CN114309671A - 一种大口径离轴抛物面零件的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大口径离轴抛物面零件的加工方法，应用于立式车床，立式车床具有主轴、X轴移动部件和连接于所述X轴移动部件的Z轴移动部件，所述Z轴移动部件上设置刀具，所述加工方法包括：步骤S1、确定工件的加工位置；步骤S2、将工件的笛卡尔坐标转换为柱坐标；步骤S3、设定程序；步骤S4、立式车床执行程序，控制主轴、X轴移动部件和Z轴移动部件协同运动，以在工件上加工出预设的抛物面。本申请加工方法应用于具有两个直线运动轴和一个角度不可控的旋转主轴的立式车床即可实现大口径离轴抛物面零件的确定性超精密加工，此技术不需要使用大型立式车床按离轴方式安装工件进行加工，方法简单易行，方便高效，成本低廉。

Description

一种大口径离轴抛物面零件的加工方法

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种大口径离轴抛物面零件的加工方法。

背景技术

离轴抛物面是自由曲面的一种，离轴抛物面零件在太赫兹和红外波段具有广泛的应用前景，是搭建太赫兹光路和红外光路的常用元件之一。大口径离轴抛物面零件的制造困难，需要采用大型车床通过回转对称的方式加工或在中小型车床上通过同轴安装采用非回转对称的方式加工。实现大口径离轴抛物面光学零件制造，对于航空航天等国防科技工业领域的现代化发展具有重要的意义。

目前制造大口径的离轴抛物面零件的传统方法主要是先加工出一块回转对称的大口径母抛物面零件,然后截取其所要求的离轴部分。这种方法一方面需要大型加工车床，同时造成了材料浪费，增加了制造成本。目前先进的加工离轴抛物面零件的方法主要是快速刀具伺服技术和慢速溜板伺服技术。快速刀具伺服技术适用于形状复杂、矢高小的零件而慢速溜板伺服技术适用于加工形状简单、矢高大的工件。而对于大口径的离轴抛物面零件，由于口径大、加工形状复杂且矢高大，还没有合适的加工方法，因此迫切需要一种大口径离轴抛物面零件的加工方法。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种大口径离轴抛物面零件的加工方法，可实现大口径离轴抛物面零件的确定性超精密加工。

为实现上述发明目的，本申请提供如下技术方案：

一种大口径离轴抛物面零件的加工方法，应用于立式车床，立式车床具有主轴、X轴移动部件和连接于所述X轴移动部件的Z轴移动部件，所述Z轴移动部件上设置刀具，所述加工方法包括如下步骤：

步骤S1、确定工件的加工位置；

步骤S2、将工件的笛卡尔坐标转换为柱坐标；

步骤S3、设定程序；

步骤S4、立式车床执行程序，控制主轴、X轴移动部件和Z轴移动部件协同运动，以在工件上加工出预设的抛物面。

可选的，步骤S1包括：

根据需要加工的抛物面方程以及加工范围确定所需加工的工件位置，对工件进行旋转平移变换将其中心转移到车床坐标原点，计算出需要平移与旋转的参数。

可选的，步骤S2包括：定义加工坐标系和加工起始位置，将工件的笛卡尔坐标(x,y)转换为柱坐标

其中，将坐标点平移变换到加工范围后代入抛物面方程计算出所需的z值，根据旋转矩阵对z值进行旋转变换，得出当前位置所需要的z值。

可选的，在主轴上设置时基触发器，步骤S4包括：基于PMAC的时基控制执行程序，协同PMAC的时基控制在主轴位置不可控的情况下实现主轴旋转，Z轴移动部件和X轴移动部件精密进刀运动的三轴联动控制。

可选的，在步骤S4中包括：立式车床根据主轴旋转作为输入信号的频率来控制运动和程序的执行速率。

可选的，在主轴上设置霍尔传感器和编码器，所述根据主轴旋转作为输入信号的频率包括：将主轴上的编码器信号频率作为可控轴的输入信号的频率，使得时基控制一直进行。

可选的，步骤S4包括；

S41、将主轴编码器信号频率转换为电压信号，将此信号视为输入信号的频率；

S42、根据输入信号的频率计算程序执行的更新率，根据更新率控制程序的执行过程。

可选的，步骤S42中通过如下公式计算更新率：

其中，％value为更新率，RTIF为输入信号的频率，通过如下公式计算：

RTIF＝主轴转速×编码器分辨率；

TBSF为时基因子，通过如下公式计算：

可选的，在步骤S4中，根据时基是否被冻结以及系统是否已运动至跟随零点为判断条件，控制PMAC等待编码器的基点信号，以触发程序。

通过采用上述技术方案，使得本发明具有以下有益效果：

本申请加工方法应用于具有两个直线运动轴和一个角度不可控的旋转主轴的立式车床即可实现大口径离轴抛物面零件的确定性超精密加工，此技术不需要使用大型立式车床按离轴方式安装工件进行加工，方法简单易行，方便高效，成本低廉。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1示出了大口径离轴抛物面零件的加工方法的总流程图；

