[发明专利]一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法

说明书

技术领域

本发明属于复杂光学精密制造领域，特别是涉及一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法。

背景技术

复杂光学曲面包括两个方面的内涵：其一是指回转对称、且轴截面曲线非单调的非球光学曲面；其二是指没有回转对称性的光学曲面。

复杂曲面光学零件在航天航空、国防和科学仪器等许多重要的工业领域以及民用光电产品中皆有十分广泛的应用需求，如何高效、低成本地创成具有复杂几何特征和高质量要求的光学曲面已成为推动这些领域发展的关键之一。迄今为止，复杂光学曲面的创成方法主要涉及：复制成形、磨削、研抛、飞切和车削等。在这些创成方法中，利用快速刀具伺服（以下简称FTS）或慢速溜板伺服（以下简称S³）的车削被普遍认为是一种最有发展前途的复杂光学曲面创成方法。该方法的基本特征是：将工件安装在主轴前端，刀具沿车床x轴作非往复的恒径向进给，利用单自由度的FTS或S³驱动刀具相对于加工表面沿着z轴作往复直线运动，以切削创成所期望的光学曲面。为叙述方便，在后续内容中，将该方法简称为恒径向进给车削方法。

然而，利用恒径向进给车削方法创成复杂光学曲面，不可避免地存在着非常大的切屑载荷扰动并依赖于刀触点或刀位点的坐标，这必将导致切削力的明显扰动。在复杂光学曲面车削系统中，FTS装置或S³运动轴皆是刚性较为薄弱的环节，因此在扰动切削力的作用下必将严重影响所获得的面形精度。在现有的利用FTS或S³车削中，为了消除切削力扰动所致的面形误差，往往需进行多次重复误差校正车削，这降低了切削效率，而且多次重复误差校正未必是误差收敛的。

发明内容

本发明针对复杂光学曲面创成，提出一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法。

本发明的目的是：针对复杂光学曲面创成，提出一种利用两自由度FTS的等切屑载荷车削方法，以使在车削过程中对于所有的刀位点获得一致性的切屑载荷，从而抑制切屑载荷扰动所致的面形误差，亦即切削力扰动所致的面形误差。

本发明的特征主要是：

（1）根据目标光学曲面，分别创建第一次走刀的待加工表面和期望创成的光学曲面，以“等切屑载荷”为目标生成第一次走刀的刀位路径；

（2）对第一次走刀创成的已加工表面进行在机或机下实测，分别创建第二次走刀的待加工表面和期望创成的光学曲面，以“等切屑载荷”为目标生成第二次走刀的刀位路径；

（3）为两次走刀生成的“等切屑载荷”刀位路径皆利用两自由度快速刀具伺服的两个往复运动以及高精密数控车床的主轴、x轴和z轴的非往复运动实现。

本发明通过如下的步骤实施：

（1）创建第一次走刀的初始待加工表面和期望创成的曲面：

根据预先设计的光学曲面，通过分配加工余量分别获得第一次走刀的期望创成曲面                                                和第二次走刀的期望创成表面初值，在工件的柱坐标系中将分别沿径向和周向作等步距离散化，通过拟合创建回转对称的最适非球面，作为第一次走刀的初始待加工表面；

（2）生成工件第1转的刀位路径：

令是平均切屑载荷，是切屑载荷的扰动幅值，根据预先设定的切屑载荷扰动范围，确定第1转的最大径向进给量，根据确定刀位点的径向步距，是每一转的等角步距数，则第1转第j个刀位点的转角坐标和径向坐标分别为：，，，遍历，即可生成第1转的刀位路径；

（3）生成工件第k转的刀位路径：

根据预先设定的切屑载荷扰动范围，由第k转第j-1个刀位点的坐标，以“等切屑载荷”为控制目标获得第k转第j个刀位点的坐标，遍历，以获得第k转的刀位路径，逐转求解即可生成工件各转的刀位路径；

（4）生成各运动轴第一次走刀所需的期望运动：

将工件各转的刀位路径分解为单调的趋势成分和扰动成分，在车床的CNC指令驱动下沿x轴和z轴实现非往复直线运动，在两自由度FTS的驱动下沿x轴和z轴作往复直线运动；

（5）创建第二次走刀的待加工表面和期望创成曲面：