[发明专利]一种金刚石超精密车床自由曲面加工路径生成方法

说明书

技术领域

本发明属于超精密加工、复杂零件制造技术领域，涉及一种由曲面加工路径生成方法。

背景技术

目前，航空航天、国防、生物医学、光学、通讯、微电子等领域的机器设备在提高性能的同时，不断地向超精密及微型化发展，在这个过程中，系统对微小关键器件的形状自由度要求越来越高，因此，具有光学质量表面的自由曲面加工技术成为带动这些领域发展的关键技术。

超精密加工是先进制造的前沿领域，是可以实现加工表面光学质量加工的技术，即工件的形状精度达到亚微米级，表面粗糙度达纳米级。采用金刚石车刀进行超精密车削不用像磨削加工那样反复的加工才能达到一定的表面粗糙度，而是可以实现加工表面光学质量的一次成型，因此，加工效率非常高，是超精密加工中的常用加工手段。

因自由曲面形状特殊性，在金刚石超精密车削加工时，一般要求机床具有多自由度。近几年，随着驱动和控制技术的发展，三轴金刚石车削加工出现了快刀(Fast Tool Servo)和慢刀(Slow Tool Servo)两种加工方式，它们为主轴的转动角度添加了反馈或控制，突破了在三轴机床上加工自由曲面的限制。

因为这两种加工技术较新，至今，国内外的相关研究，包括机床供应商都没有提供进行自由曲面加工的前置和后置处理算法或模块。而加工路径生成方法是这一系列算法的关键基础，因此，很有必要开发针对三轴金刚石超精密车床的加工路径生成方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于三轴机床的自由曲面超精密加工路径生成算法，突破在三轴机床上加工自由曲面的限制，利用三轴机床实现自由曲面的超精密加工。

为此本发明采用如下的技术方案：

一种金刚石超精密车床自由曲面加工路径生成方法，用在三轴金刚石超精密机床上，所述机床的主轴能够做回转运动和沿X轴向运动，主轴上安装有对其转动角度进行控制或反馈使其沿C轴转动的编码器，金刚石刀具做Z向运动，该方法包括下列步骤：

(1)建立工件加工表面的自由曲面模型坐标系，并根据把工件的旋转运动转换为刀具在加工表面上绕主轴做旋转运动的相对运动模型，建立模型坐标系与机床坐标系之间的换算关系；

(2)把加工自由曲面上加工点的模型坐标转换为机床坐标系下的坐标；

(3)求解加工刀具切削面在加工该点时的法向量；

(4)把曲面该点的法向量投影到切削面上，并在投影向量方向上进行刀具圆弧半径补偿，获得刀刃圆弧中心在机床坐标系下的坐标；

(5)按照(2)到(4)的步骤，进行加工运动，遍历自由曲面上的加工点，最终生成加工路径。

上述的金刚石超精密车床自由曲面加工路径生成方法中的步骤(4)最好采用如下的步骤：

(a)利用自由曲面模型的偏导，求解加工点处的法向量；

(b)利用向量投影法，使用加工点的法向量和当前切削面的法向量，计算加工点的法向量在切削面上的投影向量；

(c)求解投影向量的方向余弦，并利用方向余弦对加工点进行刀刃圆弧半径补偿，求解刀刃圆弧中心的模型坐标系下坐标；

(d)把刀刃圆弧中心的模型坐标系下坐标转换为机床坐标系下的坐标。

本发明具有如下显著的优点：本发明利用运动的相对性，把工件的旋转运动转换为刀具在加工表面上绕主轴做旋转运动，基于此原理，提出了金刚石超精密车床自由曲面加工路径生成方法，采用本发明提供的路径生成方法，能够突破在三轴机床上加工自由曲面的限制，利用三轴机床实现自由曲面的超精密加工。

附图说明

图1金刚石刀具模型；

图2刀具相对运动示意图；

图3xoy平面内螺旋线路径；

图4加工路径示意图。

具体实施方式

普通的车床具有2个自由度，主轴除了做回转运动之外，还可以沿X轴向运动，车刀做Z向运动。当给旋转主轴安装编码装置后，可以对其转动角度进行控制或反馈，因此，车床具有了第3个自由度，即C轴。设机床任意点的坐标表示为其中ρ为X轴坐标，为C轴坐标，z为Z轴坐标；只要让主轴转动角度和车刀的进给量、切深进行协调控制，就能加工复杂的自由曲面。图1是金刚石车刀模型的俯视图，切削面的刀尖圆弧半径为r₀。刀尖圆弧中心的坐标在加工过程中是可以控制定位的，而实际进行加工的是刀刃部位，因此加工点坐标的圆弧半径补偿是加工路径生成算法的关键。

假设需加工自由曲面的一般表达式为z＝f(x，y)，并假设相应的偏导，