多轴精密数控系统关键技术的研究与开发

自由曲面光学元件具有优良的光学性能,能有效简化结构,提高光学系统可靠性,在测量,航天,军事等领域有着广泛的需求.随着光学技术的发展,光学自由曲面需要更高的轮廓精度和表面质量,而传统的数控加工技术已无法满足精密零部件和精密光学的需求.为了提高精密加工的效率和质量,研究高精度的光学自由曲面加工方法,实现高性能的精密数控系统和设备势在必行. 本课题基于五轴自由曲面机床的机械平台,围绕多轴精密数控系统的软硬件架构设计,设备通信,I/O管理,大型程序处理和控制以及精密数控程序自动生成等关键技术进行研究和开发. 针对系统硬件架构,分析了精密自由曲面的加工要求和机床平台的特性,采用主从结构,分别为工控机,顺序控制模块,运动控制模块和控制面板进行选型和设计. 针对系统软件架构,分别从系统组织结构,设计元素,任务管理策略,数据存储方案和人机界面五个方面进行研究,并基于线程控制,提出了一种采用事件队列实现任务管理的策略.同时,通过动态绑定的机制,实现人机界面的管理. 针对PLC的通信协议以及其半双工通信方式的特点,开发出相应的通信程序.根据控制面板的实际工作特点和汉明码的编码译码原理,制定了相应的通信协议和通信机制.同时,提出了一种分配管理器集中控制方法,实现I/O的分配管理和控制. 针对内存不足导致大型数控程序难以显示和编辑的问题,设计了一种三页切换机制,并将其进行优化,突破内存瓶颈.同时,提出了预加载和模块化方案,利用A3200软运动控制器的程序控制函数库实现大型加工程序的控制,并对两种方案的优缺点进行了分析和比较. 通过对等间距,等弦长和等误差直线逼近算法的分析,根据旋转对称非球面的数学模型,提出了逐点逼近法,实现旋转对称非球面的自动编程.同时,采取二分查找法,解决了NURBS曲线的反算问题,实现了逐点逼近法在NURBS曲线上的复用.针对NURBS曲线的特点,提出了逐段逼近算法,实现对NURBS曲线的等误差逼近.通过对旋转对称非球面和NURBS曲线进行仿真实验,验证了逐点逼近法和逐段逼近法的可行性. 实际加工实验结果表明,本文研发的多轴精密数控系统性能稳定,可实现精密数控加工.

制造高精度零部件的电化学加工

引言在许多产品的制造生产中,当前的发展趋势是零部件的数量日趋减少(集成化),零部件的尺寸日趋缩小(小型化),而精度要求却越来越高(精密化).与几乎所有的机械加工法和热加工法相比,就集成化和小型化而论,电化学加工有着特别显著的优点.虽然制造工具电极非常复杂,但是在电化学加工中没有损耗,它可用易加工的材料来制造;工件不会承受大的机械负荷;不会产生毛刺,没有能改变工件表面性能的机械现象和热现象发生.电化学加工的一项众所周知的局限性是尺寸控制性能比较差.在电化学加工技术研制方面,"菲利普

