本發(fā)明涉及機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有自由曲面金屬零件的加工方法。

背景技術(shù)：

隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)和CAD/CAM現(xiàn)代化數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，金屬零件的制造范圍變得越來越廣泛，有簡(jiǎn)單的形體零件向空間復(fù)雜曲面零件方向發(fā)展。由于含有自由曲面的零件，其形狀美觀，且曲面有很高的自由度，形狀易于調(diào)整，且有許多優(yōu)良的力學(xué)、光學(xué)性能。特別是將自由曲面引入光學(xué)系統(tǒng)中，可極大提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量和能量的傳輸效率。

但是金屬鏡的加工需要經(jīng)過開形，精加工，最后用金剛石車刀車削或者拋光成鏡面。精加工過程中要留有余量，便于后續(xù)的金剛石車削或拋光，如果精加工面形精度足夠高，則留有的余量可以足夠的小，可以為后續(xù)的加工省去很多加工步驟，因此高質(zhì)量的精加工面形精度對(duì)整個(gè)金屬鏡的加工有重要的影響。通過現(xiàn)代的數(shù)控超精密制造技術(shù)，采用多軸聯(lián)動(dòng)加工中心，配合CAM計(jì)算機(jī)圖形化編程技術(shù)，建立計(jì)算機(jī)與CNC間通訊，理論上可以加工出任意形狀的自由曲面。但是在此過程中涉及多種誤差，例如刀具形狀和半徑，機(jī)床定位等，最后累積到所加工曲面的面形誤差，直接影響了加工精度。而如果提高加工精度，例如引入更高精度的加工機(jī)床，使用更高精度的刀具和裝夾持設(shè)備，那么將提高金屬鏡的加工成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中由于加工曲面的面形誤差影響了加工精度的技術(shù)問題，提供一種有效提高自由曲面的加工精度且降低加工成本的具有自由曲面金屬零件的加工方法。

本發(fā)明的實(shí)施例提供一種具有自由曲面金屬零件的加工方法，所述加工方法包括以下步驟：在CAM編程軟件中繪制待加工的曲面，并對(duì)所述曲面進(jìn)行離散化，得到面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中所述面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括待加工的曲面中各個(gè)點(diǎn)相對(duì)于待加工金屬零件的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

在CAM編程軟件中，設(shè)置球頭銑刀的半徑，并根據(jù)球頭銑刀的半徑和所述面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)規(guī)劃加工路徑，以及輸出數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)控加工文件；

所述數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控加工文件對(duì)待加工金屬零件進(jìn)行第一次加工；

所述數(shù)控系統(tǒng)對(duì)第一次加工后的曲面進(jìn)行點(diǎn)接觸檢測(cè)得到檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)并輸出至CAM編程軟件中；

在CAM編程軟件中，根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)得到點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)和面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到加工誤差數(shù)據(jù)；

在CAM編程軟件中，根據(jù)球頭銑刀的半徑、加工誤差數(shù)據(jù)和所述面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)規(guī)劃加工路徑，以及輸出數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)控加工文件；

所述數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控加工文件對(duì)第一次加工后金屬零件進(jìn)行第二次加工。

本發(fā)明的方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過圖形化編程加工曲面與在線檢測(cè)曲面相結(jié)合即加工與檢測(cè)相結(jié)合，且誤差補(bǔ)償?shù)姆绞郊庸?，使得加工曲面面形精度得到保證即提高自由曲面的加工精度，而且不需要引入更高精度的加工機(jī)床，使用更高精度的刀具和裝夾持設(shè)備，從而降低加工成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具有自由曲面金屬零件的加工方法一種實(shí)施例的流程圖。

圖2為本發(fā)明具有自由曲面金屬零件的加工方法另一種實(shí)施例的流程圖。

圖3本發(fā)明一種自由曲面金屬反射鏡的銑削成型的被加工曲面離散化模型。

圖4本發(fā)明一種自由曲面金屬反射鏡的銑削成型的加工示意圖。

圖中，40、球頭銑刀；41、車床探針。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提供一種實(shí)施的具有自由曲面金屬零件的加工方法，如圖1所示，所述加工方法包括：

