CN103949963B - 一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法 - Google Patents
一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103949963B CN103949963B CN201410171447.5A CN201410171447A CN103949963B CN 103949963 B CN103949963 B CN 103949963B CN 201410171447 A CN201410171447 A CN 201410171447A CN 103949963 B CN103949963 B CN 103949963B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- path
- surface shape
- matrix
- machined surface
- navigation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B24—GRINDING; POLISHING
- B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
- B24B29/00—Machines or devices for polishing surfaces on work by means of tools made of soft or flexible material with or without the application of solid or liquid polishing agents
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/13—Architectural design, e.g. computer-aided architectural design [CAAD] related to design of buildings, bridges, landscapes, production plants or roads
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Architecture (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Civil Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
- Numerical Control (AREA)
Abstract
本发明公开了一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法，首先对加工表面的面形进行建模，并将影响路径密度的路径间距输入到控制界面中，加工表面可以是连续的平面、球面、非球面、离轴非球面和自由曲面，并且该表面中可以包含一个或多个子孔径。根据输入的信息，对加工表面进行网格划分并将节点看成矩阵中的元素，从而可以采用矩阵运算的方法对加工表面进行数值化分析处理。生成路径具有遍历所有表面、无交叉发生的特点，该特点在后期路径与驻留函数的合成中具有很大的优势。本发明的优点在于能够很容易的生成与加工表面相适应的随机路径，从而可以有效去除加工残留的重复性信息。
Description
技术领域
本发明涉及智能控制、自动加工、精密加工等技术领域，特别是一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法。
背景技术
在现有的机械加工中，对于简单的加工表面，比如平面、球面、柱面，通常采用栅格路径或者螺旋路径的走刀方式来实现加工面形的形成。在以往的加工中，特别是对于精密、超精密加工而言，已经认识到周期性的走刀方式，在加工表面会留下周期性残留误差。为了克服这一缺陷，对于具有回转轴的加工表面或球面，通常的做法是工件绕自己的对称中心轴进行转动，加工工具在工件表面执行加工的同时进行自转，从而在工件表面形成利萨茹(Lissajous)曲线。显然，不管是对于传统表面加工还是现代化的自动加工，随机性甚至伪随机性对于提高加工表面质量都很重要。但是，对于非球面、离轴面、自由表面等复杂表面，现有的方法并不能应用。
非球面，即与球面有偏离的表面，近二三十年来在光学系统中得到越来越广泛的应用。这首先是由于近代科学与技术的发展，要求光学系统的应用向可见光波段的两端，即红外与紫外延伸，而透红外及紫外光的材料制造较困难，品种又少，其中尺寸大的更难解决，在极紫外（XUV）波段则根本没有投射材料。若不采用反射光学系统并依靠非球面来消像差，则无法克服这些困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法，有效克服传统加工路径在表面留下重复性信息的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法，该方法为：一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法，其特征在于，该方法为：
1）使用MATLAB中的GUI模块创建加工面形定义界面，根据加工面形定义界面显示的加工面形表达公式图片，输入确定加工面形所需要的参数，MATLAB根据所述参数生成加工面形的数学模型；
