影响机床去理功能稳定性因素的分析

影响机床去理功能稳定性因素的分析

1仿真与实验分析磁流损失研磨技术是将磁流损失溶液转换为高密度梯度磁体的粘度碱性介质，形成一定形状的“柔性研磨模型”，并去除加工表面的材料。在进行抛光之前首先建立去除函数模型,去除函数模型和驻留时间分布函数沿加工路径的二维卷积就是材料的去除量。作为可控柔体抛光机床,磁流变抛光并不满足“误差复印原理”,而是通过影响去除函数的稳定性和驻留时间的准确实现来影响加工精度。但磁流变抛光机床是实现磁流变加工的主要设备,磁流变机床的几何精度直接影响去除函数的稳定性,去除函数的稳定性直接影响机床的加工能力。提高机床加工精度通常有两种方法,一种是通过提高各个运动轴的运动精度,从而提高整个机床的精度;另一种是误差补偿的方法,通过对已知机床误差补偿从而提高机床的加工精度。但机床的精度不可能无限的提高,而且提高机床的精度需要付出不少的经济代价。而通过测量出机床的各轴误差,仿真分析出其对工件面形精度的影响,再补偿机床的误差来提高机床加工精度是一个经济实用的方法。本文首先实验分析了压深对去除函数确定性的影响,并仿真得出磁流变机床各轴误差对加工精度的影响;然后,测量出机床X、Y和Z三轴的几何精度,仿真出三轴联动时这些误差引起的法线方向误差;最后,实验验证合理的工艺参数可以有效的提高磁流变机床的修形能力。2深基准上压深的变化对加工效果的影响磁流变加工的材料去除量是去除函数和驻留时间相互作用的结果,去除函数的稳定性直接影响机床的加工精度。下面主要通过实验分析工艺参数中不同压深对去除函数的稳定性的影响,在一块直径为100的k9上面采用相同的驻留时间分别以压深0.2mm、0.3mm和0.4mm为基准上下变动10μm和10%制作出15个去除函数,这15个去除函数按去除深度由小到大排列如图1所示。表1反映体积去除率随压深变化的相对变化情况,*标注为基准压深。由表1可知材料的体积去除率随压深的增加而增加,在0.2mm的压深基准上压深上下变动10%时,体积去除率的相对变化率分别为32.4%和35.7%,平均相对变化率34.1%;在0.3mm和0.4mm的压深基准上压深上下变动10%时,体积去除率的平均相对变化率分别为16.7%和10.6%。同样是变化10μm,0.2mm压深的体积去除率平均相对变化率为13.7%,0.3mm压深的体积去除率平均相对变化率为4.9%,而0.4mm压深的体积去除率平均相对变化率为4.2%。在0.2mm压深基准上压深的变化对体积去除效率的影响要比0.3mm和0.4mm大的多;由此可知压深越大,压深的变化对去除函数的稳定性影响越小,从而机床误差在去除函数大压深下对加工精度的影响比小压深要小。磁流变机床几何误差使加工过程中去除函数实际空间位置与理论空间位置产生偏差,影响驻留时间实现的准确性,造成实际加工结果与理论结果有差别。下面仿真机床X、Y和Z方向的误差对机床加工精度的影响。采用表1所示压深0.3mm的去除函数和初始面形为PV=0.332μm,RMS=0.075μm的平面镜进行仿真,如图2所示。由初始面形和去除函数可以反解求出驻留时间的分布,由此得到理想的加工结果为PV=0.0369μm,RMS=0.0041μm,如图3(a)。然后使去除函数在X方向和Y方向产生10μm的定位误差,仿真出的加工结果如图3(b)和如图3(c)所示。最后,仿真Z方向10μm误差对加工结果的影响,由表1可知Z方向10μm的变动引起的去除函数变化率为7.1%,由此得到有误差的去除函数,利用有误差的去除函数和驻留时间仿真出加工结果,如图3(d)所示。综合比较各图可以发现,机床X和Y方向10μm的误差对加工结果影响很小,其PV值基本没有变化,RMS也只变化0.0001μm,而Z方向(对平面镜来说是法线方向)10μm的误差使加工结果的PV值和RMS值分别从PV=0.0369μm,PMS=0.0041μm变化到PV=0.0468μm,RMS=0.0064μm,变化率分别为26.8%和56%,对加工结果影响显著。