CN100343021C - 复杂曲线磨削过程中的砂轮法向跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种复杂曲线磨削过程中的砂轮法向跟踪方法，用于曲线精密磨削加工技术领域。本发明首先在数控轴中增加一个工作台滑座的回转轴，使工件轮廓相对于砂轮轴线位置可变；然后建立砂轮法向跟踪的数学模型，计算出磨削点处工件轮廓的法线和砂轮径向进给轴线之间的夹角θ_i；最后，根据计算出的工件轮廓上各磨削点的θ_i的正负和大小，在磨削中使工作台滑座绕c轴偏转相应的角度，使砂轮轴线和磨削点的法线重合，从而实现曲线磨削过程中砂轮对工件轮廓的法向跟踪。本发明实现砂轮对磨削点的法向跟踪磨削，这种磨削方法可使砂轮的切削状态保持不变，砂轮受力均匀，变形一致，并有效避开砂轮与工件的干涉，提高加工效率与精度，简便易行。

Description

复杂曲线磨削过程中的砂轮法向跟踪方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工技术领域的磨削方法，具体是一种复杂曲线磨削过程中的砂轮法向跟踪方法。

背景技术

复杂曲线轮廓的磨削方法，一般有两种：传统的靠模磨削方法和无靠模的全数控磨削方法。传统的靠模磨削方法是通过靠模仿形来合成出工件的廓形，采用这种方法加工出的工件的轮廓精度和表面精度都不高，并且每加工一种廓形的工件就要制造一套靠模，加工效率低且柔性差。无靠模的全数控磨削方法是随着计算机技术和数字控制技术的发展而发展起来的，这种方法通过数控技术实现对工件和砂轮运动的联动控制来合成出工件的轮廓，磨削过程中，砂轮的运动轨迹就是工件的加工轮廓。这种磨削方法尤其适合于复杂曲线轮廓的磨削，具有很好的柔性。但现有的复杂曲线数控磨削方法，一般是通过x和y方向上的两轴联动来实现工件轮廓的插补，砂轮在固定的轴线方向做进给运动。砂轮的轴线相对于工件轮廓方向是固定的。这样，在磨削加工过程中，砂轮的回转平面和工件磨削点处的法向不一定重合。由此将带来一系列的问题，如在曲线磨削过程中，磨削力的作用点会不断变化，使得砂轮容易产生轴向变形；砂轮根部不能有效避开曲线轮廓上的干涉区域，容易造成干涉、产生过切削、并造成较大的轮廓加工误差，影响复杂曲线零件数控磨削加工精度的提高。因此，上述问题是当今数控曲线磨削过程中所遇到的难点。在曲面的数控加工中，目前通常是通过三坐标以上的坐标联动，控制刀具轴线的偏转来实现刀具切削点对加工轮廓的法向跟踪。但这种方式都要涉及到刀具运动轨迹的精确控制，比较复杂，而且需要控制的坐标轴数都比较多。

经对现有技术文献检索发现，中国专利申请号：97195962.5，专利名称为：对具有凹腹的凸轮进行非圆形磨削的方法和装置。根据该发明提供的磨削方法可以看出，该方法采用一较小直径的磨轮，通过工件进给轴和转动轴的协调运动来形成凸轮的形状，砂轮主轴在垂直进给轴线方向上做跟踪运动，以使磨轮的磨削区总是保持在磨轮的母线上的相同位置。该专利中所涉及的跟踪方法是对磨轮母线的跟踪，不同于本文中砂轮对工件的法向跟踪方法。在进一步的检索中，目前尚未发现有关复杂曲线磨削过程的砂轮法向跟踪方面的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种复杂曲线磨削过程中的砂轮法向跟踪方法，使其实现砂轮对磨削点的法向跟踪磨削，这种磨削方法可使砂轮的切削状态保持不变，砂轮受力均匀，变形一致，并有效避开砂轮与工件的干涉，提高加工效率与精度，简便易行。

本发明是通过以下技术方案来实现的：首先在数控轴中增加一个工作台滑座的回转轴，使工件轮廓相对于砂轮轴线位置可变；然后建立砂轮法向跟踪的数学模型，计算出磨削点处工件轮廓的法线和砂轮径向进给轴线之间的夹角θ_i；最后，根据计算出的工件轮廓上各磨削点的θ_i的正负和大小，在磨削中使工作台滑座绕c轴偏转相应的角度，使砂轮轴线和磨削点的法线重合，从而实现曲线磨削过程中砂轮对工件轮廓的法向跟踪。

