專利名稱：可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學鏡面加工領域的磨削系統，特別是涉及一種可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統。
背景技術：
近年來，隨著對地、對空觀測對大型望遠鏡需求的不斷增加，制造大尺寸、高面形精度、低亞表面損傷的光學鏡面成為迫切的要求。離軸非球面是當前光學鏡面的主要形式。對于超精密大型光學鏡面磨削來說，一般光學鏡面的口徑要在Im以上，加工后光學鏡面的面形精度要好于10微米。
目前，超精密離軸非球面磨削的形式主要有五軸定接觸點磨削和三軸變接觸點磨削。三軸變接觸點磨削也稱為少軸磨削。定接觸點磨削軌跡規劃較為簡單，但使用的機床結構復雜，剛性差；在固定接觸點處，砂輪磨損非常嚴重；對于SiC等硬脆材料，難以加工。少軸磨削則可以使機床機構簡單，減少機床部件之間的結合面，大大提高磨床結構的剛性和阻尼。少軸磨削中砂輪磨損均勻，從而能延長砂輪的使用壽命。目前，少軸磨削還沒有得到廣泛的應用。超精密磨床所具備的最重要的特性是高剛度和大阻尼，磨床的高剛度和大阻尼的特性可有效抑制振動，變形等影響機床精度的不利因素。磨削系統的可重構是指根據系統當前的狀態和待加工工件的不同特征，對磨床的結構、砂輪幾何參數、軌跡規劃等進行重新設置，以滿足工件曲面加工的可行性，提高工件曲面的加工效率。經文獻檢索發現,英國Cranfield大學的Xavier Tonnellier在其博士論文《針對大型光學兀件快速制造的超精密磨削》(Precision Grinding for Rapid Manufacturingof Large Optics, Xavier Tonnellier, Cranfield University, may 2009) 一文中描述了一種典型的三軸超精密磨床-BOX，BOX磨床采用了兩移動軸一旋轉軸的配置形式，磨床主軸傾斜角度固定。BOX磨床的缺點是對旋轉軸徑向跳動的要求非常高，導致旋轉軸軸承元件難以制造，無法滿足2m 口徑空間超精密光學鏡面的加工要求。且其主軸傾斜角度固定，遇到不同的待加工工件，不能改變該角度以獲得最好的加工效果，不具有可重構性。日本的Tsunemoto Kuriyagawa等人在《一種非球陶瓷鏡面的新磨削方法》(Tsunemoto Kuriyagawa, Mohammad Saeed Sepasy Zahmaty, Katsuo Syoji, A newgrinding method for aspheric ceramic mirrors, Journal of Materials ProcessingTechnology62 (1996) 387-392)文中給出了一種少軸磨削系統，但該系統只適合小口徑光學鏡面的加工，且其軌跡規劃方法只能針對特定機床構型，工件必須具有對稱中心，且算法復雜，不具有通用性。

發明內容
有鑒于此，本發明提供了一種可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，包括磨床參數數據庫模塊、磨削工藝數據庫模塊、人機交互模塊、約束條件構造模塊，砂輪幾何參數重構模塊，虛擬軸生成模塊，少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊，砂輪磨損預測與軌跡修正模塊、少軸加工代碼生成模塊、工藝步驟與工藝參數生成模塊、少軸超精密數控磨床執行模塊、鏡面質量檢測模塊、砂輪整形修銳模塊。本發明系統可針對任意曲面形式(包括離軸非球面)的光學鏡面，對砂輪磨損進行補償，通過生成虛擬軸，充分利用五軸磨床的靈活性、同時發揮了少軸磨床高剛性大阻尼的優勢，可加工光學鏡面口徑大、少軸、可重構，計算簡單、精度高、穩定性好、通用性強。本發明是通過以下技術方案實現的人機交互模塊接受用戶的輸入，約束條件構造模塊通過數據庫接口獲取磨床參數數據庫和工藝參數數據庫的信息，結合人機交互模塊的輸入，構造系統約束條件；工藝步驟與工藝參數生成模塊根據所述約束條件構造模塊提供的系統約束條件確定磨削的工藝步驟與工藝參數；砂輪幾何參數重構模塊根據約束條件構造模塊、工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的參數計算砂輪的幾何參數；虛擬軸生成模塊根據約束條件構造模塊和工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的參數構造系統的兩個虛擬旋轉軸；少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊根據虛擬軸生成模塊、工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的參數生成無局部干涉的砂輪磨削運動路徑；砂輪磨損預測與軌跡修正模塊根據砂輪幾何參數重構模塊、少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊提供的參數預測砂輪磨削 