一种慢刀伺服下过渡区刀具轨迹优化超精密车削方法技术

本发明专利技术公开一种慢刀伺服下过渡区刀具轨迹优化超精密车削方法，利用直线运动轴X、Z及具有角度定位的车削主轴C共同构成的三轴超精密单点金刚石车床上实现。针对离轴或者多个阵列的相同或非相同光学面将刀具轨迹分为切削区和过渡区。在切削区，刀具沿着光学面矢高方向运动，将待加工工件进行切削；在过渡区，结合切削区矢高方程特征建立自定义刀具轨迹方程，使刀具从切削区的上一条切削轨迹末端平滑运动到下一条切削轨迹的起点。相对于现有技术，本发明专利技术设计的过渡区刀具轨迹满足慢刀伺服下的平稳车削，主轴C在转动过程中加速度保持连续无突变，加工质量较高，刀具补偿计算简单。

【技术实现步骤摘要】
一种慢刀伺服下过渡区刀具轨迹优化超精密车削方法
本专利技术涉及一种慢刀伺服下过渡区刀具轨迹优化超精密车削方法，属光学超精密加工
，具体涉及一种过渡区刀具轨迹优化的计算方法。
技术介绍
目前，超精密加工
分为超精密车削、超精度磨削和抛光三种技术。超精密车削技术的代表之一则是由旋转主轴C、导轨X轴和刀具Z轴构成的单点金刚石车床。慢刀伺服车削是对车床主轴与Z轴均进行精密控制，使车床主轴变成角度可控的C轴，此时机床的X、Z、C三轴在空间构成了柱坐标系，车床控制系统的所有运动轴发送插补进给指令，精确协调主轴和刀具的相对运动，实现对复杂面形零件的车削加工。此外，慢刀伺服下刀具Z轴和导轨X轴往往同时作正弦往复运动，受车床滑座惯性及电动机响应速度影响，其动态响应速度较低，适合加工面形连续无突变的复杂光学器件。但在实际光学面的加工需求中，往往存在各种问题，比如多个不同的阵列反射镜或大离轴量(离轴量超过车床口径)非球面等，此时传统的加工方式一般都是将大离轴量非球面镜移到车床中心，直接慢刀伺服车削。但此车削方式效率极低，且刀具后角易与光学面触碰，影响面型；另一种方式则是将多个光学参数相同的大离轴镜均匀分布于加工的夹具上，镜子中心与车床中心的距离小于离轴距离，此时就会存在过渡区和切削区。切削区由镜子本身矢高方程决定，过渡区则需要采用人工方式补偿。在专利“大离轴量离轴非球面镜的一种超精密车削加工方法”中提到过渡区的补齐方式直接以刀具Z向矢高保持不变来实现，这就使得过渡区矢高与切削区不圆滑连续，造成车床切削-过渡区的主轴C加速度突变，易出现抖动瞬停现象，影响整体切削速度和精度；并且此专利无法解决面型不同的阵列光学面，比如凹凸相间的非球面或自由曲面。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术存在的不足，以优化过渡区的刀具轨迹提供一种慢刀伺服下超精密车削方法，该方法能够保证过渡区和切削区的Z轴进给平滑，车床主轴C的加速度连续无突变，适合绝大多数的离轴面或阵列面车削。实现本专利技术目的的技术方案包括如下步骤：首先在慢刀伺服工作模式下根据已知切削区面型矢高特征，建立第n路径圈的过渡区刀具轨迹方程，设其中，ρnT为刀具轨迹ZnT在xy平面上投影点与原点o的距离极径；Ani为B为待求系数；θT是ρnT与x轴的夹角，θnT∈[θ1，θ2]；对于几个切削区为凸型或凹型离轴光学面等均阵列时，其中在一个切削-过渡-切削区域内，待求系数Ani和B的总未知系数个数为4，此系数的求解需满足如下边界条件，ZnT(ρ1，θ1)＝Za(ρ1，θ1)，(2)ZnT(ρ2，θ2)＝Zb(ρ2，θ2)，(3)其中，(ρ1，θ1)和(ρ2，θ2)是切削区-过渡区边缘切削点，即刀具轨迹在xy面上的投影极坐标，在同一路径圈内ρ1和ρ2可以相等，也可以按照阿基米德螺线渐变。Za(ρ，θ)和Zb(ρ，θ)分别为切削区a和切削区b的面型失高方程，此方程的具体表达式如下，其中Q＝1/R，R是切削区域的曲率半径；k是圆锥系数；当系数Gmp为0，则切削面为普通离轴非球面，若Gmp不为0，则切削面是W阶自由曲面。l’和h’分别为切削区域a和切削区域b的实际离轴量，l和h为切削区域中心与原点之间距离，即车削时光学面的安放距离，该距离无需一定等于实际离轴量。本专利技术提出的过渡区刀具轨迹运行时，车床Z轴与C轴运动方式具有以下特点，设车床C轴旋转角速度为ω，车床Z轴的进给速度νz可表示为，其中，τ为时间，由于在公式(3)和公式(4)中约束过渡区和切削区边缘处连续可导，θ＝ω·τ，因此当角速度ω恒定时，车床Z轴的进给速度νz是一条连续的类正弦曲线，反之亦然。