以下对本发明作进一步的详细说明，具体步骤如下：

(1)工作台滑座的回转运动控制：在工作台上设计一个滑座，该滑座可在±30°范围内绕固定轴c回转，插补轴(x，y轴)的导轨建立在滑座上，为便于控制，将c轴的回转中心设在砂轮刀尖圆弧顶点在工作台平面上的投影点上，磨削前，进行精确对刀，使砂轮刀尖圆弧顶点、工件轮廓首切点和工作台滑座c轴回转中心三点重合，磨削过程中，由数控系统实时控制工作台滑座的转角大小和方向；

(2)砂轮法向跟踪数学模型的建立：①建立任意工件曲线轮廓上某一点的法向矢量和在该点上砂轮的径向进给轴线的夹角，即法向跟踪角的通用数学表达式；②对给定工件曲线轮廓上所有点进行法向跟踪角的数值计算，生成可执行的含法向跟踪功能的数控代码；

(3)实时磨削中的法向跟踪：在磨削过程中，数控系统根据读入的当前磨削点的x，y位移值和c轴转角值(法向跟踪角θ_i的数值)使工作台在做插补运动的同时绕c轴转过θ_i角度，从而使砂轮的径向进给轴线恰好和工件轮廓在该磨削点处的法向重合，实现磨削中砂轮对工件轮廓的自动法向跟踪。

所述的砂轮法向跟踪数学模型的建立，其步骤①是指首先进行坐标变换，将在工件坐标系中表示的工件曲线轮廓点的坐标值转换到机床名义坐标系中；其次，在机床名义坐标系中，求出工件曲线轮廓上某一给定点的法向单位矢量及该法线的斜率；再次，根据曲线上给定点的法线的斜率，得出曲线上给定点的法向跟踪角的通用数学表达式。

所述的砂轮法向跟踪数学模型的建立，其步骤②是指首先采用一定的插补算法对已知工件曲线轮廓进行插补运算，得到工件轮廓上一系列点的坐标数据；其次，根据步骤①中所建立的法向跟踪角的通用数学表达式，计算曲线轮廓首切点的法向矢量与砂轮的径向进给轴线的夹角θ₀，以确定工作台滑座在首切点处的转动角度，实现首切点的法向跟踪；再次，依次计算工件轮廓上各插补点的法向矢量与砂轮的径向进给轴线的夹角θ_i，即该点的法向跟踪角；最后，生成含法向跟踪角度的新的数控代码。

实现曲线磨削过程中，砂轮对工件轮廓的法向跟踪磨削的前提是：砂轮的回转轴线相对于工件轮廓位置可变化，这可以通过旋转砂轮轴线或旋转工件来实现。在本发明中，正是通过在磨床的工作台上设计一个滑座，使装夹在工作台上的工件相对于砂轮回转轴线旋转一定角度，来实现磨削中砂轮对工件轮廓曲线的法向跟踪。在磨削时，当砂轮的回转轴不在磨削点的法线方向时，该轴线必然和磨削点的法向成一定角度，这样，在磨削该点时，如果使工件绕该磨削点转过这一角度，则恰好使砂轮回转轴线和磨削点法线重合。因此，只要使工作台滑座的回转中心建立在当前磨削点上，磨削时通过数控装置控制磨床工作台滑座绕磨削点转过一定角度，就可以保证砂轮回转轴线和磨削点的法向重合，实现法向跟踪磨削。而在磨削前的对刀工作(使砂轮刀尖圆弧顶点、工件轮廓首切点和工作台滑座c轴回转中心三点重合)，则保证了c轴的回转中心必然位于磨削点上。

本发明采用将磨床工作台滑座旋转一定的角度，来实现磨削时砂轮对工件的法向跟踪，使砂轮的后部避开工件，有效避免砂轮的根切，同时使磨削时砂轮的切削状态保持不变，在工件轮廓的各点上，砂轮受力情况一致，变形一致，有效地提高了加工精度并使整个零件表面上的误差分布均匀，这对于保证某些高速回转零件的平衡性具有重要意义。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

