轴类零件外圆圆度确定性修形方法与流程

本发明涉及轴类零件外圆表面的超精密加工领域，尤其涉及一种轴类零件外圆圆度确定性修形方法。

背景技术：

航天工业、精密光学、精密仪器、医疗机械等领域的高速发展都需要超精密加工技术的支持。作为超精密加工最重要、最基本的加工设备，超精密机床的需求越来越大。气浮主轴作为超精密机床核心部件之一，具有摩擦阻力小、回转精度高、振动噪音小等优势，在超精密加工和测量领域得到了广泛应用。目前的气浮主轴回转精度可达15～25nm，主轴的轴芯和轴颈处的圆度误差和圆柱度误差是影响主轴回转精度的主要因素。因此，降低主轴加工的圆度误差和圆柱度误差对于提高超精密机床主轴的回转精度非常关键。以precitech公司超精密车床中的sp150芯轴为例，其芯轴的圆度误差在0.1μm级别，圆柱度误差在1μm级别。

目前超高精度轴类零件的加工工艺一般由车削、磨削和手工研磨抛光几个工序组成，其中穿插有各类表面处理。当前主要的机械加工方式都遵循“母性原则”，如要进一步提升轴芯的制造精度，对传统的机床零部件精度要求太高，往往只能通过手工研磨实现。手工研磨是非确定性加工，每一次研磨的去除量都高度依赖于工人的加工经验，加工效率低。将平面和自由曲面确定性修形理论引入到轴类零件修形中，采用砂带振动磨削的方式进行材料去除，通过数控系统控制表面每一个位置的驻留时间实现该位置的定量去除，确定性修正轴类工件的轮廓形状，已经实现了最佳0.25μm圆度的自动化确定性修形，水平可达国产高精密外圆磨床精度。但是由于轴的误差评价方式和传统平面与自由曲面有所不同，去除函数的生成机理也与其他确定性修形去除函数不同。上述轴类零件确定性修形理论还未对面形误差处理方法提供依据，未对砂带研抛去除函数的生成机理和调控手段进行研究，未能实现0.1μm级别的超高精度圆度修形。因此需要在现有的修形方法上进行修改和完善。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种轴类零件外圆圆度确定性修形方法，实现0.1μm级别的超高精度圆度修形。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种轴类零件外圆圆度确定性修形方法，基于修形能力分析控制进行外圆圆度确定性修形包括以下步骤：

1)通过圆柱度仪测量得到待加工轴类零件表面的多截面圆度误差数据；

2)对各圆度误差数据进行形貌特征提取和滤波特征曲线绘制，结合设计要求仿真得到最佳滤波参数的范围t；

3)利用滤波参数的范围t对各圆度误差数据进行滤波处理；

4)对滤波处理后的各圆度误差数据计算得到被加工面形的截止频率和形貌特征；

5)针对被加工面形的截止频率和形貌特征利用去除函数生成算法生成对应的仿真去除函数；

6)利用仿真去除函数进行仿真加工并验证效果，若圆度误差达到要求，进入步骤7)，若圆度误差未达到要求，返回步骤5)；

7)利用去除函数生成算法的加工参数在与待加工轴类零件相同材料和直径的柱面上进行加工，加工后使用圆柱度仪对加工后的表面进行检测，将被加工过区域的测量数据导出并获取实际去除函数；

8)测量提取得到实际去除函数的数据进行仿真加工，若圆度误差达到要求，进入步骤9)，若圆度误差未达到要求，返回步骤5)；

9)将仿真加工软件生成的数控代码导入数控系统，利用确定性砂带研抛机床对待加工轴类零件进行加工。

进一步的，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)对各圆度误差数据进行不同阈值的高斯低通滤波，在滤波后将数据展开绘制圆度误差图，根据每个圆度误差图中误差值超过0.1μm的位置和存在的主要频率区间确定滤波参数的范围t1；