图2示出Nanosys-1000立式数控光学加工车床的正视图；

图3示出了大口径离轴抛物面零件的加工方法流程图；

图4示出了大口径离轴抛物面零件的加工方法的PLC程序流程图；

图5示出了大口径离轴抛物面零件的加工方法中坐标变换的示意图。

图中，1、Z轴移动部件；2、X轴移动部件；3、主轴；4、刀具；5、时基触发器。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1至图5所示，本申请实施例提供一种大口径离轴抛物面零件的加工方法，应用于立式车床，立式车床具有主轴3、X轴移动部件2和连接于所述X轴移动部件2的Z轴移动部件1，所述Z轴移动部件1上设置刀具4，X轴移动部件2能沿X轴平移，Z轴移动部件1能沿Z轴方向平移。主轴3则可以沿Z轴方向延伸，主轴3的顶端设置台面，工件可以装卡于该台面上。所述加工方法包括如下步骤：

步骤S1、确定工件的加工位置；

步骤S2、将工件的笛卡尔坐标转换为柱坐标；

步骤S3、设定程序；

步骤S4、立式车床执行程序，控制主轴3、X轴移动部件2和Z轴移动部件1协同运动，以在工件上加工出预设的抛物面。

该实施方案中，通过将工件的笛卡尔坐标转换为柱坐标，使得具有两个直线运动轴(X轴移动部件2和Z轴移动部件1)和一个角度不可控的旋转主轴3的立式车床即可实现大口径离轴抛物面零件的确定性超精密加工，方法简单易行，方便高效，成本低廉。

本发明提供的大口径离轴抛物面零件的加工方法，利用两轴联动的车床平台，实现了大口径离轴抛物面零件的加工，其可推广到其余非回转对称、不规则的自由曲面加工。示例性的，车床可以选用Nanosys-1000立式数控光学加工车床。

可选的，参见图5所示，步骤S1包括：根据需要加工的抛物面方程以及加工范围确定所需加工的工件位置，对工件进行旋转平移变换将其中心转移到车床坐标原点，计算出需要平移与旋转的参数。其中，车床坐标原点可以为主轴3旋转轴线。

参见图5和图3所示，步骤S2包括：定义加工坐标系和加工起始位置，将工件的笛卡尔坐标(x,y)转换为柱坐标

其中，将坐标点平移变换到加工范围后代入抛物面方程计算出所需的z值，根据旋转矩阵对z值进行旋转变换，得出当前位置所需要的z值。

参见图4所示，可选的，在主轴3上设置时基触发器5，步骤S4包括：基于PMAC的时基控制执行程序，协同PMAC的时基控制在主轴3位置不可控的情况下实现主轴3旋转，Z轴移动部件1和X轴移动部件2精密进刀运动的三轴联动控制。

运动程序无法准备加工起始触发功能，为了程序可靠运行，加工起始触发利用PMAC内置PLC来控制完成。在PLC程序中，根据时基是否被冻结以及系统是否已运动至跟随零点为判断条件，一旦时基触发器5准备完毕，PMAC就等待主编码器的基点信号，以触发基程序。

时基控制方法是一种可控轴与不可控轴之间协调控制的较复杂的控制方式，即用不可控轴作为输入信号的频率来控制运动和程序的执行速率。通过指定不可控轴编码器信号频率作为可控轴的输入信号频率，使得时基控制一直进行。通过使用该控制方法，不仅其运动速度与输入频率成正比，而且可保持不可控轴与可控轴间所有位置的同步。使用Nanosys-1000数控光学加工车床对抛物面零件进行加工，在加工过程中车床的Z轴移动部件1跟随旋转主轴3进行实时随动，加工出所需的抛物面。

