高速多轴加工技术

高速多轴加工技术（通用7篇）

高速多轴加工技术 篇1

（1）可以一次装夹完成多面多方位加工，从而提高零件的加工精度和加工效率。

（2）由于多轴机床的刀轴可以相对于工件状态，而改变，刀具或工件的姿态角可以随时调整，所以可以加工更加复杂的零件。

（3）由于刀具或工件的姿态角可调，所以可以避免刀具干涉、欠切和过切现象的发生，从而获得更高的切削速度和切削宽度，使切削效率和加工表面质量得以改善。

（4）多轴机床的应用，可以简化刀具形状，从而降低刀具成本。同时还可以改善刀具的长径比，使刀具的刚性、切削速度、进给速度得以大大提高。

（5）在多轴机床上进行加工时，工件夹具较为简单。由于有了坐标转换和倾斜面加工功能，使得有些复杂型面加工，转变为二维平面的加工。由于有了刀具轴控制功能，斜面上孔加工的编程和操作也变得更加方便。

高速多轴加工技术 篇2

“多轴联动高速龙门式加工中心系列产品开发”项目通过验收后, 意味着我国多轴联动高速龙门式加工中心系列产品核心技术完全实现国产化。从此, 新能源、航空航天、汽车制造、国防军工等行业的设备制造将不再受制于国外高档数控机床企业。飞机发动机机匣、大型核电叶片、汽轮机叶片、整体叶轮等复杂工件的加工将完全能由我国自己生产的数控机床完成。

据悉, 该项目总投资近两亿元, 其中国家划拨资金5430万元。2007年, 该项目由大连市科技局组织实施, 大连光洋科技工程有限公司、大连机床集团有限责任公司、大连高金数控集团有限公司和大连理工大学共同承担。

经过4年的产学研合作和技术攻关, 大连市基于该项目建立了从数控系统、功能部件到整机生产完整的高档数控机床技术链和产业链, 开发出光纤总线开放式高档数控系统、直驱式双摆铣头等关键机床部件, 突破了制约高档数控机床发展的数控系统现场总线技术等核心技术, 研制出了6种多轴联动高速龙门式加工中心产品。该项目研究成果还入选了国庆60年成就展和2011年"十一五"国家重大科技成就展, 并获得行业、市场和用户的认可。

此外, 该项目衍生的经济效益也不可估量, 高档数控机床一直都是机床产业附加值最高的产品, 也是我国机床产业的短板, 因为突破了核心技术, 所以仅该系列产品中的一款产品, 在“十二五”末期的产值就将达到十几亿元。

高速多轴加工技术 篇3

摘要：CAXA制造工程师2008是数控加工、模具设计与加工中应用广泛的CAD/CAM软件。该软件与其他软件相比，大幅提高了零件设计与加工的质量和效率。文章介绍了如何应用CAXA制造工程师2008设置叶轮轴中叶片加工的走刀路线，包括加工工艺、操作流程、辅助线设计等，同时文章阐述了CAXA制造工程师2008的特点、刀具路径设计流程及优势。

关键词：CAXA制造工程师2008；叶片；刀具路径；流程；辅助线

中图分类号：TG386 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）05-0025-03

随着现代装备制造业的快速发展，零件的形状变得更加复杂，零件加工的效率要求越来越高，高速、高效加工的重要性欲显突出，作为当今先进加工技术——多轴加工技术在机械加工技术领域中的作用越来越重要。多轴加工与一般的三坐标（X、Y、Z）铣削加工和普通的两坐标（X、Z）车削加工不同，不仅要计算出加工位置的坐标点数据，而且还得计算出坐标点上的矢量方向数据，这个矢量方向在数控加工中通常称为刀具的刀轴方向，计算刀轴矢量数据方向对所有编程者来说都是个难题。目前这项工作最高效的解决方法是通过CAD/CAM软件来完成。大多数的CAD/CAM软件都具有坐标、矢量计算能力，比如UG、PROE、powermill、mastercam等，但是这些软件都是按国外人员的思维习惯来设置的，在使用和学习上难度比较大，编程过程中需要考虑的问题较多，参数设置量大，培养熟练操作多轴CAD/CAM软件编程的技术人员成为多轴加工中的一个瓶颈。

