CN102107372B - 一种主动改变主轴转速的离轴车削自由曲面方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种主动改变主轴转速的离轴车削自由曲面方法，属于超精密切削和复杂曲面光学零件切削方法。将两个或多个自由曲面工件等间隔地离轴安装，离轴安装的位置和姿态可调整；根据金刚石刀具接触点的坐标位置主动改变主轴回转速度，以确保加工表面上切削速度的一致性。本发明的优点在于：解耦了切削速度对金刚石刀具接触点位置的依赖性，在离轴车削创成自由曲面的同时可获得均匀一致的加工表面质量；所述方法简便、易于实施。
Description
技术领域
本发明属于超精密加工和复杂曲面光学零件加工等技术领域，涉及一种主动改变主轴转速的离轴车削自由曲面方法。
背景技术
光学自由曲面具有许多无可比拟的优越性，在国防、航天航空、微电子和光电子等重要的工业领域有着日益增长的应用需求，因此迫切需要为工业界提供一种高效、精密、低成本加工创成光学自由曲面的方法。迄今为止，基于快速刀具伺服（Fast Tool Servo, 以下简称FTS）的金刚石车削被认为是最有发展前途的一种方法，但也还存在许多问题。
现有的金刚石车削方法，自由曲面工件与金刚石车床主轴通常都是同轴安装的，即待加工自由曲面的几何轴线与主轴的回转轴线共轴，这类金刚石车削称为共轴车削。对于共轴车削，随着刀具接触点的回转半径减小、刀具接触点的切削速度也逐渐减小并趋近于零，这必然会影响待加工自由曲面回转中心处以及各刀具接触点的加工表面质量。为了消除切削速度为零的问题，将自由曲面工件与主轴采用非共轴方式安装，使待加工自由曲面的几何轴线偏离主轴回转中心的轴线，确保每个刀具接触点的切削速度皆不为零，此即离轴车削方法。然而对于离轴车削，在自由曲面工件的轴截面上，每个刀具接触点的切削速度依然是不一致的。
综上所述，现有的光学自由曲面金刚石车削方法的问题之一主要在于：金刚石刀具接触点的切削速度依赖于接触点的坐标位置，由于切削速度的不同将导致在不同的接触点处加工表面的质量不均匀，这在精密和超精密切削加工中尤为重要。为了克服这些缺陷，本发明提出一种主动改变主轴转速的离轴车削自由曲面方法，以获得均匀的加工表面质量。
发明内容
本发明提供一种主动改变主轴转速的离轴车削自由曲面方法，在离轴车削创成自由曲面的同时，解耦切削速度对金刚石刀具接触点位置的依赖性，以获得均匀的加工表面质量。
本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：
（1）沿与主轴回转中心同轴的圆周方向上，将两个或多个自由曲面工件等间隔地安装在一台夹具上，使每个自由曲面上的最小回转半径偏离主轴的回转轴线；
（2）根据加工表面上刀具接触点的位置主动改变主轴回转速度，以确保加工表面上切削速度的一致性；
（3）主轴作回转运动，溜板在X轴和Z轴作进给运动，通过运动轴检测控制系统获取每个瞬态主轴转角，控制FTS装置的X轴和Z轴作同步快速往复运动，由此实现自由曲面离轴车削。
一种实现主动改变主轴转速的离轴车削自由曲面方法的装置，包括：
（1）一个高精密旋转光栅编码器安装在主轴尾端以实时检测主轴回转角度φ，两个直线光栅实时检测溜板的X轴和Z轴坐标位置，分别馈入一个多轴运动控制器；
（2）利用两个高精密的直线光栅或电容位移传感器，实时检测FTS装置的X轴和Z轴往复运动位移，分别馈入一个多轴运动控制器；
（3）根据实测的主轴回转角度φ、溜板在X轴和Z轴的坐标位置，通过一个多轴运动控制器驱动FTS装置，以产生同步的X轴和Z轴快速往复运动；
（4）根据实测的主轴回转角度φ、溜板在X轴和Z轴的坐标位置、以及FTS装置的X轴和Z轴快速往复运动，通过一个多轴运动控制器驱动金刚石车床的PLC，以实时改变主轴回转角速度Ω。
本发明之主动改变主轴回转速度的方法，其步骤如下：
（1）根据工件的离轴安装，确定刀尖圆弧接触点的平均回转半径ρ0=(ρmax+ρmin)/2，ρmax和ρmin分别是刀尖圆弧接触点的最大和最小半径；
（2）选择平均回转半径ρ0处的切削速度vc，确定ρ0处的主轴回转角速度Ω0=vc/ρ0；
