CN115338692B - 一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其由机床提供X轴、Y轴、Z轴平移运动，C轴和B轴的旋转运动，将车刀固定到机床的B轴台面，工件安装在C轴上，使得车刀前刀面与机床的XZ平面垂直；将车刀圆弧顶点调节至与机床的C轴回转中心位于同一高度上；同时车刀前刀面与C轴回转轴线中心重合，将此时B轴角度设定为初始角度0°；计算车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离R；确定车刀位置X、Y两个方向的偏差ΔX、ΔY，并对误差进行补偿；对自由曲面进行离散化网格划分，生成切削点坐标，根据切削点坐标和刀位点路径生成算法生成法向摆动刨削自由曲面的加工路径，采用高速刨削的方式依次加工工件表面上每一行网格点，且加工工件表面上的任一点时，车刀切削刃与工件在该点处的法向量共线。

Description

一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法

技术领域

本发明属于多镜自由曲面加工领域，具体涉及一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法。

背景技术

传统超精密车削仅限于加工回转对称零件，其创成方式无法实现复杂面形零件的高精度加工要求。将单点金刚石车削加工的优点体现在复杂光学面形加工中的迫切需求，推动了慢刀伺服、快刀伺服等超精密车削加工技术的进一步发展。快刀系统是一套独立于超精密车床外的执行装置，超精密车床独立运行，加工回转对称部分。而快刀系统则读取超精密车床主轴和X轴信号，计算进刀量，而后控制快速响应刀架，实现非回转部分的加工。这种加工方式可以加工出具有复杂形状的各类异形元件，一次加工即可获得很高的零件尺寸精度、形状精度和良好的表面粗糙度。慢刀伺服相对于快刀伺服，动态响应能力比较慢，最高只能达到几十赫兹，因此加工效率较低。但Z轴加工行程较大，理论上可以加工更加陡峭、起伏更大的复杂曲面。而随着光学器件的不断升级换代，光学镜片的精度和安装要求不断提高，光学元件也由一体单镜慢慢向一体多镜、大曲率光学自由曲面发展。现有的加工手段很难满足大曲率尤其是一体多镜复杂光学自由曲面元件的加工制造要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种一体多镜光学自由曲面元件开发四轴联动超精密法向摆动刨削加工方法。使用超精密五轴联动加工机床，通过对B轴旋转角度的精确控制以及X\Y\Z\B四轴的联动控制实现大曲率光学自由曲面的高速摆动刨削。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其由机床提供X轴、Y轴、Z轴平移运动和B轴的旋转运动，具体的加工方法如下：

将车刀固定到机床B轴台面，工件安装在C轴上，使得车刀前刀面与机床的XZ平面垂直；

将车刀圆弧顶点调节至与机床的C轴回转中心位于同一高度上；同时车刀前刀面与C轴回转轴线中心重合，将此时B轴角度设定为初始角度0°；

计算车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离，记作R；

确定车刀位置X、Y两个方向的偏差ΔX、Δy，并对误差进行补偿；

根据刀位点坐标，生成法向摆动刨削自由曲面的加工路径，采用刨削的方式依次加工工件表面上每一行网格点，且加工工件表面上的任一点时，车刀切削刃与工件在该点处的法向量共线。

作为进一步的技术方案，车刀的每个切削点P所对应的最终刀位点位置坐标O′(x″_ji，y″_ji，z″_ji)为：

其中，x′_ji为刀尖圆弧中心O的X轴坐标，z′_ji为刀尖圆弧中心O的Y轴坐标，y_i为工件切削点P的Y轴坐标，n₁，n₂，n₃分别为工件自由曲面上各离散点的法向量在X，Y，Z轴的分量；r为车刀圆弧半径；α为B轴法向摆动的角度。

作为进一步的技术方案，车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离R的计算过程如下：

将标准检棒回转轴线调节至与B轴回转轴线共轴线。利用光学对刀仪记录此时标准检棒回转中心的位置坐标z₁，再将光学对刀仪调节至刀尖圆弧顶点，记录此时刀尖圆弧顶点的位置坐标z₂，以此两位置坐标及车刀圆弧半径r，计算金刚石车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离R。

