本發(fā)明涉及砂輪修整、誤差判斷及補償方法，特別涉及一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法。

背景技術：

金剛石砂輪具有磨削效率高、加工質量好、使用壽命長等特點，是硬脆材料的理想的加工工具。其中金剛石球頭砂輪的尺寸小，參與磨削面積大，尤其適用于大陡度非球內表面及復雜自由曲面的磨削，在光學、航空航天等領域有著廣泛應用。在使用金剛石球頭砂輪進行磨削的過程中，球頭砂輪的面形精度會直接影響工件的面形精度，因此在磨削前必須對其進行在位精密修整。用于修整金剛石球頭砂輪的的方法有很多，具有代表性的有：①采用旋轉綠碳化硅碟片修整，該方法碳化硅的磨損快，難以獲得較高的面型精度和尺寸精度；②車削法使用類似車削加工的方式，修整工具多為金剛石金屬筆，成本比較高；③硬質合金擠壓修整，成本較低，修整效率也較高，多用于粗磨時的砂輪修整，不能用于超精密加工領域。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決球頭砂輪修整成本高，且難以獲得較高的面型精度和尺寸精度的問題而提出的一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法。

上述的發(fā)明目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

步驟一、將修整輪和激光測微儀安裝在機床的x軸上，使修整輪回轉軸線平行于機床的y軸，激光測微儀的激光光束平行于機床的z軸；球頭砂輪安裝在z軸上，球頭砂輪回轉軸線平行于z軸；

步驟二、粗對刀，確定修整輪和球頭砂輪的位置關系，確定修整運動起始點位置(x₀,y₀,z₀)；

步驟三、對球頭砂輪進行粗修整；使用千分尺測量修整輪的半徑R，球頭砂輪修整的目標半徑為r，以(x₀,y₀,z₀)位置為起始點，以R+r為半徑，使機床x軸和z軸聯(lián)動進行圓弧插補對球頭砂輪進行修整；其中，粗修整過程參數(shù)為：修整輪轉速為1500～6000rpm、球頭砂輪轉速為500～3000rpm、修整輪對球頭砂輪單次修整深度為1～5μm、修整輪修整過程中的進給速率為5～20mm/min。

步驟四、粗修整后，基于雙圓弧擬合方法對球頭砂輪的面型誤差進行計算得到x方向對刀的偏心誤差Δx以及球頭砂輪的半徑誤差Δr；

步驟五、根據(jù)偏心差值Δx修正修整運動的起始位置為(x₀+Δx,y₀,z₀)，修整出的球頭砂輪表面為標準球面；根據(jù)球頭砂輪的半徑誤差值Δr修正修整軌跡半徑為R+Δr+r，則修整得到目標半徑為r的球頭砂輪。

發(fā)明效果

本發(fā)明利用碟片形電鍍金剛石修整輪修整球頭砂輪，工藝簡單，成本低，使用方便。本發(fā)明可用于金剛石球頭砂輪在位精密修整及面型補償，具體應用于精密超精密加工領域。本發(fā)明的目的是提供一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法，本發(fā)明的技術核心是基于碟片形電鍍金剛石修整輪磨損量低的特點，設定修整軌跡實現(xiàn)球頭砂輪的在位修整，通過對初步修整后球頭砂輪面形輪廓的檢測及雙圓弧擬合得到面形誤差方向及大小，最后在精密修整階段對誤差進行補償。本發(fā)明易于實現(xiàn)，修整效率較高、精度高、實用性強，通過該方法可以得到高面型精度、高尺寸精度的金剛石球頭砂輪。

本發(fā)明的具體優(yōu)點為：

1)本發(fā)明所述的一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法，具有較高的修整精度。實驗結果顯示修整后直徑30mm、粒度3000#的樹脂結合劑金剛石球頭砂輪的尺寸誤差小于10μm，通過該方法修整直徑10-50mm的金剛石球頭砂輪，修整后金剛石球頭砂輪面形誤差可小于5μm，且修整后的金剛石球頭砂輪表面具有均勻的磨粒突出高度，有利于金剛石砂輪在磨削中獲得較小的表面粗糙度。

2)本發(fā)明所述的一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法，成本低且修整效率高。對修整軸的精度及碟片形電鍍金剛石修整輪的尺寸精度要求低，易于實現(xiàn)在位修整。

