專利名稱：一種等切屑載荷車削復雜光學曲面的方法
技術領域：
本發明屬于復雜光學精密制造領域，特別是涉及一種等切屑載荷車削復雜光學曲面的方法。
背景技術：
復雜光學曲面包括兩個方面的內涵其一是指回轉對稱、且軸截面曲線非單調的非球光學曲面；其二是指沒有回轉對稱性的光學曲面。復雜曲面光學零件在航天航空、國防和科學儀器等許多重要的工業領域以及民用光電產品中皆有十分廣泛的應用需求，如何高效、低成本地創成具有復雜幾何特征和高質量要求的光學曲面已成為推動這些領域發展的關鍵之一。迄今為止，復雜光學曲面的創成方法主要涉及復制成形、磨削、研拋、飛切和車削等。在這些創成方法中，利用快速刀具伺服(以下簡稱FTS)或慢速溜板伺服(以下簡稱S3)的車削被普遍認為是一種最有發展前途的復雜光學曲面創成方法。該方法的基本特征是將工件安裝在主軸前端，刀具沿車床χ軸作非往復的恒徑向進給，利用單自由度的FTS或S3驅動刀具相對于加工表面沿著ζ軸作往復直線運動，以切削創成所期望的光學曲面。為敘述方便，在后續內容中，將該方法簡稱為恒徑向進給車削方法。然而，利用恒徑向進給車削方法創成復雜光學曲面，不可避免地存在著非常大的切屑載荷擾動并依賴于刀觸點或刀位點的坐標，這必將導致切削力的明顯擾動。在復雜光學曲面車削系統中，FTS裝置或S3運動軸皆是剛性較為薄弱的環節，因此在擾動切削力的作用下必將嚴重影響所獲得的面形精度。在現有的利用FTS或S3車削中，為了消除切削力擾動所致的面形誤差，往往需進行多次重復誤差校正車削，這降低了切削效率，而且多次重復誤差校正未必是誤差收斂的。

發明內容
本發明針對復雜光學曲面創成，提出一種等切屑載荷車削復雜光學曲面的方法。本發明的目的是針對復雜光學曲面創成，提出一種利用兩自由度FTS的等切屑載荷車削方法，以使在車削過程中對于所有的刀位點獲得一致性的切屑載荷，從而抑制切屑載荷擾動所致的面形誤差，亦即切削力擾動所致的面形誤差。本發明的特征主要是
(1)根據目標光學曲面，分別創建第一次走刀的待加工表面和期望創成的光學曲面，以 “等切屑載荷”為目標生成第一次走刀的刀位路徑；
(2)對第一次走刀創成的已加工表面進行在機或機下實測，分別創建第二次走刀的待加工表面和期望創成的光學曲面，以“等切屑載荷”為目標生成第二次走刀的刀位路徑；
(3)為兩次走刀生成的“等切屑載荷”刀位路徑皆利用兩自由度快速刀具伺服的兩個往復運動以及高精密數控車床的主軸、χ軸和ζ軸的非往復運動實現。本發明通過如下的步驟實施(1)創建第一次走刀的初始待加工表面和期望創成的曲面
根據預先設計的光學曲面，通過分配加工余量分別獲得第一次走刀的期望創成曲面 S0m和第二次走刀的期望創成表面初值對2),在工件的柱坐標系^wPwZw中將對4分別沿徑向和周向作等步距離散化，通過擬合創建回轉對稱的最適非球面，作為第一次走刀的初始待加工表面卻“；
(2)生成工件第1轉的刀位路徑
令4是平均切屑載荷，Δ￡是切屑載荷的擾動幅值，根據預先設定的切屑載荷擾動范圍Zfl ±Δ￡,確定第1轉的最大徑向進給量,根據^ax確定刀位點的徑向步距 Lp = U , Nq是每一轉的等角步距數，則第1轉第J個刀位點的轉角坐標和徑向坐標分另U為^/ =乓片+么5, ^j = Aj-JAiO,Δ5=2π/ /·0，遍歷j = 1義…, ,即可生成第1
轉的刀位路徑；
(3)生成工件第A轉的刀位路徑
根據預先設定的切屑載荷擾動范圍由第A轉第尸1個刀位點的坐標 (Aj-l, . -!' -!),以“等切屑載荷”為控制目標獲得第A轉第J·個刀位點的坐標
