自由曲面光學(xué)零件的慢刀與快刀車削技術(shù)分析

萬 飛 楊 帆 楊舜洲 馮宗杰

(國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，湖南長沙 410073)

自由曲面光學(xué)零件的應(yīng)用非常廣泛，且常為關(guān)鍵零件，如某些特殊成像效果的光學(xué)系統(tǒng)只有采用自由曲面光學(xué)零件(如偵察衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)中補(bǔ)償像差的光學(xué)零件)或復(fù)雜微結(jié)構(gòu)(如紅外探測器中的微透鏡陣列)才能夠?qū)崿F(xiàn)［1］。近年來隨著軍用和民用需求的快速發(fā)展，自由曲面光學(xué)零件面形越發(fā)復(fù)雜，落差和局部曲率越來越大，其加工也愈發(fā)困難。

現(xiàn)如今對自由曲面光學(xué)零件最常用的超精加工方式有幾種，如超精密磨削、成形銑削、超精密金剛石車削等［2］。超精密磨削和成形銑削時(shí)砂輪或刀具隨著主軸旋轉(zhuǎn)，工件相對刀具需進(jìn)行三個(gè)或三個(gè)以上方向的進(jìn)給運(yùn)動以切削表面。這兩種方式都可以得到超精密面形，但需要的加工時(shí)間相對較長，加工時(shí)工件的安裝與調(diào)整比較困難，加工面形受到刀具尺寸的影響。而采用天然金剛石為刀具的超精密車削工藝可一次性獲得超精密面形而無需后續(xù)工藝，因此得到了日益廣泛的應(yīng)用和研究。

就自由曲面光學(xué)零件的超精密車削技術(shù)來說，近幾年廣泛研究和發(fā)展的先進(jìn)超精密車削技術(shù)主要有兩種：慢刀伺服(Slow Tool Servo，STS)加工及快刀伺服(Fast Tool Servo，F(xiàn)TS)加工。本文擬對慢刀伺服和快刀伺服這兩種先進(jìn)車削技術(shù)的原理進(jìn)行介紹、分析及比較。

1 慢刀伺服(STS)加工

典型的金剛石車床為T型布局，包括兩個(gè)直線軸(X、Z)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(主軸)，STS加工也包含這樣基本的配置和結(jié)構(gòu)。不同的是，典型金剛石車床對于旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行速度控制，而STS對旋轉(zhuǎn)軸與直線軸均進(jìn)行位置控制，因而旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成了位置可控的C軸。如此一來，X、Z、C三軸在空間構(gòu)成了柱坐標(biāo)系，復(fù)雜面形零件的三維輪廓坐標(biāo)(X，Y，Z)可轉(zhuǎn)化為(R，θ，Z)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜面形零件的車削加工。

STS加工中，工件安裝于C軸，同C軸一起旋轉(zhuǎn)，金剛石刀具固定在Z軸，隨Z軸進(jìn)給。Z軸進(jìn)給量由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)X軸位置R和C軸角度位置θ決定，即有Z=Z(R，θ)。X、Z向運(yùn)動一般由直線電動機(jī)作精密進(jìn)給驅(qū)動，而C軸一般由高精度空氣靜壓軸承電主軸驅(qū)動。為使位置控制的X、Z、C三軸精確協(xié)調(diào)，STS需要配備高編程分辨率的高性能數(shù)控系統(tǒng)，由體現(xiàn)復(fù)雜面形輪廓的數(shù)控程序?qū)λ腥S發(fā)送插補(bǔ)進(jìn)給指令，控制刀具實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜面形零件的車削加工。

圖1為美國Moore公司研制的STS車床及其典型配置，X軸與Z軸成T型布局，金剛石車刀安裝在車床Z軸上，C軸安裝在X軸上，通過X-Z-C軸插補(bǔ)控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面形零件的車削加工。

機(jī)床典型配置：

C軸：高精密空氣靜壓軸承、無刷直流電主軸；

編碼器線數(shù)：20480000脈沖/r；

運(yùn)動精度：軸向：≤25 nm，徑向：≤25 nm；

X、Z 軸行程：200、350、450 mm；

X、Z軸驅(qū)動系統(tǒng)：無刷直流直線電動機(jī)；

傳感器：光柵線位移傳感器；

傳感器分辨率：0.034 nm；

敏感方向直線度：0.3 μm/全長；

數(shù)控系統(tǒng)可編程分辨率：1 nm(進(jìn)給)/0.00001°(旋轉(zhuǎn))。

由于需要多軸插補(bǔ)聯(lián)動，STS更適于加工光滑連續(xù)表面，STS刀架響應(yīng)頻率和主軸轉(zhuǎn)速成簡單線性，其關(guān)系可描述為［3］

