CN113245625A - 一种集成力传感器的加工设备及超精密切削对刀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密制造设备技术领域，特指一种集成力传感器的加工设备及超精密切削对刀方法，加工设备包括主轴、刀具、三轴驱动装置、位置传输装置以及对刀控制***，其中，对刀控制***包括力传感器和PID控制器，力传感器设置在刀具上，用于检测刀具与工件之间的接触力；PID控制器根据接触力的大小，控制Z向驱动机构工作。本发明通过对刀控制***实现接触力/切削力闭环反馈控制功能以及扫描测量功能，并基于上述功能研发了一种超精密切削对刀方法，使其可以实现超精密对刀，无需借助其他仪器，可满足加工范围空间受限，难以安装其他对刀仪器情况下的对刀需求，具有普适性。同时，简化了对刀的操作流程，大大提高了对刀的自动化程度以及对刀精度。
Description
技术领域
本发明属于精密制造设备技术领域，特指一种集成力传感器的加工设备及超精密切削对刀方法。
背景技术
超精密切削技术是用于制造具有微纳米精细结构或高精度形貌的光学元件的重要手段，广泛应用在航空航天、国防军工、信息通讯、生命科学和材料科学等领域，是超精密加工领域中的重要分支。基于单点金刚石的超精密切削，利用具有纳米机定位精度的超精密车床和刃口锋利、硬度高、耐磨性好的金刚石作为刀具，通过精确控制刀具与工件之间相对运动轨迹来形成几何表面，具有能够获得纳米级表面粗糙度和亚微米级形状精度微纳结构表面的优势。
为了保证基于单点金刚石的超精密切削高质量的面型制造，金刚石刀具与工件之间的精密对刀是重要前提。
传统的超精密切削对刀方法，是通过人工借助光学对刀仪的方法来实现的。该方法具有以下几个方面的不足：(1)该方法对操作人员的操作经验要求较高，操作较为繁琐；(2)光学对刀仪的对刀精度受限于对刀仪的景深和分辨率影响，难以达到纳米量级的对刀精度；(3)对于某些特殊元器件的超精密切削加工，如小尺寸元件内壁，逼仄的加工空间难以安装光学对刀仪等其他仪器，故无法实现相应的精密对刀操作；(4)光学对刀仪只能将刀具尖端定位在工件表面，而对于回转型工件，无法将刀具尖端准确定位在主轴的回转中心，影响后续的刀具轨迹规划精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，操作方便，自动化程度高，对刀精度高的集成力传感器的加工设备及超精密切削对刀方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种集成力传感器的加工设备，其包括：
主轴，用于驱动工件转动；
刀具，设置在所述主轴的一侧，用于加工所述工件；
三轴驱动装置，包括X向驱动机构、Y向驱动机构以及Z向驱动机构，其分别控制所述工件或者所述刀具沿X/Y/Z向运动，其中，Z向为所述主轴的轴线方向；
位置传输装置，用于分别输出所述工件或者所述刀具的X/Y/Z向位置；以及
对刀控制***，其包括：
力传感器，设置在所述刀具上，用于检测所述刀具与所述工件之间的接触力；以及
PID控制器，根据接触力的大小，控制所述Z向驱动机构工作。
优选地，其中，所述位置传输装置包括安装在所述X向驱动机构上的X轴编码器、安装在所述Y向驱动机构上的Y轴编码器以及安装在所述Z向驱动机构上的Z轴编码器。
优选地，其中，所述X向驱动机构设置在所述主轴的下方，用于驱动所述主轴沿X向移动；
所述Y向驱动机构以及Z向驱动机构设置在所述刀具的下方，用于驱动所述刀具沿Y/Z向移动。
优选地，其中，所述主轴内安装有旋转编码器。
优选地，其中，所述刀具为金刚石刀具。
优选地，其中，所述对刀控制***还包括：
电荷放大器，设置在所述力传感器和所述PID控制器之间，用于放大接触力信号给所述PID控制器；
其中，PID控制器内设有接触力参考值，
当接触力信号小于接触力参考值时，使所述工件与所述刀具沿Z向相对靠近；
