CN112775839A - 基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，该修整方法用于超精密磨削中，目的是解决目前杯形圆弧砂轮不易修整的难题。该修整方法包括：将修整砂轮安装在数控机床的转台上，将待修整的杯形圆弧砂轮安装在机床主轴上；通过圆弧包络修整轨迹实现修整砂轮与待修整杯形圆弧砂轮内圆弧和外圆弧间歇修整对磨；通过已标定的激光位移传感器对砂轮进行在位测量。本发明修整方法对摇篮式五轴加工机床的杯形圆弧砂轮进行在位修整，解决了杯形圆弧砂轮因圆弧易干涉难修整的问题，该修整方法降低了砂轮磨损对工件高精度要求的影响，减少补偿加工次数，实现确定性加工，提高整个工件的加工效率和加工质量。

Description

基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法

技术领域

本发明属于精密加工技术领域，特别涉及一种基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法。

背景技术

硬脆性材料具有高强度、高硬度、高耐磨性等优异性能，被广泛应用于光学、机械等国防、民用领域中。但该类材料脆性大、断裂韧性低，弹性极限与强度极限非常接近，当材料承受的载荷稍微超过弹性极限时就会发生断裂破坏。脆性材料的加工一般采用磨削的方式，磨削加工工序包含粗磨和精磨。硬脆材料的磨削主要使用的是金刚石磨粒砂轮，数控机床的砂轮由于磨削力的存在会导致磨削区域产生高温，并且砂轮在加工过程中由于挤压磨损会导致较多的磨粒磨损、脱落，使得工件表面发生高温烧伤、更多划痕，工件表面的正确的几何形状会丧失，不能满足加工精度的要求，并且砂轮表面磨粒不规则的分布引起周期性的修整会使得加工效率降低。杯形圆弧砂轮因其加工效率高被广泛应用于硬脆材料的加工。球面及非球面等光学元件的加工过程中，杯形圆弧砂轮的端面圆弧会被逐渐磨损，影响光学元件的加工精度，需要多次补偿才能达到元件磨削的高精度要求。与传统碟形圆弧砂轮修整方法相比，杯形圆弧砂轮旋转圆弧极易干涉，目前尚未有高效可行的杯形圆弧砂轮修整方法。

发明内容

针对现有领域中的空白，本发明提供了一种基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，目的旨在解决杯形圆弧砂轮修整的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，包括如下步骤：

1)将待修整的杯形圆弧砂轮安装至五轴数控机床的刀具轴上，刀具轴运动由数控系统控制，进行XYZ三个方向的直线运动以及绕着刀具轴线的转动，将连接修整砂轮的夹具安装到数控机床的转台上，修整砂轮能够随转台进行YZ平面上的摆动及自转；

2)对刀，机床通过自身具有的测头测量出修整砂轮高度，在理论模型中输入参数进行对刀，或者通过接近对刀，使用塞尺进行修整砂轮与杯形圆弧砂轮对刀；修整砂轮通过轨迹包络实现对杯形圆弧砂轮的修整，在一个程序循环内首先对杯形圆弧砂轮内圆弧进行往复摆动修整N次，然后杯形圆弧砂轮平移其砂轮中径距离后，继续对杯形圆弧砂轮外圆弧修整N次，外圆弧修整后重新开始内圆弧修整，进行下个循环的修整，根据杯型圆弧砂轮磨损情况，设定对其修整循环次数；

3)利用已经标定的激光位移传感器测量杯形圆弧砂轮的修整面型，若面型精度达到设定精度要求后，停止修整。

本发明进一步的改进在于，修整砂轮的轨迹是通过修整砂轮包络杯形圆弧砂轮生成加工代码，修整砂轮摆动轨迹从0°摆动至90°，该轨迹在修整砂轮选用后即确定，杯形圆弧砂轮的轨迹通过二维运动与修整砂轮同步运动完成包络轨迹运动。

本发明进一步的改进在于，在一个修整循环内，该修整方法对杯形圆弧砂轮的内圆弧和外圆弧间歇修整。

本发明进一步的改进在于，杯形圆弧砂轮的中径尺寸因加工件的尺寸不同而尺寸范围为10～250mm；针对不同大小的杯形圆弧砂轮修整，修整砂轮与台面工装的连接轴长度不同，避免修整中与杯形圆弧砂轮干涉；对于大砂轮修整，连接轴采用阶梯轴提高修整砂轮刚性，修整砂轮通过阶梯轴与夹具相连接，夹具与转台通过螺旋安装。