本实施例在上海第三机床厂生产的MD9040数字式曲线磨床上进行，具体实施过程如下：

(1)在工作台上设计一个滑座，该滑座可在一定范围内绕固定轴c回转。

(2)计算工件曲线轮廓上各点的法向跟踪角。具体计算过程如下：首先，采用一定的插补算法对已知工件曲线轮廓进行插补运算，得到工件轮廓上一系列点的坐标数据；然后计算出曲线轮廓首切点的法向矢量与砂轮的径向进给轴线的夹角θ₀，以确定工作台滑座在首切点处的转动角度，实现首切点的法向跟踪；最后依次计算工件轮廓上各插补点的法向矢量与砂轮的径向进给轴线的夹角θ_i，即法向跟踪角，生成含法向跟踪角度的新的数控代码。

(3)将工件装夹到机床工作台上，并进行对刀，使砂轮刀尖圆弧顶点、工件轮廓首切点和工作台滑座c轴回转中心三点重合。

(4)磨削加工时，数控系统根据读入的当前磨削点的x，y位移值和c轴转角值(法向跟踪角θ_i的数值)，实时控制工作台在做插补运动的同时绕c轴转过θ_i角度，使砂轮的径向进给轴线恰好和工件轮廓在该磨削点处的法向重合，从而使砂轮与工件处于相切的状态，实现磨削过程中砂轮对工件的法向跟踪。

Claims (5)

1.一种复杂曲线磨削过程中的砂轮法向跟踪方法，其特征在于，首先在数控轴中增加一个工作台滑座的回转轴，使工件轮廓相对于砂轮轴线位置可变；然后建立砂轮法向跟踪的数学模型，计算出磨削点处工件轮廓的法线和砂轮径向进给轴线之间的夹角θ_i；最后，根据计算出的工件轮廓上各磨削点的θ_i的正负和大小，在磨削中使工作台滑座绕固定轴c轴偏转相应的角度，使砂轮轴线和磨削点的法线重合，从而实现曲线磨削过程中砂轮对工件轮廓的法向跟踪。

2.根据权利要求1所述的复杂曲线磨削过程中的砂轮法向跟踪方法，其特征是，包括如下具体步骤：

(1)工作台滑座的回转运动控制：在工作台上设计一个滑座，该滑座可在±30°范围内绕固定轴c回转，插补轴的导轨建立在滑座上，为便于控制，将c轴的回转中心设在砂轮刀尖圆弧顶点在工作台平面上的投影点上，磨削前，进行精确对刀，使砂轮刀尖圆弧顶点、工件轮廓首切点和工作台滑座c轴回转中心三点重合，磨削过程中，由数控系统实时控制工作台滑座的转角大小和方向；

(2)砂轮法向跟踪数学模型的建立：①建立任意工件曲线轮廓上某一点的法向矢量和在该点上砂轮的径向进给轴线的夹角，即法向跟踪角的通用数学表达式；②对给定工件曲线轮廓上所有点进行法向跟踪角的数值计算，生成可执行的含法向跟踪功能的数控代码；

(3)实时磨削中的法向跟踪：在磨削过程中，数控系统根据读入的当前磨削点的x，y位移值和c轴转角值，使工作台在做插补运动的同时绕c轴转过θ_i角度，从而使砂轮的径向进给轴线恰好和工件轮廓在该磨削点处的法向重合，实现磨削中砂轮对工件轮廓的自动法向跟踪。

3.根据权利要求2所述的复杂曲线磨削过程中的砂轮法向跟踪方法，其特征是，所述的砂轮法向跟踪数学模型的建立，其步骤①是指首先进行坐标变换，将在工件坐标系中表示的工件曲线轮廓点的坐标值转换到机床名义坐标系中；其次，在机床名义坐标系中，求出工件曲线轮廓上某一给定点的法向单位矢量及该法线的斜率；再次，根据曲线上给定点的法线的斜率，得出曲线上给定点的法向跟踪角的通用数学表达式。

4.根据权利要求2所述的复杂曲线磨削过程中的砂轮法向跟踪方法，其特征是，所述的砂轮法向跟踪数学模型的建立，其步骤②是指首先采用一定的插补算法对已知工件曲线轮廓进行插补运算，得到工件轮廓上一系列点的坐标数据。

5.根据权利要求2所述的复杂曲线磨削过程中的砂轮法向跟踪方法，其特征是，所述的砂轮法向跟踪数学模型的建立，根据步骤①中所建立的法向跟踪角的通用数学表达式，计算曲线轮廓首切点的法向矢量与砂轮的径向进给轴线的夹角θ₀，以确定工作台滑座在首切点处的转动角度，实现首切点的法向跟踪；依次计算工件轮廓上各插补点的法向矢量与砂轮的径向进给轴线的夹角θ_i，即该点的法向跟踪角；最后，生成含法向跟踪角度的新的数控代码。