（3）实时检测金刚石车床主轴回转脉冲，获得当前的主轴转角φi；
（4）实时检测每一个金刚石刀尖圆弧中心的径向坐标位置ρc，反求刀尖圆弧接触点的径向坐标位置ρ；
（5）确定该刀尖圆弧接触点的主轴回转角速度Ω=(ρ0/ρ)Ω0。
本发明的优点在于：解耦了切削速度对金刚石刀具接触点位置的依赖性，在离轴金刚石车削创成自由曲面的同时、可获得均匀一致的加工表面质量。
本发明主要适用于：自由曲面的金刚石车削创成。
附图说明
图1是自由曲面工件在夹具上的离轴布置示意图；
图2是离轴车削创成自由曲面所需的加工运动示意图；
图3是各运动轴的坐标位置检测及控制系统示意图；
图4 是切削速度对金刚石刀具接触点位置的依赖性；
附图标记如下：
1-主轴；2-夹具；3-自由曲面工件； 4-FTS装置； 5-小溜板； 6-大溜板； 7-机床床身； 8- 高精密光栅（或电容）位移传感器； 9-高精密直线光栅传感器； 10-高精密旋转光栅编码器；11-机床PLC；12-功率放大器；13-多轴运动控制器；14-信号放大器。
具体实施方式
图1示出了两个或多个自由曲面工件3在夹具定位基准面2上的离轴布置示意图。由图1可见，沿与主轴1回转中心同轴的圆周方向上，两个或多个工件被等间距地安装在夹具上，图1中以4个工件为例，确保在主轴回转过程中两个或多个工件的惯性平衡，并使自由曲面上金刚石刀具接触点的最小回转半径偏离主轴回转中心。
图2示出了离轴车削创成自由曲面所需的加工运动。对于自由曲面工件，无论是同轴安装、还是离轴安装，都难以消除待加工表面的非回转对称性，这使得刀具在主轴回转中必须在X和Z轴上作快速往复运动。因此，离轴车削创成自由曲面的加工运动主要包括：主轴回转运动、小溜板5在X轴的进给运动、安装在床身7上的大溜板6在Z轴的进给运动以及FTS装置4在X轴和Z轴上的同步快速往复运动。
图3示出了各运动轴的坐标位置检测及控制系统示意图。如图3所示，通过一个安装在主轴尾端的高精密旋转光栅编码器10实时检测主轴回转角度φ，两个直线光栅9实时检测溜板的X轴和Z轴坐标位置，利用两个高精密的直线光栅（或电容）位移传感器8，实时检测FTS装置的X轴和Z轴往复运动位移；传感器的检测信号通过信号放大器14放大后馈入多轴运动控制器13，多轴运动控制器13将控制信号馈入功率放大器12放大之后驱动FTS装置，以产生同步的X轴和Z轴快速往复运动；该多轴运动控制器13同时输出控制分量驱动车床的可编程控制器（PLC）11，以实时改变主轴的回转角速度Ω。
图4示出了切削速度对金刚石刀具接触点坐标位置的依赖性。由图4可见，在主轴转速不改变的情况下，金刚石刀具接触点的切削速度将会随着该接触点的径向坐标位置变化而变化。为了确保在加工表面上切削速度的一致性，求解金刚石刀具接触点的平均回转半径ρ0=(ρmax+ρmin)/2，然后选择ρ0处的切削速度vc，则ρ0处的主轴回转角速度Ω0=vc/ρ0，其它接触点位置ρ处的主轴回转角速度Ω=(ρ0/ρ)Ω0，因此主动改变主轴回转角速度Ω的关键在于获得刀具接触点的径向坐标ρ。
综上所述，本发明所述方法的具体实施方式归纳如下：
（1）沿与金刚石车床主轴回转中心同轴的圆周方向上，将两个或多个自由曲面工件等间距地安装在一台夹具上，确保在主轴回转中的惯性平衡；调整自由曲面工件的离轴安装位置，使每个自由曲面上金刚石刀具接触点的最小回转半径适当地偏离主轴回转轴线；
（2）一个高精密旋转光栅编码器安装在金刚石车床主轴尾端以实时检测主轴回转脉冲，两个精密大行程的直线光栅安装在溜板与床身之间以实时检测溜板的X轴和Z轴坐标位置，分别馈入一个高性能的多轴运动控制器；
利用两个高精密的直线光栅或电容位移传感器以实时检测FTS装置的X轴和Z轴往复运动位移，分别馈入一个高性能的多轴运动控制器；
实时检测金刚石车床主轴回转脉冲、以及金刚石刀具在X轴和Z轴的实际坐标位置，通过一个高性能的多轴运动控制器驱动金刚石车床的PLC，以主动改变主轴的回转角速度；
（3）实时检测金刚石车床主轴回转脉冲、以及溜板在X轴和Z轴的实际坐标位置，通过一个高性能的多轴运动控制器驱动FTS装置的X轴和Z轴，以使FTS装置在X轴和Z轴上产生所需的金刚石刀具轨迹；
