[发明专利]一种数控磨床的机床主轴零点及磨头半径的测定方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于数控磨床的检测方法，具体涉及在利用数控磨床加工球面/非球面光学元件过程中，根据加工工件的反馈信息，精确确定数控磨床主轴中心坐标位置及磨头半径的方法，属于机械制造及光学冷加工领域。

背景技术

利用数控磨床加工球面/非球面，是光学冷加工中的一个常用技术。在根据加工面形生成CNC加工代码的过程中，主轴旋转中心到磨头零点间的距离（即主轴旋转中心在机床坐标系中的坐标），及磨头半径是二项关键参数，它将直接决定最后的加工面形是否符合要求。机床厂商提供的零点坐标值一般是有误差的，好的误差在几十个微米，差的可能有几百微米。磨头供应商提供的磨头半径也有一定的偏差，另外，即使精确测量了磨头半径，但实际当磨头高速运动起来后，它的有效半径也会有所改变。工件的CNC加工代码编制过程是依赖于这二个参数的。因此，这二个参数有偏差，必然造成最后工件的误差，这种误差在非球面加工中更为严重。

为了解决上述问题，目前加工中常用的方法是通过修改加工元件的曲率半径，然后根据测量数据制作补偿数据文件，经过多次补偿可获得较为理想的面形。

然而，利用修改曲率半径，根据测量误差数据制作补偿文件的方法不但增加了加工的周期，且精度也不能达到很好，特别是曲率半径会与期望的差很多。这在很大程度上影响了球面/非球面镜加工的后续工作量。

如果在加工前或在第一次初加工后就能够精确确定数控磨床主轴中心坐标位置及磨头半径值，则工件在1-2次成形过程中，就能提供高精度的加工工件。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种快速精确确定数控磨床主轴零点坐标位置及磨头半径的方法，以消除由于厂商提供的数值不准确而造成的加工球面/非球面过程中的固有误差，实现1-2次铣磨就能达到精度要求，从而有效提高数控磨床加工球面/非球面的效率及最终加工工件的精度。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种数控磨床的机床主轴零点及磨头半径的测定方法，包括下列步骤：

(1)根据厂商提供的机床主轴零点坐标及磨头半径数据，编制CNC代码，控制数控磨床铣磨一平面镜（口径尽可能接近机床的有效加工口径），测量该平面镜的轮廓误差数据曲线，根据测量误差数据制作导轨的基准补偿文件；

注：通过本步骤可补偿导轨的直线度误差，正常情况下，一台机床只需在出厂时做一次即可。

(2) 根据厂商提供的机床主轴零点坐标及磨头半径数据，以及步骤(1)获得的基准补偿文件，针对待加工工件编制CNC代码，控制数控磨床加工获得粗加工的工件；

(3)采用轮廓仪测量该粗加工的工件的母线轮廓；

(4)根据步骤(3)获得的母线轮廓数据，与待加工工件的曲线方程，利用基于数据分析模型编写的数据处理程序，分析出机床主轴的零点坐标位置和磨头半径偏差。

根据上述获得的机床主轴的零点坐标位置和磨头半径重新编制实际要加工工件的CNC代码，控制数控机床进行加工，即可获得高精度的工件。

优选的技术方案，所述步骤(1)中，所述平面镜的口径不小于机床最大加工口径的80%。

本方案中的核心技术是根据上一次加工工件的误差数据来分析最佳的主轴中心坐标                                               及磨头半径。传统的磨床加工方法是根据加工工件的方程及磨头半径计算磨头的运动轨迹。这一计算方法虽然简单，但几乎不具备任何误差分析能力。为了实现从轮廓数据中分析机床参数的误差，需要建立新的磨床成形模型。本发明提出了一种从磨头运动轨迹计算最终加工面形的数学模型，利用这一模型结合非线性最小二乘法可方便地从加工结果的轮廓数据中分析出最佳的主轴中心坐标及磨头半径。

上述技术方案中，所述步骤(4)中，根据加工结果计算主轴中心坐标及磨头半径的数据处理模型简述如下：

模型主要包括二大部分：

根据磨头轨迹计算加工面形的数学模型；及根据这一模型，结合最小二乘法来计算最佳的主轴中心坐标及磨头半径。

根据磨头轨迹计算加工面形的数学模型简述如下：

设欲加工的曲线为：

则在加工曲线上某点时，对应的磨头中心位置设为，如图1所示，则分别可表示为：

考虑到实际的磨头零点位置可能有一个dx的偏移量，则：

其中：为给定的磨头半径。

在实际加工过程中，磨头的半径肯定会与给定的半径不同，设真实磨头半径为，且：