基于AFM的纳米加工深度模型及跨尺度结构加工工艺研究

目前,随着纳米科技的快速发展,纳米结构越来越多的应用于纳米光学,纳米流控以及纳米电子学等领域.然而,由于常用的纳米加工技术过于复杂或者过于昂贵,如聚焦离子束刻蚀,激光加工以及纳米压印等,严重制约了纳米结构的加工.因此,如何加工高精度纳米结构是目前面临的一个挑战.1986年发明的原子力显微镜(AFM)最初被设计为一种精密检测设备,通过探针与样品表面之间纳牛级的接触作用力检测样品表面形貌而不损坏被检测样品表面.当探针施加在样品表面的垂直载荷达到一定值时,使样品表面产生塑性变形从而实现纳米级材料的去除.由于具有低成本,操作简单,高精度以及较低环境要求等优势,这种基于AFM纳米机械加工的方法目前被认为是一种简单,可行的纳米级加工技术.但是这种方法还处于初步研究阶段,基于AFM探针刻划的材料去除机理及加工跨尺度纳米结构的工艺方法还有待深入研究,导致目前很难加工出深度可控,大范围的纳米结构.因此针对上述存在的问题,本文从机理,理论以及工艺等方面研究基于AFM纳米机械加工技术,具体研究内容包括如下几个方面:建立了恒力模式下AFM纳米机械加工的分子动力学模型,研究了多次刻划时单晶金属材料去除过程,同时分析了单晶金属材料不同晶向对加工沟槽深度以及形貌的影响规律.采用实验研究的手段,提出了在一维沟槽加工中不同刻划方向施加在样品表面上实际垂直载荷的检测方法,分析了探针刻划方向对材料去除的影响规律.同时,分析了在二维/三维结构加工中,探针进给方向对切屑产生,加工沟槽质量以及加工深度等方面的影响规律,并得到了不同进给方向下探针刻划过程中的切削角度,分析了不同切削角度对材料去除状态的影响规律.建立了适用于金属材料的AFM纳米机械加工单线多次刻划以及二维/三维纳米结构的载荷与加工深度关系的理论模型,在理论模型中将AFM探针简化成带有球形尖端的圆锥形状,并通过实验验证该简化的可行性.同时,建立了适用于聚合物材料单线刻划的载荷与加工深度的理论模型,在模型中考虑了探针形状,刻划时材料堆积高度以及聚合物材料弹性回复等影响因素.通过实验对比了在单线多次刻划中为得到预期加工深度时实验垂直载荷与理论垂直载荷的差异,根据其差异的大小对所建立的单线多次刻划中载荷与深度关系理论模型的进行修正,实现了多次不同垂直载荷下加工深度的预测.分析了二维/三维结构加工中所建立的载荷与加工深度理论模型的适用范围,实现了预期深度三维结构的加工.对于聚合物材料,得到了垂直载荷与刻划速度对弹性回复率和刻划过程中材料堆积高度的影响规律,将其带入到所建立的载荷与加工深度的理论模型中,得到了探针施加在聚合物材料表面的垂直载荷对应的预测加工深度,并与实验加工深度进行对比,验证了所建立的理论模型的可行性.提出了结合探针轨迹运动与工作台移动相结合加工跨尺度微纳结构的新工艺方法.分析了加工工艺参数对所加工沟槽的影响规律并对其进行优选,得到质量良好的毫米尺度沟槽阵列.分析并得到了加工底部带有阶梯结构时探针进给运动与工作台运动速度的匹配关系对加工结构的影响规律,加工了质量良好的底部带有阶梯结构的毫米长度,微米宽度纳米深度的沟槽阵列.提出了基于AFM探针轨迹运动进给量变化的三维纳米结构加工方法,分析得到了该加工工艺中金刚石探针加工结构的极限加工倾斜角度,加工了底部带有典型三维结构的纳米沟槽.建立了将AFM纳米机械加工技术应用在微球表面纳米结构加工中的五轴纳米机械加工装置.提出了针对加工过程中关键问题如微球的调心方法和球心与AFM头回转中心距离检测等问题的解决方案,并在微球不同的三个环带处加工了质量良好的纳米结构.提出了气浮轴系回转精度的检测方法,并分析得到了由于气浮轴系回转精度以及微球偏心所引起的加工位置误差.

离轴非球面SiC反射镜的精密铣磨加工技术

离轴非球面反射镜是高分辨率,大视场空间相机的核心元件,其镜面的形状精度和表面质量要求极高,加工难度很大,一直是光学系统先进制造技术的瓶颈.针对国家对空间大型SiC光学元件制造技术的重大需求,开展以大口径,高陡度,大离轴量和大偏离量为特点的离轴非球面反射镜的精密铣磨加工技术研究.开发非球面反射镜计算机辅助数控编程技术,提出五轴联动斜轴定角度加工方式,建立旋转中心在镜面外的螺旋加工轨迹,避免镜面几何中心处的加工残留.并基于五轴加工中心(型号DMG Ultrasonic 100-5)搭建超声振动辅助铣磨加工平台,以900 mm×660 mm口径离轴非球面SiC反射镜镜坯为加工样件进行工艺试验,加工面形精度峰谷值(Peak to valley,PV)达到18.8μm,方均根值(Root mean square,RMS)达到3.5μm.研究为按照非球面方程高精度铣磨超大尺度精度比离轴非球面反射镜提供了有效的解决方案.

一种应用于精密机械零部件加工的高精度五轴联动机床及控制方法

本发明属于机械加工机床技术领域,具体涉及一种应用于精密机械零部件加工的高精度五轴联动机床及控制方法,其中,一种应用于精密机械零部件加工的高精度五轴联动机床,包括底座;龙门架,安装于所述底座的其中一端;Z轴固定座,沿Y轴滑动安装于所述龙门架顶端,且两侧一体成型有侧支臂,中部开设有安装槽,所述Z轴固定座底面固定安装有支撑板;Z轴立柱;所述底座在所述加工槽内,所述龙门架与所述Z轴固定座之间,所述Z轴固定座与所述Z轴立柱之间均设置有直线驱动组件.本发明能够保证初始定位的准确,以降低加工误差,同时在加工过程中同步清除零件加工产生的碎屑,降低对刀具等工具的影响,进一步提高加工精度.