CN102303284B - 一种数控磨床的机床主轴零点及磨头半径的测定方法 - Google Patents

一种数控磨床的机床主轴零点及磨头半径的测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数控磨床的机床主轴零点及磨头半径的测定方法，步骤是：(1)控制数控磨床铣磨一平面镜，测量该平面镜的轮廓误差数据曲线，根据测量误差数据制作导轨的基准补偿文件；(2)根据厂商提供的机床主轴零点坐标及磨头半径数据，以及步骤(1)获得的基准补偿文件，针对待加工工件编制CNC代码，控制数控磨床加工获得粗加工的工件；(3)采用轮廓仪测量该粗加工的工件的母线轮廓；(4)根据步骤(3)获得的母线轮廓数据，与待加工工件的曲线方程，利用基于数据分析模型编写的数据处理程序，可分析出机床主轴的零点坐标位置和磨头半径偏差。本发明可以方便地从加工工件的测量数据分析出数控机床的机械零点及磨头半径的最佳值，从而提高加工精度。

Description

一种数控磨床的机床主轴零点及磨头半径的测定方法
技术领域
本发明涉及一种用于数控磨床的检测方法，具体涉及在利用数控磨床加工球面/非球面光学元件过程中，根据加工工件的反馈信息，精确确定数控磨床主轴中心坐标位置及磨头半径的方法，属于机械制造及光学冷加工领域。
背景技术
利用数控磨床加工球面/非球面，是光学冷加工中的一个常用技术。在根据加工面形生成CNC加工代码的过程中，主轴旋转中心到磨头零点间的距离（即主轴旋转中心在机床坐标系中的坐标），及磨头半径是二项关键参数，它将直接决定最后的加工面形是否符合要求。机床厂商提供的零点坐标值一般是有误差的，好的误差在几十个微米，差的可能有几百微米。磨头供应商提供的磨头半径也有一定的偏差，另外，即使精确测量了磨头半径，但实际当磨头高速运动起来后，它的有效半径也会有所改变。工件的CNC加工代码编制过程是依赖于这二个参数的。因此，这二个参数有偏差，必然造成最后工件的误差，这种误差在非球面加工中更为严重。
为了解决上述问题，目前加工中常用的方法是通过修改加工元件的曲率半径，然后根据测量数据制作补偿数据文件，经过多次补偿可获得较为理想的面形。
然而，利用修改曲率半径，根据测量误差数据制作补偿文件的方法不但增加了加工的周期，且精度也不能达到很好，特别是曲率半径会与期望的差很多。这在很大程度上影响了球面/非球面镜加工的后续工作量。
如果在加工前或在第一次初加工后就能够精确确定数控磨床主轴中心坐标位置及磨头半径值，则工件在1-2次成形过程中，就能提供高精度的加工工件。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种快速精确确定数控磨床主轴零点坐标位置及磨头半径的方法，以消除由于厂商提供的数值不准确而造成的加工球面/非球面过程中的固有误差，实现1-2次铣磨就能达到精度要求，从而有效提高数控磨床加工球面/非球面的效率及最终加工工件的精度。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种数控磨床的机床主轴零点及磨头半径的测定方法，包括下列步骤：
(1)根据厂商提供的机床主轴零点坐标及磨头半径数据，编制CNC代码，控制数控磨床铣磨一平面镜（口径尽可能接近机床的有效加工口径），测量该平面镜的轮廓误差数据曲线，根据测量误差数据制作导轨的基准补偿文件；
注：通过本步骤可补偿导轨的直线度误差，正常情况下，一台机床只需在出厂时做一次即可。
(2) 根据厂商提供的机床主轴零点坐标及磨头半径数据，以及步骤(1)获得的基准补偿文件，针对待加工工件编制CNC代码，控制数控磨床加工获得粗加工的工件；
(3)采用轮廓仪测量该粗加工的工件的母线轮廓；
(4)根据步骤(3)获得的母线轮廓数据，与待加工工件的曲线方程，利用基于数据分析模型编写的数据处理程序，分析出机床主轴的零点坐标位置和磨头半径偏差。
根据上述获得的机床主轴的零点坐标位置和磨头半径重新编制实际要加工工件的CNC代码，控制数控机床进行加工，即可获得高精度的工件。
优选的技术方案，所述步骤(1)中，所述平面镜的口径不小于机床最大加工口径的80%。
本方案中的核心技术是根据上一次加工工件的误差数据来分析最佳的主轴中心坐标                                               
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE002
及磨头半径。传统的磨床加工方法是根据加工工件的方程及磨头半径计算磨头的运动轨迹。这一计算方法虽然简单，但几乎不具备任何误差分析能力。为了实现从轮廓数据中分析机床参数的误差，需要建立新的磨床成形模型。本发明提出了一种从磨头运动轨迹计算最终加工面形的数学模型，利用这一模型结合非线性最小二乘法可方便地从加工结果的轮廓数据中分析出最佳的主轴中心坐标
Figure 691250DEST_PATH_IMAGE002
及磨头半径
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE006
。
上述技术方案中，所述步骤(4)中，根据加工结果计算主轴中心坐标
Figure 421440DEST_PATH_IMAGE002
及磨头半径
Figure 14226DEST_PATH_IMAGE006
的数据处理模型简述如下：
模型主要包括二大部分：
根据磨头轨迹计算加工面形的数学模型；及根据这一模型，结合最小二乘法来计算最佳的主轴中心坐标及磨头半径。
根据磨头轨迹计算加工面形的数学模型简述如下：
设欲加工的曲线为：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE008
则在加工曲线上某点
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE010
时，对应的磨头中心位置设为
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE012
，如图1所示，则
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE014
分别可表示为：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE016
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE018