( , A+幻)，遍歷j = 2，···,禮，以獲得第*轉的刀位路徑，逐轉求解即可生成工件各轉
的刀位路徑；
(4)生成各運動軸第一次走刀所需的期望運動
將工件各轉的刀位路徑Waz)分解為單調的趨勢成分(敢％而)和擾動成分 (ΘΜΜ),在車床的CNC指令驅動下沿χ軸和ζ軸實現非往復直線運動(A - , ),在兩自由度FTS的驅動下沿χ軸和ζ軸作往復直線運動⑴.ΔΑΔΖ)；
(5)創建第二次走刀的待加工表面和期望創成曲面
在第一次走刀之后，對已加工表面^進行在機或機下實測，通過二維小波分解及重構，或者其它多分辨率分解及重構方法，以剔除S2中不重復的隨機誤差，分別得到一個包含確定性誤差的曲面卻2>和一個單純的確定性誤差曲面將場(2)作為第二次走刀的初
始待加工表面，則第二次走刀的期望創成曲面為=；
(6)生成各運動軸第二次走刀的期望運動
在步驟(5)的基礎上，重復步驟(2) (4)，得到第二次走刀所需的“等切屑載荷”刀位路徑( ./ ^ ) , J = 12,-,Ii0，k= ！義…，分解獲得單調的趨勢成分(試而而)和擾動成
分(βΜΜ),利用所生成的各運動軸之期望運動進行第二次走刀。 本發明所述的生成以“等切屑載荷”為目標的刀位路徑，主要涉及如下的同步操
作
(1)動態修改待加工表面芬將初始待加工表面S1在工件的笛卡爾坐標系《 - xwywzw中分別沿χ軸和y軸進行等距細分，令第A轉第J·個刀位點是當前的刀位點，獲得在場上由第J-I個刀位點到第J·個刀位點之間刀尖輪廓所掃掠到的網格點，根據馮上的這些網格點和關聯的刀尖輪廓點即可動態修改ι ；
(2)求解瞬態切屑載荷！^
將初始待加工表面場在工件的笛卡爾坐標系0 -中分別沿χ軸和y軸進行等
距細分，令第A轉第J·個刀位點是當前的刀位點，在工件的坐標平面上搜索以當前刀位點為中心的鄰域，獲得場上與當前刀位點相鄰的若干個網格點，根據這些網格點求解！與前刀面實際接觸區域的邊界點，根據這些接觸區域的邊界點求解材料去除量在刀具
基面上的投影即可獲得瞬態切屑載荷；
(3)獲得等切屑載荷的刀位點
令Δ5= 2π/Μ0是等角步距，Lpl是徑向試算步距，則第A轉第J個刀位點的轉角坐標為4^ = ^ + ^5,第J·個刀位點的徑向坐標初值為二Α^- +Δ巧，根據刀觸點與刀位點之間的映射，獲得第J個刀位點的ζ坐標；
根據當前刀位點的坐標初值，求解瞬態切屑載荷不超出則當前的刀位點坐標即為第左轉第J個刀位點的坐標，否則需在當前的徑向坐標的鄰域內修改 Ap2 ,重新求解Aj.和,直到不超出h ± 為止；
遍歷j = 1,2,-, ,以獲得第k轉的刀位路徑。本發明的優點主要在于
(1)通過兩次相繼走刀即可抑制切屑載荷對刀位點坐標的依賴，從而消除切削力擾動所致的面形誤差；
(2)不必依賴于昂貴的多軸超精密數控車床，僅需將一臺兩自由度FTS安裝在一臺兩軸高精密數控車床上，通過一個高精密的主軸角編碼器觸發驅動各運動軸即可實施。本發明適用于要求高效精密低成本地創成復雜光學曲面的場合。