基于多轴加工、高速加工在当今制造业中的重要性，作为培养企业高技能人才的地方——高等职业院校应主动适应，在教学中引入多轴加工、高速加工相关知识，在实训教学中选择多轴加工零件作为实训项目，以适应企业的需求。全国数控技能大赛作为职业院校教学教改的方向标，近些年已经把多轴加工作为大赛的比赛方案。本文对“风力驱动器”（2010年全国高职院校技能大赛“复杂部件造型多轴联动编程与加工”样题）中的叶轮轴中叶片的走刀路线进行了设计和研究。

1 CAXA制造工程师2008

CAXA制造工程师软件易学、高效，是一款高效的CAD/CAM软件，它为数控加工提供了从造型、建模、设计到数控加工代码生成、仿真加工、数控加工代码验证等一体化的解决方案，该软件同时也被称为数控机床的“大脑”。CAXA制造工程师软件不仅融合了多轴加工技术以及很多国外高速加工技术，而且它在数控代码的转换和反读方面有非常强的功能，如将FANUC数控代码转换为SIMENS代码、HEIDENHAIN代码、华中数控代码等。

CAXA制造工程师2008新增了多种曲面、特征实体造型手段及2轴到5轴数控加工等重要功能。在基于CAXA制造工程师2006的基础上，CAXA制造工程师2008对原有功能做了提升，尤其是实现手工编程、使用宏程序和转换代码的编程助手模块；针对五轴数控加工模块还新增了曲线加工、五轴侧铣、曲面区域加工、五轴G01钻孔、五轴轨迹转换为四轴轨迹等功能；针对四轴模块增强了铣槽加工功能，更新了四轴加工后置处理，支持360°连续旋转角度；改进了系统的License检测，适应大规模生产场景。CAXA制造工程师2008被全国数控技能大赛组委会指定为第三届全国总决赛软件平台。

2 叶片加工工艺分析

本文研究加工的零件——叶轮轴中的叶片，如图1所示，就是要完成叶片的走刀路线的设计。由于该叶片是拉伸增料造型获得的，所以在加工该叶片时可以在三轴的模式下完成一个叶片的刀路设置，然后在立式四轴联动加工中心中，通过A轴旋转60°完成第二个叶片的加工，再依次类推直到把第六个叶片加工出来。所以叶轮轴中叶片的刀路设置，就转换成在三轴模式下一个叶片的刀具路径设置了。

在加工该零件时，叶片部位已被加工成Φ60的圆柱，使用的机床为四轴联动加工中心（VDF-850D型）；使用的刀具是：粗加工时用Φ8的立铣刀，精加工时用Φ4的球刀。同时应注意的是在刀路设置时应已完成了零件的造型，现在是在造型的基础上应用CAXA制造工程师2008完成叶片走刀路线的设计；设计完后该软件能自动生成数控加工程序，然后导入数控机床完成零件的加工。这里所谓走刀路径也就是走刀路线。为完成叶片的加工，共用到三个刀路设置策略，分别是用“等高线粗加工”开粗，去除毛坯周边余量；然后用曲线式铣槽刀路对叶片侧面进行精加工；最后用曲面区域式加工刀路对叶片根部的圆柱表面进行精加工，其作用如图2所示：

3 叶片的刀路设置

为完成叶片刀具路径的设置，首先要已完成辅助线的设置，为刀路设置提供走刀方向以及为设置加工区域提供图素；其次要设置加工区域，也就是在加工叶片时限定它的加工范围，否则生成的刀路就有可能把相邻叶片切除；这两项设置完后就可以开始进行刀路设置了。整个刀路设置流程如图3所示：

辅助线设计是整个刀路设置过程的重点、核心。这里一共需要设置5条辅助线，如图4所示。第一条辅助线是在叶片的上表面，我们通过选择软件中的“曲面边界线”工具，然后选择叶片上表面，这样在叶片的上边面曲面的周边就自动生成一条辅助线了，第一条辅助线是基础，是为做其他辅助线提供源图素用的。第二条辅助线是在第一条的基础上做一个等距线，使其往外扩张。第二条辅助线是为第二个刀路——曲线式铣槽提供走刀方向的。也就是说在精加工叶片侧面时，刀具的中心将沿着这条曲线一层一层地往下铣削。因为加工时是刀具的侧刃进行加工，所以第一条和第二条辅助线之间距离应该由加工时使用的刀具的半径来确定。