式中：Fs為刀架響應(yīng)頻率，Hz；n為主軸轉(zhuǎn)一圈需要進(jìn)刀次數(shù)；N為主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

對于每轉(zhuǎn)需進(jìn)刀兩次、主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min的光滑連續(xù)表面STS加工，需刀架的響應(yīng)頻率為2×500/60即16.67 Hz。從式(1)易知，由于進(jìn)給軸Z軸具有一定的質(zhì)量，其頻率響應(yīng)能力有限(幾十赫茲)，這也限制了主軸轉(zhuǎn)速的提高。一般慢刀伺服其主軸轉(zhuǎn)速限制為每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致加工需時(shí)較長，表面粗糙度值較普通車削時(shí)有所增大［4］。

2 快刀伺服(FTS)加工

用作FTS加工的超精機(jī)床一般也為T型布局，不同的是在FTS加工中，Z方向的進(jìn)給不是由Z軸完成，而是由安裝于Z軸但獨(dú)立于車床數(shù)控系統(tǒng)之外的一套附加裝置——FTS系統(tǒng)來完成，Z軸只用來進(jìn)行初始對刀。FTS系統(tǒng)為可控精密位移裝置，配合主軸的回轉(zhuǎn)與X向進(jìn)給，驅(qū)動刀具在Z向產(chǎn)生高頻響、小行程的精密進(jìn)刀運(yùn)動，從而完成自由曲面光學(xué)零件的精密高效加工。車床數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的數(shù)控程序控制X軸進(jìn)給和C軸旋轉(zhuǎn)，X軸與C軸可以根據(jù)零件加工要求獨(dú)立選擇速度或位置控制模式。FTS與車床數(shù)控系統(tǒng)之間只有單向通訊關(guān)系，F(xiàn)TS系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測主軸角度位置傳感器(如光電碼盤)θ及徑向位置傳感器(如光柵)信號R，實(shí)時(shí)發(fā)出控制量 Z=Z(R，θ)，控制刀具實(shí)時(shí)進(jìn)刀。FTS加工自由曲面光學(xué)零件的原理如圖2所示［4-5］。FTS系統(tǒng)刀架響應(yīng)頻率、跟蹤精度對零件的最終加工質(zhì)量有決定性作用。

由于不需要多軸聯(lián)動，F(xiàn)TS更適于加工不連續(xù)或突變表面，快刀伺服刀架響應(yīng)頻率可描述為［3］：

式中：Ff為刀架響應(yīng)頻率，Hz；Rmax為工件最大半徑；N為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；P為最大圓周上兩次進(jìn)刀所走過的弧長。

對于主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min、直徑10 mm的工件，透鏡間距為1 mm的微透鏡陣列的快刀伺服加工，需刀架的響應(yīng)頻率為(2×π×5×500)/(60×1)即261.67 Hz。

FTS需要實(shí)時(shí)響應(yīng)主軸轉(zhuǎn)角變化以控制進(jìn)刀量，因此FTS刀架的頻響是反映FTS加工能力的最主要指標(biāo)之一。一般都選擇具有高頻響特性的裝置作FTS刀架，如壓電陶瓷器件及音圈式激振器等。FTS加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速也受限于FTS的頻響能力。

3 慢刀伺服與快刀伺服加工比較分析

慢刀伺服加工與快刀伺服加工具有相似的加工動作和機(jī)床結(jié)構(gòu)，都需要獲得精確的主軸轉(zhuǎn)角θ數(shù)值，都能夠?qū)崿F(xiàn)自由曲面光學(xué)零件的車削加工，但兩者也有許多不同之處［6］。

(1)STS需要專門的高編程分辨率的數(shù)控系統(tǒng)以進(jìn)行包括主軸的三軸插補(bǔ)運(yùn)算，需要專用的刀具軌跡生成器和插補(bǔ)算法設(shè)計(jì)；

(2)FTS不一定非得配備專用高精數(shù)控系統(tǒng)，其數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)僅在于對C軸和X軸進(jìn)行平穩(wěn)驅(qū)動，精確的位置信息通過角度傳感器和徑向傳感器感知并由FTS實(shí)時(shí)進(jìn)行采集；FTS模塊及其專有控制系統(tǒng)是獨(dú)立于超精機(jī)床的附加模塊，Z向進(jìn)給由FTS實(shí)現(xiàn)，Z軸只用來初始對刀；