作为进一步的技术方案，确定车刀位置X、Y两个方向的偏差ΔX、ΔY的方法如下：

用光学对刀仪7对车刀进行初步对刀，对刀误差控制在几个微米的范围内，然后采用试切法进行精确对刀，来确定车刀位置在X/Y两个方向的偏差ΔX与ΔY。

作为进一步的技术方案，利用车刀在距离回转中心Y_i的位置处切削一回转圆，在激光显微镜下测量回转圆的直径D₁，通过比较回转圆半径D₁/2与Y向距离Y_i的差值来判断刀尖与C轴回转中心在Y方向的偏差±ΔY。

作为进一步的技术方案，利用车刀车削完整表面，同样利用激光显微镜观察工件表面回转中心的微观结构，通过微观结构形状和结构尺寸判断车刀切削刃在X方向的偏差±Δ。

作为进一步的技术方案，若残留物为圆柱状，则车刀前刀面低于主轴轴线，需向X轴正方向补偿(D₀/2)的距离；若残留物为圆台状或圆锥状，则车刀前刀面高于主轴轴线需向X轴负方向补偿(D₀/2)的距离；若工件中心没有残留物，则说明X方向对刀误差很小，满足对刀要求。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

1.本发明采用法向摆动切削，通过引入B轴旋转，可以加工大曲率复杂光学元件。无需考虑C轴转动对Z轴高精度、高动态响应的限制；

2.法向摆动加工路径，可以生成横跨多张自由曲面的无干涉车刀轨迹，解决切矢不连续、重叠以及间隔的问题。

3.法向摆动切削，切削刃始终与加工表面法向量重合，保证加工质量，同时可以充分利用切削刃圆弧角度，实现切削刃的充分利用，避免单点切削对切削刃的过度磨损。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是一体多镜光学自由曲面加工示意图；

图2是自由曲面表面点云离散示意图；

图3是法向摆动切削金刚石车刀位置图；

图4是XY对刀误差示意图；

图5是圆弧金刚石车刀车刀半径补偿示意图；

图6是车刀中心与B轴回转中心偏置补偿示意图；

图中：1-机床床身；2-X轴驱动组件；3-Y轴驱动组件；4-Z轴驱动组件；5-C轴组件；6-B轴驱动组件；7-光学对刀仪；8-工件；9-刀架；10-金刚石车刀。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，下面对本发明的具体实施过程进行说明。

具体的，本方法对应的加工系统如图1所示，包括机床床身1，在机床床身1上设有X轴驱动组件2、Y轴驱动组件3、Z轴驱动组件4、C轴组件5、B轴驱动组件6，其中X轴驱动组件2、Y轴驱动组件3、Z轴驱动组件4做平移运动；B轴驱动组件6做旋转运动；在B轴上安装刀架9，在刀架9上安装金刚石车刀10，在C轴5安装工件8，光学对刀仪7安装在Y轴驱动组件3上；本发明提出的方法通过对B轴旋转角度的精确控制以及X\Y\Z\B四轴的联动控制实现大曲率光学自由曲面的高速摆动刨削。将自由曲面离散点的法向量分解成两个方向上的分量，分别控制B轴旋转角度以及圆弧金刚石车刀的圆弧角度。B轴旋转使得车刀前刀面始终与自由曲面在XZ平面法向量分量重合，保证切削点一直位于切削刃口上，同时使可加工的自由曲面曲率范围更大。根据YZ平面法向量分量确定车刀切削点圆弧角度，实现对车刀圆弧的高效利用，避免了车刀刃口圆弧的局部磨损。光栅式的切削路径可以实现一体多镜多个自由曲面的同时加工，解决了一体多镜自由曲面光学元件的大角度及矢量高度突变对传统慢刀、快刀伺服加工带来的难题。

具体的过程以及实施的原理如下：

首先，现有的轴对称非球面的数学表达式为：

式中r为曲面上的点到回转中心的距离，r²＝x²+y²，z为对应的矢高，c为非球面顶点曲率，k为圆锥系数，A_i等为高次项系数，用于修正像差。离轴非球面是轴对称非球面的一部分,只要给出原始非球面方程、通光口径D和离轴量a便可以确定唯一的离轴非球面面形。

