一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法技术

本发明专利技术提出的一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其由机床提供X轴、Y轴、Z轴平移运动，C轴和B轴的旋转运动，将车刀固定到机床的B轴台面，工件安装在C轴上，使得车刀前刀面与机床的XZ平面垂直；将车刀圆弧顶点调节至与机床的C轴回转中心位于同一高度上；同时车刀前刀面与C轴回转轴线中心重合，将此时B轴角度设定为初始角度0

【技术实现步骤摘要】
一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法


[0001]本专利技术属于多镜自由曲面加工领域，具体涉及一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法。

技术介绍

[0002]传统超精密车削仅限于加工回转对称零件，其创成方式无法实现复杂面形零件的高精度加工要求。将单点金刚石车削加工的优点体现在复杂光学面形加工中的迫切需求，推动了慢刀伺服、快刀伺服等超精密车削加工技术的进一步发展。快刀系统是一套独立于超精密车床外的执行装置，超精密车床独立运行，加工回转对称部分。而快刀系统则读取超精密车床主轴和X轴信号，计算进刀量，而后控制快速响应刀架，实现非回转部分的加工。这种加工方式可以加工出具有复杂形状的各类异形元件，一次加工即可获得很高的零件尺寸精度、形状精度和良好的表面粗糙度。慢刀伺服相对于快刀伺服，动态响应能力比较慢，最高只能达到几十赫兹，因此加工效率较低。但Z轴加工行程较大，理论上可以加工更加陡峭、起伏更大的复杂曲面。而随着光学器件的不断升级换代，光学镜片的精度和安装要求不断提高，光学元件也由一体单镜慢慢向一体多镜、大曲率光学自由曲面发展。现有的加工手段很难满足大曲率尤其是一体多镜复杂光学自由曲面元件的加工制造要求。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种一体多镜光学自由曲面元件开发四轴联动超精密法向摆动刨削加工方法。使用超精密五轴联动加工机床，通过对B轴旋转角度的精确控制以及X\Y\Z\B四轴的联动控制实现大曲率光学自由曲面的高速摆动刨削。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0005]第一方面，本专利技术的实施例提供了一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其由机床提供X轴、Y轴、Z轴平移运动和B轴的旋转运动，具体的加工方法如下：
[0006]将车刀固定到机床B轴台面，工件安装在C轴上，使得车刀前刀面与机床的XZ平面垂直；
[0007]将车刀圆弧顶点调节至与机床的C轴回转中心位于同一高度上；同时车刀前刀面与C轴回转轴线中心重合，将此时B轴角度设定为初始角度0
°
；
[0008]计算车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离，记作R；
[0009]确定车刀位置X、Y两个方向的偏差ΔX、Δy，并对误差进行补偿；
[0010]根据刀位点坐标，生成法向摆动刨削自由曲面的加工路径，采用刨削的方式依次加工工件表面上每一行网格点，且加工工件表面上的任一点时，车刀切削刃与工件在该点处的法向量共线。
[0011]作为进一步的技术方案，车刀的每个切削点P所对应的最终刀位点位置坐标O
′
(x
″
ji
，y
″
ji
，z
″
ji
)为：
[0012][0013]其中，x
′
ji
为刀尖圆弧中心O的X轴坐标，z
′
ji
为刀尖圆弧中心O的Y轴坐标，y
i
为工件切削点P的Y轴坐标，n1，n2，n3分别为工件自由曲面上各离散点的法向量在X，Y，Z轴的分量；r为车刀圆弧半径；α为B轴法向摆动的角度。
[0014]作为进一步的技术方案，车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离R的计算过程如下：
[0015]将标准检棒回转轴线调节至与B轴回转轴线共轴线。利用光学对刀仪记录此时标准检棒回转中心的位置坐标z1，再将光学对刀仪调节至刀尖圆弧顶点，记录此时刀尖圆弧顶点的位置坐标z2，以此两位置坐标及车刀圆弧半径r，计算金刚石车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离R。
[0016]作为进一步的技术方案，确定车刀位置X、Y两个方向的偏差ΔX、ΔY的方法如下：