3)本發(fā)明所述的一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法，通過雙圓弧擬合，能夠準確的找到半球砂輪粗修整后的誤差方向及大小，理論上一次補償就能得到理想的圓弧精度和尺寸精度。該方法比旋轉綠碳化硅碟片修整迭代補償次數(shù)少，效率高，相比金剛石筆車削修整法成本低，又比硬質合金擠壓修整精度高，因此在超精密磨削加工中有重要意義。

附圖說明

圖1為具體實施方式一提出的y方向對刀過程圖；其中，1為碟片形電鍍金剛石修整輪；2球頭砂輪；

圖2為具體實施方式四提出的x方向對刀原理圖；其中，1碟片形電鍍金剛石修整輪；2球頭砂輪；

圖3(a)為具體實施方式一提出的基于碟片形電鍍金剛石砂輪的球頭砂輪修整示意圖；其中，1為碟片形電鍍金剛石修整輪；2為球頭砂輪；

圖3(b)為具體實施方式一提出的基于碟片形電鍍金剛石砂輪的球頭砂輪檢測示意圖；其中，3為激光測微儀；

圖4(a)為具體實施方式一提出的基于雙圓弧擬合的誤差補償方法“未到心”示意圖；

圖4(b)為具體實施方式一提出的基于雙圓弧擬合的誤差補償方法“過心”示意圖；

圖4(a)和(b)中1為理想砂輪輪廓(A'B'C')，圓心在O點，2為激光測微儀檢測到的實際砂輪輪廓(ABC)，3為采用圓弧(DE,GF)擬合的兩段輪廓圖；

圖5(a)為實施例提出的理想半徑r＝15mm球頭砂輪修整誤差分析及補償過程中的粗修整后砂輪輪廓圖；

圖5(b)為實施例提出的理想半徑r＝15mm球頭砂輪修整誤差分析及補償過程中的左側輪廓擬合結果圖；

圖5(c)為實施例提出的理想半徑r＝15mm球頭砂輪修整誤差分析及補償過程中的右側輪廓擬合結果圖；

圖5(d)為實施例提出的理想半徑r＝15mm球頭砂輪修整誤差分析及補償過程中的補償修整后的砂輪輪廓圖；

圖5(e)為實施例提出的理想半徑r＝15mm球頭砂輪修整誤差分析及補償過程中的補償修整后的面型誤差分布圖；

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式的一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法，具體是按照以下步驟進行的：

步驟一、設與機床主軸回轉軸線平行的方向為z軸，在機床的水平面上與z軸垂直的軸線為x軸，從而建立坐標系xyz；將修整輪和激光測微儀安裝在機床的x軸上，使修整輪回轉軸線平行于機床的y軸，激光測微儀的激光光束平行于機床的z軸；球頭砂輪安裝在z軸上，球頭砂輪回轉軸線平行于z軸；其中，x直線軸與z直線軸可聯(lián)動實現(xiàn)圓弧插補；

步驟二、粗對刀，確定修整輪和球頭砂輪的位置關系，確定修整運動起始點位置(x₀,y₀,z₀)；

步驟三、對球頭砂輪進行粗修整；使用千分尺測量修整輪的半徑R，球頭砂輪修整的目標半徑為r，以(x₀,y₀,z₀)位置為起始點，以R+r為半徑，使機床x軸和z軸聯(lián)動進行圓弧插補對球頭砂輪進行修整，修整軌跡如圖3中虛線所示；其中，粗修整過程參數(shù)為：修整輪轉速為1500～6000rpm、球頭砂輪轉速為500～3000rpm、修整輪對球頭砂輪單次修整深度為1～5μm、修整輪修整過程中的進給速率為5～20mm/min。

步驟四、粗修整后，基于雙圓弧擬合方法對球頭砂輪的面型誤差進行計算得到x方向對刀的偏心誤差Δx以及球頭砂輪的半徑誤差Δr；

步驟五、根據(jù)偏心差值Δx修正修整運動的起始位置為(x₀+Δx,y₀,z₀)，修整出的球頭砂輪表面為標準球面；根據(jù)球頭砂輪的半徑誤差值Δr修正修整軌跡半徑為R+Δr+r，則修整得到目標半徑為r的球頭砂輪；修整運動為修整輪相對半球砂輪的圓弧插補運動；修整軌跡為修整輪相對半球砂輪的圓弧插補運動軌跡。

本實施方式效果：

1)本實施方式所述的一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法，具有較高的修整精度。實驗結果顯示修整后直徑30mm、粒度3000#的樹脂結合劑金剛石球頭砂輪的尺寸誤差小于10μm，修整后金剛石球頭砂輪面形誤差可小于5μm，且修整后的金剛石球頭砂輪表面具有均勻的磨粒突出高度，有利于金剛石砂輪在磨削中獲得較小的表面粗糙度。