步驟S10，在CAM(computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造)編程軟件中繪制待加工的曲面，并對(duì)所述曲面進(jìn)行離散化，得到面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中所述面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括待加工的曲面中各個(gè)點(diǎn)相對(duì)于待加工金屬零件的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

步驟S11，在CAM編程軟件中，設(shè)置球頭銑刀的半徑，并根據(jù)球頭銑刀的半徑和所述面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)規(guī)劃加工路徑，以及輸出數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)控加工文件；

步驟S12，所述數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控加工文件對(duì)待加工金屬零件進(jìn)行第一次加工；

步驟S13，所述數(shù)控系統(tǒng)對(duì)第一次加工后的曲面進(jìn)行點(diǎn)接觸檢測(cè)得到檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)并輸出至CAM編程軟件中；

步驟S14，在CAM編程軟件中，根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)得到點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)和面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到加工誤差數(shù)據(jù)；

步驟S15，在CAM編程軟件中，根據(jù)球頭銑刀的半徑、加工誤差數(shù)據(jù)和所述面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)規(guī)劃加工路徑，以及輸出數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)控加工文件；

步驟S16，所述數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控加工文件對(duì)第一次加工后金屬零件進(jìn)行第二次加工。

在具體實(shí)施中，所述金屬零件可以為金屬反射鏡，由于功能的需要，金屬反射鏡的面形可能是一些特殊設(shè)計(jì)的自由曲面，比如如拋物面，高次曲面，因此在機(jī)械制造中會(huì)涉及到自由曲面的加工。自由曲面是空間立體結(jié)構(gòu)，常用方程或者三維模型加以描述，相比于常規(guī)零件的加工更加困難，通過采用數(shù)控加工中心與球形銑刀，圖形化編程規(guī)劃刀路，來加工金屬鏡鏡坯，在每次加工后通過在線測(cè)量實(shí)際加工曲面的上特征點(diǎn)坐標(biāo)，繪制實(shí)際加工曲面，通過對(duì)加工曲面與設(shè)計(jì)曲面的比較，計(jì)算加工誤差量，重新規(guī)劃刀路并加工，如此迭代加工，逐步減小加工誤差，最終得到滿足設(shè)計(jì)要求的自由曲面面形。該方法可以提高自由曲面的加工效率，降低加工成本，有利于特殊金屬鏡反射鏡的制造和應(yīng)用。

在具體實(shí)施中，在步驟S14之后，如圖2所示，所述加工方法還包括：

步驟S214，判斷加工誤差數(shù)據(jù)是否小于或等于誤差預(yù)設(shè)值，如果是，進(jìn)入步驟S2141，如果否，進(jìn)入步驟S15。

步驟S2141，結(jié)束對(duì)金屬零件的加工。

也就是說，當(dāng)加工誤差數(shù)據(jù)是否小于或等于誤差預(yù)設(shè)值時(shí)，已經(jīng)加工完成符合設(shè)計(jì)要求的自由曲面。

在具體實(shí)施中，所述對(duì)所述曲面進(jìn)行離散化，得到面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具體為：

將所述曲面離散成曲面上的多個(gè)點(diǎn)；

設(shè)置離散點(diǎn)的間距d和離散點(diǎn)分布方式，并根據(jù)所述離散點(diǎn)的間距和離散點(diǎn)分布方式，得到面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

或者，具體為：

將所述曲面離散成曲面上的多個(gè)點(diǎn)；

設(shè)置離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)和離散點(diǎn)分布方式，并根據(jù)所述離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)和離散點(diǎn)分布方式，得到面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

在具體實(shí)施中，如圖3所示，所述離散點(diǎn)分布方式為矩形點(diǎn)分布。比如，待加工的金屬零件的自由曲面的方程為z＝f(x,y)，其中f(x,y)中x、y的次數(shù)決定了該曲面的復(fù)雜程度，將這口徑內(nèi)的曲面進(jìn)行離散化，即將曲面離散成曲面上的多個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)數(shù)越多，對(duì)于曲面的描述越精確，接著設(shè)置離散化間隔距離d及離散化為矩形點(diǎn)分布，可以得到其面形點(diǎn)云矩陣A_design即面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云矩陣中包括各個(gè)點(diǎn)相對(duì)于待加工的金屬零件的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同樣的，如果該待加工的金屬零件的曲面無法用方程描述，則可以直接用離散的點(diǎn)進(jìn)行表示，也同樣適用于該離散方法。