2）利用加工用的抛光头和加工中用到的工艺参数对加工对象进行试加工试验，对抛光头在加工对象表面上残留的抛光痕迹进行检测，从而获得当前加工条件下的材料去除函数；
3）使用MATLAB中的GUI模块创建路径设置界面，根据上述步骤2）得到的去除函数及加工面形确定抛光路径间距，并将该路径间距数据输入到路径设置界面上的输入控件内；
4）对加工面形进行四边形网格划分，所述四边形网格边长与步骤3）中确定的路径间距相同；对加工面形上网格划分所生成的节点按空间位置编排成表面二维网格，将表面二维网格上的节点看成矩阵中的元素，得到映射矩阵，所述映射矩阵包含表面二维网格上的所有节点，将所述映射矩阵上与加工面形上四边形网格节点对应的元素设置为零，其余的元素设置为其它的特定值；
5）利用MATLAB自带的生成随机数的功能生成随机因子；
6）求解一级引导路径：将映射平面矩阵上某一元素确定为起始点，然后根据上述步骤5）生成的随机因子判断路径走向：映射平面矩阵上被路径经过的元素给一特定的编号，从而记录下路径轨迹，映射平面矩阵中，路径轨迹每选择一个元素都分配一个方向判断矩阵，判断路径走向，防止路径的交叉；当映射平面矩阵中的元素未被全部遍历而路径端点出现无走向可选的情况时，则沿已走路径轨迹回滚到该路径端点的前一端点，再次判断路径走向，直到回滚到有走向可选的元素，一直到映射矩阵中的所有元素分配到相应的轨迹编号，得到一条一级引导路径；
7）对一级引导路径进行评价：MATLAB运算箱根据一级引导路径无交叉、无重叠的原则，根据平面路径的交叉判断准则自动检测引导路径是否有交叉缺陷。
8）生成二级包围路径：根据沿一级引导路径单侧走向就可以包围一级引导路径的原则，利用MATLAB生成包围一级引导路径的一笔画无交叉路径。
本发明中，加工面形可以是连续的平面、球面、非球面、离轴非球面和自由曲面，并且加工面形中可以包含一个或多个子孔径。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：通过在表面加工中采用本发明的随机路径可以有效地避免加工表面加工残留重复性信息。本发明的随机路径可以应用到任何连续加工表面的情况下，而且依据步骤3和步骤4中的介绍可以知道路径的密度可以改变，每次运行程序都将生成完全不同的随机路径，由于该路径从不会发生交叉，从而可以和驻留时间结合起来一起执行纠正抛光，根据映射平面矩阵上一笔画无交叉路径生成的编号自动生成随机路径的数控代码，再以数控方式控制抛光头的抛光路径，并依该路径进行抛光加工，有效地避免了传统加工路径在表面留下重复性信息的缺陷。
附图说明
图1为本发明一实施例路径生成系统规划结构图；
图2为本发明一实施例为加工面形定义输入界面；
图3为本发明一实施例路径设置窗口；
图4为本发明一实施例圆形一级引导路径；
图5为本发明一实施例不同路径密度的一笔画随机路径；图5（a）为一种路径密度的一笔画随机路径图；图5（b）为另一种路径密度的一笔画随机路径图；
图6为本发明一实施例不同抛光表面形状的随机路径；图6（a）为随机路径一种抛光表面形状的随机路径；图6（b）为另一种抛光表面形状的随机路径；
图7为表面微光形貌的轮廓图；
图8为栅格路径的轨迹示意图；
图9为随机路径的轨迹示意图；
图10为采用栅格路径对表面进行加工后的表面微观形貌；
图11为采用随机路径对表面进行加工后的表面微观形貌；
图12为不同加工路径生成表面的表面粗糙度值分布图一；
图13为不同加工路径生成表面的表面粗糙度值分布图二；
图14为采用表面轮廓仪提取到的表面微观轮廓形貌图一；
图15为采用表面轮廓仪提取到的表面微观轮廓形貌图二；
图16为表面微观轮廓PSD分析后的结果图。
具体实施方式
本发明方法的具体步骤如下：
1）使用MATLAB中的GUI模块创建加工面形定义界面（见图2），在加工面形定义界面中会显示加工球面面形或非球面面形的通用数学表达式，并在加工面形定义界面中设置了表达式中各参数的输入框控件。在实际应用中，根据需要加工对象面形的数学表达式，在加工面形定义界面的输入框中输入确定面形的参数。点击Generation-Profile，MATLAB运算箱会根据输入参数生成加工表面数学模型：加工表面数学模型可以是加工目标面形或者是经过补偿处理后的表面面形；
2）在实际应用中，首先采用加工用的抛光头和实际加工中用到的工艺参数对加工对象进行试加工试验，对抛光头在加工对象表面上残留的抛光痕迹进行检测，从而获得当前加工条件下的材料去除函数；
3）使用MATLAB中的GUI模块创建路径设置界面（见图3），根据抛光所使用抛光头生成的去除函数及加工表面面形确定抛光路径间距，并将抛光路径间距数据输入到路径设置界面上的输入控件内。点击RUN，输入控件中的输入参数和步骤1中生成的加工面形数学模型会一起进入MATLAB运算箱中进行随机路径的生成运算；
4）对加工表面进行四边形网格划分，边长与步骤3）中确定的路径间距相同。对加工表面上网格划分所生成的节点按空间位置进行编排成表面二维网格，将表面二维网格上的节点看成矩阵中的元素，该矩阵正好可以包含所有节点，将该矩阵称为映射矩阵。将该映射矩阵上与表面网格节点对应的元素设置为零，其余的元素设置为其它的特定值（比如-1，该值在以后的步骤中会用来判断路径走向，防止路径走到加工面以外）；
5）为了在映射矩阵上生成随机路径，采用MATLAB自带生成随机数的功能生成随机因子；
6）求解一级引导路径：首先选择映射平面矩阵上一元素确定为起始点，然后根据生成的随机因子判断路径走向。映射矩阵上被路径经过的元素给一特定的编号，从而记录下路径轨迹。映射矩阵中，轨迹每选择一个元素就分配一个方向判断矩阵来判断走向，从而防止路径的交叉与重叠。当映射矩阵未被全部遍历而路径端点又出现无走向可选的情况时，沿已走轨迹自动回滚到该路径端点的前一端点，并再次判断走向，直到回滚到有走向可选的元素，一直到映射矩阵中的所有点分配到相应的轨迹编号（图4）；
