CN104741994A - 一种任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法 - Google Patents

一种任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法，包括步骤：步骤1、修整砂轮，按预先设计的砂轮轮廓曲面在磨石上修整出相应轮廓曲面的砂轮；步骤2、砂轮轮廓补偿，通过检测砂轮的实际轮廓检测点求取砂轮的实际曲面轮廓；步骤3、规划刀具轨迹，根据砂轮的实际轮廓曲面和被加工工件的自由曲面在切点处法矢量共线的原则来逐步寻找切点求出刀具轨迹点后，通过刀具轨迹点云，规划用于曲面磨削的刀具轨迹；步骤4、采用轴向磨削方式，按所述刀具轨迹对所述工件进行磨削加工。与现有技术相比，本发明能避免刀具单点接触加工，减小砂轮磨损速率，通过轮廓补偿大大地提高了曲面加工的形状精度，使曲面形状误差降低50％左右。

Description

一种任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法
技术领域
本发明涉及自由曲面的精密磨削技术领域，具体涉及具有任意曲面轮廓的金刚石砂轮的刀具轨迹算法，和提高曲面磨削精度的补偿方法，是一种光学玻璃、陶瓷、硬质合金等硬脆性材料曲面的数控精密磨削加工技术。
背景技术
目前，自由曲面的磨削主要是由单点金刚石或者多轴砂轮片进行加工，使用这两种方法进行磨削加工时，不仅加工效率低，而且刀具磨损快。另外，圆弧环面砂轮曲面磨削刀具轨迹规划方法已经被提出，但是该方法仅限于圆弧环面的砂轮。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种采用任意曲面砂轮的曲面磨削方法。本发明提供了使用曲面环型砂轮相切模式进行曲面磨削加工，主要解决的技术问题是如何规划刀具轨迹和减少由砂轮曲面轮廓偏差引起的加工误差。
本发明所采用的技术方案是：
一种任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法，包括步骤：
步骤1、修整砂轮，按预先设计的砂轮轮廓曲面在磨石上修整出相应轮廓曲面的砂轮；
步骤2、砂轮轮廓补偿，通过检测砂轮的实际轮廓检测点求取砂轮的实际曲面轮廓；
步骤3、规划刀具轨迹，根据砂轮的实际轮廓曲面和被加工工件的自由曲面在切点处法向量共线的原则来逐步寻找切点求出刀具轨迹点后，通过刀具轨迹点云，规划用于曲面磨削的刀具轨迹；
步骤4、采用轴向磨削方式，按所述刀具轨迹对所述工件进行磨削加工。
进一步地，所述步骤1具体包括：
步骤11、根据砂轮的几何尺寸和加工曲面特征确定砂轮轮廓曲面；
步骤12、根据所确定的砂轮轮廓曲面确定刀具对磨轨迹；
步骤13、根据所述刀具对磨轨迹使砂轮轮廓曲面和磨石的磨石曲面轮廓在对磨修整过程中保持相切，且在砂轮轮廓曲面边界点也要与磨石的磨石曲面轮廓保持相切状态，从而得到预设轮廓曲面的砂轮。
进一步地，所述步骤2具体包括：
步骤21、将修整得到的砂轮曲面轮廓复印到石墨上，用三坐标测量仪进行检测，获得砂轮实际轮廓检测点；
步骤22、将砂轮实际轮廓检测点拟合成曲线，进而生成砂轮的实际曲面轮廓。
进一步地，所述步骤3具体包括：
步骤31、自由曲面模型的建立采用Z-map模型，得到三维离散的点云,自由曲面上任意一切点记为Ps(xs,ys,zs)，求得该点在曲面上法矢量为n1(NX,NY,NZ)；
步骤32、砂轮曲面轮廓建模为：
F(x,y,z)＝0，              (1)
那么，可得到砂轮曲线环面上任意一切点的法矢量10为：
n 0 = ( x N , y N , z N ) = ( ∂ F ∂ x , ∂ F ∂ y , ∂ F ∂ z ) ; - - - ( 2 )
步骤33、根据法矢量共线，则有n0＝λn1，即，
x N NX = y N NY = z N NZ , - - - ( 3 )