圖1 (a)是利用等切屑載荷車削方法，為第一次走刀所生成的三維刀位路徑； 圖1 (b)是在等切屑載荷車削的第一次走刀中，瞬態切屑載荷對工件轉數的依賴特征； 圖2 (a)是利用恒徑向進給車削方法，為第一次走刀所生成的三維刀位路徑； 圖2 (b)是在恒徑向進給車削的第一次走刀中，瞬態切屑載荷對工件轉數的依賴特征； 圖3 (a)是利用等切屑載荷車削方法，通過第一次走刀所獲得的面形誤差；圖3 (b)是利用恒徑向進給車削方法，通過第一次走刀所獲得的面形誤差； 圖4 (a)是利用等切屑載荷車削方法，為第二次走刀所生成的三維刀位路徑； 圖4 (b)是在等切屑載荷車削的第二次走刀中，瞬態切屑載荷對工件轉數的依賴特征； 圖5 (a)是利用恒徑向進給車削方法，為第二次走刀所生成的三維刀位路徑； 圖5 (b)是在恒徑向進給車削的第二次走刀中，瞬態切屑載荷對工件轉數的依賴特征； 圖6 (a)是利用等切屑載荷車削方法，通過第一次走刀所獲得的面形誤差； 圖6 (b)是利用恒徑向進給車削方法，通過第一次走刀所獲得的面形誤差。
具體實施例方式(1)根據目標光學曲面，分別創建第一次走刀的待加工表面和期望創成的光學曲面，以“等切屑載荷”為目標生成第一次走刀的刀位路徑；
(2)對第一次走刀創成的已加工表面進行在機或機下實測，分別創建第二次走刀的待加工表面和期望創成的光學曲面，以“等切屑載荷”為目標生成第二次走刀的刀位路徑；
(3)為兩次走刀生成的“等切屑載荷”刀位路徑皆利用兩自由度快速刀具伺服的兩個往復運動以及高精密數控車床的主軸、χ軸和ζ軸的非往復運動實現。一種等切屑載荷車削復雜光學曲面的方法，包括如下步驟
(1)創建第一次走刀的初始待加工表面和期望創成的表面
根據預先設計的目標光學曲面，通過分配加工余量分別創建第一次走刀的期望創成曲面砼”和第二次走刀的期望創成表面初值綸2)，在工件的柱坐標系Ow-SwA^w中將卻1〗 分別沿徑向和周向作等步距離散化，通過擬合生成回轉對稱的最適非球面，作為第一次走刀的初始待加工表面卻1〗；
(2)生成工件第1轉的刀位路徑
令4是平均切屑載荷，LL是切屑載荷的擾動幅值，根據預先設定的切屑載荷擾動范圍,確定第1轉的最大徑向進給量/■,根據‘確定刀位點的徑向步距 ^P = JasxZM0 , Ν 是每一轉的等角步距數，則第1轉第J個刀位點的轉角坐標和徑向坐標分別為幻=h + _ , Aj = A^1 -IP , Αθ=2π/Μ0，順次遍歷j = 1,2,-, ,即可生成
第1轉的刀位路徑( ,/ ., } , ~是第1 mu個刀位點的ζ坐標；
(3)生成工件第A轉的刀位路徑
根據預先設定的切屑載荷擾動范圍由第*轉第尸1個刀位點的坐標 ,以“等切屑載荷”為控制目標獲得第*轉第J·個刀位點的坐標
( ,, , .),遍歷= 餌，以生成第*轉的刀位路徑{4^^/, } ,逐轉求解即
可生成工件各轉的刀位路徑；
(4)分別生成車床和快速刀具伺服第一次走刀的期望運動
將工件各轉的刀位路徑Ψ,幼分解為單調的趨勢成分(0,、,、)和擾動成分φ MM),在車床的CNC指令驅動下沿X軸和ζ軸作非往復的直線運動(51, , ),在兩自
由度快速刀具伺服的驅動下沿X軸和Z軸作往復直線運動(民ΔαΔΖ);
(5)創建第二次走刀的待加工表面和期望創成曲面
在第一次走刀之后，對所獲得的已加工表面爲進行在機或機下實測，通過二維小波分解及重構，或者其它多分辨率分解及重構方法，以剔除^中不重復的隨機誤差，分別得到一個包含確定性誤差的曲面公嚴和一個單純的確定性誤差曲面Δ1將Sf作為第二次走
刀的初始待加工表面，則第二次走刀的期望創成曲面為K-AS ；
(6)分別生成車床和快速刀具伺服各運動軸第二次走刀的期望運動
在步驟(5)的基礎上，重復步驟O) G)，得到第二次走刀的“等切屑載荷”刀位
