30000字硕士毕业论文自由曲面切屑载荷约束离轴车削刀具轨迹生成分析

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：30000字

论点：曲面,加工,车削

论文概述：

本文针对消除回转中心误差和批量加工大离轴量自由曲面，提出了对工件进行偏心装夹的离轴加工方式，并且为了改善离轴车削加工表面质量提出恒定切屑载荷的刀具路径生成算法。并运用 m

论文正文：

第1章导言

1.1 研究背景及意义自由曲面[1-4]与传统回转对称曲面所构成的光学元件相比，具有高成像质量，结构小型化，低重量，低成本等优点。在航天航空、国防、科学仪器、数码产品等地方[5,6]，自由曲面光学元件已经成为光电及通讯产品的关键零部件。例如：在精确制导武器中，使用自由曲面整流罩替换传统整流罩，使其与弹体形状保持一致，使导弹更符合空气动力学，从而减少导弹飞行过程阻力，达到隐身的目的。头盔显示器设计中，采用自由曲面棱镜来替换传统目镜结构，可以有效的改善其系统视场、体积和重量的等多方面特性。在民用领域，激光打印机等采用自由曲面透镜可以有效的减少透镜面积，在节省空间的同时，提高了分辨率。汽车的前大灯设计上，使用自由曲面可以有效的提高反光镜效率，同时使汽车线条更加美观。虽然自由曲面与回转对称曲面相比在光学产业应用中具有突出的优点，但是由于自由曲面的加工和制造的困难，较大程度上限制了自由曲面光学元件的广泛应用。现有光学自由曲面创成方法包括：（1）复制成形，这种方法获得加工精度与使用的模具精度有关，需要制造出高精度的模具。对于大批量加工光学自由曲面来说具有较高的重复精度和低成本的特点。（2）磨削/研磨/抛光：应用广泛技术成熟，尤其是在加工高精度大尺寸光学自由曲面中使用广泛。但是由于加工不同曲面使用不同研磨盘，而导致生产周期长，成本高等缺点。（3）离子束加工：以原子和分子级去除材料，采用非接触式创成方法。避免了刀具磨损等缺点，可以对面形误差进行修正获得较高的加工表面，可以对大型零件进行较好修正加工，但需要真空设备和运动机构较为昂贵。随着超精密技术的快速发展，单点金刚石车削[5,10-17]可用于自由曲面光学元件的加工制造，这种加工方式使自由曲面光学元件的加工成本得到了大幅度的降低。特别利用刀具快速伺服或溜板慢速伺服的金刚石车削被认为是一种十分有发展前途的光学自由曲面加工方法，受到制造业高度重视。慢速溜板伺服（S3），是一种三轴联动车削。在对自由曲面进行车削加工时，实现 x 轴、z 轴、主轴 c 轴联动[18]。这种加工方法可以获得较高面形精度和表面质量，可以加工大曲率复杂曲面。但 S3 对系统设备要求高，因此在光学曲面加工应用中不能得到广泛的使用。快速刀具伺服(fast tool servo，FTS)即让刀具相对工件的待加工表面作快速高精密往复运动。车削过程中，刀具在 FTS 的驱动下，沿着工件径向或轴向做往复进给运动，其往复运动的频率依赖于主轴的回转速度和工件上待加工表面回转不对称特征。基于 FTS 的金刚石车削可以重复加工具有复杂形状的自由曲面光学元件，并且一次加工即可获得高加工精度和低表面粗糙度。实现了光学自由曲面高效率、低成本加工[19]。FTS 原型最早出现在 20 世纪 80 年代，美国劳伦斯?利弗莫尔国家实验室(LLNL)研制的大型光学金刚石车床 LODTM 的过程中。当时 Patterson 等人研制出一种的刀具微进给系统，系统利用压电陶瓷产生微小长度变化，通过弹性形变机构推动刀架运动部件沿工件轴向移动，从而实现刀具的微位移进给[20-24]。快速伺服刀架是 FTS 的核心机构，一般通过柔性铰链的弹性变形使刀具沿着轴向或径向产生位移，快速伺服刀架的的基本性能对FTS的性能起着决定性作用。功率放大器接受来自伺服控制器模拟信号并将其放大，驱动刀架输出位移。位移传感器检测刀具的实际位移，并通过 A/D 转换后传给主控计算机，从而实现闭环控制。根据伺服刀架的工作方式不同 FTS 可以分为：压电陶瓷型 FTS、磁致伸缩型FTS、洛仑兹力型及麦克斯韦型 FTS。音圈电机 FTS 作为洛仑兹力型 FTS 一种，具有大行程，高频率，原理简单等优点。有效行程一般在毫米级，少数可以达到厘米级，最高工作频率可以达到几百赫兹。主要采用空气导轨做导向机构，少数采用柔性铰链[21,25-28]。
 第 2 章 离轴车削中约束切屑载荷刀具路径生成