7）对一级引导路径进行评价：MATLAB运算箱根据一级引导路径无交叉、无重叠的原则，根据平面路径的交叉判断准则自动检测引导路径是否有交叉缺陷。
8）生成二级包围路径：根据一级引导路径无交叉、无重叠的特点，MATLAB运算箱根据沿一级引导路径单侧走向就可以包围一级引导路径的原则生成包围一级引导路径的一笔画无交叉路径。一笔画无交叉路径即满足设计提出的遍历整个加工表面、无交叉、无重叠的需求。
为了便于辨别不同加工路径在加工表面残留划痕形貌的异同。本实例采用9um金刚石碟片研磨BK7玻璃平面，表面质量根据功率谱密度（PSD）、表面粗糙度和表面微观形貌进行对比分析评价。
加工表面尺寸为60X40mm的平面，研磨前表面首先采用平面抛光机进行抛光加工，防止初始形貌对加工结果的影响。表面微光形貌的轮廓如图7所示(表面粗糙度Ra0.04)。
图8为栅格路径的轨迹示意图，图9为随机路径的轨迹示意图。该发明可以同时生成与此轨迹对应的加工G代码。
实验在MK2945C坐标磨床上执行，研磨工具为自制的弹性垫平面研磨盘，研磨片采用3M公司的9um金刚石碟片；抛光液选用CEROX1663配制。
研磨中的工艺参数为：研磨压缩量为10um，研磨盘转速为3000rpm,进给速度为500mm/min，加工时间为30min。
实验结果及分析：
1、表面微观形貌观测
图10为采用栅格路径对表面进行加工后的表面微观形貌，从图中就可以看到表面具有明显固定方向的沟槽划痕，而且表面具有一定量的破碎坑。
图11为采用随机路径对表面进行加工后的表面微观形貌，从图中可以看出表面具有大量的材料脆性去除形成的脱落坑，没有明显固定方向的划痕。
通过对图10和图11进行对比可以看出，随机路径加工的玻璃表面会残留下规律性的划痕，并且其表面材料脆性去除形成的脱落坑的尺寸要明显大于随机路径形成表面的脱落坑。
2、表面粗糙度
图12、13分别为不同加工路径生成表面的表面粗糙度值分布。可以看出采用栅格路径加工生成表面的表面粗糙度Ra0.073-0.14之间，采用随机路径加工生成表面的表面粗糙度Ra0.03-0.06之间。
通过对比可以看出采用随机路径比采用栅格路径表面粗糙度降低了接近1/2。
3、表面微观轮廓测量及PSD分析
图14、15为采用表面轮廓仪提取到的表面微观轮廓形貌，通过对比分析可以看出来，栅格路径的轮廓表面的PV值要明显大于随机路径的PV值。
图16为表面微观轮廓PSD分析后的结果。可以明显的看出，随机路径的PSD曲线要明显比随机路径的PSD曲线大，特别是在40以下。
通过以上的实验结果及分析可以很明显的发现，该发明提出的随机路径相比传统规律性的栅格路径可以有效去除掉加工表面残留的重复性信息，并且降低了加工表面的表面粗糙度，从而提升了表面的加工质量。
Claims (2)
1.一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法，其特征在于，该方法为：
1）使用MATLAB中的GUI模块创建加工面形定义界面，根据加工面形定义界面显示的加工面形表达公式图片，输入确定加工面形所需要的参数，MATLAB根据所述参数生成加工面形的数学模型；
2）利用加工用的抛光头和加工中用到的工艺参数对加工对象进行试加工试验，对抛光头在加工对象表面上残留的抛光痕迹进行检测，从而获得当前加工条件下的材料去除函数；
3）使用MATLAB中的GUI模块创建路径设置界面，根据加工面形及上述步骤2）得到的去除函数确定抛光路径间距；
4）对加工面形进行四边形网格划分，所述四边形网格边长与步骤3）中确定的路径间距相同；对加工面形上网格划分所生成的节点按空间位置编排成表面二维网格，将表面二维网格上的节点看成矩阵中的元素，得到映射矩阵，所述映射矩阵包含表面二维网格上的所有节点，将所述映射矩阵上与加工面形上四边形网格节点对应的元素设置为零，其余的元素设置为其它的特定值；
5）利用MATLAB生成随机因子；
6）求解一级引导路径：自动将映射平面矩阵上某一元素确定为起始点，然后根据上述步骤5）生成的随机因子判断路径走向：映射平面矩阵上被路径经过的元素给一特定的编号，从而记录下路径轨迹，映射平面矩阵中，路径轨迹每选择一个元素都分配一个方向判断矩阵，判断路径走向，防止路径的交叉；当映射平面矩阵中的元素未被全部遍历而路径端点出现无走向可选的情况时，则沿已走路径轨迹回滚到该路径端点的前一端点，再次判断路径走向，直到回滚到有走向可选的元素，一直到映射矩阵中的所有元素分配到相应的轨迹编号，得到一条一级引导路径；
7）对一级引导路径进行评价：MATLAB根据路径不交叉、不重叠的原则，检测上述所有一级引导路径是否有交叉缺陷；
8）生成二级包围路径：根据沿一级引导路径单侧走向就可以包围一级引导路径的原则，利用MATLAB生成包围一级引导路径的一笔画无交叉路径。
2.根据权利要求1所述的遍历连续抛光表面的随机路径生成方法，其特征在于，所述映射平面矩阵大小为：加工面形数学模型的最长截面线除以路径间距并向上取整，所得数值即为映射平面矩阵大小。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410171447.5A CN103949963B (zh) | 2014-04-25 | 2014-04-25 | 一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410171447.5A CN103949963B (zh) | 2014-04-25 | 2014-04-25 | 一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103949963A CN103949963A (zh) | 2014-07-30 |
