一种金刚石超精密车床自由曲面加工路径生成方法技术

本发明专利技术属于超精密加工、复杂零件制造技术领域，涉及一种由曲面加工路径生成方法。该方法用在三轴金刚石超精密机床上，包括下列步骤：（１）建立工件加工表面的自由曲面模型坐标系，并建立模型坐标系与机床坐标系之间的换算关系；（２）把加工自由曲面上加工点的模型坐标转换为机床坐标系下的坐标；（３）求解加工刀具切削面在加工该点时的法向量；（４）把曲面该点的法向量投影到切削面上，并在投影向量方向上进行刀具圆弧半径补偿，获得刀刃圆弧中心在机床坐标系下的坐标；按照（２）到（４）步骤，遍历自由曲面上的加工点，最终生成加工路径。采用本发明专利技术提供的路径生成方法，能够突破在三轴机床上加工自由曲面的限制，实现自由曲面的超精密加工。

Method for generating free surface machining path of diamond ultra precision lathe

The invention belongs to the technical field of ultra precision machining and complex parts manufacturing, and relates to a method for generating a path of a curved surface. The method for three axis diamond ultra precision machine tool, which comprises the following steps: (1) the establishment of the free surface model of workpiece surface coordinate system, and establish the conversion relationship between the model coordinate system and machine coordinate system; (2) the machining on free curved surface model of coordinate transformation for the coordinates of the machine coordinate system next; (3) for machining tool cutting surface in the processing of the point normal vector; (4) the surface of the projection point method to vector cutting surface, and the cutter radius compensation in vector projection direction, obtain the coordinates of blade arc center coordinates in the machine according to the (2); to step (4), the processing point on the free surface of the traversal, the final path generating processing. The path generation method provided by the invention can overcome the limitation of machining the free surface on the three axis machine tool, and realize the ultra precision machining of the free surface.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超精密加工、复杂零件制造
，涉及一种由曲面加工路径生成方法。
技术介绍
目前，航空航天、国防、生物医学、光学、通讯、微电子等领域的机器设备在提高性 能的同时，不断地向超精密及微型化发展，在这个过程中，系统对微小关键器件的形状 自由度要求越来越高，因此，具有光学质量表面的自由曲面加工技术成为带动这些领域 发展的关键技术。超精密加工是先进制造的前沿领域，是可以实现加工表面光学质量加工的技术，即工 件的形状精度达到亚微米级，表面粗糙度达纳米级。采用金刚石车刀进行超精密车削不 用像磨削加工那样反复的加工才能达到一定的表面粗糙度，而是可以实现加工表面光学 质量的一次成型，因此，加工效率非常高，是超精密加工中的常用加工手段。因自由曲面形状特殊性，在金刚石超精密车削加工时， 一般要求机床具有多自由度。 近几年，随着驱动和控制技术的发展，三轴金刚石车削加工出现了快刀(Fast Tool Servo) 和慢刀(Slow Tool Servo)两种加工方式，它们为主轴的转动角度添加了反馈或控制， 突破了在三轴机床上加工自由曲面的限制。因为这两种加工技术较新，至今，国内外的相关研究，包括机床供应商都没有提供进 行自由曲面加工的前置和后置处理算法或模块。而加工路径生成方法是这一系列算法的 关键基础，因此，很有必要开发针对三轴金刚石超精密车床的加工路径生成方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种适用于三轴机床的自由曲面超精密加工路径生成算法，突破 在三轴机床上加工自由曲面的限制，利用三轴机床实现自由曲面的超精密加工。