金刚石刀具在X轴和Z轴的实际坐标位置是由溜板在X轴和Z轴的实际坐标位置，以及FTS装置的X轴和Z轴往复运动同步合成得到。
在自由曲面离轴车削中，一种主动改变主轴回转速度的策略，其具体实施步骤如下：
（1）根据工件的离轴安装，确定刀具接触点的平均回转半径ρ0=(ρmax+ρmin)/2，ρmax和ρmin分别是刀具接触点的最大和最小半径；
（2）选择平均回转半径ρ0处的切削速度vc，则ρ0处的主轴回转角速度Ω0=vc/ρ0；
（3）实时检测金刚石车床主轴回转脉冲，获得当前的主轴转角φi；
（4）实时检测每一个金刚石刀位点的径向坐标位置ρc，反求刀具接触点的径向坐标位置ρ，这里ρmin≤ρ≤ρmax；
（5）确定该刀具接触点的主轴回转角速度Ω=(ρ0/ρ)Ω0。
一种实现主动改变主轴转速的离轴车削自由曲面方法的装置，包括：
（1）一个高精密旋转光栅编码器安装在主轴尾端以实时检测主轴回转角度φ，两个直线光栅实时检测溜板的X轴和Z轴坐标位置，分别馈入一个多轴运动控制器；
（2）利用两个高精密的直线光栅或电容位移传感器，实时检测FTS装置的X轴和Z轴往复运动位移，分别馈入一个多轴运动控制器；
（3）根据实测的主轴回转角度φ、溜板在X轴和Z轴的坐标位置，通过一个多轴运动控制器驱动FTS装置，以产生同步的X轴和Z轴快速往复运动；
（4）根据实测的主轴回转角度φ、溜板在X轴和Z轴的坐标位置、以及FTS装置的X轴和Z轴快速往复运动，通过一个多轴运动控制器驱动金刚石车床的PLC，以实时改变主轴回转角速度Ω。
Claims (2)
1.一种主动改变主轴转速的离轴车削自由曲面方法，其特征在于包括下列步骤：
（1）沿与主轴回转中心同轴的圆周方向上，将两个或多个自由曲面工件等间隔地安装在一台夹具上，使每个自由曲面上的最小回转半径偏离主轴的回转轴线；
（2）根据加工表面上刀具接触点的位置主动改变主轴回转速度，以确保加工表面上切削速度的一致性，其中主动改变主轴回转速度的方法如下：①根据工件的离轴安装，确定刀尖圆弧接触点的平均回转半径ρ0=(ρmax+ρmin)/2，ρmax和ρmin分别是刀尖圆弧接触点的最大和最小半径；②选择平均回转半径ρ0处的切削速度vc，确定ρ0处的主轴回转角速度Ω0=vc/ρ0；③实时检测金刚石车床主轴回转脉冲，获得当前的主轴转角φi；④实时检测每一个金刚石刀尖圆弧中心的径向坐标位置ρc，反求刀尖圆弧接触点的径向坐标位置ρ；⑤确定该刀尖圆弧接触点的主轴回转角速度Ω=(ρ0/ρ)Ω0；
（3）主轴作回转运动，溜板在X轴和Z轴作进给运动，通过运动轴检测控制系统获取每个瞬态主轴转角，控制快速刀具伺服（FTS）装置的X轴和Z轴作同步快速往复运动，由此实现自由曲面离轴车削。
2.一种实现主动改变主轴转速的离轴车削自由曲面方法的装置，其特征在于：
（1）一个高精密旋转光栅编码器安装在主轴尾端以实时检测主轴回转角度φ，两个直线光栅实时检测溜板的X轴和Z轴坐标位置，分别馈入一个多轴运动控制器；
（2）利用两个高精密的直线光栅或电容位移传感器，实时检测快速刀具伺服（FTS）装置的X轴和Z轴往复运动位移，分别馈入一个多轴运动控制器；
（3）根据实测的主轴回转角度φ、溜板在X轴和Z轴的坐标位置，通过一个多轴运动控制器驱动快速刀具伺服（FTS）装置，以产生同步的X轴和Z轴快速往复运动；
（4）根据实测的主轴回转角度φ、溜板在X轴和Z轴的坐标位置、以及快速刀具伺服（FTS）装置的X轴和Z轴快速往复运动，通过一个多轴运动控制器驱动金刚石车床的PLC，以实时改变主轴回转角速度Ω的方法如下：①根据工件的离轴安装，确定刀尖圆弧接触点的平均回转半径ρ0=(ρmax+ρmin)/2，ρmax和ρmin分别是刀尖圆弧接触点的最大和最小半径；②选择平均回转半径ρ0处的切削速度vc，确定ρ0处的主轴回转角速度Ω0=vc/ρ0；③实时检测金刚石车床主轴回转脉冲，获得当前的主轴转角φi；④实时检测每一个金刚石刀尖圆弧中心的径向坐标位置ρc，反求刀尖圆弧接触点的径向坐标位置ρ；⑤确定该刀尖圆弧接触点的主轴回转角速度Ω=(ρ0/ρ)Ω0。
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