当接触力信号等于接触力参考值时，使所述工件与所述刀具沿Z向相对静止；
当接触力信号大于接触力参考值时，使所述工件与所述刀具沿Z向相对远离。
一种超精密切削对刀方法，用于将刀具尖端定位到工件端面的回转中心，该方法基于上述的集成力传感器的加工设备，其包括以下步骤：
步骤(1)，Z向对刀：
开启对刀控制***，通过控制Z向驱动机构，使所述刀具沿Z向做步进运动；当接触力信号等于接触力参考值时，刀具停止Z向运动，完成Z向对刀，并记录此时的Z轴编码器位置Zt；
步骤(2)，工件端面车圆环：
完成Z向对刀后，保持刀具静止，驱动所述主轴，控制所述工件回转，刀具在工件的端面留下圆环车削痕迹，此时，该圆环车削痕迹的中心即为工件回转中心；
步骤(3)，X向对刀：
驱动X向驱动机构，让所述刀具相对所述工件所在的位置做X向运动；
同时，开启对刀控制***，使刀具与工件之间的接触力大小保持恒定，从而实现刀具沿着工件端面轮廓移动；
通过X轴编码器、Z轴编码器输出即可得到工件在X向扫描轨迹处的面型特征，所述圆环车削痕迹会在X向扫描轨迹中留有两个明显的凸起特征，所述凸起特征的峰值点在X向的坐标记为X1和X2，然后，计算所述工件回转中心的X向坐标为
步骤(4)，Y向对刀；
驱动Y向驱动机构，让所述刀具相对所述工件所在的位置做Y向运动；
同时，开启对刀控制***，使刀具与工件之间的接触力大小保持恒定，从而实现刀具沿着工件端面轮廓移动；
通过Y轴编码器、Z轴编码器输出即可得到工件在Y向扫描轨迹处的面型特征，所述圆环车削痕迹会在Y向扫描轨迹中留有两个明显的凸起特征，两个凸起特征的峰值点在Y向的坐标记为Y1和Y2，然后，计算所述工件回转中心在Y向的坐标为
步骤(5),刀具移动至工件回转中心：
根据步骤(3)和步骤(4)中所得到的工件端面在X向、Y向的坐标，驱动X向驱动机构、Y向驱动机构，让刀具的尖端运动到Xt、Yt，对刀完成。
步骤(6)，重新Z向对刀：
在步骤(5)的位置下，重复步骤(1)，让刀具重新在Z向对刀，得到新的对刀点，将该位置下Z轴编码器位置更新为Zt，此时，刀具的尖端三维坐标为(Xt,Yt,Zt)，对刀完成。
本发明的加工设备相比现有技术突出且有益的技术效果是：
本发明可以通过所集成的力传感器，实时感知刀具与工件之间的接触力/切削力，经过电荷放大器放大，使接触力信号与接触力参考值进行比对，两者差值作为PID控制器输入，PID控制器输出信号驱动Z向滑座移动，控制刀具的尖端与工件之间的接触/切削深度，从而达到控制接触力/切削力保持恒定的目的，并实现接触力/切削力闭环反馈控制。同时，通过采集Z轴编码器的输出，可以在计算机端实时读取Z方向驱动位移。
因此，基于上述过程，当驱动X向/Y向滑座的同时，开启对刀控制***，基于接触力/切削力闭环反馈控制自动驱动Z向滑座移动，可以使刀具尖端如扫描探针一般，沿着X方向/Y方向在工件表面进行跟随扫描，从而通过Z轴编码器输出与X轴/Y轴编码器输出信号，可以得到工件在X方向/Y方向上的表面的形貌，从而达到扫描测量的功能。
基于加工设备自身的接触力/切削力闭环反馈控制功能以及扫描测量功能，其可以实现超精密对刀，无需借助其他仪器，可满足加工范围空间受限，难以安装其他对刀仪器情况下的对刀需求，具有普适性。
同时，简化了对刀的操作流程，大大提高了对刀的自动化程度以及对刀精度。
本发明的方法相比现有技术突出且有益的技术效果是：
本发明对刀方法的对刀自动化程度较高，相比现有技术而言，对刀流程较为简易，操作难度较低。
本发明对刀方法的对刀精度高，基于亚毫牛量级的力检测精度，可以实现纳米量级的超精密对刀精度。
本发明的对刀方法可以在保证刀具与工件接触对刀的同时，将刀具尖端定位到主轴的回转中心点(工件中心偏离主轴回转中心时也满足要求)，从而保证后续以主轴回转中心作为原点的刀具轨迹规划精度。
附图说明
图1是本发明加工设备的结构示意图。
图2是本发明对刀控制***的原理示意图。
图3是本发明在Z向对刀时接触力信号和Z轴编码器输出的坐标图。
