專(zhuān)利名稱(chēng)：一種金剛石超精密車(chē)床自由曲面加工路徑生成方法
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(chē)刀進(jìn)行超精密車(chē)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(chē)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(chē)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(kāi)發(fā)針對(duì)三軸金剛石超精密車(chē)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(chē)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)的歩驟，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(chē)床自由曲面加工路徑生成方法中的歩驟(4)最好采用如下的 歩驟 '
(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(chē)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。


圖1金剛石刀具模型； 圖2刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖； 圖3 ;roy平面內(nèi)螺旋線路徑; 圖4加工路徑示意圖。
具體實(shí)施例方式
普通的車(chē)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Z軸向運(yùn)動(dòng)，車(chē)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(chē)床具有了第3個(gè)自由度，g卩C軸。設(shè)機(jī)床任意點(diǎn)的坐標(biāo)表示為Oo，p，z)，其中p為J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(chē)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(chē)刀模型的俯視圖，切削面的刀尖圓 弧半徑為r。。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2 = /(x,j;)，并假設(shè)相應(yīng)的偏導(dǎo)，
<formula>formula see original document page 5</formula>(1)
在對(duì)自由曲面上任二點(diǎn)/7。(x。，^。,z。;)進(jìn)行加工時(shí)，計(jì)算刀尖圓弧中心應(yīng)處的機(jī)床坐標(biāo)
1.把該點(diǎn)模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機(jī)床坐標(biāo)茅、中的坐標(biāo)A) (A，^,z。)，
<formula>formula see original document page 5</formula>(2)
4]是把角度轉(zhuǎn)換為[0°，360"的操作符號(hào)；
2. 利用加工過(guò)程的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，把工件在主軸上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)想象為刀具在加工表面上繞主 軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖2所示，在加工時(shí)，刀面垂直于紙面向里，并且切削面的法向量A。
可表示為，
巧<formula>formula see original document page 5</formula> (3)
3. 計(jì)算a (;c0，>;0,z0;)點(diǎn)在自由曲面上的法向量巧，
<formula>formula see original document page 5</formula>4) 5在切削面上的投影向量可由向量投影法進(jìn)行計(jì)算，即向量^是向量巧在向量巧,。平面上 的投影，
<formula>formula see original document page 5</formula> (5)
4. 把投影向量、表示為方向余弦的形式^^(cosap，cosA,cos/p)，其中，
<formula>formula see original document page 5</formula>
則刀尖圓弧中心的模型坐標(biāo)系坐標(biāo)o(x,，;;,，^)可計(jì)算為，<formula>formula see original document page 5</formula> (7)
同樣利用式(2)，可以計(jì)算其對(duì)應(yīng)的機(jī)床坐標(biāo)o(A,。
按照一定方式，例如圖3所示的在;ray平面內(nèi)螺旋線方式，遍歷自由曲面上的一定量 的點(diǎn)，得到每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的刀尖圓弧中心坐標(biāo)，即完成了加工路徑的生成。
自由曲面z"os(0.6x)ttos(0.4;;)的三維模型，依照本發(fā)明一系列的實(shí)施歩驟，得到 刀具半徑^=1.0附附時(shí)的加工路徑，如圖4所示;，并根據(jù)生成的路徑，使用三軸金剛石超
精密車(chē)床進(jìn)行加工，可獲得理想的自由曲面形狀。
本發(fā)明適用于三軸'金剛石超精密車(chē)床進(jìn)行光學(xué)質(zhì)量的自由曲面加工，同樣適用于類(lèi)
似加工方式的其他車(chē)床的自由曲面加工。自由曲面的方程式可由特定數(shù)學(xué)表達(dá)式給出，
對(duì)于無(wú)數(shù)學(xué)表達(dá)式的模型，采用一定的數(shù)學(xué)擬合方法進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，同樣適用于該方法，
因此，該發(fā)明具有一定的通用性。
權(quán)利要求
1.一種金剛石超精密車(chē)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。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石超精密車(chē)床自由曲面加工路徑生成方法，其特征在于， 所述歩驟(4)包括以下步驟(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)。
全文摘要
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。該方法用在三軸金剛石超精密機(jī)床上，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)；按照(2)到(4)步驟，遍歷自由曲面上的加工點(diǎn)，最終生成加工路徑。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，實(shí)現(xiàn)自由曲面的超精密加工。
文檔編號(hào)G05B19/19GK101187807SQ20071005834
公開(kāi)日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月20日
發(fā)明者張效棟, 房豐洲 申請(qǐng)人:天津大學(xué)