| CN103949963B true CN103949963B (zh) | 2016-03-09 |
Family
ID=51327383
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410171447.5A Expired - Fee Related CN103949963B (zh) | 2014-04-25 | 2014-04-25 | 一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103949963B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104570931B (zh) * | 2014-11-18 | 2017-08-08 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种加工轨迹的生成方法 |
| CN106863136B (zh) * | 2017-01-15 | 2019-06-21 | 复旦大学 | Ccos抛光工艺全频段收敛路径规划方法 |
| CN107204019B (zh) * | 2017-05-31 | 2021-01-05 | 铜仁市万山区丹凤朱砂工艺品研发检测鉴定中心有限公司 | 一种根据照片生成加工代码的方法 |
| CN111468991B (zh) * | 2020-04-30 | 2021-05-11 | 重庆见芒信息技术咨询服务有限公司 | 基于曲面修补的打磨抛光机器人的路径规划方法及系统 |
| CN118288121B (zh) * | 2024-06-06 | 2024-09-27 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种非球面光学元件的加工方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102006011304A1 (de) * | 2006-03-11 | 2007-09-13 | Thielenhaus Technologies Gmbh | Verfahren zur Finisbearbeitung eines Werkstücks |
| CN101585159A (zh) * | 2009-06-10 | 2009-11-25 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置 |
| CN102441820A (zh) * | 2011-11-15 | 2012-05-09 | 苏州大学 | 一种非接触式超声波面形修抛方法及装置 |
-
2014
- 2014-04-25 CN CN201410171447.5A patent/CN103949963B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102006011304A1 (de) * | 2006-03-11 | 2007-09-13 | Thielenhaus Technologies Gmbh | Verfahren zur Finisbearbeitung eines Werkstücks |
| CN101585159A (zh) * | 2009-06-10 | 2009-11-25 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 基于熵增原理抑制磁流变中高频误差的装置 |
| CN102441820A (zh) * | 2011-11-15 | 2012-05-09 | 苏州大学 | 一种非接触式超声波面形修抛方法及装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于熵增原理抑制磁流变抛光中高频误差;戴一帆，石峰等;《中国科学:技术科学》;20091031;第39卷(第10期);1663-1669 * |
| 基于矩阵运算的光学零件磁流变加工的驻留时间算法;石峰，戴一凡等;《国防科技大学学报》;20090430;第31卷(第2期);103-106 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103949963A (zh) | 2014-07-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103949963B (zh) | 一种遍历连续抛光表面的随机路径生成方法 | |
| Zhang et al. | Modeling and simulation of the distribution of undeformed chip thicknesses in surface grinding | |
| Jiang et al. | 2D/3D ground surface topography modeling considering dressing and wear effects in grinding process | |