自由曲面的离散点云建模方法如图2所示，将自由曲面表征为三维离散点云的具体方式为：将自由曲面垂直投影至XY平面上，由最大、最小值形成一个矩形区域，对矩形区域进行网格划分得到(x，y)坐标，对X轴、Y轴网格化处理的精δx、δy取决于加工精度的要求及点云的疏密程度。对于每一个网格坐标点(x，y)存在对应的Z轴坐标值，即对于XY平面上的点和Z轴高度值存在一一对应的单值函数关系，自由曲面可以表示为三维离散点云(x，y，z)。网格化加工曲面在XY平面上的投影区域使得曲面点云分布均匀，从而保证了数控加工过程车刀运行的稳定性，进而保证了工件表面质量的均匀和稳定。传统慢刀或者快刀加工过程中车刀沿着X轴或Y轴平行移动，只有Z轴是主轴，驱动Z轴在高度方向上随车刀轨迹变化即可将曲面加工出来。而本发明的法向摆动由于引入B轴旋转，如果刀尖前刀面未与B轴旋转轴心与主轴中心所在的平面重合，在旋转一定角度后，必然引入机床X轴及Z轴方向偏移，如不准确对刀，势必会影响被加工工件面形精度，因此需要进行准确对刀，对刀的具体过程如下：

如图3所示，将车刀固定到机床B轴台面，保证车刀前刀面与XZ平面垂直。通过光学对刀仪将车刀圆弧顶点调节至与C轴回转中心位于同一高度上，同时车刀前刀面与C轴回转轴线中心重合，将此时B轴角度设定为初始角度0°。

将标准检棒回转轴线调节至与B轴回转轴线共轴线。利用光学对刀仪记录此时标准检棒回转中心的位置坐标z₁，再将光学对刀仪调节至刀尖圆弧顶点，记录此时刀尖圆弧顶点的位置坐标z₂，以此两位置坐标及车刀圆弧半径r，计算金刚石车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离R；

R＝z₂-z₁+r。

如图4所示，为了确定刀尖圆弧顶点在机床坐标系的位置，需要对刀仪和试切法进行精确对刀。首先利用光学对刀仪7对车刀进行初步对刀，对刀误差能控制在几个微米的范围内，然后采用试切法进行精确对刀，来确定车刀位置在X/Y两个方向的偏差ΔX与ΔY。具体步骤：为利用车刀在距离回转中心Y_i的位置处切削一回转圆，在激光显微镜下测量回转圆的直径D₁，通过比较回转圆半径D₁/2与Y向距离Y_i的差值来判断刀尖与C轴回转中心在Y方向的偏差±ΔY。然后利用车刀车削完整表面，同样利用激光显微镜观察工件表面回转中心的微观结构，通过微观结构形状和结构尺寸D₀判断车刀切削刃在X方向的偏差±ΔX。若残留物为圆柱状(图4b所示)，则车刀前刀面低于主轴轴线，需向X轴正方向补偿(D₀/2)的距离；若残留物为圆台状或圆锥状(图4c所示)，则车刀前刀面高于主轴轴线需向X轴负方向补偿(D₀/2)的距离；若工件中心没有残留物，则说明X方向对刀误差很小，满足对刀要求。

本发明提出的四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，使用超精密五轴联动加工机床，通过对B轴旋转角度的精确控制与反馈以及X\Y\Z\B四轴的联动控制实现大曲率光学自由曲面的高速摆动刨削。将自由曲面离散点的法向量分解成两个方向上的分量，分别控制B轴旋转角度以及圆弧金刚石车刀的圆弧角度。B轴旋转使得车刀前刀面始终与自由曲面在XZ平面法向量分量重合，保证切削点一直位于切削刃口上，同时使可加工的自由曲面曲率范围更大。根据YZ平面法向量分量确定车刀切削点圆弧角度，实现对车刀圆弧的高效利用，避免了车刀刃口圆弧的局部磨损。光栅式的切削路径可以实现一体多镜多个自由曲面的同时加工，解决了一体多镜元件自由曲面的高度结构差对传统慢刀、快刀伺服加工带来的难题。

确定车刀位置之后需要对车刀的切削路径进行规划，对于给定自由曲面，按一定方法将曲面离散化后，得到一组离散加工点，采用刨削的方式依次加工工件表面上每一行离散加工点，加工工件表面上某一点时，车刀切削刃法向量与工件在切削点P(x_i，y_j，z_ji)处的法向量共线，刀位点选择为车刀圆弧的圆心O(x′_ji，y′_ji，z′_ji)，需考虑刀尖圆弧半径对加工的影响，由于工件自由曲面上各离散点的法向量在X，Y，Z轴的分量n₁，n₂，n₃均不全为零，补偿模型如图5所示，工件自由曲面上切削点P(x_i，y_j，z_ji)对应的刀尖圆弧中心O(x′_ji，y′_ji，z′_ji)可由式(1)表示：