2.2)计算不同滤波参数下待加工轴类零件柱面上的圆度误差数据，并绘制滤波参数和圆度误差数据的函数关系图，根据函数曲线特征确定滤波参数的范围t2；

2.3)结合待加工轴类零件的设计，根据待加工轴类零件回转精度与圆度误差数据波动的关系得到滤波参数的范围t3；

2.4)在t1、t2和t3中选取与轴本身的轮廓属性相关性最大的范围作为高斯滤波器的最佳滤波参数的范围t的基准，结合其余两个滤波范围对t的范围进行调整。

进一步的，步骤4)具体包括以下步骤：

4.1)利用傅里叶变换计算得到经过滤波处理后的各圆度误差数据的归一幅值谱，将归一幅值谱中目标幅值对应的频率作为圆度误差数据截止频率；

4.2)分析轴类零件的测量轮廓上误差高点和误差低点分布及轮廓误差高点和误差低点所占比例。

进一步的，步骤4.1)中目标幅值为最大幅值的10％。

进一步的，步骤5)具体包括以下步骤：

5.1)根据圆度误差数据截止频率选定去除函数轮廓的目标截止频率；

5.2)根据轴类零件的测量轮廓上高点和低点分布选定去除函数单位时间的目标去除效率，若测量轮廓以误差高点为主，选用较低的单位时间去除效率，若测量轮廓以误差低点为主，选用较高的单位时间去除效率；

5.3)在工艺软件中，保持加工参数中的接触压强p、砂带粒度和砂带振动频率fv不变，调整砂带类型和加工参数中的砂带更新速度v调控去除函数的截止频率达到目标截止频率，保持加工参数中的砂带更新速度v不变，调整加工参数中的砂带振动频率fv、砂带粒度和接触压强p调控去除函数单位时间的去除效率达到目标去除效率。

本发明还提出一种基于修形能力分析控制的轴类零件外圆度确定性修形系统，包括计算机设备，所述计算机设备被编程或配置以执行上述的轴类零件外圆圆度确定性修形方法的步骤。

本发明还提出一种基于修形能力分析控制的轴类零件外圆度确定性修形系统，其特征在于，包括计算机设备，所述计算机设备的存储介质上存储有或配置以执行上述的轴类零件外圆圆度确定性修形方法的计算机程序。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行上述的轴类零件外圆圆度确定性修形方法的计算机程序。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明基于修形能力分析控制，对轴类零件的圆柱面进行针对性的误差处理和去除函数定制，通过脉冲迭代法解算驻留时间，通过确定性研抛设备精确控制在轴上每一个位置的驻留时间，误差高点多去除、误差低点少去除，利用详细的数据分析得出影响0.1μm圆度的关键因素，在保证轴表面误差辨识度的同时降低机床性能要求，利用生成机理调控得到的定制去除函数具备更好的修形精度和更高的修形效率，同时降低了加工定位误差对修形精度的影响。而之前的被加工轴表面测量数据处理方法并未有明确依据，造成了在解算去除函数驻留时间的时候出现轴表面部分位置需要的速度和加速度超过机床动态性能，进而影响修形精度；同时之前加工所用的去除函数只是通过几组实验得到，并不是最适合加工的去除函数，其过高的截止频率导致经过几次迭代修形后轴表面出现中高频分量，受定位误差影响更敏感，圆度误差达到0.25μm后无法继续突破。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例不同阈值的高斯低通滤波下的圆度误差数据展开图。

图3为本发明实施例不同滤波参数和圆度误差幅值之间的关系图。

图4为本发明实施例轴类零件的测量轮廓上不同高低点分布示意图。

图5为本发明实施例使用先前使用未调控的去除函数的四次修形收敛结果。

图6为本发明实施例待加工表面的形貌图及其傅里叶变化幅值谱。

图7为本发明实施例未调控的去除函数周向轮廓及其傅里叶变化幅值谱。

图8为本发明实施例经过调控的去除函数周向轮廓及其傅里叶变化幅值谱。

图9为本发明实施例使用未调控的去除函数和经过调控的去除函数分别仿真修形一次的结果。

图10为本发明实施例使用未调控的去除函数和经过调控的去除函数仿真修形后的圆度对比图。

图11为本发明实施例使用未调控的去除函数和经过调控的去除函数仿真修形后的考虑到定位误差的修形圆度对比。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的轴类零件外圆圆度确定性修形方法，基于修形能力分析控制进行外圆圆度确定性修形包括以下步骤：