2)本實施方式所述的一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法，成本低且修整效率高。對修整軸的精度及碟片形電鍍金剛石修整輪的尺寸精度要求低，易于實現(xiàn)在位修整。

3)本實施方式所述的一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法，通過雙圓弧擬合，能夠準確的找到半球砂輪粗修整后的誤差方向及大小，理論上一次補償就能得到理想的圓弧精度和尺寸精度。該方法比旋轉綠碳化硅碟片修整迭代補償次數(shù)少，效率高，相比金剛石筆車削修整法成本低，又比硬質合金擠壓修整精度高，因此在超精密磨削加工中有重要意義。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：步驟一所述修整輪為碟片形電鍍金剛石砂輪，粒徑可選90～300μm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：步驟一所述球頭砂輪為樹脂結合劑金剛石砂輪，粒徑1～60μm。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：步驟二中粗對刀，確定修整輪和球頭砂輪的位置關系，確定修整運動起始點位置(x₀,y₀,z₀)具體過程為：

首先確定球頭砂輪軸向最高點位在y方向的位置：沿y方向調整修整輪相對球頭砂輪的位置，使球頭砂輪軸向最高點位于碟片形修整輪上下底面之間的任意y方向位置坐標為y₀；如圖1所示

在y₀位置上，沿x方向移動修整輪，z方向移動球頭砂輪，分別在x軸正方向與x軸負方向相同的z坐標位置上使修整輪與球頭砂輪表面接觸，如圖2所示，記錄兩次對應的x軸坐標x_0r和x_0l，則確定修整輪回轉軸線與球頭砂輪回轉軸線相交的x₀位置坐標為：

x₀＝(x_0r+x_0l)/2

在x₀和y₀位置上，沿z方向移動球頭砂輪，使球頭砂輪與修整輪表面接觸，記z軸方向的坐標為z₀。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：步驟三機床x軸和z軸聯(lián)動進行圓弧插補對球頭砂輪進行修整采用的半圓形修整軌跡方程為：

其中，θ為球頭砂輪中心與修整輪中心的連線與z軸的夾角。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至四之一相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：步驟四中粗修整后，基于雙圓弧擬合方法對球頭砂輪的面型誤差進行計算得到x方向對刀的偏心誤差Δx以及球頭砂輪的半徑誤差Δr具體過程為：

步驟四一、在y方向和x方向上調整激光測微儀位置，使發(fā)射激光光束與球頭砂輪回轉軸線重合；在z方向調整激光測微儀與球頭砂輪軸向最高點之間的距離為L，L為激光測微儀最小工作距離。移動x軸使激光測微儀在x負方向偏移球頭砂輪回轉軸線距離為l作為掃描起始點A，其中：

式中，d為激光測位儀量程，r為球頭砂輪目標半徑；激光測微儀向x軸正方向掃描2l距離檢測修整后的球頭砂輪面形輪廓ABC，B點位球頭砂輪軸向最高點，C點位掃描終止點；

步驟四二、如圖4(a)和(b)所示，在測量所得輪廓AB段中任意截取DE段進行圓弧擬合，得到擬合圓心O_l的位置坐標(x_l,y_l)和圓弧半徑r_l；在測量所得輪廓BC段中任意截取GF段進行圓弧擬合，得到擬合圓心O_r的位置坐標(x_r,y_r)和圓弧半徑r_r；

步驟四三、確定x方向對刀誤差引入的偏心誤差Δx大小及方向；根據(jù)x方向對刀誤差引入的偏心差值Δx＝x_r-x_l判斷：當Δx>0時表明修整輪沒有修整到球頭砂輪中心即未到心如圖4(a)，當Δx<0時表示修整輪超過了球頭砂輪中心即過心如圖4(b)；

步驟四四、計算球頭砂輪的半徑誤差Δr，即實際修整得到的砂輪半徑r_l＝r_r與球頭砂輪目標半徑為r的偏差，球頭砂輪的半徑誤差值為Δr＝r-r_l。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至五之一相同。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是：步驟五中根據(jù)偏心差值Δx修正修整運動的起始位置，修整出的球頭砂輪表面為標準的球面，具體為：

面形誤差補償及半球砂輪精密修整；在x方向，引入的偏心差值Δx修正修整運動起始點位置(x₀,y₀,z₀)，即(x₀,y₀,z₀)位置修改為(x₀+Δx,y₀,z₀)，則使修整出的球頭砂輪表面為標準的球面。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至六之一相同。

