[發(fā)明專利]一種金剛石超精密車床自由曲面加工路徑生成方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710058343.3
• 申請(qǐng)日: 2007-07-20
• 公開（公告）號(hào): CN101187807A
• 公開（公告）日: 2008-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 房豐洲;張效棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B19/19
• 分類號(hào): G05B19/19
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所
• 代理人: 江鎮(zhèn)華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超精密加工、復(fù)雜零件制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種由曲面加工路徑生成方法。

背景技術(shù)

目前，航空航天、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、通訊、微電子等領(lǐng)域的機(jī)器設(shè)備在提高性能的同時(shí)，不斷地向超精密及微型化發(fā)展，在這個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)微小關(guān)鍵器件的形狀自由度要求越來(lái)越高，因此，具有光學(xué)質(zhì)量表面的自由曲面加工技術(shù)成為帶動(dòng)這些領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

超精密加工是先進(jìn)制造的前沿領(lǐng)域，是可以實(shí)現(xiàn)加工表面光學(xué)質(zhì)量加工的技術(shù)，即工件的形狀精度達(dá)到亞微米級(jí)，表面粗糙度達(dá)納米級(jí)。采用金剛石車刀進(jìn)行超精密車削不用像磨削加工那樣反復(fù)的加工才能達(dá)到一定的表面粗糙度，而是可以實(shí)現(xiàn)加工表面光學(xué)質(zhì)量的一次成型，因此，加工效率非常高，是超精密加工中的常用加工手段。

因自由曲面形狀特殊性，在金剛石超精密車削加工時(shí)，一般要求機(jī)床具有多自由度。近幾年，隨著驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)的發(fā)展，三軸金剛石車削加工出現(xiàn)了快刀(Fast?Tool?Servo)和慢刀(Slow?Tool?Servo)兩種加工方式，它們?yōu)橹鬏S的轉(zhuǎn)動(dòng)角度添加了反饋或控制，突破了在三軸機(jī)床上加工自由曲面的限制。

因?yàn)檫@兩種加工技術(shù)較新，至今，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究，包括機(jī)床供應(yīng)商都沒(méi)有提供進(jìn)行自由曲面加工的前置和后置處理算法或模塊。而加工路徑生成方法是這一系列算法的關(guān)鍵基礎(chǔ)，因此，很有必要開發(fā)針對(duì)三軸金剛石超精密車床的加工路徑生成方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種適用于三軸機(jī)床的自由曲面超精密加工路徑生成算法，突破在三軸機(jī)床上加工自由曲面的限制，利用三軸機(jī)床實(shí)現(xiàn)自由曲面的超精密加工。

為此本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種金剛石超精密車床自由曲面加工路徑生成方法，用在三軸金剛石超精密機(jī)床上，所述機(jī)床的主軸能夠做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿X軸向運(yùn)動(dòng)，主軸上安裝有對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行控制或反饋使其沿C軸轉(zhuǎn)動(dòng)的編碼器，金剛石刀具做Z向運(yùn)動(dòng)，該方法包括下列步驟：

(1)建立工件加工表面的自由曲面模型坐標(biāo)系，并根據(jù)把工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為刀具在加工表面上繞主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型，建立模型坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系之間的換算關(guān)系；

(2)把加工自由曲面上加工點(diǎn)的模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

(3)求解加工刀具切削面在加工該點(diǎn)時(shí)的法向量；

(4)把曲面該點(diǎn)的法向量投影到切削面上，并在投影向量方向上進(jìn)行刀具圓弧半徑補(bǔ)償，獲得刀刃圓弧中心在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；

(5)按照(2)到(4)的步驟，進(jìn)行加工運(yùn)動(dòng)，遍歷自由曲面上的加工點(diǎn)，最終生成加工路徑。

上述的金剛石超精密車床自由曲面加工路徑生成方法中的步驟(4)最好采用如下的步驟：

(a)利用自由曲面模型的偏導(dǎo)，求解加工點(diǎn)處的法向量；

(b)利用向量投影法，使用加工點(diǎn)的法向量和當(dāng)前切削面的法向量，計(jì)算加工點(diǎn)的法向量在切削面上的投影向量；

(c)求解投影向量的方向余弦，并利用方向余弦對(duì)加工點(diǎn)進(jìn)行刀刃圓弧半徑補(bǔ)償，求解刀刃圓弧中心的模型坐標(biāo)系下坐標(biāo)；

(d)把刀刃圓弧中心的模型坐標(biāo)系下坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

本發(fā)明具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明利用運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，把工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為刀具在加工表面上繞主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，基于此原理，提出了金剛石超精密車床自由曲面加工路徑生成方法，采用本發(fā)明提供的路徑生成方法，能夠突破在三軸機(jī)床上加工自由曲面的限制，利用三軸機(jī)床實(shí)現(xiàn)自由曲面的超精密加工。

附圖說(shuō)明

圖1金剛石刀具模型；

圖2刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖；

圖3xoy平面內(nèi)螺旋線路徑；

圖4加工路徑示意圖。

具體實(shí)施方式

普通的車床具有2個(gè)自由度，主軸除了做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之外，還可以沿X軸向運(yùn)動(dòng)，車刀做Z向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)給旋轉(zhuǎn)主軸安裝編碼裝置后，可以對(duì)其轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行控制或反饋，因此，車床具有了第3個(gè)自由度，即C軸。設(shè)機(jī)床任意點(diǎn)的坐標(biāo)表示為其中ρ為X軸坐標(biāo)，為C軸坐標(biāo)，z為Z軸坐標(biāo)；只要讓主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度和車刀的進(jìn)給量、切深進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，就能加工復(fù)雜的自由曲面。圖1是金剛石車刀模型的俯視圖，切削面的刀尖圓弧半徑為r₀。刀尖圓弧中心的坐標(biāo)在加工過(guò)程中是可以控制定位的，而實(shí)際進(jìn)行加工的是刀刃部位，因此加工點(diǎn)坐標(biāo)的圓弧半徑補(bǔ)償是加工路徑生成算法的關(guān)鍵。

假設(shè)需加工自由曲面的一般表達(dá)式為z＝f(x，y)，并假設(shè)相應(yīng)的偏導(dǎo)，