第三条辅助线是在第一条辅助线的基础上做投影线，投影到叶片根部的圆柱表面的。选择软件中的“曲面投影线”工具，然后系统提示选择要投影的线（这里选择辅助线1），然后系统提示选择投影面（这里选择圆柱面），这样软件就能自动生成投影曲线——辅助线3。这条辅助线是在曲面区域式加工时限定加工区域用的。第四、第五条曲线是在第三条的基础上旋转60°获得第四条，旋转

-60°获得第五条，这两条曲线是为做加工区域曲线而准备的。五条辅助线都是有其特定作用的，有的是限定加工范围用的，有的是提供走刀方向用的，有的是提供源图素，做好这五条辅助线是完成刀路设置的前提。

辅助线设计好后还需设计加工区域，给生成的走刀路线限定范围，保证加工叶片时生成的刀路不会切到相邻的叶片。如图5所示，首先在俯视图中，在相邻的两个叶片靠近待加工叶片的一侧画两条样条线，然后画一个矩形将整个圆柱面包围起来，然后通过修剪就能获得加工区域曲线。在设置刀路时，设定加工区域，把刀路限定在加工区域范围，就能保证加工叶片时刀路是安全的，刀具不会干涉到零件的其他部位。

辅助线、加工区域设计好后，就可以设置刀路了。第一个刀路策略是等高线粗加工，该加工模式意思是指加工时一层一层地由外往内进行加工。设置刀路时软件先提示选择加工对象（全选），然后系统提示选择加工区域（选择刚才做的加工区域曲线），把这两个选择后，系统就自动能生成等高线粗加工刀路。第二个刀路策略是曲线式铣槽加工，该加工模式意思是指加工时刀具沿着一条曲线一层一层地由上往下进行挖槽加工。在设置刀路时软件先提示选择“曲线路径”（这里我们选择第二条辅助线），然后系统提示选择“加工对象”，也就是说沿曲线铣槽铣到什么位置（这里选择圆柱面）。把这两个选择后，系统就自动能生成曲线式铣槽刀路。第三个刀路策略是曲面区域式加工，该加工模式意思是指加工时刀具贴着曲面的表面进行加工。在设置刀路时软件先提示选择刀工对象，这里因为是精加工叶片根部的，所以选择叶片根部的圆柱面，然后系统提示选择加工区域（选择之前做的加工区域曲线），最后系统提示选择“岛屿”（不允许加工的区域，这里选择第三条辅助线），把这三项选择后，系统就自动能生成曲面区域式加工刀路。刀路设置操作如图6所示。

4 结语

作为具有卓越工艺性能的优秀三维设计与制造软件——CAXA制造工程师2008在数控加工中能够提供曲面和实体的3D造型、模具设计功能，并且具有高效的数控自动编程手段和强大的数据接口功能，在现代制造领域有非常广泛的应用。随着CAXA制造工程师的广泛应用，其数控加工功能将得到进一步拓展，同时将变得更加可靠。

本文介绍了在CAXA制造工程师中如何完成叶轮轴中的叶片的走刀路线的设置。该方法实现了用三轴软件完成对多轴零件的刀路设置。该方法简便、适用，加工出的零件能达到设计要求。对于一些特殊的叶轮叶片加工，我们完全可以运用三轴加工方式来解决。CAXA制造工程师多样化的加工方式可以安排从粗加工、半精加工到精加工的加工工艺路线理念；对于四轴加工零件提供了曲线加工、平切面加工、参数线加工、侧刃铣削加工等，使加工更加简便、更有效率。

参考文献

[1] 邵树锋.基于CAXA制造工程师2008多轴加工研究

[J].中国集体经济，2012，（3）.

[2] 杨成.基于CAXA制造工程师2008的旋钮型腔模的加工[J].考试周刊，2011，（29）.

[3] 陈艳艳，谢玉彬.基于CAXA制造工程师的叶轮三轴加工[J].制造业信息化，2012，（2）.

[4] 崔彦彬，姚志岗.基于Pro/E、Fluent软件的风机叶片造型及分析[J].煤矿机械，2009，（2）.

基金项目：本项目获得北京市优秀人才培养资助

作者简介：曹著明（1981-），福建宁化人，北京电子科技职业学院讲师，研究方向：数控加工技术。

高速多轴加工技术 篇4

CAD/CAM技术在国内众多企业已有广泛的应用,并具备相对较高的`应用水平,而提高CAD/cAM更深层次的应用将更多地依赖软件提供的技术以及软件新的功能来进行真正意义的高速高效加工.