B轴法向摆动的角度α可由公式(2)求出。

同时因为增加车刀的B轴摆动，需要计算车刀在切点处相对应的刀位点在X，Y，Z三个方向上的变化量，考虑刀尖中心到B轴回转中心的距离R的偏置，B轴回转补偿模型如图6所示，B轴旋转后，机床带动车刀在机床X、Z轴反向进行补偿，车刀圆弧中心最终刀位点坐标O′(x″_ji，z″_ji)可表达为式(3)：

结合公式(1)(2)(3)可得到XYZB四轴联动加工自由曲面每个切削点P所对应的最终刀位点位置坐标O′(x″_ji，y″_ji，z″_ji)为

通过上述补偿算法，根据每一待加工点的位置坐标、车刀半径以及B轴回转半径计算每一刀位点坐标，根据刀位点坐标生成法向摆动刨削自由曲面的加工路径。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其由机床提供X轴、Y轴、Z轴平移运动，C轴和B轴的旋转运动，其中，X\Y\Z\B四轴联动，其特征在于；

将车刀固定到机床的B轴台面，工件安装在C轴上，使得车刀前刀面与机床的XZ平面垂直；

将车刀圆弧顶点调节至与机床的C轴回转中心位于同一高度上；同时车刀前刀面与C轴回转轴线中心重合，将此时B轴角度设定为初始角度0°；

计算车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离R；

确定车刀位置X、Y两个方向的偏差、/>，并对误差进行补偿；

根据刀位点坐标，生成法向摆动刨削自由曲面的加工路径，采用刨削的方式依次加工工件表面上每一行网格点，且加工工件表面上的任一点时，车刀切削刃与工件在该点处的法向量共线；

确定车刀位置X、Y两个方向的偏差、/>的方法如下：

用光学对刀仪对车刀进行初步对刀，对刀误差控制在几个微米的范围内，然后采用试切法进行精确对刀，来确定车刀位置在X/Y两个方向的偏差与/>；

车刀的每个切削点P所对应的最终刀位点位置坐标为：

其中，为刀尖圆弧中心O的X轴坐标，/>为刀尖圆弧中心O的Z轴坐标，y _i为工件切削点P的Y轴坐标，/>分别为工件自由曲面上各离散点的法向量在/>轴的分量；/>为车刀圆弧半径；/>为B轴法向摆动的角度；

；其中，/>为切削点/>的x轴坐标；

；其中，Z_i为切削点/>的Z轴坐标；

车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离R的计算过程如下：

将标准检棒回转轴线调节至与B轴回转轴线共轴线，利用光学对刀仪记录此时标准检棒回转中心的位置坐标，再将光学对刀仪调节至刀尖圆弧顶点，记录此时刀尖圆弧顶点的位置坐标/>，以此两位置坐标及车刀圆弧半径/>，计算金刚石车刀圆弧中心与B轴回转中心的距离R。

2.如权利要求1所述的四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其特征在于，所述的距离。

3.如权利要求1所述的四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其特征在于，利用车刀在距离回转中心的位置处切削一回转圆，在激光显微镜下测量回转圆的直径D₁，通过比较回转圆半径D₁/2与Y向距离/>的差值来判断刀尖与C轴回转中心在Y方向的偏差/>。

4.如权利要求3所述的四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其特征在于，利用车刀车削完整表面，利用激光显微镜观察工件表面回转中心的微观结构，通过微观结构形状和结构尺寸D₀判断车刀切削刃在X方向的偏差。

5. 如权利要求4所述的四轴联动法向摆动切削一体多镜自由曲面的加工方法，其特征在于，若残留物为圆柱状，则车刀前刀面低于主轴轴线，需向 X轴正方向补偿D₀/2的距离；若残留物为圆台状或圆锥状，则车刀前刀面高于主轴轴线需向X轴负方向补偿D₀/2的距离；若工件中心没有残留物，则说明X方向对刀误差小，满足对刀要求。