由公式(1)和(3)求解出砂轮曲线环面上与自由曲面上任一切点的法矢量共线的对应砂轮上切点，即可求出离散点Ps(xs,ys,zs)对应于砂轮轮廓曲面的离散点Pw(xw,yw,zw)；
步骤34、当设定的工件坐标系原点同时为砂轮旋转中心时，砂轮轴线设定为Z轴时，则可求得刀具轨迹控制点为：
x 0 = x s - x W y 0 = y s - y W z 0 = z s - z W ; - - - ( 4 )
步骤35、通过刀具轨迹控制点形成的刀具轨迹点云，规划用于曲面磨削的刀具轨迹。
进一步地，所述被加工工件为硬脆性材料。
进一步地，所述砂轮为金刚石砂轮，其基体为树脂基，磨料粒度为46～3000目，浓度为75～120％。
进一步地，步骤4中，所述磨削加工采用三轴联动轴向数控磨削加工方式。
刀具轨迹规划的重点是求刀具位置点，即砂轮的中心点位置。首先根据砂轮的实际轮廓曲面和被加工工件的自由曲面在切点处法矢量共线的原则来逐步寻找切点，然后通过把砂轮曲面上切点平移至工件曲面上对应的切点来确定砂轮的中心点位置，进而形成刀具轨迹点，通过刀轨迹点云，建立了任意曲面砂轮轮廓用于曲面磨削的刀具规划模型，实现曲面砂轮对曲面进行磨削成型。
砂轮的曲面轮廓通过修整得到，存在修整误差，因此，砂轮的实际轮廓和初始设计的轮廓是不同的，如果用初始设计的砂轮轮廓去规划刀具轨迹，那么砂轮的轮廓误差会复映到加工曲面上，对加工曲面的形状精度影响很大。因此，本发明提出一种轮廓补偿的方法来提高加工曲面的精度，实现曲面精密磨削。所采用的技术方案是通过检测砂轮轮廓，用实际的砂轮轮廓代替原始设计的轮廓规划刀具轨迹，进行曲面的磨削加工。
与现有技术相比，本发明的有益效果是避免刀具单点接触加工，砂轮磨损速率减小，通过轮廓补偿大大地提高了曲面加工的形状精度，实验证明轮廓补偿使曲面形状误差降低50％左右。
附图说明
图1为砂轮修整时修整刀具轨迹规划原理示意图。
图2为任意曲面砂轮磨削自由曲面示意图。
图3为理论和检测砂轮轮廓对比示意图。
图4为砂轮轮廓误差分布示意图。
图5为理论轮廓设计刀具轨迹加工自由曲面的误差分布示意图。
图6为轮廓补偿实验采用实际检测轮廓设计刀具轨迹加工自由曲面的误差分布示意图。
图中所示为：1-砂轮；2-砂轮轮廓曲面；3-磨石曲面轮廓；4-磨石；5-对磨轨迹；6-刀具轨迹控制点；7-曲面上切点；8-工件；9-曲面上切点法矢量；10-砂轮上切点法矢量；11-砂轮上切点；12-砂轮曲线轮廓中心；13-自由曲面；14-砂轮旋转中心；15-砂轮轴线；16-砂轮曲线环面；17-砂轮理论设计轮廓；18-砂轮实际轮廓。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例中所表示的范围。
一种任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法，包括步骤：
步骤1、修整砂轮，按预先设计的砂轮轮廓曲面在磨石4上修整出相应轮廓曲面的砂轮；
步骤2、砂轮轮廓补偿，通过检测砂轮的实际轮廓检测点求取砂轮的实际曲面轮廓；
步骤3、规划刀具轨迹，根据砂轮的实际轮廓曲面和被加工工件的自由曲面在切点处法向量共线的原则来逐步寻找切点求出刀具轨迹点后，通过刀具轨迹点云，规划用于曲面磨削的刀具轨迹；
步骤4、采用轴向磨削方式，按所述刀具轨迹对所述工件进行磨削加工。
进一步地，所述步骤1具体包括：
步骤11、根据砂轮1的几何尺寸和加工曲面特征确定砂轮轮廓曲面；
步骤12、根据所确定的砂轮轮廓曲面确定刀具对磨轨迹5；
步骤13、根据所述刀具对磨轨迹5使砂轮轮廓曲面2和磨石4的磨石曲面轮廓3在对磨修整过程中保持相切，且在砂轮轮廓曲面2边界点也要与磨石4的磨石曲面轮廓3保持相切状态，从而得到预设轮廓曲面的砂轮。
进一步地，所述步骤2具体包括：
步骤21、将修整得到的砂轮曲面轮廓复印到石墨上，用三坐标测量仪进行检测，获得砂轮实际轮廓检测点；
步骤22、将砂轮实际轮廓检测点拟合成曲线，进而生成砂轮的实际曲面轮廓。
进一步地，所述步骤3具体包括：
步骤31、自由曲面模型的建立采用Z-map模型，得到三维离散的点云,自由曲面上任意一切点7记为Ps(xs,ys,zs)，求得该点在曲面上法矢量9为n1(NX,NY,NZ)；
步骤32、砂轮曲面轮廓建模为：
F(x,y,z)＝0，           (1)
那么，可得到砂轮曲线环面16任意一砂轮上切点11的砂轮上切点法矢量10为：
n 0 = ( x N , y N , z N ) = ( ∂ F ∂ x , ∂ F ∂ y , ∂ F ∂ z ) ; - - - ( 2 )
步骤33、根据法矢量共线，则有n0＝λn1，即，
x N NX = y N NY = z N NZ , - - - ( 3 )
由公式(1)和(3)求解出砂轮曲线环面16上与自由曲面上任一切点7的法矢量共线的对应砂轮上切点11，即可求出离散点Ps(xs,ys,zs)对应于砂轮轮廓曲面的离散点Pw(xw,yw,zw)；
步骤34、当设定的工件坐标系原点同时为砂轮旋转中心14时，砂轮轴线15设定为Z轴时，则可求得刀具轨迹控制点6为：
x 0 = x s - x W y 0 = y s - y W z 0 = z s - z W ; - - - ( 4 )
步骤35、通过刀具轨迹控制点6形成的刀具轨迹点云，规划用于曲面磨削的刀具轨迹。
进一步地，所述被加工工件为硬脆性材料。
进一步地，所述砂轮1为金刚石砂轮，其基体为树脂基，磨料粒度为46～3000目，浓度为75～120％。
进一步地，步骤4中，所述磨削加工采用三轴联动轴向数控磨削加工方式。在一个施例中，采用CNC精密磨床(SMART B818)设备修整46目树脂结合剂金刚石砂轮。砂轮尺寸为直径150毫米，厚度3毫米。设计砂轮的轮廓曲面为圆环面，半径为1.5毫米，用于自由曲面的轴向磨削加工。工件是型号为BAK3的光学玻璃，几何尺寸长*宽*高为110毫米*6毫米*30毫米，在110毫米*6毫米的表面加工一个最大深度为3.9毫米，长度为54毫米，宽度为6毫米的凹形自由曲面。砂轮轴线和工件长边方向平行，采用三轴联动轴向磨削方式进行加工。粗研磨砂轮转速2000转/分钟，粗研磨进给速度500毫米/分钟，粗研磨切削深度50微米；半精研磨砂轮转速2000转/分钟，半精研磨进给速度200毫米/分钟，半精研磨切削深度20微米；精研磨砂轮转速2400转/分钟，精研磨进给速度100毫米/分钟，精研磨切削深度10微米，零磨削次数为2。采用本专利提出的算法规划刀具轨迹进行曲面磨削，加工得到的曲面进行检测，然后与理论自由曲面匹配。结果为自由曲面形状误差平均值为6.1微米，峰谷值PV为31.8微米。
在另一个实施例中，采用CNC精密磨床(SMART B818)设备修整320目树脂结合剂金刚石砂轮。砂轮尺寸为直径150毫米，厚度10毫米。设计砂轮的轮廓曲面为椭圆环面，长轴为8毫米，短轴6毫米，用于自由曲面的轴向磨削加工。工件是石英玻璃，几何尺寸长*宽*高为100毫米*6毫米*30毫米，在100毫米*6毫米的表面加工一个与实施例1相同凹形自由曲面。采用三轴联动轴向磨削方式进行加工。粗研磨砂轮转速2400转/分钟，粗研磨进给速度200毫米/分钟，粗研磨切削深度30微米；精研磨砂轮转速2400转/分钟，精研磨进给速度100毫米/分钟，精研磨切削深度10微米，零磨削次数为1。
如图3至图6所示为实测椭圆形砂轮实际轮廓18与砂轮理论设计轮廓17之间的误差，形状误差平均值为38.5μm，PV值为103.1μm。采用砂轮理论设计轮廓17进行刀具轨迹设计加工得到的自由曲面形状误差平均值为12.6μm，PV值为54.3μm；根据实际检测点拟合出椭圆轮廓为长轴6.763毫米，短轴5.226毫米，采用实际拟合的轮廓进行刀具轨迹设计加工得到的自由曲面形状误差平均值为5.6μm，PV值为24.1μm，经轮廓补偿，自由曲面的形状误差平均值降低55.56％，PV值降低55.62％。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1、修整砂轮(1)，按预先设计的砂轮轮廓曲面在磨石(4)上修整出相应轮廓曲面的砂轮(1)；
步骤2、砂轮轮廓补偿，通过检测砂轮(1)的实际轮廓检测点求取砂轮(1)的实际曲面轮廓；
步骤3、规划刀具轨迹，根据砂轮的实际轮廓曲面和被加工工件的自由曲面在切点处法矢量共线的原则来逐步寻找切点求出刀具轨迹点后，通过刀具轨迹点云，规划用于曲面磨削的刀具轨迹；
步骤4、采用轴向磨削方式，按所述刀具轨迹对所述工件进行磨削加工。
2.根据权利要求1所述的任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
步骤11、根据砂轮(1)的几何尺寸和加工曲面特征确定砂轮轮廓曲面；
步骤12、根据所确定的砂轮轮廓曲面确定刀具对磨轨迹(5)；
步骤13、根据所述刀具对磨轨迹(5)使砂轮轮廓曲面(2)和磨石(4)的磨石曲面轮廓(3)在对磨修整过程中保持相切，且在砂轮轮廓曲面(2)边界点也要与磨石(4)的磨石曲面轮廓(3)保持相切状态，从而得到预设轮廓曲面的砂轮。
3.根据权利要求1所述的任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤21、将修整得到的砂轮曲面轮廓复印到石墨上，用三坐标测量仪进行检测，获得砂轮实际轮廓检测点；
步骤22、将砂轮实际轮廓检测点拟合成曲线，进而生成砂轮的实际曲面轮廓。
4.根据权利要求1所述的任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤31、自由曲面模型的建立采用Z-map模型，得到三维离散的点云，自由曲面上任意一切点(7)记为Ps(xs，ys，zs)，求得该点在曲面上法矢量(9)为n1(NX，NY，NZ)；
步骤32、砂轮曲面轮廓建模为：
F(x，y，z)＝0，            (1)
那么，可得到砂轮曲线环面(16)上任意一切点(11)的法矢量(10)为：
n 0 = ( x N , y N , z N ) = ( ∂ F ∂ x , ∂ F ∂ y , ∂ F ∂ z ) ; - - - ( 2 )
步骤33、根据法矢量共线，则有n0＝λn1，即，
x N NX = y N NY = z N NZ , - - - ( 3 )
由公式(1)和(3)求解出砂轮曲线环面(16)上与自由曲面上任一切点(7)的法矢量共线的对应砂轮上切点(11)，即可求出离散点Ps(xs，ys，zs)对应于砂轮轮廓曲面的离散点Pw(xw，yw，zw)；
步骤34、当设定的工件坐标系原点同时为砂轮旋转中心(14)时，砂轮轴线(15)设定为Z轴时，则可求得刀具轨迹控制点(6)为：
x 0 = x s - x w y 0 = y s - y w z 0 = z s - z w ; - - - ( 4 )
步骤35、通过刀具轨迹控制点(6)形成的刀具轨迹点云，规划用于曲面磨削的刀具轨迹。
5.根据权利要求1所述的任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法，其特征在于，所述被加工工件为硬脆性材料。
6.根据权利要求1所述的任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法，其特征在于，所述砂轮(1)为金刚石砂轮，其基体为树脂基，磨料粒度为46～3000目，浓度为75～120％。
7.根据权利要求1所述的任意曲面砂轮用于曲面精密磨削的方法，其特征在于，步骤4中，所述磨削加工采用三轴联动轴向数控磨削加工方式。
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