作 者：翟万略 Zhai Wanlue 作者单位：英国Delcam(中国)有限公司刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY年，卷(期)：2008“”(14)分类号：V2关键词：

★ 机床实习报告

★ Gating技术与汉语听觉词汇加工

★ 机床场实习报告

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高速多轴加工技术 篇5

1.1 UG简介

Unigraphics (简称UG) 起源于美国麦克唐纳.道格拉斯飞机公司。以CAD/CAM/CAE一体化而著称于世界。1991年11月并入美国通用汽车公司EDS分部, 该软件以世界一流集成化设汁广泛用于通用机械、模具、汽车及航空航天领域。是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的C A I D/C A D/CAE/CAM高端软件。多年来, 世界各国的制造商们一直在探索更好的方法去使用计算机辅助技术自动化产品开发过程, 更快地递交产品到市场;使复杂产品的设计简化;减少产品成本和增加企业的竞争实力。为此必需捕捉和应用最新的技术, 这就是UG。

1.2 CAD/CAM概述

数控编程经历了手工编程、AH语言编程和交互式图形编程3个阶段。交互式图形编程就是通常所说的C A M软件编程。由于CAM软件自动编程具有速度快、精度高、直观性好、使用简便、便于检查和修改等优点, 已成为目前国内外数控加工中普遍采用的数控编程方法。数控编程的核心是刀位点计算。对于复杂的产品, 其数控加工刀位点的人工计算十分困难, 而CAD技术的发展为解决这一问题提供了有力的工具。利用CAD技术生成的产品三维造型包含了数控编程所需要的完整的产品表面几何信息, 而计算机软件可针对这些几何信息进行数控加工刀位的自动计算。因此, 绝大多数的数控编程软件同时具备C A D的功能。

1.3 UG CAM的作用和地位

UG是当今世界上最先进的高端CAD/CAM/CAE/CAID软件, 其各大功能高度集成。UGCAM就是UG的计算机辅助制造模块, 与UG的CAD模块紧密地集成在一起。在当今世界, 属于最好的数控编程工具之一。

一方面U GC A M功能强大, 可以实现对极其复杂零件和特别零件的加工;另一方面对使用者而言, UGCAM又是一个易于使用的编程工具。因此, UG CAM应当是相关企业和工程师的首选。

2 UG CAM的多轴铣削

2.1 可变轴曲面轮廓铣 (Variable Contour)

可变轴曲面轮廓铣是以五轴方式针对比固定轴曲面轮廓铣所加工的零件更为复杂的零件表面做半精加工和精加工。

根据不同的零件结构特点来确定工件的加工方法, 对于工件曲面曲率变化不大的加工表面一般采用刀轴垂直于要加工的曲面。UG中对于曲面加工可由刀轴定义和加工表面定义。

2.2 顺序铣 (Sequential Mill)

顺序铣以三轴或五轴方式实现对特别零件的精加工。其原理是以铣刀的侧刃加工零件侧壁, 端刃加工零件的底面。

2.3 叶轮模块

UG NX7.5最大的亮点就是新增加的叶轮模块, 叶轮是机械加工中较难加工的工件, 复杂的刀片、刀毂和流道, 给编程增加了很多的难点, 而UG中叶轮模块的出现解决了这个问题。方便快捷的界面无形中提高了效率。

为要加工的叶轮, 利用UG叶轮模块建立叶轮的加工程序, 其中包括流道的粗加工 (完全的五轴开粗) , 叶片的精加工, 流道的精加工等。

流道的粗加工, 相对于以前的版本, 叶轮模块完全的五轴开粗加工, 减少了不必要的刀路, 提高了加工的效率, 同时也给精加工留下了均匀的余量, 有利于精加工时提高加工表面的加工质量, 同时通过加工层的设置, 也可以有效的控制切削深度, 避免了流道上下余量不均匀时走空刀或吃刀过深的缺点。

叶片的精加工和流道的精加工。U G NX 7.5中叶轮模块的叶片精加工和流道精加工使用的几何体和坐标系都是在粗加工基础上的, 也就是承继了粗加工的一些几何要素, 在粗加工时这个几何体就已经建立, 所以在编写精加工程序时减少了很多的不必要的麻烦。

3 UG CAM软件功能

3.1 加工程序的仿真

在U G中加工的仿真是以图形的方式直观、逼真地模拟加工过程, 以检验所编制的NC程序是否存在问题。仿真的过程中可以生成下一工序所需要的毛坯, 通过对工件的对比还可以检查是否存在干涉, 过切等现象。仿真的过程还可以模拟出工件的加工时间等。