本发明进一步的改进在于，所述的修整砂轮为圆柱形砂轮，通过旋转外圆面对杯形圆弧砂轮进行修整，材料是SiC。

本发明进一步的改进在于，所述的修整砂轮的大小根据待修整的杯形圆弧砂轮决定，修整砂轮的直径小于待修整杯形圆弧砂轮的内径，针对不同杯形圆弧砂轮以及修整砂轮的选用，杯形圆弧砂轮修整时的转速从30～100r/min，修整砂轮的转速低于杯形圆弧砂轮的转速从20～100r/min，机床摇篮的摆动速度20～100rad/s。

本发明进一步的改进在于，设定精度为5～10μm，对加工精度要求更高的工件加工时，修整周期随着精度的提高而增长。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、该修整方法操作简单，方便快捷地完成对杯形圆弧砂轮的修整，解决了杯形圆弧砂轮因圆弧易干涉难修整的问题，该修整方法降低了砂轮磨损对工件高精度要求的影响，减少补偿加工次数，实现确定性加工，提高整个工件的加工效率和加工质量。；

2、通过微量进给实现了对于杯形圆弧砂轮的修整质量的保证，修整后的砂轮的精度可达到5～10μm；

3、每次修整包含多次循环，每个循环内先对内圆修整N次，再对外圆修整N次，然后重复第二个循环对内圆修整。即最后砂轮的圆弧面型修整是在一个循环内同时达到修整要求精度，避免先对内圆修整完成后再对外圆弧修整过程中易因修整砂轮磨损造成的内外圆弧高度不一致问题，影响整个圆弧的精度。该方法通过摇篮式五轴加工机床完成对杯形圆弧砂轮的轨迹包络修整，修整砂轮大小根据杯形圆弧砂轮尺寸决定，且修整砂轮形状简单，为圆柱体，使用外圆周进行修整，对其外圆面型要求低，即修整砂轮的成本较低；

4、可以实时地进行在位检测，调整修整时间，待修整砂轮的位置，从而保证砂轮较高的修整质量。

综上，本发明主要针对摇篮式五轴数控机床上的杯形圆弧砂轮磨损问题提出修整方法，该修整方法可提供符合球面及非球面元件轮廓包络加工模型中的标准刀具，保证了工件加工的确定性，提高了整个加工工艺的加工效率。

附图说明

图1是五轴摇篮式数控机床修整示意图；

图2是五轴摇篮式数控机床修整斜侧图；

图3是修整装置示意图；

图4是内圆修整过程示意图；

图5是外圆修整过程示意图；

图6是修整砂轮修整路径示意图；

图7是修整局部图；

图8是激光位移传感器测量图示；

图9是激光位移传感器测量原理图。

附图标记说明：

1是Y轴移动平台；2是Z轴移动平台；3是转台；4是修整装置；5是杯形圆弧砂轮；6是X轴移动平台；7是激光位移传感器；4-1是修整砂轮；4-2是阶梯轴；4-3是夹具；4-4是螺柱。

具体实施方式

结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明提供的基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，该修整方法是将待修整的杯形圆弧砂轮5与修整砂轮4-1安装在五轴数控机床上，通过数控系统控制刀具轴与转台3的复合运动，使杯形圆弧砂轮5与修整砂轮4-1以对磨的方式进行修整，对杯形圆弧砂轮5的内圆面与外圆面分别修整。

具体的，本发明的修整方法基于五轴加工机床及一种圆柱形SiC修整砂轮，如图3所示，具体装置结构包括夹具，连接轴和圆柱形修整砂轮，夹具底部有螺纹，安装在机床转台上，可进行拆卸，夹具圆心处上固连有一个阶梯形连接轴，修整砂轮中心有圆孔，可以与连接轴端部连接，安装后的修整砂轮端面与转台表面平行，然后进行对刀，机床通过自身具有的测头测量出修整砂轮高度，在理论模型中参数输入进行对刀。或者通过接近对刀，使用塞尺进行修整砂轮与杯形圆弧砂轮对刀。修整砂轮通过轨迹包络实现对杯形圆弧砂轮的修整，在一个修整周期内首先对砂轮内圆弧进行往复摆动修整N次，然后杯形圆弧砂轮平移砂轮中径距离后，继续对杯形圆弧砂轮外圆弧修整N次。外圆弧修整后重新开始内圆弧修整，进行下个周期的修整。根据砂轮磨损情况，设定砂轮修整周期数。

