[发明专利]基于球头铣削加工的工件三维表面形貌的仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，具体为一种工件三维表面形貌的建模及仿真方法，尤其适用于采用超精密球头铣刀加工的工件。

背景技术

随着国防、航空航天、能源、医疗、光学元器件等技术和相关行业的发展，越来越多的基础装备对一些关键零部件如宇航陀螺，计算机磁鼓、磁盘，多面棱镜，大直径非球面镜，以及复杂形状的立体棱镜等提出了更高的要求。这类元器件对加工精度、表面粗糙度和三维表面形貌分布要求极高，使用常规的磨削、研磨、抛光等方法进行加工，不但加工成本很高，而且难以同时满足精度和表面粗糙度的要求，普通机床更是难以满足如此高的加工要求，必须采用超精密机床才能够完成加工。目前在加工三维表面形貌的质量成为制造业关注热点的形势下，各个部门及研究机构对超精密加工零件的表面形状精度、波纹度、即表面粗糙度等三维表面形貌的要求越来越高，相关研究也在不断进行。

近半个多世纪以来，研究人员不断的尝试通过评定工件的三维表面形貌来指导加工工艺的形成过程来满足加工要求，试图找到三维表面形貌形成与加工策略及加工参数的关系，从而有效的对工件三维表面形貌的形成过程在一定程度上进行控制。目前对三维表面形貌的研究主要从两个方面进行：1)实验测量工件三维表面形貌；2)理论预测工件三维表面形貌。虽然从这两个角度出发对三维表面形貌形成机理以及三维表面形貌评定的研究已经取得了一定成果，但是缺陷和问题仍然存在，问题主要集中在测量结果分析和三维表面形貌算法上。由于工件三维表面形貌的测量结果主要是对工件表面质量的评定，所以不能清楚表征加工参数以及加工策略对三维表面形貌的影响，仍主要出于定性分析。

在超精密车削表面形貌建模方面，国内外做了较多工作。如：香港理工大学的李荣彬教授，加拿大的P.A.Meyer等，天津大学的陈东祥对超精密磨削的表面形貌建模进行了研究。但在超精密铣削加工表面形貌建模方面，研究较少。在球头铣削普通加工表面形貌仿真方面，很多学者也进行了研究，如西北工大的谭刚，山东大学的张孝峰等。但其针对的对象均是普通铣削加工，不能满足超精密铣削加工中的高精度或者在保证高精度时计算时间过长等问题。该方法从材料去除角度描述表面形貌生成过程，并且根据该过程进行切削力分析，但在计算交点过程中刀刃每变换一次空间位置就需要计算一组交点，计算量较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超精密球头铣刀加工的工件三维表面形貌建模及仿真方法。通过对刀刃在加工过程中的运动学描述，将三维表面形貌用离散点云数据表达。根据加工曲面信息和采样点数目对仿真区域进行划分并建立随动包容盒，对包容盒内点云数据进行数值分析和空间变换，从而获取加工三维表面形貌。本方法解决了以往三维表面形貌仿真方法中计算精度低的缺点，非常适合于高精度的超精密加工，而且在高精度的要求下，仍能保持不错的计算效率。

一种工件三维表面形貌的建模及仿真方法，具体过程如下：

(一)在加工表面上选取任意区域S_sim(u，v)作为仿真区域，其中，u、v为参数域，u∈[0，1]，v∈[0，1]。

(二)根据仿真区域边界信息，选取已有加工刀具路径中影响仿真区域表面形貌的刀位点作为三维表面形貌仿真的刀位点，并记录每行刀路的行数以及刀路的起始刀位点；

(三)以步骤(二)所选取的刀位点作为运动节点，根据刀刃运动形成三维表面形貌扫掠点云模型。刀位轨迹中任意位置的刀刃扫掠点云模型表达式为：

其中，B₀为刀具坐标系{TCS}下刀具静态刃部离散点坐标矩阵，B_i为工件坐标系{WCS}下刀具运动后的刀刃离散点坐标矩阵，T₁(t，N，θ)为刀具坐标系下绕自身Z轴旋转的4×4变换矩阵，T₂(t，p₀，p₁，f)为刀具坐标系相对于工件坐标系平移的4×4变换矩阵，t_i为从p₀点运动到p₀、p₁点之间任意点p_i所经历时间，N为刀具转速，θ为初始切入相位角，f为刀具进给速度，p₀为三维表面形貌仿真起始刀位点，p₁为三维表面形貌仿真的终止刀位点；

将影响仿真区域所有刀位点产生的刀刃离散点云B_i叠加在一起就构成了仿真区域刀刃扫掠点云模型。

(四)三维表面形貌控制点提取：