考虑到实际的磨头零点位置可能有一个dx的偏移量，则：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE020
其中：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE022
为给定的磨头半径。
在实际加工过程中，磨头的半径肯定会与给定的半径不同，设真实磨头半径为
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE024
，且：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE026
实际的加工面形为磨头沿给定轨迹
Figure 562384DEST_PATH_IMAGE012
运动过程中的包络线，即曲线族：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE028
的包络线（见附图2）。
根据微分几何学知识知，这一包络线必须满足：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE030
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE032
其中：
求解方程组得：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE038
根据加工结果计算最佳主轴中心坐标
Figure 206248DEST_PATH_IMAGE002
及磨头半径
Figure 280514DEST_PATH_IMAGE006
的方法简述如下：
根据以上的数学模型，利用非线性最小二乘法可建立如下的最佳主轴中心坐标
Figure 887076DEST_PATH_IMAGE002
及磨头半径
Figure 818123DEST_PATH_IMAGE006
的分析模型如下：
设为实际测量曲线的采样点，拟合出曲线：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE042
对每一个位置
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE044
可获得对应的
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE046
如下：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE048
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE050
则理论上有：
＝0
实际工程中，以使上式最小的最小二乘法来估计真实的dr，dx。即上式对dr，dx的偏导数为0的dr，dx。
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE056
其中：
Figure 2011101540681100002DEST_PATH_IMAGE058
Figure DEST_PATH_IMAGE060
Figure DEST_PATH_IMAGE064
通过求解上述非线性方程组，就能获得最佳主轴中心坐标及磨头半径
Figure 739823DEST_PATH_IMAGE006
。根据这一结果修正CNC加工代码就能获得高精度的加工工件。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明可以方便地从加工工件的测量数据分析出数控机床的机械零点及磨头半径的最佳值，从而提高加工精度。
2．通过本技术方案，只须要通过调整零点位置及磨头半径就能加工出高精度的工件，无须传统方案中多次制作补偿数据的麻烦，从而有效提高了工件的加工效率。
3．传统方法中，当加工工件参数有较大改变时，需要化费很大的时间调整机床参数，通过本专利只要加工一个工件就能完成机床参数的调整。
4．传统方法中，无法跟踪磨床磨头的磨损情况，通过本专利的数学模型，只要每次对加工工件的数据进行分析，就能获得磨头的磨损情况，从而可及时地更改磨头参数或更换磨头。
附图说明
图1为磨床加工原理示意图。
图2为根据磨头轨迹计算实际加工曲线的示意图。
图3为实施例中加工的平面误差数据。
图4为实施例中根据导轨基准数据修正后的CNC代码加工的平面误差数据。
图5为实施例中根据机床厂商提供的参数加工的产品的误差数据。
图6为实施例中根据本专利的分析模型分析出的最佳参数重新加工的产品误差数据。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：利用SGFM－120－I数控非球面铣磨机加工方程为如下所示的高次非球面：
其中：
　　
参数值如下表所示：
R -36.36 K -15.03485
A1 0 A2 -2.9920397e-5
A3 1.0705626e-7 A4 -3.0291481e-10
A5 6.0219855e-13 A6 -7.6360963e-16
A7 5.4817004e-19 A8 -1.6855259e-22
A9 0 A10 0
铣磨机提供的机械零点为：108.8722，磨头半径为：29.866。
具体实施步骤如下：
（1）根据机床提供的参数编制CNC加工代码，铣磨一口径为100的平面镜（最好应当是铣磨一口径与机床最大口径相同的平面镜，本机床的最大口径为120，条件受限，本例中只铣磨了了口径为100平面）。铣磨的平面镜在Tela检测仪上检测的结果如图3所示。
（2）利用检测结果制作轨迹补偿文件。根据补偿文件重新编写CNC代码，重新铣磨的结果如图4所示。
其中，1,2二个步骤对同一机床只需做一次。
（3）根据补偿文件，及机床提供的机械零点及磨头半径编制CNC代码加工指定的工件，加工结果的误差数据如图5所示。
（4）根据加工结果，利用本专利的数据分析模式可分析出机床零点的偏移量为：-0.064734，磨头半径的偏移量为：0.188332。根据这一结果，调整机床的参数为：
机械零点为：108.8722-0.064734=108.807466
磨头半径为：29.866+0.188332=30.054332
（5）根据调整的机床参数重新编制CNC加工代码，加工结果的误差数据如图6所示。
从加工结果可看出，经过本专利提供的技术，极大地提高了最终产品的加工精度。