本发明提供的基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，具体包括以下步骤：

步骤1)如图1、图2所示，将待修整砂轮5安装在机床刀具轴上，修整装置4安装在机床转台3上，夹具4-3与转台3通过螺柱4-4连接，夹具4-3上表面垂直固定连接一根短轴4-2，阶梯轴4-2与修整砂轮4-1连接。进行对刀，机床通过自身具有的测头测量出修整砂轮高度，在理论模型中输入参数进行对刀。或者通过接近对刀，使用塞尺进行修整砂轮与杯形圆弧砂轮对刀。缓慢加载转速，调试装置的稳定性，达到平衡后设定好转速，转台3摆动的角速度，通过机床的数控系统实现修整砂轮4-1与杯形圆弧砂轮5的对磨。

所述待修整的杯形圆弧砂轮5内径为r，外径为R，转台摆轴中心与修整砂轮上表面中心距离为l。

所述的步骤1)如图4所示，修整砂轮4-1与杯形圆弧砂轮5的对磨过程具体是：

在一次修整周期中，转台3以角速度在YZ平面上进行θ角度摆动，同时修整砂轮4-1随转台3进行自转，待修整的杯形圆弧砂轮5随刀具轴在YZ两个轴向进行复合运动，在转台3摆动的过程中，待修整的杯形圆弧砂轮5外圆面始终与修整砂轮4-1的圆周面保持接触，同时修整砂轮4-1与待修整砂轮5进行自转，两个砂轮进行对磨，待内圆面一个循环内修整N次后，调整刀具轴在X方向上的进给量，对杯形圆弧砂轮外圆修整N次，修整砂轮4-1通过轨迹包络实现对杯形圆弧砂轮的修整，然后重复以上修整进行下一个循环修整。

杯形圆弧砂轮5外圆的修整与内圆相似，如图5所示，杯形圆弧砂轮5平移砂轮中径距离后杯形圆弧砂轮5的外圆面与修整砂轮4-1接触，杯形圆弧砂轮5平移过程中修整砂轮4-1保持位置不动，与内圆面修整相同，通过轨迹包络实现对外圆面的修整。

结合步骤1)，如图4所示，所述的修整过程中的转台3摆动的角度范围为θ∈[0°,90°]，角速度ω；

为了实现修整砂轮4-1与待修整杯形圆弧砂轮5的对磨，两者在时间内的行程满足如下的几何关系：

式中，S_Y为修整砂轮5在Y方向的移动距离；S_Z为修整砂轮5在Y方向的移动距离；转台3的中心点与修整砂轮4-1上表面的距离设为l。

如图所示，以待修整的杯形圆弧砂轮5磨粒区域为研究对象，杯形圆弧砂轮5的圆弧部分的半径为：

结合步骤1)所述的修整过程中修整砂轮4-1的圆周面与待修整砂轮5的内圆或外圆的磨粒区域部分始终保持面面接触，为了更细致地表达修整过程，以内圆修整为例进行详细说明，如图7所示，修整砂轮4-1对杯形圆弧砂轮5进行包络修整，结合图6所示，在YOZ平面上，Y轴向右为正方向，Z轴向上为正方向，以转台3的夹具中心为坐标原点。转台3摆动的中心坐标为(y₀,z₀)，中心点与修整砂轮4-1上表面的距离设为l，在修整过程中，修整砂轮4-1随着转台3以角速度为ω进行摆动，在时间t内转台3摆动的角度为θ，杯形圆弧砂轮5在此时间段内从位置A移动到位置B，相应地，在图7中，修整砂轮4-1相对于杯形圆弧砂轮5实际沿着杯形圆弧砂轮5绕过一段圆弧，将杯形圆弧砂轮5端部圆弧部分的圆心坐标设为(y,z)，杯形圆弧砂轮5与修整砂轮4-1的接触点坐标为(y₁,z₁)

θ＝ωt (3)

结合步骤1)，所述的修整过程中修整砂轮4-1的半径为R₀，在相应的时间t内修整砂轮在修整杯形圆弧砂轮内圆或外圆磨粒区域中所经过的角度为β，经过时间t后修整砂轮4-1与杯形圆弧砂轮5的接触点坐标为(y₁,z₁)：