[0017]用光学对刀仪7对车刀进行初步对刀，对刀误差控制在几个微米的范围内，然后采用试切法进行精确对刀，来确定车刀位置在X/Y两个方向的偏差ΔX与ΔY。
[0018]作为进一步的技术方案，利用车刀在距离回转中心Y
i
的位置处切削一回转圆，在激光显微镜下测量回转圆的直径D1，通过比较回转圆半径D1/2与Y向距离Y
i
的差值来判断刀尖与C轴回转中心在Y方向的偏差
±
ΔY。
[0019]作为进一步的技术方案，利用车刀车削完整表面，同样利用激光显微镜观察工件表面回转中心的微观结构，通过微观结构形状和结构尺寸判断车刀切削刃在X方向的偏差
±
Δ。
[0020]作为进一步的技术方案，若残留物为圆柱状，则车刀前刀面低于主轴轴线，需向X轴正方向补偿(D0/2)的距离；若残留物为圆台状或圆锥状，则车刀前刀面高于主轴轴线需向X轴负方向补偿(D0/2)的距离；若工件中心没有残留物，则说明X方向对刀误差很小，满足对刀要求。
[0021]上述本专利技术的实施例的有益效果如下：
[0022]1.本专利技术采用法向摆动切削，通过引入B轴旋转，可以加工大曲率复杂光学元件。无需考虑C轴转动对Z轴高精度、高动态响应的限制；
[0023]2.法向摆动加工路径，可以生成横跨多张自由曲面的无干涉车刀轨迹，解决切矢不连续、重叠以及间隔的问题。
[0024]3.法向摆动切削，切削刃始终与加工表面法向量重合，保证加工质量，同时可以充分利用切削刃圆弧角度，实现切削刃的充分利用，避免单点切削对切削刃的过度磨损。
附图说明
[0025]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0026]图1是一体多镜光学自由曲面加工示意图；
[0027]图2是自由曲面表面点云离散示意图；
[0028]图3是法向摆动切削金刚石车刀位置图；
[0029]图4是XY对刀误差示意图；
[0030]图5是圆弧金刚石车刀车刀半径补偿示意图；
[0031]图6是车刀中心与B轴回转中心偏置补偿示意图；
[0032]图中：1
‑
机床床身；2
‑
X轴驱动组件；3
‑
Y轴驱动组件；4
‑
Z轴驱动组件；5
‑
C轴组件；6
‑
B轴驱动组件；7
‑
光学对刀仪；8
‑
工件；9
‑
刀架；10
‑
金刚石车刀。
具体实施方式
[0033]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0034]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本专利技术另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其由机床提供X轴、Y轴、Z轴平移运动，C轴和B轴的旋转运动，其特征在于；将车刀固定到机床的B轴台面，工件安装在C轴上，使得车刀前刀面与机床的XZ平面垂直；将车刀圆弧顶点调节至与机床的C轴回转中心位于同一高度上；同时车刀前刀面与C轴回转轴线中心重合，将此时B轴角度设定为初始角度0
°
；计算车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离R；确定车刀位置X、Y两个方向的偏差ΔX、ΔY，并对误差进行补偿；根据刀位点坐标，生成法向摆动刨削自由曲面的加工路径，采用刨削的方式依次加工工件表面上每一行网格点，且加工工件表面上的任一点时，车刀切削刃与工件在该点处的法向量共线。2.如权利要求1所述的四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其特征在于，车刀的每个切削点P所对应的最终刀位点位置坐标O
′
(x
″
ji
，y
″
ji
，z
″
ji
)为：其中，x
′
ji
为刀尖圆弧中心O的X轴坐标，z
′
ji
为刀尖圆弧中心O的Y轴坐标，y
i
为工件切削点P的Y轴坐标，n1，n2，n3分别为工件自由曲面上各离散点的法向量在X，Y，Z轴的分量；r为车刀圆弧半径；α为B轴法向摆动的角度。3.如权利要求2所述的四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其特征在于，其中，x
i
为切削点P的x轴坐标。4.如权利要求2所述的四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其特征在于，其中，Z
i
为切削点P的Z轴坐标。5.如权利要求1所述的四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚鹏，于世孟，王一帆，包晓宇，王海军，刘宗磊，刘朝红，黄传真，
申请(专利权)人：歌尔光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：