3.2 加工程序的后处理

CAD/CAM软件计算出的刀轨包含了大量刀位点的坐标值, 后处理的作用就是将这些刀位点坐标值按标准的格式“填写”到数控程序中, 得到程序主体内容。它实际上是一个文字处理过程。这个转换的过程也就是将机床不能识别的点位文件转换成机床识别的文件, 如ISO标准的G代码, 海德汉的H文件等。

3.3 工艺文件的输出

机床操作人员所需要的工艺信息 (如程序名称、加工次序刀具参数等) 编写成标准、规范的文档。它对保证编程人员与机床操作人员的配合, 避免失误有重要的作用。

参考文献

[1]张洪江, 侯书林.数控机床与编程[M].北京大学出版社, 2009.

[2]周宏甫.数控技术[M].华南理工大学出版社, 2003.

高速多轴加工技术 篇6

关键词 高速切削 加工技术关键技术应用研究

前言

近几年来，我国经济发展迅速，各种新科学、新技术、新工艺层出不穷，应用于生产生活的方方面面，极大的促进了我国国民经济的发展以及人民生活水平的提高。数控高速切削加工技术便是其中一种，它是目前状况下能够有效提高加工效率以及加工质量的先进制造技术之一，国内外有诸多的学者着力于这一技术的研究，并取得了不小的突破。而就我国而言，我国是一个制造大国，但我国所接受的产业转移，目前仍然以中后段较多，这对我国制造业的发展起到一定的阻碍作用。因此，我们应该充分结合国情，在世界产业的转移中，要占据主动地位，接受前端产业，掌握有效的、先进的核心技术，只有这样，才能促进我国制造业的可持续发展。而数控高速切削加工技术无疑属于前端产业之一。

一、数控高速切削加工的含义

高速切削理论的最先提出者为德国著名物理学家Carl.J.Salomon，他在做了大量试验的基础之上，最终提出了如下结论：保证切削速度处于正常的范围，如果将切削速度进行一定程度的提高，则切削温度也会随之上升，而在这种情况之下，切削工具更易受到高温而发生磨损；但是，这不是绝对的，如果切削速度逐渐提高，并达到一定的值之后，即使切削速度发生很大幅度的提高，切削温度仍然保持原先的状态甚至会出现一定程度的下降。这一发现的意义是巨大的，只要将切削速度提高到一定的值，不仅减少了切削工具的损耗，而且也能够对加工效益进行有效的提高。随着经济的发展以及制造业的进步，这一理论逐渐被用于加工制造业当中，再经过多年的研究、发展与完善，目前状况下，已经形成了系统化较强、较为成熟的数控高速切削加工技术。对于高速切削技术来说，它具有一定的复杂性，结合了多项工艺与技术，主要有机床结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件和软件技术等。

二、数控高速切削加工的优越性

当切削速度提高到一定程度时，既能减少加工工具的损耗，又能提高加工效率以及加工质量，这是数控高速加工的主要特点与优点。除此之外，较之于常规的切削加工，其优越性还体现在如下几个方面：①数控高速切削加工具有较小的切削力。在高速切削加工之中，通过对小切削量、高切削速度的切削方式进行有效的使用，能够使切削力较之于常规的切削发生一定程度上的降低，大约降低30%以上。这样一来，刀具磨损的减轻减小。同时又可以对加工系统的振动进行有效的控制，加工精度得到明显的提高。②材料的切除率高。在采用高速切削的前提之下，无论是切削速度还是跟进速度都得到了较大程度上的提高，而这样一来，在相同的时间内，材料的切除率也明显提高，进而促进了加工效率的提高。③工件的热变形小。在高速切削时，大部分的切削热来不及传给工件就被高速流出的切屑带走，因此加工表面的受热时间短，不会由于温升导致热变形，有利于提高表面精度，加工表面的物理力学性能也比普通加工方法要好。④数控高速切削加工具有绿色环保性。由于在高速切削的条件之下工件的加工时间得到了一定程度上的缩短，进而促进了能源与设备利用率的提高，减少了污染与消耗。