机床X、Y和Z方向的误差导致加工结果的RMS和PV值变化率的大小见表2;由此可知X、Y轴的误差对加工结果影响很小,即驻留时间实现的准确性对加工影响较小,可以忽略,而Z轴误差影响较大;因此Z轴方向(法线方向)为磁流变机床的敏感方向,是设计机床和制定加工工艺重点考虑的方向。3抛光轮的误差测量实验由以上分析可知,法线方向的误差对机床加工精度影响很大,法线方向为机床的敏感方向,机床加工工件时需要重点考虑法线方向的误差值。下面主要分析机床法线方向误差。为了得到机床的定位精度和直线度误差对法线方向误差的影响,首先采用多体动力学系统理论求出机床的综合误差的数学表达式。如图4,该机床的多轴运动系统的多体系统划分示意图。应用多体系统理论可以得到简化后的各相邻体之间变换矩阵列表,如表3所示,其中TSijijS表示相邻体i,j之间的体间运动矩阵,T表示相邻体i,j之间的体间运动误差矩阵。本文先只考虑直线轴X,Y,Z的精度,各轴的运动误差分别为△x,△y,△z,转动轴的精度设为理想值,误差为零。设抛光轮最低点在坐标系8内的坐标为Pt=P8=(PtxPtyPtz1),则抛光轮最低点在坐标系3(工件设抛光轮最坐标系)内的理想位置为:P1[T01s·T12s·T23s]-1·T04s·T45s·T56s·T67s·T78s·Pt考虑各运动轴的运动误差后,抛光轮最低点在坐标系3(工件坐标系)内的实际位置为:抛光轮偏离理想位置的误差为:P2[T01s·T01SE·T12s·T12se·T23s·T23se]-1·T04s·T04se·T45s·T45se·T56s·T56se·T67s·T67se·T78s·T78se·Tt抛光轮偏离理想位置的误差为:E=P1-P2。然后,利用RenishawXL激光干涉仪测量出实验室研制的五轴联动实验机床KDMRF-1000F的定位精度和直线度。其结果见表4,从表中可以看出机床X、Y和Z轴的直线度都比较好,定位精度稍差些。由上面求得的公式和测量出来的机床精度,利用MATLAB编写程序,对平面镜和球面镜抛光点上的法向方向误差进行仿真分析。采用的口径100的平面镜,网格划分大小1mm,得到的法线方向误差均为-15.31μm,如图5(a);采用的球面镜面参数:口径100mm,顶点曲率半径734.5mm,网格划分大小1mm。得到的结果如图5(b)所示,加工球面镜的法线方向最大误差为21.99μm,最小误差为15.70μm。得到机床加工平面镜和球面镜时机床误差的法向分布情况后,在生成加工程序时使用软件补偿机床的这些误差,通过补偿误差间接提高机床精度,从而可以提高机床的加工精度。4修形抛光实验由以上分析可知,在工艺参数允许的条件下采用大压深和用软件补偿机床误差可以提高机床的加工精度。为了验证以上分析的正确性,下面在KDMRF-1000上对两块直径为100mm,材料为k9,的平面镜进行修形抛光实验,如图6示。图7为采用工艺参数为0.3mm的压深和用软件补偿机床误差进行一次抛光的结果。由于磁流变抛光在抛光工件边缘时,不能够形成完整的去除函数,存在边缘效应。为了充分验证不同压深对误差补偿的能力,需要去除边缘效应,取全口径的95%,即95mm进行对比实验。由图6和图7可知,在初始面形误差的PV值为0.218(λ=632.8nm),RMS值为0.052λ;磁流变一次抛光后面形误差的PV值为0.079λ,RMS值为0.013λ,效果还是比较明显的。实验成功的验证了KDMRF-1000的加工能力和大压深可以有效补偿机床法线方向的误差,为机床的高精度修形提供了指导。5仿真结果对比本文通过实验在不同压深基准下,压深对去除函数稳定性的影响,得到了压深越大,去除函数越稳定的规律,并对机床误差对加工结果的影响进行了仿真,得出法线