在具體實(shí)施中，所述設(shè)置球頭銑刀的半徑步驟，具體為球頭半徑小于或等于待加工的曲面上的最小曲率半徑且球刀的半徑大于或等于待加工的曲面上的最小曲率半徑，也就是在CAM編程軟件中，選擇半徑為R的球頭銑刀，球刀選取的原則是球頭半徑小于或等于自由曲面上的最小曲率半徑，同時(shí)盡可能的選擇大半徑的球刀，比如球頭銑刀最大半徑是10mm，使得加工出來的自由曲面更為光滑平整。

在具體實(shí)施中，所述檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)具體為：所述檢測(cè)點(diǎn)與待加工金屬零件位置相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

由于刀具測(cè)量或者數(shù)控系統(tǒng)中加工中心自身的動(dòng)態(tài)誤差，所加工的面形與理想面形會(huì)有一定的偏差，常規(guī)方法是將第一次加工的零件卸載后，在專門的檢測(cè)設(shè)備上檢測(cè)面形，不僅浪費(fèi)時(shí)間而且還會(huì)引入二次裝卡誤差。在本發(fā)明中，完成第一次加工后使用在線接觸式檢測(cè)方法，即使用數(shù)控系統(tǒng)中探針，接觸加工后曲面上一點(diǎn)位置，數(shù)控系統(tǒng)中機(jī)床隨即將該點(diǎn)在機(jī)床空間位置記錄下來，得到該點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，優(yōu)選情況下，轉(zhuǎn)換成與待加工金屬零件位置相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

也就是說，步驟S13，具體為：

步驟S2130，所述數(shù)控系統(tǒng)對(duì)第一次加工后的曲面進(jìn)行點(diǎn)接觸檢測(cè)得到所述檢測(cè)點(diǎn)與待加工金屬零件位置相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)并輸出至CAM編程軟件中。

如圖2所示，步驟S14，具體為：

步驟S2140，在CAM編程軟件中，根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)與待加工金屬零件位置相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)得到點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)和面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到加工誤差數(shù)據(jù)。

在具體實(shí)施中，步驟S2140，具體包括：

在面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取多個(gè)特征點(diǎn)，得到特征點(diǎn)的面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)即特征點(diǎn)矩陣A_pick；

根據(jù)多個(gè)特征點(diǎn)從檢測(cè)點(diǎn)與待加工金屬零件位置相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，得到特征點(diǎn)的點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)即特征點(diǎn)的測(cè)量矩陣A_measure，其中，所述特征點(diǎn)的點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)包括特征點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)；

根據(jù)特征點(diǎn)的面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)和特征點(diǎn)的點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)，得到加工誤差數(shù)據(jù)，即加工誤差矩陣A_err＝A_pick-A_measure。

由于曲面離散化的點(diǎn)云數(shù)量龐大，不可能檢測(cè)所有的離散點(diǎn)，因此在先前離散的面形點(diǎn)云矩陣中抽出若干特征點(diǎn)，形成特征點(diǎn)矩陣A_pick，使得數(shù)控系統(tǒng)的車床檢測(cè)量大大減少。

在具體實(shí)施中，所述根據(jù)特征點(diǎn)的面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)和特征點(diǎn)的點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)，得到加工誤差數(shù)據(jù)的步驟，具體為：

根據(jù)特征點(diǎn)的面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)、特征點(diǎn)的點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)和待加工的曲面，得到實(shí)際加工的曲面面形；

對(duì)待加工的曲面和實(shí)際加工的曲面面形進(jìn)行比較，得到加工誤差數(shù)據(jù)。

也就是說，根據(jù)所繪制的設(shè)計(jì)曲面圖形和加工誤差矩陣Aerr，重新規(guī)劃刀路，補(bǔ)償加工誤差，進(jìn)行金屬零件的第二次加工。

在具體實(shí)施中，金屬零件為金屬反射鏡，金屬反射鏡的自由曲面為高次方程曲面在使用金剛石車削或拋光成金屬鏡面前，在數(shù)控系統(tǒng)的加工中心上銑削成設(shè)計(jì)的自由曲面面形，并留有一定的余量。自由曲面的描述采用點(diǎn)云法，這種方法不僅與圖形化編程思想相一致，便于刀路的規(guī)劃，同時(shí)可以適應(yīng)自由曲面的描述。具體實(shí)施過程如下：