三、数控高速切削技术的应用领域研究

从上文的论述中，我们已经知道数控高速切削技术较之于常规的切削具有较大的优越性，而正是它剧本的优越性与特点，使得它在加工制造领域有着广泛的应用空间。主要表现在如下几个方面：①一般情况下，如果采用传统的切削方法对薄壁类零件以及细长的工件，采用高速切削，切削力明显降低，热量被切削带走，这样可以很好的弥补采用传统方法时由于切削力和切削热的影响而造成其变形的问题，有效提高了加工质量。②由于切削抗力小，刀具磨损减缓，高锰钢、淬硬钢、奥氏体不锈钢、复合材料、耐磨铸铁等用传统方法难以加工的材料，可以研究采用数控高速切削技术来加工。③在汽车、模具、航天航空等制造领域，　一些整体构件需要比较大的材料切除率。由于数控高速切削的进给速度可随切削速度的提高而相应提高，　使得单位时间内的材料切除率大大提高。

四、实现数控高速切削加工的关键技术研究

①高速切削原理：切削速度处于正常的范围，如果将切削速度进行一定程度的提高，则切削温度也会随之上升，而在这种情况之下，切削工具更易受到高温而发生磨损；但是，这不是绝对的，如果切削速度逐渐提高，并达到一定的值之后，即使切削速度发生很大幅度的提高，切削温度仍然保持原先的状态甚至会出现一定程度的下降。除此之外，还有诸多软件、硬件设备等。

②高速切削刀具技术模块，由机床、刀具和工件组成的高速切削加工工艺系统中，刀具是最活跃的因素，切削刀具是保证高速切削加工顺利进行的最关键技术之一。因此，高速切削加工的刀具系统必须具有良好的几何精度和高的装夹复定位精度，装夹钢度。高速运转时保持良好的平衡状态，尽可能减轻刀体质量，以减轻高速旋转时所受到的离心力，满足高速切削的安全性要求，改进刀具的夹紧方式。

五、高速切削技术应用方面研究状况和发展趋势

在国外，如今，欧美等发达国家生产的不同规格的各种超高速机床已经商业化生产并进入市场，在飞机、汽车及模具制造行业实际应用。而在国内，对其的研究逐渐深入，包括切削机理、刀具材料、主轴轴承、等方面，也取得了相当大的成就。然而，与国外工业发达国家相比，仍存在着较大的差距，基本上还处在实验室的研究阶段。为适应社会经济发展需要满足航空航天、汽车、模具等各行业的制造需求，数控高速切削技术应用研究任重道远。

六、结束语

随着经济的发展以及科学技术水平的进步，高速切削技术必然取得更深层次的进步以及更为广泛的应用，国内要加快研究，追上发达国家，促进我国加工制造业的繁荣。

参考文献：

[1]H　.舒尔茨着，高速加工发展概况.王志刚译，机械制造与自动化[J].2002（1）

高速多轴加工技术 篇7

机床在加工的过程中由于机床各零部件本身制造误差、安装误差以及环境变量等影响因素, 使机床产生不可避免的加工误差。目前, 通过提高机床各个部件的制造精度和装配精度来提高超精密机床精度的方法成本较高, 且对环境的要求较高, 不易实现, 而通过建立机床误差模型进行补偿的方法是提高和保证机床加工精度的经济、有效方法。本文针对研制的多轴双光子聚合加工系统运用多体系统理论建立了系统的综合误差模型。

1 多轴双光子聚合加工机床的运动结构及其运动特征

双光子聚合是指物质在强激光作用下, 物质的一个分子同时吸收两个光子后引发的光聚合作用。这一过程主要发生在脉冲激光的超强激光的焦点处, 因此具有很好的空间选择性。而研究表明在双光子聚合作用后产生的三维微元的形状大致呈椭球形, 其长轴的方向与聚焦光束的方向一致。

基于以上理论设计了多轴双光子聚合加工系统, 所设计的多轴双光子聚合加工系统是通过安装在隔振台上可沿X、Y、Z轴方向运动作为加工主运动的3个直线进给单元来调整激光加工的位置, 一个二维振镜系统来调节激光聚焦光束入射的姿态, 并通过一个三维微动台使工件做一个三维往复运动来控制双光子聚合作用的开闭。通过这几个运动单元的相互配合来实现对工件的加工过程, 其整体结构如图1所示。

1.隔振台2.二维转镜系统3.高倍物镜4.X向移动滑台5.Y向移动滑台6.Z向移动滑台7.三维微动台8.液态光刻胶

2 系统的拓扑结构和低序列体阵列

设参考坐标系G为惯性体B0, 选择隔振台为B1体, 因此该机床系统的分支有1-2-3分支和1-4-5-6-7-8分支。其拓扑结构如图2所示, 得到低序列体阵列见表1。