1)通过圆柱度仪测量得到待加工轴类零件表面的多截面圆度误差数据；

2)对各圆度误差数据进行形貌特征提取和滤波特征曲线绘制，结合设计要求仿真得到最佳滤波参数的范围t；

3)利用滤波参数的范围t对各圆度误差数据进行滤波处理；

4)对滤波处理后的各圆度误差数据计算得到被加工面形的截止频率和形貌特征；

5)针对被加工面形的截止频率和形貌特征利用去除函数生成算法生成对应的仿真去除函数；

6)利用仿真去除函数进行仿真加工并验证效果，若圆度误差达到要求，进入步骤7)，若圆度误差未达到要求，返回步骤5)；

7)利用去除函数生成算法的加工参数，包括接触压强p、砂带更新速度v、以及接触轮的振动频率fv在与待加工轴类零件相同材料和直径的柱面上进行加工，加工后使用圆柱度仪对加工后的表面进行检测，将被加工过区域的测量数据导出，即可获取实际去除函数；

8)测量提取得到实际去除函数的数据进行仿真加工，若圆度误差达到要求，进入步骤9)，若圆度误差未达到要求，返回步骤5)；

9)将仿真加工软件生成的数控代码导入数控系统，利用确定性砂带研抛机床对待加工轴类零件进行加工。

本实施例中，轴类零件的测量轮廓总是包含着表面粗糙度轮廓、波纹度轮廓以及宏观的形状轮廓构成的几何误差，轴类零件的表面轮廓包含不同的谐波，但是区别于平面工件，这些谐波根据每转的波动数(upr)定义。轴类零件截止频率与截止波长的换算关系为：

ωc＝πd/λ(1)

式(1)中，ωc为截止频率，d为轴类零件直径，λ为截止波长。

谐波的产生跟测量过程中的噪音、加工设备回转精度、工件装夹不对中、刀具震颤、切削和被切削的材质特性等因素相关。对于传统外圆加工，谐波幅值会随着频率的增加而减小。由于接触式测量不可避免的会产生噪音，为减弱噪音影响、充分保留有效信号，需要通过滤波的方法将不需要的信号频段滤除。对于轴类零件表面确定性修形，对测量数据的滤波范围选取并不固定。滤波范围过低会使得滤波结果丢失了部分面形误差信息，影响确定性修形的精度；滤波范围过高可能会包含不必要的噪音，在解算驻留时间时会产生较大的局部速度加速度，对机床动态性能和去除函数定位精度要求高，因此需要得到最佳滤波参数的范围，步骤2)具体包括以下步骤：

2.1)对各圆度误差数据进行不同阈值的高斯低通滤波，在滤波后将数据展开绘制圆度误差图，根据每个圆度误差图中误差值超过0.1μm的位置和存在的主要频率区间确定滤波参数的范围t1；

圆度测量数据是红宝石测量探针绕着圆截面扫描一周得到的相对偏差数据，反映了一个圆截面轮廓上的形貌起伏，将该数据经过滤波后展开，可获得图2所示的形貌特征图。四个图分别使用了1-50upr高斯滤波器、1-15upr高斯滤波器、1-10upr高斯滤波器和1-5upr高斯滤波器，可以看到误差幅值超过0.1μm的主要频率集中在波数5～10upr的范围内，因此选取t1为1～5upr；