路徑( ,. ^ } , A=U,…，通過分解以獲得單調的趨勢成分(5,而而)和擾動成分
Ψ MM、,利用所獲得的各運動軸之期望運動進行第二次走刀。 本發明生成以“等切屑載荷”為目標的刀位路徑，涉及的同步操作如下
(1)動態修改待加工表面禺
將初始待加工表面S1在工件的笛卡爾坐標系％.; - Vw^w中分別沿X軸和1軸進行等距細分，令第A轉第J·個刀位點是當前的刀位點，獲得在Si1上由第J-I個刀位點到第j個刀位點之間刀尖輪廓所掃掠到的網格點，根據場上的這些網格點和關聯的刀尖輪廓點即可動態修改i ；
(2)求解瞬態切屑載荷、
將初始待加工表面民在工件的笛卡爾坐標—中分別沿χ軸和軸進行等
距細分，令第A轉第j個刀位點是當前的刀位點，在工件的坐標平上搜索以當前刀位點為中心的鄰域，獲得高上與當前刀位點相鄰的若干個網格點，根據這些網格點求解戰與前刀面實際接觸區域的邊界點，根據這些接觸區域的邊界點求解材料去除量在刀具
基面上的投影即為瞬態切屑載荷；
(3)生成等切屑載荷的刀位點
令是等角步距，么巧是徑向試算步距，則第*轉第J個刀位點的轉角坐標為..9Ki = U_ ,第J·個刀位點的徑向坐標初值為= Aj+ =,根據刀觸點與刀位點之間的映射，獲得第J·個刀位點的ζ坐標％^·；
根據當前刀位點的坐標初值，求解瞬態切屑載荷,若不超出4 ±M ,則當前的刀位點坐標即為第左轉第J·個刀位點的坐標，否則需在當前的徑向坐標Au的鄰域內修改Aft ,重新求解^jI和4 φ ,直到不超出& ±Μ為止；
遍歷j = 1,2，…，輯，以獲得第*轉的刀位路徑。下面結合附圖進一步說明本發明。
權利要求
1.一種等切屑載荷車削復雜光學曲面的方法，其特征在于(1)根據目標光學曲面，分別創建第一次走刀的待加工表面和期望創成的光學曲面，以 “等切屑載荷”為目標生成第一次走刀的刀位路徑；(2)對第一次走刀創成的已加工表面進行在機或機下實測，分別創建第二次走刀的待加工表面和期望創成的光學曲面，以“等切屑載荷”為目標生成第二次走刀的刀位路徑；(3)為兩次走刀生成的“等切屑載荷”刀位路徑皆利用兩自由度快速刀具伺服的兩個往復運動以及高精密數控車床的主軸、χ軸和ζ軸的非往復運動實現。
2.一種等切屑載荷車削復雜光學曲面的方法，其特征在于包括如下步驟(1)創建第一次走刀的初始待加工表面和期望創成的表面根據預先設計的目標光學曲面，通過分配加工余量分別創建第一次走刀的期望創成曲面和第二次走刀的期望創成表面初值對2),在工件的柱坐標系- ^wA^w中將輪1、 分別沿徑向和周向作等步距離散化，通過擬合生成回轉對稱的最適非球面，作為第一次走刀的初始待加工表面硿1〗；(2)生成工件第1轉的刀位路徑令4是平均切屑載荷，LL是切屑載荷的擾動幅值，根據預先設定的切屑載荷擾動范圍A5IM,確定第1轉的最大徑向進給量/ ,根據確定刀位點的徑向步距 Ap = JmtyjtM0 , N。是每一轉的等角步距數，則第1轉第J個刀位點的轉角坐標和徑向坐標分別為= h徹,Pu = A^1 -幼，Δ0= 2Ti/iV0，順次遍歷j = 1,2,-Ji0 ,即可生成第1轉的刀位路徑議…巧廣幻；^ , 是第1轉第J個刀位點的ζ坐標；(3)生成工件第A轉的刀位路徑根據預先設定的切屑載荷擾動范圍由第*轉第尸1個刀位點的坐標 ,以“等切屑載荷”為控制目標獲得第*轉第J·個刀位點的坐標( ,. , .),遍歷…,餌，以生成第*轉的刀位路徑{4^ ., .