在CAM編程軟件中繪制方程曲面，設(shè)置離散點(diǎn)的間距(或點(diǎn)個(gè)數(shù))以及離散點(diǎn)分布方式，可以得到如圖3所示結(jié)果。選擇半徑為R的球頭銑刀40，球刀選取的原則是球頭半徑要小于曲面上的最小曲率半徑，同時(shí)盡可能的選擇大半徑的球刀，這樣加工出來的曲面更為光滑平整。根據(jù)球頭與球面接觸離散點(diǎn)，合理規(guī)劃出走刀路線如圖4所示。刀具路線經(jīng)處理后形成程序文件，導(dǎo)入加工中心，則可以對(duì)鏡坯即待加工的金屬零件進(jìn)行第一次的加工。另外使用球頭銑刀，即刀具旋轉(zhuǎn)后形成的球面與鏡坯曲面相接觸，屬于點(diǎn)接觸，可以認(rèn)為刀具通過面形點(diǎn)云數(shù)據(jù)所有的點(diǎn)與鏡坯相接觸，并完成了對(duì)鏡坯的切削和完成對(duì)自由曲面的加工。

第一輪加工完成后要進(jìn)行在線的檢測(cè)環(huán)節(jié)，由于曲面離散化的點(diǎn)云數(shù)量龐大，不可能檢測(cè)所有的離散點(diǎn)，因此在先前離散的面形點(diǎn)云矩陣中抽出若干特征點(diǎn)，形成特征點(diǎn)的矩陣A_pick，通過在線接觸式測(cè)量裝置即數(shù)控系統(tǒng)的車床探針41如圖4所示，測(cè)量所有特征點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)于反射鏡的實(shí)際空間位置，形成特征點(diǎn)的測(cè)量矩陣A_measure，特征點(diǎn)的測(cè)量矩陣A_measuree中包含所選特征點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)位置(x，y，z)。利用特征點(diǎn)的測(cè)量矩陣A_measuree中的點(diǎn)信息和原先的方程曲面中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的信息，可以在CAM編程軟件中繪制實(shí)際加工的曲面面形，然后將實(shí)際加工的曲面面形與原先的方程曲面即設(shè)計(jì)曲面進(jìn)行比較可得到加工誤差數(shù)據(jù)，即加工誤差矩陣A_err＝A_pick-A_measure，這個(gè)誤差可認(rèn)為包括加工中心性能，加工參數(shù)，加工環(huán)境，刀具測(cè)量等因素綜合引起的加工誤差，因此若能補(bǔ)償這個(gè)誤差即可有效降低加工誤差。接著判斷加工誤差數(shù)據(jù)是否小于或等于誤差預(yù)設(shè)值，如果否，根據(jù)原先繪制的曲面圖形和加工誤差矩陣A_er，重新規(guī)劃刀路，補(bǔ)償加工誤差，進(jìn)行鏡坯的第二次加工。

第二次加工完成后，同樣進(jìn)行在線檢測(cè)，如果檢測(cè)結(jié)果符合曲面加工的誤差要求，則加工完成，如果還是超差，則可以如此反復(fù)幾輪，直至所加工面形達(dá)到要求。

本發(fā)明的加工方法，通過采用計(jì)算機(jī)圖形化編程技術(shù)規(guī)劃刀具銑削路徑，球形銑刀加工自由曲面，采用點(diǎn)云方式對(duì)所加工的自由曲面進(jìn)行在線的測(cè)量和評(píng)價(jià)，計(jì)算得到點(diǎn)云誤差矩陣，結(jié)合圖形化編程技術(shù)，補(bǔ)償加工數(shù)據(jù)以修正加工結(jié)果，如此迭代加工，逐漸減小加工誤差，最終得到滿足設(shè)計(jì)精度要求的自由曲面。該方法可以有效提高自由曲面的加工精度和提高加工效率，而且不需要引入更高精度的加工機(jī)床，使用更高精度的刀具和裝夾持設(shè)備，從而有效地降低加工成本，有利于具有自由曲面零件的制造與應(yīng)用。

上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理和最佳實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。