图4是本发明在工件端面车圆环的结构示意图。
图5是本发明的加工装置在X向扫描测量时的X向扫描轨迹示意图。
图6是在X向扫描轨迹上的X轴编码器输出以及Z轴编码器输出的坐标图。
图7是本发明的加工装置在Y向扫描测量时的Y向扫描轨迹示意图。
图8是在Y向扫描轨迹上的Y轴编码器输出以及Z轴编码器输出的坐标图。
图中标号所表示的含义：
1-X向驱动机构；2-Y向驱动机构；3-Z向驱动机构；4-加工装置；5-力传感器；6-刀具；7-工件；8-主轴；9-圆环车削痕迹；10-X向扫描轨迹；11-Y向扫描轨迹。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种集成力传感器的加工设备，包括机架、主轴8、加工装置4、刀具6、三轴驱动装置、位置传输装置以及对刀控制***。
机架的一侧安装有用于驱动工件7转动的主轴8，所述主轴8内安装有输出转动位置的旋转编码器，主轴8的端部设置有装夹工件7的夹具。所述机架的一侧安装有加工装置4，在靠近所述夹具的所述加工装置4一侧设有刀具6，所述刀具6为金刚石刀具6，用于所述工件7的超精密切削。其中，所述加工装置4可以是快速刀具伺服、慢速刀具伺服等超精密切削加工中常用的加工装置4。
所述三轴驱动装置包括X向驱动机构1、Y向驱动机构2以及Z向驱动机构3，其分别控制所述工件7或者所述刀具6沿X/Y/Z向运动，其中，Z向为所述主轴8的轴线方向，X向为所述主轴8的前后方向，Y向为所述主轴8的上下方向。
具体地，所述X向驱动机构1包括X向滑座以及X向滑座驱动器，X向滑座驱动器用于控制所述X向滑座的X向移动；所述Y向驱动机构2包括Y向滑座以及Y向滑座驱动器，Y向滑座驱动器用于控制所述Y向滑座的Y向移动；所述Z向驱动机构3包括Z向滑座以及Z向滑座驱动器，Z向滑座驱动器用于控制所述Z向滑座的Z向移动。
所述位置传输装置包括安装在所述X向滑座上的X轴编码器、安装在所述Y向滑座上的Y轴编码器以及安装在所述Z向滑座上的Z轴编码器，其用于分别输出所述工件7或者所述刀具6的X/Y/Z向位置。
在本实施例中，所述X向驱动机构1设置在所述主轴8的下方，用于驱动所述主轴8沿X向移动；所述Y向驱动机构2以及Z向驱动机构3设置在所述刀具6的下方，用于驱动所述刀具6沿Y/Z向移动，从而实现单点金刚石超精密切削的加工功能。
另外，本实施例的加工设备除了基于单点金刚石超精密切削的加工功能外，同时还具有接触力/切削力闭环反馈控制功能以及扫描测量功能，具体结构如下：
如图2所示，所述对刀控制***包括力传感器5、电荷放大器以及PID控制器。
所述力传感器5设置在所述刀具6的所述加工装置4之间，用于检测所述刀具6与所述工件7之间的接触力。
所述PID控制器根据接触力的大小，控制所述Z向驱动机构3工作。
所述电荷放大器设置在所述力传感器5和所述PID控制器之间，用于放大接触力信号给所述PID控制器。
其中，PID控制器内设有接触力参考值，接触力参考值即阈值。
当接触力信号小于接触力参考值时，使所述工件7与所述刀具6沿Z向相对靠近。在本实施例中，即PID控制器驱动Z向驱动机构3，使刀具6向靠近工件7的Z向移动。
当接触力信号等于接触力参考值时，使所述工件7与所述刀具6沿Z向相对静止。在本实施例中，即Z向驱动机构3停止工作，使刀具6和工件7的Z向位置保持不变。
当接触力信号大于接触力参考值时，使所述工件7与所述刀具6沿Z向相对远离。在本实施例中，即PID控制器驱动Z向驱动机构3，使刀具6向远离工件7的Z向移动。
具体地，开启对刀控制***，本发明就可以通过所集成的力传感器5，实时感知刀具6与工件7之间的接触力/切削力(工件7和刀具6的作用力在对刀时称之为接触力，在切削时称之为切削力)，经过电荷放大器放大，使接触力信号与接触力参考值进行比对，两者差值作为PID控制器输入，PID控制器输出信号驱动Z向滑座移动，控制刀具6的尖端与工件7之间的接触/切削深度，从而达到控制接触力/切削力保持恒定的目的，并实现接触力/切削力闭环反馈控制。