 2.1 刀具选择圆弧刃可以加工各种形状工件，多用于加工各种复杂曲面，直线刃又称修光刃主要用于加工简单的形状规则的工件，例如平面，柱面，锥面。圆弧刃刀具按照后刀面的形状可以分为，圆柱面型和圆锥面型。其中圆锥面型刀具刀尖圆弧是真正的圆弧，在不同刀尖位置刀具后角保持不变。圆柱形后刀面的刀尖圆弧为椭圆弧，刀尖圆弧越往两侧刀具的后角越小。圆弧刃刀具具有一定的波纹度，根据切削原理，刀具的波纹度加工过程中会复映到加工表面，影响加工表面质量。由于圆锥后刀面刀具相对于圆柱后刀面具有较小的波纹度，同时由于圆锥后刀面刀具的后角保持变，在加工光学自由面时，由于曲面曲率变化较大，选择固定的后角更有利于防止刀具干涉破环已加工表面。综上考虑选择圆锥后刀面刀具更有利于光学自由曲面的车削加工[45]。
 第 3 章 自由曲面离轴车削的仿真及分析.............173.1 FTS 静态刚度分析 ...............173.2 切削仿真方法 .............. 173.3 瞬态切屑载荷的仿真算法 ....................203.4 表面形貌的评价 ................ 203.5 仿真实例分析 ............. 223.6 本章小结 .....................47第 4 章 自由曲面车削加工实验.................494.1 实验设备与仪器 ...................494.2 车削实验 ..................504.3 表面测试分析.................52第 5 章 结论与展望.................555.1 工作总结..............555.2 工作展望..............56
 总结
 本文针对消除回转中心误差和批量加工大离轴量自由曲面，提出了对工件进行偏心装夹的离轴加工方式，并且为了改善离轴车削加工表面质量提出恒定切屑载荷的刀具路径生成算法。并运用 matlab 进行离轴约束切屑载荷车削仿真，并运用二维小波分析的方法对仿真生成的三维表面形貌进行了评价。用 PMAC 控制器，两自由度 FTS，数控车床等进行了离轴约束切屑载荷车削实验，并运用奥林巴斯显微镜进行了加工表面粗糙度的测定与分析。本文总结如下：(1)本文建立了以主轴为中心的笛卡尔主坐标系，以刀具圆弧圆点为中心的笛卡尔副坐标系。在两个坐标系下实现了刀位点和刀触点的计算方法，刀具前角不为零瞬态切屑载荷的计算方法。提出了离轴车削中约束切屑载荷刀具路径的生成算法。(2)在极坐标框架下建立了一种对工件进行网格化的加工表面形貌生成方法。在所建立的加工表面形貌生成方法中，考虑了 FTS 弱刚度对加工误差的影响。利用 Matlab 实现了自由曲面离轴车削的仿真。并对仿真生成三维表面形貌进行二维小波分析。(3)完成了基于两自由度 FTS 的车削实验。实现了采用不同离轴量的车削方式完成了对四个环曲面的同时加工。采用同一离轴量的车削方式的一次装夹一次走刀加工四个环曲面。用激光显微镜对车削生成表面进行测试，分析不同离轴量加工工件的表面质量，并且进行对比分析。
 参考文献：[1] 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[J]. 红外与激光工程, 2010 39(1) 111-115. 李全胜, 成晔, 张伯鹏, 冯之敬. 光学自由曲面数控加工方法[J]. 光学技术,1998,11(6)：77-81. 蔺超.金刚石车削非回转对称光学白由曲面的刀具轨迹规划的研究[D].吉林大学硕士学位论文,2009. 杨辉.光学自由曲面的先进制造技术[C].提高全民科学素质、建设创新型国家一 2006 中国科协年会论文集(下册),2006:86-94. . RIES H. Tailored freeform optical surfaces. 2002 Optical Society of America [C],2002,19(3):590-595. Brinksmeier, E.D. Grimme, W. Preuss. Generation of freeform surfaces by diamondmachining. 2002[C].[7] 杜雪,王尔祺, 李荣彬,张志辉. 自由曲面光学透镜注射成型误差因素研究 [J].应用光学,2007.11, 28(6):684-688.[8] Bingham, R.G., et al. Novel automated process for aspheric surfaces. 2000[C].[9] 周林,戴一帆,解旭辉,焦长君,李圣怡, 光学镜面离子束加工的可达性[J]. 光学精密工程,2007 15(2) 161-166. Gao, W., et al., Measurement and compensation of error motions of a diamond turningmachine. Precision engineering[J], 2007. 31(3): p. 310-316.