[发明专利]复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法

说明书

本发明复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法属于多轴数控机床高精加工领域，涉及一种复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法。该方法根据曲面几何特征、砂轮几何参数在残留高度和弓高误差约束下确定刀触点、刀位点。通过建立工件坐标系、砂轮坐标系和砂轮‑曲面接触模型，结合复杂曲面上刀触点法向量与砂轮磨削点法向量之间的关联关系，计算工件坐标系中砂轮‑曲面接触点的位置及磨削过程中C轴转角。结合工件坐标系中刀位点坐标、C轴转角和设定的C轴转速生成慢刀伺服磨削加工NC刀具轨迹。该方法可实现高陡度、周向轮廓凹凸起伏、局部曲率急变类复杂曲面慢刀伺服精密磨削加工。刀具轨迹规划方法便捷有效，实用性强。

技术领域

本发明属于多轴数控机床高精加工领域，涉及一种复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法。

背景技术

具有周向轮廓凹凸起伏、局部曲率急剧变化等几何特征的复杂曲面零件被越来越广泛的应用于高端装备中，这类零件的加工精度和表面质量对其使用性能具有重要影响。这类曲面零件往往还采用具有硬度高、脆性大的难加工材料，为满足该类复杂曲面零件高质高效的加工要求，精密、超精密磨削加工得到广泛应用，但目前精密、超精密磨削多是针对平面、球面和回转非球面零件的加工。慢刀伺服技术可使机床工件轴变成位置可控的C轴，XZC三轴联动圆弧包络磨削可实现非回转对称复杂曲面零件的精密磨削加工。然而，曲面复杂的几何特征导致砂轮-曲面接触点偏离加工平面，传统针对平面和回转对称曲面的磨削方法和刀具轨迹难以保证复杂曲面加工精度和表面质量，因此，迫切需要研究一种复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法。

彭扬林等人的文献“盘形圆弧砂轮曲面磨削几何模型”，国防科技大学学报，2015，37(06)：39-42，建立了盘形圆弧砂轮的几何模型，通过磨削点法向量匹配建立了曲面刀触点和砂轮磨削点的映射关系并对回转对称凸二次曲面零件进行了圆弧包络磨削实验，然而，该方法的加工实验中磨削接触点的位置始终位于砂轮截面圆弧上，该方法并未对具有周向轮廓凹凸起伏特征的零件进行刀具轨迹规划及实验研究。Wang等人的文献“Surfacegeneration and materials removal mechanism in ultra-precision grinding ofbiconical optics based on slow tool servo with diamond grinding wheels”，Journal of Manufacturing Processes，2021，72：1-14，提出了基于金刚石砂轮慢刀伺服的复杂曲面精密磨削加工方式，通过对慢刀伺服加工的运动分析规划盘形砂轮磨削轨迹，实现对双锥光学元件的精密磨削加工。但该方法因加工过程中磨削接触点的位置在砂轮上周期性变化，不适宜加工周向轮廓凹凸起伏、局部曲率急剧变化的复杂曲面零件。

发明内容

本发明旨在克服已有方法的不足，发明一种复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法。该方法基于曲面几何特征和砂轮几何参数计算满足加工要求的刀触点、刀位点，通过建立砂轮-曲面接触模型，计算复杂曲面零件磨削过程中砂轮-曲面接触点在工件坐标系中的位置和C轴转角，最终结合工件坐标系中刀位点坐标、C轴转角和转速生成NC刀具轨迹，实现周向轮廓凹凸起伏、局部曲率急剧变化复杂曲面零件XZC三轴联动慢刀伺服精密磨削加工。

本发明的技术方案是一种复杂曲面零件慢刀伺服磨削加工刀具轨迹规划方法，其特征在于，该方法基于曲面几何特征和砂轮几何参数在残留高度和弓高误差约束下，计算满足加工要求的刀触点、刀位点，通过建立工件坐标系、砂轮坐标系和砂轮-曲面接触模型，结合复杂曲面上刀触点法向量与砂轮轮廓上各点法向量之间的关联关系，计算工件坐标系中砂轮-曲面接触点位置，对磨削复杂曲面过程中C轴转角进行计算。结合工件坐标系中刀位点坐标、C轴转角和转速生成NC刀具轨迹。方法的具体步骤如下：

步骤1，残留高度和弓高误差约束的刀触点和刀位点计算；