過程中幾何參數及輪廓的變化并獲得砂輪運動軌跡的修正量；少軸加工代碼生成模塊根據砂輪磨損預測與軌跡修正模塊、工藝步驟與工藝參數生成模塊、少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊提供的參數生成磨床數控系統的加工代碼；少軸超精密數控磨床執行模塊通過數控系統通信接口從少軸加工代碼生成模塊獲得加工代碼，完成光學鏡面的加工；砂輪整形修銳模塊根據砂輪幾何參數重構模塊輸入的砂輪幾何參數對砂輪進行整形、修銳，為少軸超精密數控磨床執行模塊提供滿足尺寸及工藝要求的砂輪；鏡面質量檢測模塊檢測少軸超精密數控磨床執行模塊加工的鏡面質量，判定是否達到加工要求，并且將本次磨削工藝參數輸入到磨削工藝數據庫模塊，將鏡面質量指標輸入到砂輪磨損預測與軌跡修正模塊提高下一次砂輪磨損預測的準確性；磨床參數數據庫記錄少軸超精密數控磨床執行模塊的特征參數。以下對本發明方法做進一步說明，具體內容如下人機交互模塊，其作用是接受用戶的輸入并顯示系統運行的中間結果。用戶的輸入包括光學鏡面毛坯材料、尺寸、光學鏡面的幾何形狀的數學表達式以及加工完成后鏡面要達到的面形精度和表面粗糙度。系統運行的中間結果包括砂輪的幾何參數、虛擬軸的位置、砂輪在空間中的運動軌跡、砂輪輪廓因磨損而隨時間變化的過程、數控系統的加工代碼、磨削工藝步驟與工藝參數以及磨削過程中間曲面幾何形狀的數學表達式。磨床參數數據庫模塊，其作用是記錄少軸超精密數控磨床的特征，包括磨床的幾何尺寸參數、各軸運動的極限位置、各軸的最高和最低運行速度和加速度、磨床的一階模態頻率以及磨床的靜態剛度。磨削工藝參數數據庫模塊，其作用是記錄磨削條件、使用的工藝參數以及達到的鏡面質量。磨削條件指光學鏡面毛坯材料、砂輪的屬性以及冷卻液類型。砂輪的屬性是指砂輪的磨粒類型、結合劑類型、磨粒大小和濃度。工藝參數是指主軸轉速、砂輪線速度、砂輪進給速度及砂輪的磨削深度。鏡面質量是指鏡面的面形精度和表面粗糙度。約束條件構造模塊，其作用是根據人機交互模塊、磨削工藝參數數據庫模塊以及磨床參數數據庫模塊來構造系統約束條件。約束條件構造模塊為砂輪幾何參數重構模塊提供系統約束條件，包括磨床的模態頻率、磨削線速度、光學鏡面的幾何表達式、面形精度與表面粗糙度；為工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標質量條件下的工藝參數；以及為虛擬軸生成模塊提供的磨床的幾何尺寸參數及各軸運動的極限位置。砂輪幾何參數重構模塊，其作用是根據約束條件構造模塊和工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的參數，重構砂輪的幾何參數。本發明中砂輪從大的形狀分類來說，為環面砂輪，砂輪幾何參數包括砂輪直徑、砂輪切削半徑、砂輪邊界角以及砂輪軸傾角，砂輪軸傾角與機床主軸傾角相同，上述四個幾何參數可以完全確定砂輪的幾何形狀。砂輪直徑的選擇，根據磨削工藝的要求，砂輪在磨削點處的線速度是已知的，機床的模態也是固定的，機床主軸的旋轉頻率要小于機床一階模態頻率，這樣可以獲得良好的動態效果，那么砂輪的直徑就可以由旋轉頻率、線速度計算出來。砂輪切削半徑的選擇，根據局部不干涉的要求，砂輪的切削半徑要小于待磨削工 件最大曲率半徑，用這個要求限制砂輪切削半徑的上限。砂輪切削半徑的下限則受磨削材料去除率限制。磨削中，磨削材料去除率作為一項指標，必須大于某個值。磨削材料去除率隨著切削半徑的增大而增大。最后選擇的砂輪的切削半徑只要在其上下限中就可以。砂輪軸傾角的選擇，砂輪軸的傾斜角也就是磨床主軸的傾斜角。理論上砂輪軸傾角的變化范圍是0°到90°，對于確定的待加工工件，砂輪軸傾角與磨削點在砂輪圓周方向上的分布角度有確定的函數關系。磨削點在砂輪圓周方向上的分布角度越寬，局部干涉的可能性越大，但是磨損越均勻。綜合干涉和磨損兩者的因素，選定一個磨削點在砂輪圓周方向上的分布角度，在砂輪軸傾斜角與磨削點在砂輪圓周方向上的分布角度的函數關系圖上可以得到砂輪軸傾斜角的值。