(3)STS需要對X、Z、C三軸進(jìn)行超精密的位置伺服聯(lián)動控制，本質(zhì)上是三軸或四軸聯(lián)動機(jī)床，因此對各軸傳感器的要求極為苛刻，通常需要主軸編碼器達(dá)到數(shù)十萬線，X軸和Z軸的光柵尺具有極高的分辨率，這一定程度上增加了系統(tǒng)成本；FTS加工的核心是FTS伺服模塊，各軸間不存在聯(lián)動關(guān)系，所用傳感器能夠滿足最終面形的精度要求即可；

(4)STS在加工前需要對零件面形進(jìn)行多軸協(xié)調(diào)分析，進(jìn)而確定走刀路徑和刀具補(bǔ)償，以生成最優(yōu)的數(shù)控程序；FTS在加工前需對零件面形進(jìn)行精確計(jì)算，生成能表征零件面形的數(shù)據(jù)文件，精確進(jìn)刀取決于FTS的控制性能；

(5)從切削連續(xù)性說，STS為連續(xù)切削，而FTS在面形突變處則可能包含有斷續(xù)切削；

(6)相對來說，STS運(yùn)動頻響低(幾十赫茲)、行程很大(1～100 mm)，適合加工大型且面形連續(xù)的復(fù)雜面形零件；而FTS模塊運(yùn)動頻響高(一百赫茲以上)、行程較小(500 μm以下)，更適于加工面形突變或不連續(xù)、有限行程內(nèi)的微小結(jié)構(gòu)。

理論上，慢刀伺服可以加工任何復(fù)雜的面形和結(jié)構(gòu)，但對于面形突變的微小結(jié)構(gòu)，勢必要降低主軸轉(zhuǎn)速至很低(如10 r/min以下)，從精度、效率及加工材質(zhì)方面考慮，這實(shí)際上是不可取的。

不難得出結(jié)論：由于實(shí)際進(jìn)刀方式、運(yùn)動頻響、行程和加工對象的較大區(qū)別，慢刀伺服和快刀伺服在控制方式、復(fù)雜面形生成、走刀路徑規(guī)劃、切削機(jī)理及工藝參數(shù)選擇等方面都截然不同?？梢哉f，二者具有相似的成形運(yùn)動，但其實(shí)是具有本質(zhì)區(qū)別的兩種超精密車削工藝。

圖3與圖4是典型慢刀伺服系統(tǒng)可加工零件，表面粗糙度要求較高，面形光滑且整體落差較大，對進(jìn)給軸頻響要求低但進(jìn)給軸的行程需較大。

圖5與圖6是典型快刀伺服系統(tǒng)可加工零件，面形復(fù)雜，局部可能存在不連續(xù)或不光滑曲面，但面形落差較小，對要求伺服刀架具備較高的頻率響應(yīng)能力。

快刀伺服和慢刀伺服作為兩種先進(jìn)車削工藝，隨著自由曲面光學(xué)零件的日益廣泛應(yīng)用而成為研究熱點(diǎn)。美國、新加坡等國外幾家著名超精密機(jī)床公司已有系列產(chǎn)品，如美國Moore公司的Nanotech STS系列，Precitech公司的Nanoform STS系列和FTS500、FTS70、FTS30系列等。國內(nèi)香港理工大學(xué)先進(jìn)光學(xué)制造中心購買了Precitech公司的Nanoform 350超精密機(jī)床和FTS30快刀伺服系統(tǒng)用于光學(xué)自由曲面零件的加工和工藝研究，清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校均對快刀伺服加工開展了相應(yīng)的研究，國防科技大學(xué)對慢刀及快刀伺服加工均開展了研究，但由于起步較晚，目前未見有產(chǎn)品級系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)道。

4 結(jié)語

自由曲面光學(xué)零件的面形復(fù)雜，精度要求很高，加工困難。本文介紹了當(dāng)前自由曲面光學(xué)零件超精密車削加工的兩種先進(jìn)技術(shù)：慢刀伺服及快刀伺服兩種先進(jìn)車削工藝。慢刀伺服對主軸與進(jìn)給軸、Z軸均進(jìn)行位置控制且三軸聯(lián)動插補(bǔ)運(yùn)動，適于加工面形光滑連續(xù)且行程較大的零件；快刀伺服Z軸為獨(dú)立進(jìn)刀裝置，只檢測主軸及X軸的位置而無需聯(lián)動插補(bǔ)運(yùn)動，適于加工行程較小、面形復(fù)雜或具不連續(xù)表面，對伺服刀架的頻響要求較高。本文也分析比較了慢刀及快刀加工在機(jī)床結(jié)構(gòu)、進(jìn)刀方式、伺服特點(diǎn)及加工對象等方面的異同。

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