2.2)计算不同滤波参数下待加工轴类零件柱面上的圆度误差数据，并绘制滤波参数和圆度误差数据的函数关系图，根据函数曲线特征确定滤波参数的范围t2；

本实施例中，对经过不同滤波参数处理后的圆度误差数值绘制得到圆度误差与滤波器滤波范围的函数关系图，如图3(a)所示，该曲线在upr＝10附近的斜率出现了突变，对图像进一步处理，如图3(b)所示，可以得到每一个波数对应的误差幅值大小，10upr对应的幅值对0.1μm圆度的影响已经小于5％，说明10upr以上的误差幅值对于整体宏观形貌的影响已经非常小，可以被滤除，因此选取t2为1～10upr；

2.3)结合待加工轴类零件的设计，根据待加工轴类零件回转精度与圆度误差数据波动的关系得到滤波参数的范围t3；

当轴类零件旋转时，圆度误差幅值会影响芯轴和轴承间间隙的气体流场分布，由于气膜内部流场的不均匀，导致轴芯受力不平衡，进而导致主轴运动发生偏移，产生回转误差。气膜的存在对轴芯自身轮廓的波动起到了钝化作用，使回转精度可以高于自身的圆度误差。误差均化效果跟圆轮廓误差的分布有关，随着轮廓误差频率的增加，流场分布会变得更加均匀，回转误差会逐渐减小，对回转误差起影响作用的误差主要集中在小于8-12upr的低频范围内，因此选取t3为1～12upr；

2.4)在t1、t2和t3中选取与轴本身的轮廓属性相关性最大的范围作为高斯滤波器的最佳滤波参数的范围t的基准，结合其余两个滤波范围对t的范围进行调整。

在轴的表面质量允许的情况下，滤波参数t越小越有利于加工，而t2与轴本身的轮廓属性相关性最大，因此选取t2作为基准，所以本实施例中综合t1、t2和t3，以t2(1～10upr)为基准，并结合t1(1～5upr)和t3(1～12upr)在内的滤波范围，由于本实施例中t3范围为1～12upr，与t2相差很小，所以本着让t尽量小的原则，最佳滤波参数的范围t在t2的基础上保持不变，为1～10upr；如果t3与t2相差比较大，比如t3范围为1～20upr，那么最佳滤波参数的范围t就会改为t3的范围1～20upr，因此本实施例中最终保持最佳滤波参数的范围t不变，选定的测量数据滤波器在最佳滤波参数的范围t(1～10upr)进行高斯滤波。

本实施例中，判断最佳滤波参数的范围t是否在t2的基础上进行调整的依据为：

若t1大于t2，且t1与t2之差大于阈值，则将最佳滤波参数的范围t改为t1；

若t3大于t2，且t3与t2之差大于阈值，则将最佳滤波参数的范围t改为t3；

若t1、t3均大于t2，且t1、t3与t2之差均大于阈值，则将最佳滤波参数的范围t改为t1、t3中的最小值；

本实施例中，阈值为5upr。

本实施例中，步骤4)具体包括以下步骤：

4.1)利用傅里叶变换计算得到经过滤波处理后的各圆度误差数据的归一幅值谱，将归一幅值谱中目标幅值对应的频率作为圆度误差数据截止频率，本实施例中目标幅值为最大幅值的10％；

4.2)分析轴类零件的测量轮廓上误差高点和误差低点分布及轮廓误差高点和误差低点所占比例。

本实施例中，步骤5)具体包括以下步骤：

5.1)根据圆度误差数据截止频率选定去除函数轮廓的目标截止频率；

去除函数的修形能力可以用去除函数傅里叶变换的归一化幅值谱进行描述。在实际加工中,在经过傅里叶变换后的频谱图上划定峰值5％-10％幅值对应的频率值作为圆度误差数据截止频率。当去除函数截止频率比圆度误差数据截止频率高的时候，则该去除函数在理论上具备对轴类零件表面误差的修正能力。其中截止频率低的去除函数通常具有较高的修形效率，适用于修正空间波长较长的宏观面形误差；其中截止频率高的去除函数修正面形误差频率范围更大，但是同时因定位误差的存在，会在面形上留下中高频误差，修形效果受去除函数的定位精度影响较大。因此要针对修形效率合理选取去除函数，在保证修形精度的结果上提高其效率；