为此本专利技术采用如下的技术方案，用在三轴金刚石超精密机床上， 所述机床的主轴能够做回转运动和沿X轴向运动，主轴上安装有对其转动角度进行控制 或反馈使其沿C轴转动的编码器，金刚石刀具做Z向运动，该方法包括下列步骤(1) 建立工件加工表面的自由曲面模型坐标系，并根据把工件的旋转运动转换为刀 具在加工表面上绕主轴做旋转运动的相对运动模型，建立模型坐标系与机床坐 标系之间的换算关系；(2) 把加工自由曲面上加工点的模型坐标转换为机床坐标系下的坐标；(3) 求解加工刀具切削面在加工该点时的法向量； (4) 把曲面该点的法向量投影到切削面上，并在投影向量方向上进行刀具圆弧半径 补偿，获得刀刃圆弧中心在机床坐标系下的坐标；(5) 按照(2)到(4)的歩骤，进行加工运动，遍历自由曲面上的加工点，最终生成加 工路径。 '上述的金刚石超精密车床自由曲面加工路径生成方法中的歩骤(4)最好采用如下的 歩骤 '(a) 利用自由曲面模型的偏导，求解加工点处的法向量；(b) 利用向量投影法，使用加工点的法向量和当前切削面的法向量，计算加工点的 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，并利用方向余弦对加工点进行刀刃圆弧半径补偿， 求解刀刃圆弧中心的模型坐标系下坐标；(d) 把刀刃圆弧中心的模型坐标系下坐标转换为机床坐标系下的坐标。本专利技术具有如下显著的优点本专利技术利用运动的相对性，把工件的旋转运动转换为 刀具在加.工表面上绕主轴做旋转运动，基于此原理，提出了金刚石超精密车床自由曲面 加工路径生成方法，采用本专利技术提供的路径生成方法，能够突破在三轴机床上加工自由 曲面的限制，利用三轴机床实现自由曲面的超精密加工。附图说明图1金刚石刀具模型； 图2刀具相对运动示意图； 图3 ;roy平面内螺旋线路径; 图4加工路径示意图。具体实施例方式普通的车床具有2个自由度，主轴除了做回转运动之外，还可以沿Z轴向运动，车刀 做Z向运动。当给旋转主轴安装编码装置后，可以对其转动角度进行控制或反馈，因此， 车床具有了第3个自由度，g卩C轴。设机床任意点的坐标表示为Oo，p，z)，其中p为J轴坐标，^为C轴坐标，Z为Z轴坐标；只要让主轴转动角度和车刀的进给量、切深进行协调控制，就能加工复杂的自由曲面。图1是金刚石车刀模型的俯视图，切削面的刀尖圆 弧半径为r。。刀尖圆弧中心的坐标在加工过程中是可以控制定位的，而实际进行加工的 是刀刃部位，因此加工点坐标的圆弧半径补偿是加工路径生成算法的关键。假设需加工自由曲面的一般表达式为2 = /(x,j;)，并假设相应的偏导，<formula>formula see original document page 5</formula>(1)在对自由曲面上任二点/7。(x。，^。,z。;)进行加工时，计算刀尖圆弧中心应处的机床坐标1.把该点模型坐标转换成机床坐标茅、中的坐标A) (A，^,z。)，<formula>formula see original document page 5</formula>(2)4]是把角度转换为[0°，360"的操作符号；2. 利用加工过程的相对运动，把工件在主轴上的旋转运动想象为刀具在加工表面上绕主 轴做旋转运动。如图2所示，在加工时，刀面垂直于纸面向里，并且切削面的法向量A。可表示为，巧<formula>formula see original document page 5</formula> (3)3. 计算a (;c0，>;0,z0;)点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进行计算，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、表示为方向余弦的形式^^(cosap，cosA,cos/p)，其中，<formula>formula see original document page 5</formula>则刀尖圆弧中心的模型坐标系坐标o(x,，;;,，^)可计算为，<formula>formula see original document page 5</formula> (7)同样利用式(2)，可以计算其对应的机床坐标o(A,。按照一定方式，例如图3所示的在;ray平面内螺旋线方式，遍历自由曲面上的一定量 的点，得到每个点对应的刀尖圆弧中心坐标，即完成了加工路径的生成。自由曲面z"os(0.6x)ttos(0.4;;)的三维模型，依照本专利技术一系列的实施歩骤，得到 刀具半径^=1.0附附时的加工路径，如图4所示;，并根据生成的路径，使用三轴金刚石超精密车床进行加工，可获得理想的自由曲面形状。本专利技术适用于三轴'金刚石超精密车床进行光学质量的自由曲面加工，同样适用于类似加工方式的其他车床的自由曲面加工。自由曲面的方程式可由特定数学表达式给出，对于无数学表达式的模型，采用一定的数学拟合方法进行数学描述，同样适用于该方法，因此，该专利技术具有一定的通用性。权利要求1.，用在三轴金刚石超精密机床上，所述机床的主轴能够做回转运动和沿X轴向运动，主轴上安装有对其转动角度进行控制或反馈使其沿C轴转动的编码器，金刚石刀具做Z向运动，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石超精密车床自由曲面加工路径生成方法，用在三轴金刚石超精密机床上，所述机床的主轴能够做回转运动和沿Ｘ轴向运动，主轴上安装有对其转动角度进行控制或反馈使其沿Ｃ轴转动的编码器，金刚石刀具做Ｚ向运动，该方法包括下列步骤：（１）建立 工件加工表面的自由曲面模型坐标系，并根据把工件的旋转运动转换为刀具在加工表面上绕主轴做旋转运动的相对运动模型，建立模型坐标系与机床坐标系之间的换算关系；（２）把加工自由曲面上加工点的模型坐标转换为机床坐标系下的坐标；（３）求 解加工刀具切削面在加工该点时的法向量；（４）把曲面该点的法向量投影到切削面上，并在投影向量方向上进行刀具圆弧半径补偿，获得刀刃圆弧中心在机床坐标系下的坐标；（５）按照（２）到（４）的步骤，进行加工运动，遍历自由曲面上的加工点 ，最终生成加工路径。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：房丰洲，张效栋，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]