3 系统的特征矩阵

在机床加工过程中几何误差和热变形引起的误差对机床综合误差占主要作用, 而在此机床工作过程中热变形误差主要表现为3个平动轴在x、y、z方向有向原点热漂移误差, 在此机床中热误差为δ4x (T) , δ4y (T) , δ4z (T) , δ5x (T) , δ5y (T) , δ5z (T) , δ6x (T) , δ6y (T) , δ6z (T) , 其中T为环境温度变量。

在此系统中光路系统、二维转镜以及高倍物镜安装误差可忽略, 而三维微动台运动本身运动精度很高, 其运动误差也可忽略。则由机床各体之间的相对位置关系及相对运动之间的关系求出各单元体的特征向量:

其余未标明的特征矩阵均为I4×4, 其中xij、yij、zij分别表示机床各个运动单元体坐标系原点之间的相对位置变化矢量, △x (t) 、△y (t) 、△z (t) 为三维微动台在加工的过程中, 在时间t时的位移量。

4 多轴双光子聚合加工系统的空间误差模型

在此系统加工过程中, 飞秒激光与材料接触发生双光子聚合作用时激光聚焦焦点在材料基体中的位置以及聚焦光束在基体中入射的姿态, 分别影响双光子聚合作用形成的实体化微元在材料基体中的位置和姿态, 故此机床在加工过程中对工件加工质量的主要影响因素包括激光聚焦作用点的位置误差以及聚焦光线相对于被加工基体表面的姿态误差。

当二维振镜系统的两个转镜输入信号分别为θx、θy时, 在理想状态下飞秒激光脉冲经过光路系统传递和高倍物镜聚焦的过程后, 激光聚焦光线始点Pt在高倍物镜体坐标系中的坐标为 , 激光聚焦焦点Ptg在高倍物镜体坐标系中的位置坐标为 。由于二维振镜本身的工作误差, 导致振镜实际转动的角度与理想情况下存在误差。则在有误差的情况下激光聚焦光束始点Pt在物镜体坐标系中的坐标为 , 聚焦形成的焦点P′tg在物镜体坐标系中的位置坐标为 。理想条件下Pt、Ptg在工件体坐标系中的坐标为Ptw、Ptgw, 有误差条件下Pt、Ptg在工件坐标系中的实际坐标为P′tw、P′tgw。则根据多体系统理论可得:

在理想条件下,

在有误差的条件下,

同理可得激光焦点分别在理想情况下和在有误差的情况下在工件体坐标系中的坐标为:

则可以得到激光焦点在工件体坐标系中的位置误差模型为

理想状态和有误差情况下, 激光聚焦光束的方向矢量 在工件体坐标系中分别表现为:

由此可得激光聚焦光束在工件体坐标系中的姿态误差为

根据此误差模型, 将通过激光干涉仪检测出机床的各个直线进给单元的定位精度、直线度等误差数据, 并把通过在二维转镜系统中安装角度传感器检测出转镜的转动误差经过软件分析得到的实际聚焦光束的位姿, 以及由温度传感器得到的环境温度变量, 带入误差模型就可以得到激光聚焦焦点的综合位置误差以及激光光线与被加工表面的综合姿态误差。通过主机在这些测量数值的基础上发出补偿信号, 对运动单元系统控制实现实时补偿, 提高系统的整体加工精度。

5 结语

本文通过多体系统理论结合双光子聚合作用的特点对多轴双光子聚合加工系统进行了综合误差建模。通过这种方法能够简便、快速地得到机床在运动过程中的加工点的位置误差和体元姿态误差, 并通过控制系统对所得的误差进行实时补偿, 从而提高了系统的加工精度, 且这种方法具有低成本、准确快速的优势。

摘要：针对所研制中的一台多轴双光子加工系统, 通过齐次坐标变换建立了激光束焦斑中心与试件期望位置之间的综合误差模型。假定对各个运动轴误差及光路系统的误差服从非平稳概率分布, 考察了各个运动轴误差及光路系统误差对综合误差的影响。为主动补偿多轴双光子聚合加工系统的综合误差、提升多轴双光子聚合加工系统的工作精度提供了依据。

关键词：飞秒激光加工,双光子聚合,综合误差建模

参考文献

[1]刘又午.多体系统动力学[M].天津:天津大学出版社, 1987.

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