根据图7所示，杯形圆弧砂轮5端部圆弧的中心坐标满足如下的几何关系：

根据图6与图7所示，转台在时间t内摆角θ与修整砂轮4-1在杯形圆弧砂轮相对转角β满足如下的几何关系：

将式(3)、(5)与(6)联立可得：

在数控系统中输入转速ω，经过对刀测得距离l，根据上述公式(11)即可得出杯形圆弧砂轮端部圆弧的中心坐标。

步骤2)如图8所示，在修整结束后通过激光位移传感器7对砂轮5的面型误差进行在位检测，当检测误差大于10μm时，增加修整深度并重新设定修整时间。

结合步骤2)，所述的检测过程中使用激光位移传感器进行检测，其检测原理是激光发射器通过镜头将可见红色激光射向杯形圆弧砂轮端面，经物体反射的激光通过传感器接收器镜头，被传感器内部的线性相机接收，根据不同的距离，线性相机可以在不同的角度下检测到这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，传感器7内部的数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离，通过比较修整前和修整后的数值确定面形精度是否达到。如图9所示。

步骤4)当杯形圆弧砂轮5的面型误差为5～10μm时，修整完成。

Claims (7)

1.基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将待修整的杯形圆弧砂轮(5)安装至五轴数控机床的刀具轴(2)上，刀具轴(2)运动由数控系统控制，进行XYZ三个方向的直线运动以及绕着刀具轴线的转动，将连接修整砂轮(4-1)的夹具(4-3)安装到数控机床的转台(3)上，修整砂轮(4-1)能够随转台(3)进行YZ平面上的摆动及自转；

2)对刀，机床通过自身具有的测头测量出修整砂轮(4-1)高度，在理论模型中输入参数进行对刀，或者通过接近对刀，使用塞尺进行修整砂轮(4-1)与杯形圆弧砂轮(5)对刀；修整砂轮(4-1)通过轨迹包络实现对杯形圆弧砂轮(5)的修整，在一个程序循环内首先对杯形圆弧砂轮(5)内圆弧进行往复摆动修整N次，然后杯形圆弧砂轮(5)平移其砂轮中径距离后，继续对杯形圆弧砂轮外圆弧修整N次，外圆弧修整后重新开始内圆弧修整，进行下个循环的修整，根据杯型圆弧砂轮磨损情况，设定对其修整循环次数；

3)利用已经标定的激光位移传感器(7)测量杯形圆弧砂轮(5)的修整面型，若面型精度达到设定精度要求后，停止修整。

2.根据权利要求1所述的基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，其特征在于，修整砂轮(4-1)的轨迹是通过修整砂轮包络杯形圆弧砂轮生成加工代码，修整砂轮(4-1)摆动轨迹从0°摆动至90°，该轨迹在修整砂轮选用后即确定，杯形圆弧砂轮(5)的轨迹通过二维运动与修整砂轮(4-1)同步运动完成包络轨迹运动。

3.根据权利要求1所述的基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，其特征在于，在一个修整循环内，该修整方法对杯形圆弧砂轮(5)的内圆弧和外圆弧间歇修整。

4.根据权利要求1所述的基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，其特征在于，杯形圆弧砂轮(5)的中径尺寸因加工件的尺寸不同而尺寸范围为10～250mm；针对不同大小的杯形圆弧砂轮修整，修整砂轮与台面工装的连接轴长度不同，避免修整中与杯形圆弧砂轮(5)干涉；对于大砂轮修整，连接轴采用阶梯轴(4-2)提高修整砂轮刚性，修整砂轮通过阶梯轴与夹具相连接，夹具与转台通过螺旋安装。

5.根据权利要求1所述的基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，其特征在于，所述的修整砂轮为圆柱形砂轮，通过旋转外圆面对杯形圆弧砂轮进行修整，材料是SiC。

6.根据权利要求1所述的基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，其特征在于，所述的修整砂轮(4-1)的大小根据待修整的杯形圆弧砂轮决定，修整砂轮(4-1)的直径小于待修整杯形圆弧砂轮(5)的内径，针对不同杯形圆弧砂轮(5)以及修整砂轮(4-1)的选用，杯形圆弧砂轮修整时的转速从30～100r/min，修整砂轮的转速低于杯形圆弧砂轮(5)的转速从20～100r/min，机床摇篮的摆动速度20～100rad/s。

7.根据权利要求1所述的基于摇篮式五轴数控机床的杯形圆弧砂轮的在位修整方法，其特征在于，设定精度为5～10μm，对加工精度要求更高的工件加工时，修整周期随着精度的提高而增长。

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