同时，通过采集Z轴编码器的输出，可以在计算机端实时读取Z方向驱动位移。
因此，基于上述过程，当驱动X向/Y向滑座的同时，开启对刀控制***，基于接触力/切削力闭环反馈控制自动驱动Z向滑座移动，可以使刀具6尖端如扫描探针一般，沿着X方向/Y方向在工件7表面进行跟随扫描，从而通过Z轴编码器输出与X轴/Y轴编码器输出信号，可以得到工件7在X方向/Y方向上的表面的形貌，从而达到扫描测量的功能。
基于加工设备自身的接触力/切削力闭环反馈控制功能以及扫描测量功能，其可以实现超精密对刀，无需借助其他仪器，可满足加工范围空间受限，难以安装其他对刀仪器情况下的对刀需求，具有普适性。
同时，简化了对刀的操作流程，大大提高了对刀的自动化程度以及对刀精度。
一种超精密切削对刀方法，用于将刀具6尖端准确定位到工件7端面的回转中心，该方法基于上述的集成力传感器的加工设备，其包括以下步骤：
步骤(1)，Z向对刀：
如图3所示，在主轴8上装夹工件7，此时，刀具6远离工件7。
开启对刀控制***，起初，由于刀具6未能与工件7接触，没有作用力作用在刀具6尖端，接触力信号小于接触力参考值，因此PID控制器控制Z向驱动机构3移动，使所述刀具6沿Z向做步进运动，并靠近主轴8；
当接触力信号等于接触力参考值时，刀具6停止Z向运动，完成Z向对刀，并记录此时的Z轴编码器位置Zt。
步骤(2)，工件7端面车圆环：
如图4所示，完成Z向对刀后，保持刀具6静止，驱动所述主轴8，控制所述工件7回转，刀具6在工件7的端面留下圆环车削痕迹9，此时，该圆环车削痕迹9的中心即为工件7回转中心。
步骤(3)，X向对刀：
如图5所示，驱动X向驱动机构1，让所述刀具6相对所述工件7所在的位置做X向运动；
同时，开启对刀控制***，使刀具6与工件7之间的接触力大小保持恒定，从而实现刀具6沿着工件7端面轮廓移动；
如图6所示，通过X轴编码器、Z轴编码器输出即可得到工件7在X向扫描轨迹10处的面型特征，所述圆环车削痕迹9会在X向扫描轨迹10中留有两个明显的凸起特征，所述凸起特征的峰值点在X向的坐标记为X1和X2，然后，计算所述工件7回转中心的X向坐标为
扫描完成后驱动X、Z向滑座，使工件7与刀具6相对位置回到扫描前所在位置。
步骤(4)，Y向对刀；
如图7所示，驱动Y向驱动机构2，让所述刀具6相对所述工件7所在的位置做Y向运动；
同时，开启对刀控制***，使刀具6与工件7之间的接触力大小保持恒定，从而实现刀具6沿着工件7端面轮廓移动；
如图8所示，通过Y轴编码器、Z轴编码器输出即可得到工件7在Y向扫描轨迹11处的面型特征，所述圆环车削痕迹9会在Y向扫描轨迹11中留有两个明显的凸起特征，两个凸起特征的峰值点在Y向的坐标记为Y1和Y2，然后，计算所述工件7回转中心在Y向的坐标为
步骤(5),刀具6移动至工件7回转中心：
根据步骤(3)和步骤(4)中所得到的工件7端面在X向、Y向的坐标，驱动X向驱动机构1、Y向驱动机构2，让刀具6的尖端运动到Xt、Yt，对刀完成。
步骤(6)，重新Z向对刀：
在步骤(5)的位置下，重复步骤(1)，让刀具6重新在Z向对刀，得到新的对刀点，将该位置下Z轴编码器位置更新为Zt，此时，刀具6的尖端三维坐标为(Xt,Yt,Zt)，对刀完成。
本方法的优点有：
1、对刀自动化程度较高，相比现有技术而言，对刀流程较为简易，操作难度较低。
2、对刀精度高，基于亚毫牛量级的力检测精度，可以实现纳米量级的超精密对刀精度。
3、本发明所述方法可以在保证刀具与工件接触对刀的同时，将刀具尖端定位到主轴的回转中心点(工件中心偏离主轴回转中心时也满足要求)，从而保证后续以主轴回转中心作为原点的刀具轨迹规划精度。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种集成力传感器的加工设备，其特征在于，包括：
主轴，用于驱动工件转动；
刀具，设置在所述主轴的一侧，用于加工所述工件；