同样的，设车床Z轴的进给加速度αz为，公式(5)和公式(6)中约束过渡区和切削区边缘处二阶导数相等，又因车床Z轴的进给速度νz是一条连续的类正弦曲线，因此其加速度αz整个路径圈内也是一条连续的曲线。本专利技术的优点是，适用于绝大部分存在过渡区的光学面车削，离轴阵列个数不限，且过渡轨迹与切削轨迹连续、车削加速度与切削区域加速度连续，保证车削过程中主轴转速平稳，提高效率和切削精度。附图说明图1是待加工光学面在xy面上的投影；图2是本专利技术实施例提供的离轴阵列光学面示意图；图3是第n圈完整路径三维图；图4是第n圈完整路径二维图；图5是刀具轴的Z向切削速度示意图；图6是刀具轴的Z向切削加速度示意图；图7是完整的刀具轨迹示意图。具体实施方式下面结合实施例，对本专利技术技术方案作进一步阐述。以4个相同离轴抛物面作为本次实施例对象，参照公式(8)和(9)具体参数如下：口径D＝50mm；k＝-1；曲率R＝300mm；离轴量l’和h’为300mm；加工时的安放距离l和h均为50mm；Gmp＝0；附图1和图2所示，光学面安放区在xy面上的投影为灰色区域，区域范围淡黑色区域则是过渡区。选择ρn＝50mm的路径圈为参考，通过公(8)和(9)可得切削区-过渡区的边缘切削点坐标Za(ρn，θ1)和Zb(ρn，θ1)，写成柱面坐标(ρ，θ，Z)形式，具体可得(50，21.6°，156.9)和(50，68.4°，156.9)，θ∈[0，360°]。同理，公式(4)公式(7)中光学面失高方程和在两个边缘切削点处对主轴C角度的一阶导数Za′、Zb′和二阶导数Za″、Zb″均可求得。具体坐标为Za′(50，21.6°，-0.3003)、Za′＝(50，68.4°，0.3003)和Za″＝(50，21.6°，0.01324)、Zb″＝(50，68.4°，0.01324)。如附图(3)所示，根据已知边界条件，即可由公式(1)(7)求得在路径ρn＝50mm时过渡区的刀具轨迹方程ZnT。图4中表明过渡区与切削区较为完整结合在一起，在角度0-360°范围内，过渡曲线和切削曲线同样类正弦，整体比较圆滑平缓，无断点。附图5则是刀具轴在Z方向上的切削速度ν，可以清晰看出，速度曲线在一个切削-过渡区周期内呈先下降后上升趋势，最大和最小切削速度位于两个边缘切削点，中间过程速度变化连续稳定。同样的，造成车床主轴C抖动瞬停的一大原因则是切削加速度存在跳动，图6显示整个路径圈内的加速度α无明显突变，加速度曲线较为连续。附图7是完整的刀具轨迹示意图。从本专利技术的实施例可以看出，本专利技术设计的过渡区刀具轨迹满足慢刀伺服下的平稳车削，主轴C在转动过程中无停顿，加工质量较高，刀具补偿计算简单。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种慢刀伺服下过渡区刀具轨迹优化超精密车削方法，其特征在于：技术方案包括如下步骤：/n首先在慢刀伺服工作模式下根据已知切削区面型矢高特征，建立第n路径圈的过渡区刀具轨迹方程，设/n

【技术特征摘要】
1.一种慢刀伺服下过渡区刀具轨迹优化超精密车削方法，其特征在于：技术方案包括如下步骤：
首先在慢刀伺服工作模式下根据已知切削区面型矢高特征，建立第n路径圈的过渡区刀具轨迹方程，设



其中，ρnT为刀具轨迹ZnT在xy平面上投影点与原点o的距离极径；Ani为B为待求系数；θT是ρnT与x轴的夹角，θnT∈[θ1，θ2]；对于几个切削区为凸型或凹型离轴光学面等均阵列时，
其中在一个切削-过渡-切削区域内，待求系数Ani和B的总未知系数个数为4，此系数的求解需满足如下边界条件，
ZnT(ρ1，θ1)＝Za(ρ1，θ1)，(2)
ZnT(ρ2，θ2)＝Zb(ρ2，θ2)，(3)












其中，(ρ1，θ1)和(ρ2，θ2)是切削区-过渡区边缘切削点，即刀具轨迹在xy面上的投影极坐标，在同一路径圈内ρ1和ρ2可以相等，也可以按照阿基米德螺线渐变；Za(ρ，θ)和Zb(ρ，θ)分别为切削区a和切削区b的面...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宝华，唐运海，吴泉英，张慧星，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32