| CN102848287B (zh) | 光学零件中高频误差的组合式加工方法 | |
| Kong et al. | Design, fabrication and measurement of ultra-precision micro-structured freeform surfaces | |
| Zhou et al. | Modeling of tooth surface topography in continuous generating grinding based on measured topography of grinding worm | |
| MX2010005952A (es) | Procedimiento para controlar el procedimiento de fabricacion de una lente. | |
| Wang et al. | Three-dimensional modeling and theoretical investigation of grinding marks on the surface in small ball-end diamond wheel grinding | |
| Pan et al. | Evaluation of removal characteristics of bonnet polishing tool using polishing forces collected online | |
| CN102554705A (zh) | 一种光学自由曲面补偿加工方法 | |
| Pan et al. | An investigation of the surface waviness features of ground surface in parallel grinding process | |
| Wang et al. | Envelope grinding of micro-cylinder array lenses using a near arc-profile wheel without on-machine precision truing | |
| Wieczorowski et al. | Towards Metrology 4.0 in dimensional measurements | |
| Xie et al. | A tool-path planning method used in computer controlled optical surfacing based on improved prim algorithm | |
| Li et al. | Tool wear and profile development in contour grinding of optical components | |
| CN105538086A (zh) | 一种非旋转对称非球面的加工方法 | |
| Wang et al. | Prediction model of surface roughness in lenses precision turning | |
| Joliet et al. | A high resolution surface model for the simulation of honing processes | |
| Liu et al. | An investigation into the aspheric ultraprecision machining using the response surface methodology | |
| Tomkowski et al. | Evaluation of the surface topography after precision machining | |
| Meneghello et al. | Surface and geometry error modeling in brittle mode grinding of ophthalmic lenses moulds | |
| Huo et al. | Generation of rotationally symmetric surfaces by infeed grinding with a rotary table and a cup wheel | |
| CN103692295B (zh) | 一种超精密凸锥镜测量-抛光修正系统中的优化处理方法 | |
| Wang et al. | Rapid prediction of multi-directionality of polished surface topography based on angular spectrum | |
| Xie et al. | Evaluation on 3D micro-ground profile accuracy of micro-pyramid-structured Si surface using an adaptive-orientation WLI measurement |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160309 Termination date: 20180425 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |