CN105302069B - 基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工新方法,属于曲面研抛方法技术领域,包括在研抛机床上安装中央处理器、力传感器和激光扫描仪,设置研抛机床最大行程参数,扫描并记录工件的形状参数,选择研抛头,选择理想曲面模型生成初始路径,解析实时优化的进给率,驱动机床进行曲面研抛精加工。本发明可以应用在任何五自由度以上的研抛机床上,研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力的检测、解耦,根据研抛头参数、工件的形状和材料参数,研抛旋转轴的主轴转速,理想曲面模型,解算出实时优化的进给率和研抛路径补偿值,再经过所应用的研抛机床动力学模型,计算出机床各轴的运动参数,驱动机床进行曲面研抛精加工,提高了研抛精度和效率。
Description
技术领域
本发明属于曲面研抛方法技术领域,特别是涉及到一种基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工新方法。
背景技术
随着曲面零件需求量与日俱增,人们对曲面零件的质量提出了更高的要求,突破现有的工艺技术,实现更高效、更经济地生产曲面光学零件越来越来受到研究者们的关注。曲面研抛大多是在粗加工后进行,粗加工后的曲面零件主要存在两项误差:研抛加工的加工余量;面型误差。其中面型误差是由前序加工过程中工艺本身的精度局限性所导致的。
传统的曲面研抛加工方法通常强调的是在恒定研抛力下的在线加工、余量稳定去除以及在离线状态下的指定研抛路径下研抛,或者是通过压力调节实现研抛点等压强研抛,目的都是材料的恒定去除。上述方法只能实现对前序工艺的加工余量去除,不能在去除加工余量的同时消除面型误差,亦或是要通过对工件进行面型检测并且多次循环研抛加工才能达到理想曲面的效果。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工新方法,用来解决传统的曲面研抛加工方法只能实现对前序工艺的加工余量去除,不能在去除加工余量的同时消除面型误差,亦或是要解决通过对工件进行面型检测并且多次循环研抛加工才能达到理想曲面效果的低效研抛技术问题,实现在去除研抛加工余量的同时消除曲面面型误差。
基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法,其特征是:包括以下步骤,
步骤一、在研抛机床上安装中央处理器、力传感器和激光扫描仪
在研抛机床上,安装中央处理器、力传感器和激光扫描仪,所述中央处理器包括研抛力实时检测并解耦模块、实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块,中央处理器通过数据线分别与力传感器、激光扫描仪连接;所述力传感器固定安装在研抛机床工作台下方,并且位于底座旋转轴平台的上部;所述激光扫描仪固定在研抛机床的一侧;
步骤二、设置研抛机床参数,扫描并记录工件的形状参数
启动电源总闸,根据研抛机床的自由度的个数在中央处理器上设置研抛机床的自由度参数、极限行程、极限直线速度和极限旋转速度;
根据力传感器的类型在中央处理器上设置力传感器的量程、力的测量公差值、采样频率;
将粗加工后的工件,固定在激光扫描仪上,启动扫描按钮,激光扫描仪扫描工件,将得到的形状参数传输给中央处理器并通过中央处理器上的显示面板显示;
从激光扫描仪上取下工件,固定工件至研抛机床工作台上;
步骤三、选择研抛头
在中央处理器的显示面板上输入粗加工后的工件的材料类型,中央处理器从数据库中获取相应材料的材料参数,再根据步骤二中显示的工件形状参数,中央处理器通过与其数据库中的标准模型比对,获得与工件匹配的研抛头的型号并在中央处理器上的显示面板显示;
根据中央处理器显示的型号安装研抛头,研抛头的参数为默认参数,该参数传输至研抛力实时检测并解耦模块、实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块,由实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块操控研抛头的研抛力F;
步骤四、选择理想曲面模型生成初始路径
根据激光扫描仪扫描工件的形状参数,在中央处理器的数据库中选择与扫描结果匹配的理想曲面模型,扫描得到工件的形状与理想曲面模型对比,生成初始路径,并获得工件各部分的去除量ZΔ;
步骤五、解析实时优化的进给率
中央处理器根据研抛方程:普林斯顿方程
建立研抛力F、驻留时间t、去除量ZΔ之间的关系模型,其中Cp为研抛头和工件材料系数,P(x,y,t)为该点在t时刻的研抛压力,V(x,y,t)为在t时刻光学元件表面上某一点研抛头相对于工件的运动速度。驻留时间t受研抛机床的动力学参数控制,由机床本身和当前机床姿态限制,所以t≥T(s);其中:T(s)是与机床结构及运动特性有关的函数,机床及运动参数确定,T(s)即为已知函数;参变量为研抛头的轴单位向量,向量起点为研抛轨迹上的作业点,方向为垂直于曲面向外;应变量为机床在当前作业点处的最小驻留时间;
研抛过程中,分为三种情况:
1)余量去除:研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力F的检测、解耦,根据检测到的研抛头参数、工件的形状参数和材料参数、研抛旋转轴的主轴转速和理想曲面模型,解析数据并获得研抛路径补偿值为0,去除量ZΔ等于加工余量,研抛力F为[Fmin,Fmax]之间的一个稳定值,其中Fmin为研抛力F的最小值,Fmax为研抛力F的最大值,实时优化的进给率为恒定进给率,驻留时间t=T(s),并将数据传输给实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块;
2)增量去除:研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力F的检测、解耦,根据检测到的研抛头参数、工件的形状参数和材料参数、研抛旋转轴的主轴转速和理想曲面模型,解析数据并获得实时的研抛路径补偿值小于0,去除量ZΔ大于加工余量,研抛力F为[Fmin,Fmax]之间的值;驻留时间t=T(ZΔ)>T(s),其中T(ZΔ)为去除量ZΔ的驻留时间,实时优化的进给率小于恒定进给率,并将数据传输给实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块;
3)缩量去除:研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力F的检测、解耦,根据检测到的研抛头参数、工件的形状参数和材料参数、研抛旋转轴的主轴转速和理想曲面模型,解析数据并获得实时的研抛路径补偿值大于0,去除量ZΔ小于加工余量,研抛力F=Fmin,驻留时间t=T(ZΔ),实时优化的进给率大于恒定进给率,并将数据传输给实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块;
步骤六、驱动机床进行曲面研抛精加工
启动研抛按钮,中央处理器中的研抛力实时检测并解耦模块、实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块与应用的研抛机床动力学模型结合,研抛力实时检测并解耦模块解析数据并获得研抛机床各自由度的运动参数,并驱动研抛机床进行曲面研抛精加工。
所述的研抛机床为五自由度以上的研抛机床。
所述的材料参数为密度参数、弹性模量、比刚度、热膨胀系数、导热系数、比热容、热稳定性、综合品质因数。
通过上述设计方案,本发明可以带来如下有益效果:本发明可以应用在任何五自由度以上的研抛机床上,研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力的检测、解耦,根据研抛头参数、工件的形状参数和材料参数,研抛旋转轴的主轴转速,理想曲面模型,解算出实时优化的进给率和研抛路径补偿值,再经过所应用的研抛机床动力学模型,计算出机床各轴的运动参数,驱动机床进行曲面研抛精加工。
本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工新方法,通过研抛精加工工序可以有效消除研抛加工的加工余量以及面型误差这两项误差,最终达到理想曲面的要求。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明:
图1为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法的结构示意图。
图2为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法的流程框图。
图3为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中的余量去除工作状态图。
图4为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中的增量去除工作状态图。
图5为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中的缩量去除工作状态图。
图6为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中实施例的工件主视结构示意图。
图7为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中实施例的工件俯视结构示意图。
图8为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中实施例的五自由度机床各轴位置关系示意图。
图9为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中实施例的工件扫描形状图。
图10为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中实施例的研抛头结构示意图。
图11为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中实施例的研抛轨迹图。
图12为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中实施例的误差在研抛轨迹上的分布图。
图13为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中实施例的研抛压力图。
图14为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中实施例的进给率变化图。
图15为本发明基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法中实施例在曲面上的误差分布图。
图中1-中央处理器、2-力传感器、3-研抛头、4-激光扫描仪、5-Z直线轴、6-X直线轴、7-B旋转轴、8-B旋转轴主轴、9-A旋转轴、10-Y直线轴、11-工件、12-加工余量、13-实际轮廓、14-理想轮廓、15-进给方向、16-余量轮廓。
具体实施方式
如图所示,基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法,其特征是:包括以下步骤,
步骤一、在研抛机床上安装中央处理器1、力传感器2和激光扫描仪4
在研抛机床上,安装中央处理器1、力传感器2和激光扫描仪4,所述中央处理器1包括研抛力实时检测并解耦模块、实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块,中央处理器1通过数据线分别与力传感器2、激光扫描仪4连接;所述力传感器2固定安装在研抛机床工作台下方,并且位于底座旋转轴平台的上部;所述激光扫描仪4固定在研抛机床的一侧;
步骤二、设置研抛机床参数,扫描并记录工件的形状参数
启动电源总闸,根据研抛机床的自由度的个数在中央处理器1上设置研抛机床的自由度参数、极限行程、极限直线速度和极限旋转速度,
根据力传感器2的类型在中央处理器1上设置力传感器2的量程、力的测量公差值、采样频率,将粗加工后的工件,固定在激光扫描仪4上,启动扫描按钮,激光扫描仪4扫描工件,将得到的形状参数传输给中央处理器1并通过中央处理器1上的显示面板显示,从激光扫描仪4上取下工件,固定工件至研抛机床工作台上;
步骤三、选择研抛头3
在中央处理器1的显示面板上输入粗加工后的工件的材料类型,中央处理器1从数据库中获取相应材料的材料参数,再根据步骤二中显示的工件形状参数,中央处理器1通过与其数据库中的标准模型比对,获得与工件匹配的研抛头3的型号并在中央处理器1上的显示面板显示;
根据中央处理器1显示的型号安装研抛头3,研抛头3的参数为默认参数,该参数传输至研抛力实时检测并解耦模块、实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块,由实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块操控研抛头3的研抛力F;
步骤四、选择理想曲面模型生成初始路径
根据激光扫描仪4扫描工件的形状参数,在中央处理器1的数据库中选择与扫描结果匹配的理想曲面模型,扫描得到工件的形状与理想曲面模型对比,生成初始路径,并获得工件各部分的去除量ZΔ;
步骤五、解析实时优化的进给率
中央处理器1根据研抛方程:普林斯顿方程
建立研抛力F、驻留时间t、去除量ZΔ之间的关系模型,其中Cp为与研抛头和工件材料等研抛因素有关的系数,不会受到研抛速度和研抛压力的影响,P(x,y,t)为该点在t时刻的研抛压力,V(x,y,t)为在t时刻光学元件表面上某一点研抛头相对于工件的运动速度。驻留时间t受研抛机床的动力学参数控制,由机床本身和当前机床姿态限制,所以t≥T(s);其中:T(s)是与机床结构及运动特性有关的函数,由机床及运动参数确定,T(s)即为已知函数;参变量为研抛头3的轴单位向量,向量起点为研抛轨迹上的作业点,方向为垂直于曲面向外;应变量为机床在当前作业点处的最小驻留时间;
研抛过程中,分为三种情况:
1)余量去除:研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力F的检测、解耦,根据检测到的研抛头3参数、工件的形状参数和材料参数、研抛旋转轴的主轴转速和理想曲面模型,解析数据并获得研抛路径补偿值为0,去除量ZΔ等于加工余量,研抛力F为[Fmin,Fmax]之间的一个稳定值,实时优化的进给率为恒定进给率,驻留时间t=T(s),并将数据传输给实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块;
2)增量去除:研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力F的检测、解耦,根据检测到的研抛头3参数、工件的形状参数和材料参数、研抛旋转轴的主轴转速和理想曲面模型,解析数据并获得实时的研抛路径补偿值小于0,去除量ZΔ大于加工余量,研抛力F为[Fmin,Fmax]之间的值;驻留时间t=T(ZΔ)>T(s),实时优化的进给率小于恒定进给率,并将数据传输给实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块;
3)缩量去除:研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力F的检测、解耦,根据检测到的研抛头3参数、工件的形状参数和材料参数、研抛旋转轴的主轴转速和理想曲面模型,解析数据并获得实时的研抛路径补偿值大于0,去除量ZΔ小于加工余量,研抛力F=Fmin,驻留时间t=T(ZΔ),实时优化的进给率大于恒定进给率,并将数据传输给实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块;
步骤六、驱动机床进行曲面研抛精加工
启动研抛按钮,中央处理器1中的研抛力实时检测并解耦模块、实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块与应用的研抛机床动力学模型结合,研抛力实时检测并解耦模块解析数据并获得研抛机床各自由度的运动参数,并驱动研抛机床进行曲面研抛精加工。
所述的研抛机床为五自由度以上的研抛机床。
所述的材料参数为密度参数、弹性模量、比刚度、热膨胀系数、导热系数、比热容、热稳定性、综合品质因数。
实施例:
以如图1所示的五轴研抛机床为例,被加工工件11如图6和图7所示。
一、安装中央处理器1、力传感器2。
连接研抛机床和力传感器2到中央处理器1,力传感器2安装到工作台下方的A旋转轴9即底座旋转轴的平台上,工作台上将安装被加工工件;在中央处理器1中设置机床各轴即各自由度的物理参数,X直线轴6的最大行程为±180mm,Y直线轴10的最大行程为±200mm,Z直线轴5的最大行程为±40mm,A旋转轴9的最大行程为±22°,B旋转轴7的最大行程为±40°;如图8所示,各轴的位置关系为l1=120mm,l2=480mm,l3=200mm,r1=150mm,r2=120mm,其中l1为X直线轴6与Z直线轴5在水平方向上的距离,l2为X直线轴6与Y直线轴10在竖直方向上的距离,l3为A旋转轴9的圆心到Y直线轴10的距离,r1为A旋转轴9的旋转半径,r2为B旋转轴7的旋转半径;最大直线速度:Vxmax=Vymax=Vzmax=0.8m/s;最大旋转速度:wAmax=wBmax=30°/s;在中央处理器中设置力传感器参数,量程为[0,200]N、精度为±0.1N、采样频率为1000Hz。
二、安装激光扫描仪4并扫描工件11。
连接激光扫描仪4与中央处理器1,将粗加工后的工件11,固定安装在激光扫描仪4上,启动扫描按钮,激光扫描仪4开始工作,激光扫描仪4扫描工件11的形状参数,将数据传输给中央处理器1并通过中央处理器1上的显示面板显示;扫描结果如图9所示。
三、选择研抛头3并安装设置
根据工件11的形状参数和材料参数选择研抛头3,中央处理器1通过与其数据库中的标准模型比对,获得与工件11匹配的研抛头3的型号为YP-005,研抛头3的外形如图10所示,根据型号安装研抛头3;研抛头3的参数为默认参数,该参数自动填入中央处理器1各模块中,中央处理器1根据参数自动匹配出最佳研抛力范围为[Fmin,Fmax]=[13N,16N]。
四、将扫描结果与理想模型对比生成初始研抛路径
中央处理器1根据激光扫描仪4扫描工件11的形状参数与理想曲面模型(理想曲面模型是已知的零件图纸信息,已存入中央处理器1中)对比,生成初始路径如图11所示,并获得工件各部分的去除量ZΔ。误差在研抛轨迹上的分布图如图12所示。
五、开始研抛,并启用基于研抛力的进给率实时优化模块
启动研抛按钮,中央处理器1选择的研抛旋转轴的主轴即B旋转轴主轴8的转速为2000r/min,初始进给率为200,研抛头3在高速旋转的同时,沿初始研抛路径开始对工件11进行研抛;基于研抛力的进给率实时优化模块开始工作,实时采集力传感器数据,并根据数据解耦出研抛力,模块根据研抛力变化,实时匹配余量去除,增量去除,缩量去除三种模式,并实时优化出进给率补偿给研抛机床,直到研抛头3走完所有研抛路径,研抛结束。
六、研抛过程分析
1)在研抛过程中通过中央处理器1检测到研抛力变化如图13所示。研抛路径上共生成991段程序,图中横轴N为研抛程序段数,纵轴F(N)为研抛力,研抛力基本稳定在[13N,15N]。满足研抛加工研抛力控制要求。
2)在研抛过程中通过中央处理器1检测到的进给率变化如图14所示。图中横轴N为研抛程序段数,纵轴FeedRate为进给率,结合扫描工件在曲面上的误差分布图15,可以得出以下结论,在余量去除阶段,进给率平稳维持在初始进给率附近;在增量去除阶段,进给率显著降低,并与误差大小变化趋势一致;在缩量去除阶段进给率显著提高,并与误差大小变化趋势一致。
3)与传统的研抛过程对比
传统研抛过程由于没有研抛力反馈,没有实时进给率优化过程,所以研抛过程中进给率会严格控制最小,为了保证不发生过研抛,研抛深度也会严格控制在最小进给当量,因此需要经过多次研抛才能逼近理想曲面的精度要求,而采用本发明方法能在达到曲面研抛精度的同时显著提高研抛效率。
Claims (3)
1.基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法,其特征是:包括以下步骤,
步骤一、在研抛机床上安装中央处理器(1)、力传感器(2)和激光扫描仪(4)
在研抛机床上,安装中央处理器(1)、力传感器(2)和激光扫描仪(4),所述中央处理器(1)包括研抛力实时检测并解耦模块、实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块,中央处理器(1)通过数据线分别与力传感器(2)、激光扫描仪(4)连接;所述力传感器(2)固定安装在研抛机床工作台下方,并且位于底座旋转轴平台的上部;所述激光扫描仪(4)固定在研抛机床的一侧;
步骤二、设置研抛机床参数,扫描并记录工件的形状参数
启动电源总闸,根据研抛机床的自由度的个数在中央处理器(1)上设置研抛机床的自由度参数、极限行程、极限直线速度和极限旋转速度;
根据力传感器(2)的类型在中央处理器(1)上设置力传感器(2)的量程、力的测量公差值、采样频率;
将粗加工后的工件,固定在激光扫描仪(4)上,启动扫描按钮,激光扫描仪(4)扫描工件,将得到的形状参数传输给中央处理器(1)并通过中央处理器(1)上的显示面板显示;
从激光扫描仪(4)上取下工件,固定工件至研抛机床工作台上;
步骤三、选择研抛头(3)
在中央处理器(1)的显示面板上输入粗加工后的工件的材料类型,中央处理器(1)从数据库中获取相应材料的材料参数,再根据步骤二中显示的工件形状参数,中央处理器(1)通过与其数据库中的标准模型比对,获得与工件匹配的研抛头(3)的型号并在中央处理器(1)上的显示面板显示;
根据中央处理器(1)显示的型号安装研抛头(3),研抛头(3)的参数为默认参数,该参数传输至研抛力实时检测并解耦模块、实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块,由实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块操控研抛头(3)的研抛力F;
步骤四、选择理想曲面模型生成初始路径
根据激光扫描仪(4)扫描工件的形状参数,在中央处理器(1)的数据库中选择与扫描结果匹配的理想曲面模型,扫描得到工件的形状与理想曲面模型对比,生成初始路径,并获得工件各部分的去除量ZΔ;
步骤五、解析实时优化的进给率
中央处理器(1)根据研抛方程:普林斯顿方程
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建立研抛力F、驻留时间t、去除量ZΔ之间的关系模型,其中Cp为研抛头和工件材料系数,P(x,y,t)为该点在t时刻的研抛压力,V(x,y,t)为在t时刻光学元件表面上某一点研抛头相对于工件的运动速度;驻留时间t受研抛机床的动力学参数控制,由机床本身和当前机床姿态限制,所以t≥T(s);其中:T(s)是与机床结构及运动特性有关的函数,机床及运动参数确定,T(s)即为已知函数;参变量为研抛头(3)的轴单位向量,向量起点为研抛轨迹上的作业点,方向为垂直于曲面向外;应变量为机床在当前作业点处的最小驻留时间;
研抛过程中,分为三种情况:
1)余量去除:研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力F的检测、解耦,根据检测到的研抛头(3)参数、工件的形状参数和材料参数、研抛旋转轴的主轴转速和理想曲面模型,解析数据并获得研抛路径补偿值为0,去除量ZΔ等于加工余量,研抛力F为[Fmin,Fmax]之间的一个稳定值,其中Fmin为研抛力F的最小值,Fmax为研抛力F的最大值,实时优化的进给率为恒定进给率,驻留时间t=T(s),并将数据传输给实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块;
2)增量去除:研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力F的检测、解耦,根据检测到的研抛头(3)参数、工件的形状参数和材料参数、研抛旋转轴的主轴转速和理想曲面模型,解析数据并获得实时的研抛路径补偿值小于0,去除量ZΔ大于加工余量,研抛力F为[Fmin,Fmax]之间的值;驻留时间t=T(ZΔ)>T(s),其中T(ZΔ)为去除量ZΔ的驻留时间,实时优化的进给率小于恒定进给率,并将数据传输给实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块;
3)缩量去除:研抛力实时检测并解耦模块通过对实时研抛力F的检测、解耦,根据检测到的研抛头(3)参数、工件的形状参数和材料参数、研抛旋转轴的主轴转速和理想曲面模型,解析数据并获得实时的研抛路径补偿值大于0,去除量ZΔ小于加工余量,研抛力F=Fmin,驻留时间t=T(ZΔ),实时优化的进给率大于恒定进给率,并将数据传输给实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块;
步骤六、驱动机床进行曲面研抛精加工
启动研抛按钮,中央处理器(1)中的研抛力实时检测并解耦模块、实时进给率优化模块和实时路径参数控制模块与应用的研抛机床动力学模型结合,研抛力实时检测并解耦模块解析数据并获得研抛机床各自由度的运动参数,并驱动研抛机床进行曲面研抛精加工。
2.根据权利要求1所述的基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法,其特征是:所述的研抛机床为五自由度以上的研抛机床。
3.根据权利要求1所述的基于研抛力控制的复杂曲面研抛加工方法,其特征是:所述的材料参数为密度参数、弹性模量、比刚度、热膨胀系数、导热系数、比热容、热稳定性、综合品质因数。
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