[發明專利]一種慢刀伺服刀具路徑及其設計方法

有效

• 申請號: 202010695156.1
• 申請日: 2020-07-19
• 公開（公告）號: CN111880472B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 陳寶華;唐運海;吳泉英;范君柳
• 申請（專利權）人: 蘇州科技大學
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開一種慢刀伺服刀具路徑及其設計方法，利用直線運動軸X、Z及具有角度定位的車削主軸C的超精密單點金剛石車床上實現。將刀具路徑分為切削區和非切削區。在切削區，刀具相對于被加工件作直線運動，對待加工工件進行切削；在非切削區，刀具從切削區的上一條切削軌跡末端平滑運動到下一條切削軌跡的起點。在整個刀具路徑運行中，車床X軸的進給速度保持平滑連續。非切削區車床X軸進給速度的絕對值不大于切削區車床X軸進給速度的絕對值。相對于現有技術，本發明設計的刀具路徑需要的數據量小，加工質量較高，刀具補償計算簡單。提出了該刀具路徑的設計方法，該設計方法計算簡單，執行效率較高。

技術領域

本發明涉及超精密加工，特別是一種用單點金剛石車床慢刀伺服加工自由曲面的方法。

背景技術

自由曲面光學元件加工制造技術可分為兩類：超精密微磨拋光加工技術和超精密單點金剛石切削技術。其中，超精密單點金剛石切削又包括飛刀銑削、快刀伺服車削，以及慢刀伺服車削技術。飛刀銑削加工周期長，初始對刀困難且飛刀銑削刀具回轉半徑限制了工件面形。快刀伺服車削技術存在的主要問題是大多數快刀裝置的行程都在1mm以下，限制了其加工范圍。慢刀伺服車削技術作為光學自由曲面加工的一種方法可用于光學陣列元件加工。

慢刀伺服加工機床由直線進給軸——X軸和Z軸，加上一個旋轉主軸C軸組成。慢刀伺服加工機床對主軸進行速度和位置的雙重控制，構建一個柱面坐標系來實現三維輪廓的加工，加工時需將工件的三維形貌從笛卡爾坐標轉換為柱坐標，即將表面上每點的坐標用C軸回轉角度、X軸進給量和Z軸進刀量三個變量來表示。數控系統通過對其三維輪廓的插補運算生成數控程序，然后向各軸發送進給指令來驅動刀具按照既定三維軌跡運動，實現車削加工。

慢刀伺服加工自由曲面和球面陣列的技術已經有一定的發展，例如文獻1(一種慢刀伺服車削加工微透鏡陣列刀具路徑優化方法CN201810565011.2)，文獻2(自由曲面光學元件的慢刀伺服車削加工技術[J].激光與光電子學進展,2010,47(02):98-103.)，文獻3(Tool path generation for slow tool servo turning of complex optical surfaces[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2015,79(1-4):437-448.)提出了慢刀伺服加工自由曲面的刀具路徑生成和刀具路徑優化方法。然而，現有的慢刀伺服加工微透鏡陣列刀具路徑在θ-ρ面上的投影均為螺旋線(如圖1所示)，在曲率有突變的柱面交界處Z軸有劇烈跳變(如圖2所示)，造成此處面形粗糙度較大，刀具補償需要復雜的三維曲面曲率計算，由于Z軸相應頻率的限制，車削速度慢，加工效率低。

雖然已有商業軟件可以生成D形刀具路徑，但是其在切削區與非切削區的交界處刀具路徑有突變，導致機床X軸在此處速度有突變，而機床無法瞬時變化，導致跟蹤軌跡的誤差變大，甚至機床無法相應，影響加工精度和加工效率。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種用單點金剛石車床加工自由曲面的方法，利用本發明的加工方法加工表面曲率不連續的自由曲面時，車床X軸的位置、速度平滑變化，主切削速度較現有技術產生的等距螺旋線路徑的主切削速度大，有利于減小加工工件表面的粗糙度。

本發明采用如下技術方案：整個刀具路徑分為切削區和非切削區。在切削區，刀具對待加工工件進行切削；在非切削區，刀具從切削區的上一條切削軌跡末端平滑運動到下一條切削軌跡的起點。我們把切削區的路徑稱為有效路徑，非切削區的路徑稱為過渡路徑。

將刀具路徑投影到與車床Z軸垂直的平面(或稱為θ-ρ平面)上的路徑稱為投影路徑。本發明設計的投影路徑具有如下特點：

1.在投影路徑的切削區，刀具相對于被加工件作直線運動。在非切削區，刀具沿從切削區的上一條直線的終點到下一條直線起點平滑變化曲線運動。