5.2)根据轴类零件的测量轮廓上高点和低点分布选定去除函数单位时间的目标去除效率，若测量轮廓以误差高点为主，选用较低的单位时间去除效率，若测量轮廓以误差低点为主，选用较高的单位时间去除效率；

在本实施例中，如果轴类零件的测量轮廓中以类似图4(a)中以误差高点为主，则应选用去除效率较低的去除函数；如果类似图4(b)中以误差低点为主，则应选取去除效率较高的去除函数，去除效率的判断准则是保证在一定时间内能完成对误差表面的一次修形过程中对应的去除函数效率；

5.3)根据砂带振动研抛加工去除函数模型，在工艺软件中调整砂带类型和更新速度调控去除函数的截止频率达到目标截止频率，调整砂带的振动频率和接触压强调控去除函数单位时间的去除效率达到目标去除效率。

在本实施例中，我们通过研究得到了砂带振动研抛加工去除函数的理论模型，通过该理论模型能较好地拟合实际去除函数的形貌。砂带类型保持不变的情况下，当接触压强p、砂带粒度和砂带振动频率fv不变时，去除函数的截止频率和砂带更新速度v之间存在映射关系，当砂带更新速度较慢时，去除函数的周向轮廓如图7所示，形状比较尖锐，截止频率较高，当逐渐提升更新速度后，去除函数的周向轮廓逐渐圆润，如图8所示，其对应的截止频率也降低；

当在砂带更新速度v一定时，去除函数的去除效率η与砂带的振动频率fv、砂带粒度和接触压强p之间也存在映射关系，砂带的振动频率fv越低、接触压强p越小、砂带粒度越小，材料去除效率η越低；反之材料去除效率越大

本实施例根据轴类零件测量表面的圆度误差数据，从截止频率和去除效率两个方面选取合适的去除函数形貌，利用控制砂带粒度、更新速度、砂带的振动频率和接触压强等相关参数来获得期望的去除函数。

现有的轴类零件确定性修形采用的去除函数形貌如图7(a)所示，在利用该去除函数对经过精密车削的轴修形几次后，结果如图5所见，最终轴上多个截面的圆度误差由平均1.2μm收敛至平均0.4μm，达到了精密外圆磨床的加工精度。但是目前对于误差数据的滤波处理和去除函数修形能力也没有详细深入的研究，去除函数并没有经过优选，导致修形精度达到瓶颈。为对比本实施例经过步骤1)至步骤8)得到的实际去除函数和现有去除函数的修形效果，我们用两个去除函数分别对同一个加工表面进行加工仿真。被加工表面的形貌和其轮廓线傅里叶变化幅值谱如图6所示，其截止频率为0.015mm-1；旧的去除函数轮廓及其傅里叶变化幅值谱如图7所示，其截止频率为0.95mm-1,修形结果如图9(a)；本实施例中经过定制的去除函数轮廓如图8所示，其截止频率为0.47mm-1,修形结果如图9(b)。从结果上看，两个去除函数均能够实现误差收敛，也验证了理论上这两个去除函数都具备对该表面的修正能力的判断。如图10所示，新去除函数成功将该圆柱面上全部四个截面的圆度误差降至0.1μm以下,相比旧的去除函数，新去除函数修形用时更短，修形后的圆度误差比旧去除函数加工平均降低了46％。此外如图11所示,当考虑到圆周方向定位误差时，新的去除函数在2°的偏差内依然能保证所有圆度误差小于0.1μm。

本发明还提出一种基于修形能力分析控制的轴类零件外圆度确定性修形系统，包括计算机设备，所述计算机设备被编程或配置以执行上述的轴类零件外圆圆度确定性修形方法的步骤。

本发明还提出一种基于修形能力分析控制的轴类零件外圆度确定性修形系统，其特征在于，包括计算机设备，所述计算机设备的存储介质上存储有或配置以执行上述的轴类零件外圆圆度确定性修形方法的计算机程序。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行上述的轴类零件外圆圆度确定性修形方法的计算机程序。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。