Claims (2)

1. 一种数控磨床的机床主轴零点及磨头半径的测定方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)根据厂商提供的机床主轴零点坐标及磨头半径数据，编制CNC代码，控制数控磨床铣磨一平面镜，测量该平面镜的轮廓误差数据曲线，根据测量误差数据制作导轨的基准补偿文件；
(2) 根据厂商提供的机床主轴零点坐标及磨头半径数据，以及步骤(1)获得的基准补偿文件，针对待加工工件编制CNC代码，控制数控磨床加工获得粗加工的工件；
(3)采用轮廓仪测量该粗加工的工件的母线轮廓；
(4)根据步骤(3)获得的母线轮廓数据，与待加工工件的曲线方程，利用基于数据分析模型编写的数据处理程序，分析出机床主轴的零点坐标位置和磨头半径偏差；
所述步骤(4)中，数据分析模型主要包括二大部分：根据磨头轨迹计算加工面形的数学模型；及根据这一数学模型，结合最小二乘法来计算最佳的主轴中心坐标                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
及磨头半径
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
根据磨头轨迹计算加工面形的数学模型如下：
设欲加工的曲线为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
则在加工曲线上某点时，对应的磨头中心位置为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
， 
Figure DEST_PATH_IMAGE012
Figure DEST_PATH_IMAGE014
其中：为给定的磨头半径，dx为磨头零点位置的偏移量；
加工过程中的真实磨头半径为
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
实际的加工面形为磨头沿给定轨迹
Figure 856304DEST_PATH_IMAGE010
运动过程中的包络线，即曲线族：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
的包络线；
满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE024
Figure DEST_PATH_IMAGE026
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
求解方程组得：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
Figure DEST_PATH_IMAGE032
根据加工结果计算最佳主轴中心坐标
Figure 494484DEST_PATH_IMAGE002
及磨头半径的方法如下：
根据以上的数学模型，利用非线性最小二乘法可建立如下的最佳主轴中心坐标
Figure 138272DEST_PATH_IMAGE002
及磨头半径
Figure 546119DEST_PATH_IMAGE004
的分析模型如下：
设
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为实际测量曲线的采样点，拟合出曲线：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
对每一个位置
Figure DEST_PATH_IMAGE038
获得对应的如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
Figure DEST_PATH_IMAGE046
以使上式最小的最小二乘法来估计真实的dr，dx，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
Figure DEST_PATH_IMAGE050
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
Figure DEST_PATH_IMAGE054
Figure DEST_PATH_IMAGE056
Figure DEST_PATH_IMAGE058
通过求解上述非线性方程组，获得最佳主轴中心坐标
Figure 617849DEST_PATH_IMAGE002
及磨头半径
Figure 353724DEST_PATH_IMAGE004
。
2. 根据权利要求1所述的数控磨床的机床主轴零点及磨头半径的测定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述平面镜的口径不小于机床最大加工口径的80%。
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