具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一不同的是：步驟五中根據(jù)球頭砂輪的半徑誤差值Δr修正修整軌跡的半徑R+Δr+r，得到目標半徑為r的球頭砂輪，具體為：

將球頭砂輪的半徑誤差值Δr補償?shù)叫拚喌陌霃街?，重新代入修整軌跡公式，且將x軸和z軸圓弧插補半徑改為R+Δr+r，通過補償?shù)玫侥繕税霃綖閞的球頭砂輪。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至七之一相同。

采用以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果：

實施例一：

本實施例一種基于雙圓弧擬合誤差補償?shù)那蝾^砂輪精密修整方法，具體是按照以下步驟制備的：步驟一、在修整前，將碟片形電鍍金剛石修整輪1和球頭砂輪2安裝夾緊，并使二者的回轉軸線相互垂直。根據(jù)修整精度要求，修整輪1的粒度選擇250μm，可修整的樹脂結合劑金剛石球頭砂輪2粒徑約15μm，理想球頭砂輪半徑為r＝15mm。

步驟二、確定o-xyz坐標系，在x、y和z三個方向對刀，粗略找修整輪1和球頭砂輪2的位置關系。y方向上取使球頭砂輪2的回轉軸線位于修整輪1上下邊之間的任意y值，圖1所示，記y₀。x方向上，在修整輪1左右兩側相同y、z位置上對x，分別得到x_0r和x_0l，則x₀＝(x_0r+x_0l)/2為修整輪1軸線與球頭砂輪2軸線相交的x位置，如圖2所示；z方向上，在已知的x₀、y₀坐標上進z，用塞尺測修整輪1和球頭砂輪2之間間隙小于20μm，記z₀。藉此，(x₀,y₀,z₀)位置設定為修整運動的參考點，三個方向只有x方向會對砂輪修整面型精度產生影響。

步驟三、對球頭砂輪2進行粗修整。使用千分尺測量碟片形電鍍金剛石修整輪1的半徑R約為30.242mm，球頭砂輪2的目標半徑r為15mm，并參照圖3中虛線所示半圓形修整軌跡生成碟片形電鍍金剛石修整輪1對球頭砂輪2的修整運動數(shù)控程序。半圓形修整軌跡方程為：

粗修整過程參數(shù)為：碟片形電鍍金剛石修整輪轉速為4000rpm、球頭砂輪轉速為2000rpm、修整深度為5μm、進給速率為10mm/min；

步驟三、粗修整后，基于雙圓弧擬合方法對球頭砂輪2的面型誤差進行判斷。激光測微儀3安裝于碟片形電鍍金剛石修整輪1同側，正對球頭砂輪2且激光光束平行于球頭砂輪2軸線。首先，沿x、y方向移動激光測微儀3找到球頭砂輪2最高點，沿x軸方向運動檢測修整后的球頭砂輪2面形輪廓ABC，如圖5(a)所示。分別在測量所得輪廓左側AB段和右側BC段截取部分進行圓弧擬合，得到左側圓弧D'E'段的擬合圓心O_l(11.309,-12.107)、圓弧半徑15.135和右側圓弧G'F'段的擬合圓心O_r(10.734,-12.107)、圓弧半徑15.135，如圖5(b)、(c)所示。該修整方法所得砂輪為回轉對稱面，因此有y_l＝y(tǒng)_r,r_l＝r_r對等關系，否則，應微調激光測微儀光束，使其平行于球頭砂輪2軸線，或檢查激光測微儀反射光路在球頭砂輪最高點兩側對稱。

x方向對刀誤差引入的偏心誤差Δx＝-0.575。Δx<0表明修整輪1超過了球頭砂輪2中心即“過心”。球頭砂輪的半徑誤差Δr＝-0.135，大于理想半徑。

步驟四、面形誤差補償及半球砂輪精密修整。對偏心誤差，用差值Δx修正對刀位置，即(x₀,y₀,z₀)位置修改為(x₀-0.575,y₀,z₀)則可使修整出的球頭砂輪2表面為標準的球面。對半徑誤差，將差值Δr＝-0.135補償?shù)叫拚喌陌霃街校匦麓胄拚壽E公式，進行精修整，此時的修整軌跡方程為：

通過補償可以得到特定半徑的球頭砂輪，尺寸誤差小于5μm，面型誤差小于5μm，如圖5(d)和(e)所示。