y轴与X轴方向观测对刀区域，并将两个相机上获得图像的水平和竖直方向的像素进行标定；

(2)通过水平CCD相机(10)与悬挂CCD相机(13)在不同视角的投影确定出铣刀头在相对坐标系的运动轨迹，根据数控***中设置的走刀速度、加速度参量，结合多次走刀实验中经过标定像素点的时间特性曲线，获得对刀过程中同时对其运动状态进行预判；

(3)通过运动状态的预判对即将到达设定对刀点的时候，通过调整水平CCD相机(10)与悬挂CCD相机(13)的放大倍数，进行视场放大，提高单点分辨率；同时采用软件补偿或减小放大过程中由于畸变率的变化带来的误差，实现精准对刀；

步骤三、误差标定与补偿：

完成初次标定后，在每次装夹工件时，通过夹具上标定点，根据每次水平CCD相机(10)与悬挂CCD相机(13)上夹具上标定参考点为基础；通过推导出的对刀控制体误差补偿方程对重复装夹产生的误差进行补偿，由于每次补偿是由软件根据初次标定值对对刀控制体自动修正，减少装夹产生的对刀误差，提高镜像贴合度，极大的提高对刀准确性，同时减少工件每次装夹的变化参数。

2.根据权利要求1所述的一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法，其特征在于：所述对刀方法采用的太赫兹慢波结构加工对刀装置包括电主轴(1)、C轴旋转台(2)、电主轴支撑架(3)、电主轴夹头(4)、硬质微铣刀(5)、被加工件(6)、A轴旋转台(7)、夹具体(8)、水平CCD夹头(9)、水平CCD相机(10)、水平CCD相机定位块(11)、水平CCD相机微调模块(12)、悬挂CCD相机(13)、悬挂CCD相机夹头(14)、悬挂CCD相机微调模块(15)和悬挂CCD相机定位块(16)；水平CCD相机(10)通过水平CCD夹头(9)与水平CCD相机微调模块(12)连接，悬挂CCD相机(13)通过悬挂CCD相机夹头(14)与悬挂CCD相机微调模块(15)连接，水平CCD相机微调模块(12)通过水平CCD相机定位块(11)安装在水平工作台上，悬挂CCD相机微调模块(15)通过悬挂CCD相机定位块(16)与机床龙门吊相连；硬质微铣刀(5)通过卡头连接在电主轴(1)上，电主轴(1)通过电主轴夹头安装在电主轴支撑架(3)上，电主轴支撑架(3)安装在C轴旋转台2；A轴旋转台(7)与硬质微铣刀(5)初始轴线正对设置，被加工件(6)通过夹具定位固定在A轴旋转台(7)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法，其特征在于：水平CCD相机(10)为千万像素变倍相机。

4.根据权利要求1或2所述的一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法，其特征在于：悬挂CCD相机(13)为千万像素变倍相机。

5.根据权利要求1所述的一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法，其特征在于步骤三中推导出的对刀控制体误差标定方程：

当电极主轴径向跳动为δ，理想轴线的连线与竖直方向夹角为θ，可知此时的异面量为δ₃sinθ，建立处于此位置的砂轮直角坐标系O，并建立处于任意旋转位置的电极直角坐标系O₀，根据此坐标系推导在此状态下主轴径跳误差公式为：

式中ΔS_zx为主轴轴向跳动在X方向的分量；

R_s为微铣刀头运动轨迹半径，n＝1为圆心误差面，n＝2为外轮廓面；

d为微铣刀头端面直径。

6.根据权利要求1所述的一种针对加工太赫兹慢波结构件的对刀方法，其特征在于步骤三中推导出的对刀控制体误差补偿方程：

在实际状态下由工件装夹产生的误差宏观上可以分为平移与旋转两大类，具体为发生了绕X轴角度为α旋转、绕Y轴角度为β旋转、绕Z轴角度为γ旋转，如式(2)所示：

通过检测o、x、y三点坐标的前后变化，可由式(3)计算出旋转矩阵：

对刀控制体误差补偿控制方程为光学联动方程与旋转矩阵的合成。

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