專利名稱：一種金剛石超精密車床自由曲面加工路徑生成方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超精密加工、復雜零件制造技術領域，涉及一種由曲面加工路徑生成方法。
背景技術：
目前，航空航天、國防、生物醫(yī)學、光學、通訊、微電子等領域的機器設備在提高性 能的同時，不斷地向超精密及微型化發(fā)展，在這個過程中，系統(tǒng)對微小關鍵器件的形狀 自由度要求越來越高，因此，具有光學質量表面的自由曲面加工技術成為帶動這些領域 發(fā)展的關鍵技術。
超精密加工是先進制造的前沿領域，是可以實現(xiàn)加工表面光學質量加工的技術，即工 件的形狀精度達到亞微米級，表面粗糙度達納米級。采用金剛石車刀進行超精密車削不 用像磨削加工那樣反復的加工才能達到一定的表面粗糙度，而是可以實現(xiàn)加工表面光學 質量的一次成型，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，在金剛石超精密車削加工時， 一般要求機床具有多自由度。 近幾年，隨著驅動和控制技術的發(fā)展，三軸金剛石車削加工出現(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的轉動角度添加了反饋或控制， 突破了在三軸機床上加工自由曲面的限制。
因為這兩種加工技術較新，至今，國內外的相關研究，包括機床供應商都沒有提供進 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 關鍵基礎，因此，很有必要開發(fā)針對三軸金剛石超精密車床的加工路徑生成方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種適用于三軸機床的自由曲面超精密加工路徑生成算法，突破 在三軸機床上加工自由曲面的限制，利用三軸機床實現(xiàn)自由曲面的超精密加工。
為此本發(fā)明采用如下的技術方案
一種金剛石超精密車床自由曲面加工路徑生成方法，用在三軸金剛石超精密機床上， 所述機床的主軸能夠做回轉運動和沿X軸向運動，主軸上安裝有對其轉動角度進行控制 或反饋使其沿C軸轉動的編碼器，金剛石刀具做Z向運動，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系，并根據把工件的旋轉運動轉換為刀 具在加工表面上繞主軸做旋轉運動的相對運動模型，建立模型坐標系與機床坐 標系之間的換算關系；
(2) 把加工自由曲面上加工點的模型坐標轉換為機床坐標系下的坐標；
(3) 求解加工刀具切削面在加工該點時的法向量； (4) 把曲面該點的法向量投影到切削面上，并在投影向量方向上進行刀具圓弧半徑 補償，獲得刀刃圓弧中心在機床坐標系下的坐標；
(5) 按照(2)到(4)的歩驟，進行加工運動，遍歷自由曲面上的加工點，最終生成加 工路徑。 '
上述的金剛石超精密車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，求解加工點處的法向量；
(b) 利用向量投影法，使用加工點的法向量和當前切削面的法向量，計算加工點的 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，并利用方向余弦對加工點進行刀刃圓弧半徑補償， 求解刀刃圓弧中心的模型坐標系下坐標；
(d) 把刀刃圓弧中心的模型坐標系下坐標轉換為機床坐標系下的坐標。
本發(fā)明具有如下顯著的優(yōu)點本發(fā)明利用運動的相對性，把工件的旋轉運動轉換為 刀具在加.工表面上繞主軸做旋轉運動，基于此原理，提出了金剛石超精密車床自由曲面 加工路徑生成方法，采用本發(fā)明提供的路徑生成方法，能夠突破在三軸機床上加工自由 曲面的限制，利用三軸機床實現(xiàn)自由曲面的超精密加工。


圖1金剛石刀具模型； 圖2刀具相對運動示意圖； 圖3 ;roy平面內螺旋線路徑; 圖4加工路徑示意圖。
具體實施例方式
普通的車床具有2個自由度，主軸除了做回轉運動之外，還可以沿Z軸向運動，車刀 做Z向運動。當給旋轉主軸安裝編碼裝置后，可以對其轉動角度進行控制或反饋，因此， 車床具有了第3個自由度，g卩C軸。設機床任意點的坐標表示為Oo，p，z)，其中p為J軸
坐標，^為C軸坐標，Z為Z軸坐標；只要讓主軸轉動角度和車刀的進給量、切深進行協(xié)
調控制，就能加工復雜的自由曲面。圖1是金剛石車刀模型的俯視圖，切削面的刀尖圓 弧半徑為r。。刀尖圓弧中心的坐標在加工過程中是可以控制定位的，而實際進行加工的 是刀刃部位，因此加工點坐標的圓弧半徑補償是加工路徑生成算法的關鍵。