三轴驱动装置，包括X向驱动机构、Y向驱动机构以及Z向驱动机构，其分别控制所述工件或者所述刀具沿X/Y/Z向运动，其中，Z向为所述主轴的轴线方向；
位置传输装置，用于分别输出所述工件或者所述刀具的X/Y/Z向位置；以及
对刀控制***，其包括：
力传感器，设置在所述刀具上，用于检测所述刀具与所述工件之间的接触力；以及
PID控制器，根据接触力的大小，控制所述Z向驱动机构工作。
2.根据权利要求1所述的一种集成力传感器的加工设备，其特征在于：其中，所述位置传输装置包括安装在所述X向驱动机构上的X轴编码器、安装在所述Y向驱动机构上的Y轴编码器以及安装在所述Z向驱动机构上的Z轴编码器。
3.根据权利要求2所述的一种集成力传感器的加工设备，其特征在于：其中，所述X向驱动机构设置在所述主轴的下方，用于驱动所述主轴沿X向移动；
所述Y向驱动机构以及Z向驱动机构设置在所述刀具的下方，用于驱动所述刀具沿Y/Z向移动。
4.根据权利要求2所述的一种集成力传感器的加工设备，其特征在于：其中，所述主轴内安装有旋转编码器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种集成力传感器的加工设备，其特征在于：其中，所述刀具为金刚石刀具。
6.根据权利要求5所述的一种集成力传感器的加工设备，其特征在于：其中，所述对刀控制***还包括：
电荷放大器，设置在所述力传感器和所述PID控制器之间，用于放大接触力信号给所述PID控制器；
其中，PID控制器内设有接触力参考值，
当接触力信号小于接触力参考值时，使所述工件与所述刀具沿Z向相对靠近；
当接触力信号等于接触力参考值时，使所述工件与所述刀具沿Z向相对静止；
当接触力信号大于接触力参考值时，使所述工件与所述刀具沿Z向相对远离。
7.一种超精密切削对刀方法，用于将刀具尖端定位到工件端面的回转中心，其特征在于，该方法基于权利要求1-6任一项所述的集成力传感器的加工设备，其包括以下步骤：
步骤(1)，Z向对刀：
开启对刀控制***，通过控制Z向驱动机构，使所述刀具沿Z向做步进运动；当接触力信号等于接触力参考值时，刀具停止Z向运动，完成Z向对刀，并记录此时的Z轴编码器位置Zt；
步骤(2)，工件端面车圆环：
完成Z向对刀后，保持刀具静止，驱动所述主轴，控制所述工件回转，刀具在工件的端面留下圆环车削痕迹，此时，该圆环车削痕迹的中心即为工件回转中心；
步骤(3)，X向对刀：
驱动X向驱动机构，让所述刀具相对所述工件所在的位置做X向运动；
同时，开启对刀控制***，使刀具与工件之间的接触力大小保持恒定，从而实现刀具沿着工件端面轮廓移动；
通过X轴编码器、Z轴编码器输出即可得到工件在X向扫描轨迹处的面型特征，所述圆环车削痕迹会在X向扫描轨迹中留有两个明显的凸起特征，所述凸起特征的峰值点在X向的坐标记为X1和X2，然后，计算所述工件回转中心的X向坐标为
步骤(4)，Y向对刀；
驱动Y向驱动机构，让所述刀具相对所述工件所在的位置做Y向运动；
同时，开启对刀控制***，使刀具与工件之间的接触力大小保持恒定，从而实现刀具沿着工件端面轮廓移动；
通过Y轴编码器、Z轴编码器输出即可得到工件在Y向扫描轨迹处的面型特征，所述圆环车削痕迹会在Y向扫描轨迹中留有两个明显的凸起特征，两个凸起特征的峰值点在Y向的坐标记为Y1和Y2，然后，计算所述工件回转中心在Y向的坐标为
步骤(5),刀具移动至工件回转中心：
根据步骤(3)和步骤(4)中所得到的工件端面在X向、Y向的坐标，驱动X向驱动机构、Y向驱动机构，让刀具的尖端运动到Xt、Yt，对刀完成。
8.根据权利要求7所述的一种超精密切削对刀方法，其特征在于，还包括：
步骤(6)，重新Z向对刀：
在步骤(5)的位置下，重复步骤(1)，让刀具重新在Z向对刀，得到新的对刀点，将该位置下Z轴编码器位置更新为Zt，此时，刀具的尖端三维坐标为(Xt,Yt,Zt)，对刀完成。
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