} ,逐轉求解即可生成工件各轉的刀位路徑；(4)分別生成車床和快速刀具伺服第一次走刀的期望運動將工件各轉的刀位路徑φ功分解為單調的趨勢成分(β而，H)和擾動成分 φ MM.},在車床的CNC指令驅動下沿X軸和ζ軸作非往復的直線運動爐, , ),在兩自由度快速刀具伺服的驅動下沿X軸和Z軸作往復直線運動(氣Δκ. ζ)；(5)創建第二次走刀的待加工表面和期望創成曲面在第一次走刀之后，對所獲得的已加工表面瑪進行在機或機下實測，通過二維小波分解及重構，或者其它多分辨率分解及重構方法，以剔除^中不重復的隨機誤差，分別得到一個包含確定性誤差的曲面游2>和一個單純的確定性誤差曲面將攻2>作為第二次走刀的初始待加工表面，則第二次走刀的期望創成曲面為輪2、=sp-M ；(6)分別生成車床和快速刀具伺服各運動軸第二次走刀的期望運動在步驟(5)的基礎上，重復步驟O) G)，得到第二次走刀的“等切屑載荷”刀位路徑^^^^一么，^之…，通過分解以獲得單調的趨勢成分鞏、。和擾動成分Ψ紅閱,利用所獲得的各運動軸之期望運動進行第二次走刀。
3.根據權利要求1或2所述的一種等切屑載荷車削復雜光學曲面的方法，其特征在于 生成以“等切屑載荷”為目標的刀位路徑，涉及的同步操作如下(1)動態修改待加工表面戰將初始待加工表面Si在工件的笛卡爾坐標系0 - -Ww^w中分別沿X軸和y軸進行等距細分，令第A轉第J個刀位點是當前的刀位點，獲得在^上由第J-I個刀位點到第j個刀位點之間刀尖輪廓所掃掠到的網格點，根據芬上的這些網格點和關聯的刀尖輪廓點即可動態修改^ ；(2)求解瞬態切屑載荷‘將初始待加工表面爲在工件的笛卡爾坐標系-中分別沿χ軸和軸進行等距細分，令第A轉第j個刀位點是當前的刀位點，在工件的坐標平上搜索以當前刀位點為中心的鄰域，獲得場上與當前刀位點相鄰的若干個網格點，根據這些網格點求解IT1與前刀面實際接觸區域的邊界點，根據這些接觸區域的邊界點求解材料去除量在刀具基面上的投影即為瞬態切屑載荷；(3)生成等切屑載荷的刀位點令Δ5=2π/^是等角步距，Aft是徑向試算步距，則第*轉第J個刀位點的轉角坐標為-Af,第J·個刀位點的徑向坐標初值為-Aj = Aj-I+aA ,根據刀觸點與刀位點之間的映射，獲得第J個刀位點的ζ坐；根據當前刀位點的坐標初值，求解瞬態切屑載荷4φ ,若不超出A ±Μ ,則當前的刀位點坐標即為第左轉第J·個刀位點的坐標，否則需在當前的徑向坐標Aw的鄰域內修改 Nh ,重新求解^/和,直到不超出Zv ±M為止； 遍歷j = 1,2,…,餌，以獲得第*轉的刀位路徑。
全文摘要
本發明涉及一種等切屑載荷車削復雜光學曲面的方法，屬于復雜光學精密制造領域，根據目標光學曲面，分別創建第一次走刀的待加工表面和期望創成的光學曲面，以“等切屑載荷”為目標生成第一次走刀的刀位路徑；對第一次走刀獲得的已加工表面進行在機或機下實測，分別創建第二次走刀的待加工表面和期望創成的光學曲面，以“等切屑載荷”為目標生成第二次走刀的刀位路徑；在這兩次走刀中生成的刀位路徑皆利用兩自由度快速刀具伺服的往復運動以及高精密數控車床主軸、x軸和z軸的非往復運動同步實現。優點是通過相繼兩次走刀即可消除切削力擾動所致的面形誤差；不必依賴于昂貴的多軸超精密車床即可切削創成復雜光學曲面。
文檔編號B23B1/00GK102350509SQ20111023969
公開日2012年2月15日 申請日期2011年8月20日 優先權日2011年8月20日
發明者周曉勤, 林潔瓊, 羅丹 申請人:吉林大學