假設需加工自由曲面的一般表達式為2 = /(x,j;)，并假設相應的偏導，
<formula>formula see original document page 5</formula>(1)
在對自由曲面上任二點/7。(x。，^。,z。;)進行加工時，計算刀尖圓弧中心應處的機床坐標
1.把該點模型坐標轉換成機床坐標茅、中的坐標A) (A，^,z。)，
<formula>formula see original document page 5</formula>(2)
4]是把角度轉換為[0°，360"的操作符號；
2. 利用加工過程的相對運動，把工件在主軸上的旋轉運動想象為刀具在加工表面上繞主 軸做旋轉運動。如圖2所示，在加工時，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. 計算a (;c0，>;0,z0;)點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行計算，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系坐標o(x,，;;,，^)可計算為，<formula>formula see original document page 5</formula> (7)
同樣利用式(2)，可以計算其對應的機床坐標o(A,。
按照一定方式，例如圖3所示的在;ray平面內螺旋線方式，遍歷自由曲面上的一定量 的點，得到每個點對應的刀尖圓弧中心坐標，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)明一系列的實施歩驟，得到 刀具半徑^=1.0附附時的加工路徑，如圖4所示;，并根據生成的路徑，使用三軸金剛石超
精密車床進行加工，可獲得理想的自由曲面形狀。
本發(fā)明適用于三軸'金剛石超精密車床進行光學質量的自由曲面加工，同樣適用于類
似加工方式的其他車床的自由曲面加工。自由曲面的方程式可由特定數(shù)學表達式給出，
對于無數(shù)學表達式的模型，采用一定的數(shù)學擬合方法進行數(shù)學描述，同樣適用于該方法，
因此，該發(fā)明具有一定的通用性。
權利要求
1.一種金剛石超精密車床自由曲面加工路徑生成方法，用在三軸金剛石超精密機床上，所述機床的主軸能夠做回轉運動和沿X軸向運動，主軸上安裝有對其轉動角度進行控制或反饋使其沿C軸轉動的編碼器，金剛石刀具做Z向運動，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系，并根據把工件的旋轉運動轉換為刀具在加工表面上繞主軸做旋轉運動的相對運動模型，建立模型坐標系與機床坐標系之間的換算關系；(2)把加工自由曲面上加工點的模型坐標轉換為機床坐標系下的坐標；(3)求解加工刀具切削面在加工該點時的法向量；(4)把曲面該點的法向量投影到切削面上，并在投影向量方向上進行刀具圓弧半徑補償，獲得刀刃圓弧中心在機床坐標系下的坐標；(5)按照(2)到(4)的步驟，進行加工運動，遍歷自由曲面上的加工點，最終生成加工路徑。
2. 根據權利要求1所述的金剛石超精密車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，求解加工點處的法向量；(b) 利用向量投影法，使用加工點的法向量和當前切削面的法向量，計算加工點的 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，并利用方向余弦對加工點進行刀刃圓弧半徑補償， 求解刀刃圓弧中心的模型坐標系下坐標；(d) 把刀刃圓弧中心的模型坐標系下坐標轉換為機床坐標系下的坐標。
全文摘要
本發(fā)明屬于超精密加工、復雜零件制造技術領域，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系，并建立模型坐標系與機床坐標系之間的換算關系；(2)把加工自由曲面上加工點的模型坐標轉換為機床坐標系下的坐標；(3)求解加工刀具切削面在加工該點時的法向量；(4)把曲面該點的法向量投影到切削面上，并在投影向量方向上進行刀具圓弧半徑補償，獲得刀刃圓弧中心在機床坐標系下的坐標；按照(2)到(4)步驟，遍歷自由曲面上的加工點，最終生成加工路徑。采用本發(fā)明提供的路徑生成方法，能夠突破在三軸機床上加工自由曲面的限制，實現(xiàn)自由曲面的超精密加工。
文檔編號G05B19/19GK101187807SQ20071005834
公開日2008年5月28日 申請日期2007年7月20日 優(yōu)先權日2007年7月20日
發(fā)明者張效棟, 房豐洲 申請人:天津大學