进一步的，在步骤S4中包括：立式车床根据主轴3旋转作为输入信号的频率来控制运动和程序的执行速率。

可以在主轴3上设置霍尔传感器和编码器，所述根据主轴3旋转作为输入信号的频率包括：将主轴3上的编码器信号频率作为可控轴的输入信号的频率，使得时基控制一直进行。

可选的，步骤S4包括；

S41、将主轴3编码器信号频率转换为电压信号，将此信号视为输入信号的频率；

该步骤中，进行了信号解码，将外部不可控轴编码器信号频率转换为电压信号，将此信号视为外部的频率源。

S42、根据输入信号的频率计算程序执行的更新率，根据更新率控制程序的执行过程。

可选的，步骤S42中通过如下公式计算更新率：

其中，％value为更新率，RTIF为输入信号的频率，通过如下公式计算：

RTIF＝主轴3转速×编码器分辨率。其中主轴3转速可以由霍尔传感器获取。

TBSF为时基因子，通过如下公式计算：

以主轴3转速100r/min，轴编码器分辨率320000线/r为例：计算得出RTIF为533.33cts/ms，为了便于计算，RTIF取512cts/ms，则相应转速为96r/min，此时时基因子TBSF＝2¹⁴/512＝32。

可选的，在步骤S4中，根据时基是否被冻结以及系统是否已运动至跟随零点为判断条件，控制PMAC等待编码器的基点信号，以触发程序。

编写运动程序以及PLC时基触发程序。在PLC程序中，只需要一个条件分支来判断是否时基被冻结，根据时基是否被冻结作为系统是否已运动至起点的判断条件，一旦系统准备就绪，则PLC触发时基控制程序开始。

开始触发时基控制，在系统已运动至起点并PLC程序触发时基控制，则主轴3编码器开始捕捉起始信号，当信号被采集到的后使用不可控轴的频率来进行加工，实现三轴联动。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (9)

1.一种大口径离轴抛物面零件的加工方法，应用于立式车床，立式车床具有主轴、X轴移动部件和连接于所述X轴移动部件的Z轴移动部件，所述Z轴移动部件上设置刀具，其特征在于，所述加工方法包括如下步骤：

步骤S1、确定工件的加工位置；

步骤S2、将工件的笛卡尔坐标转换为柱坐标；

步骤S3、设定程序；

步骤S4、立式车床执行程序，控制主轴、X轴移动部件和Z轴移动部件协同运动，以在工件上加工出预设的抛物面。

2.根据权利要求1所述的大口径离轴抛物面零件的加工方法，其特征在于，步骤S1包括：

根据需要加工的抛物面方程以及加工范围确定所需加工的工件位置，对工件进行旋转平移变换将其中心转移到车床坐标原点，计算出需要平移与旋转的参数。

3.根据权利要求1所述的大口径离轴抛物面零件的加工方法，其特征在于，步骤S2包括：定义加工坐标系和加工起始位置，将工件的笛卡尔坐标(x,y)转换为柱坐标

其中，将坐标点平移变换到加工范围后代入抛物面方程计算出所需的z值，根据旋转矩阵对z值进行旋转变换，得出当前位置所需要的z值。

4.根据权利要求1所述的大口径离轴抛物面零件的加工方法，其特征在于，在主轴上设置时基触发器，步骤S4包括：基于PMAC的时基控制执行程序，协同PMAC的时基控制在主轴位置不可控的情况下实现主轴旋转，Z轴移动部件和X轴移动部件精密进刀运动的三轴联动控制。

5.根据权利要求4所述的大口径离轴抛物面零件的加工方法，其特征在于，在步骤S4中包括：立式车床根据主轴旋转作为输入信号的频率来控制运动和程序的执行速率。

6.根据权利要求5所述的大口径离轴抛物面零件的加工方法，其特征在于，在主轴上设置霍尔传感器和编码器，所述根据主轴旋转作为输入信号的频率包括：将主轴上的编码器信号频率作为可控轴的输入信号的频率，使得时基控制一直进行。

7.根据权利要求6所述的大口径离轴抛物面零件的加工方法，其特征在于，步骤S4包括；

S41、将主轴编码器信号频率转换为电压信号，将此信号视为输入信号的频率；

S42、根据输入信号的频率计算程序执行的更新率，根据更新率控制程序的执行过程。

8.根据权利要求7所述的大口径离轴抛物面零件的加工方法，其特征在于，步骤S42中通过如下公式计算更新率：

其中，％value为更新率，RTIF为输入信号的频率，通过如下公式计算：

RTIF＝主轴转速×编码器分辨率；

TBSF为时基因子，通过如下公式计算：

9.根据权利要求4所述的大口径离轴抛物面零件的加工方法，其特征在于，在步骤S4中，根据时基是否被冻结以及系统是否已运动至跟随零点为判断条件，控制PMAC等待编码器的基点信号，以触发程序。

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