砂輪邊界角的選擇，將砂輪曲面和待加工工件曲面同時做高斯映射，保證待加工工件曲面的高斯映射的像域在砂輪曲面的高斯映射的像域內，根據這一條件，計算出砂輪邊界角。虛擬軸生成模塊，在少軸超精密磨床的三移動軸之外，根據砂輪幾何參數重構模塊提供的砂輪幾何參數和約束條件構造模塊提供的磨床的幾何尺寸參數及各軸運動的極限位置，虛擬出兩個幾何位置確定的旋轉軸，獲得虛擬五軸磨床，從運動學的角度所述虛擬五軸磨床與實際五軸磨床等價。少軸軌跡規劃與干涉檢查模塊，在虛擬軸生成模塊提供的虛擬五軸磨床的基礎上，根據工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的磨削過程中間曲面的幾何性質，確定工件表面上刀觸點軌跡的形式，如果工件曲面不具有軸對稱結構，則選用Z字形刀觸點軌跡。所謂Z字形刀觸點軌跡，是指用一系列豎直的平行平面與待加工工件相交，獲得的一系列交線形成的軌跡。如果工件曲面具有軸對稱結構，則選用螺旋形的刀觸點軌跡。工件表面上相鄰軌跡行間距的計算，對于相鄰軌跡上兩個對應點，它們之間的最大距離為這兩點之間有效切削寬度的和。螺旋形刀觸點軌跡相鄰軌跡行間距就是以上所述最大距離，Z字形刀觸點軌跡相鄰軌跡行間距則是相鄰軌跡上所有對應點之間最大距離的最小值。砂輪運動軌跡上點的坐標的計算，在所述虛擬五軸磨床的基礎上，根據工件曲面上刀觸點的坐標和法向量，計算出所述虛擬五軸磨床各軸的值。三移動軸的值即為砂輪運動軌跡上點在工件坐標系下的位置，兩虛擬旋轉軸的值表示了刀觸點在砂輪表面上的位置。局部干涉檢查，根據磨削點處砂輪曲面與待加工工件曲面的離差值進行局部干涉檢查。如果在磨削點處砂輪曲面與工件曲面的共切面內沿各個方向的離差都不小于零，則局部干涉不存在，否則，局部干涉存在。砂輪磨損預測與軌跡修正模塊，其作用是在砂輪幾何參數重構模塊提供的砂輪幾何參數的基礎上，預測砂輪的輪廓隨時間的變化，并根據少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運動軌跡獲得因砂輪磨損而產生的位置修正量。加工過程中砂輪磨損預測的準確程度可以通過鏡面質量檢測模塊提供的鏡面面形精度來判斷。如果預測偏差過大，則根據面形精度值修正砂輪磨損預測的過程中的參數，進一步提高砂輪磨損預測的準確性。 少軸加工代碼生成模塊，將少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運動軌跡和砂輪磨損預測與軌跡修正模塊提供的位置修正量結合起來，獲得修正后的砂輪運動軌跡。砂輪運動軌跡采用離散點的表達形式，數控系統無法直接利用，所以將離散點軌跡轉換為數控磨床加工用的G代碼。G代碼中的砂輪進給速度與主軸轉速由工藝步驟與工藝參數生成模塊提供。根據數控系統的類型和能力，既可以轉化為直線插補類型的G代碼，也可以轉化為樣條插補類型的G代碼。工藝步驟與工藝參數生成模塊，作用是根據約束條件構造模塊提供的約束條件，根據相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標質量條件下的已有的工藝參數確定本次磨削的工藝步驟和各步驟采用的工藝參數。工藝步驟是指粗加工、半精加工以及精加工的磨削順序以及所產生的中間曲面幾何形狀的數序表達式。粗加工、半精加工以及精加工下工藝參數要分別確定。少軸超精密數控磨床執行模塊，采用三移動軸配置，可避免采用旋轉軸帶來的徑向跳動誤差。其中Y軸采用拱形雙梁形式，可以極大的提高系統的整體剛度。主軸位于雙梁之間,主軸傾斜角度可調,主軸傾斜角度根據不同的工件曲面由本發明系統重構。本發明系統可加工最大2m 口徑的超精S光學鏡面。砂輪整形修銳模塊，其作用是根據砂輪幾何參數重構模塊提供的砂輪幾何參數，對砂輪進行輪廓的整形，以達到規定的幾何尺寸，對砂輪進行修銳，使砂輪更鋒利，改善切削的效果。如果砂輪磨損過于嚴重，與原有輪廓偏離過大時，使用砂輪整形修銳模塊對砂輪重新整形修銳。鏡面質量檢測模塊，其作用是檢測光學鏡面加工后的表面質量，包括面形精度和表面粗糙度。鏡面質量檢測的結果與本次磨削的磨削條件、磨削工藝參數一起被記錄到磨削工藝數據庫模塊，為以后磨削工藝參數的確定提供依據。本發明與現有技術相比，提供了一套完整的可重構超精密大型光學鏡面磨削系統，在本發明的少軸超精密數控磨床上，針對自由曲面，口徑最大2m的光學鏡面，可對砂輪幾何參數和機床主軸傾斜角度進行重構；針對工件曲面的性質，可對砂輪的運動軌跡進行重構；針對不同類型的數控系統，可對加工用的G代碼進行重構。針對砂輪磨削過程中的磨損，可對砂輪運動軌跡進行補償。本發明系統可針對任意光學鏡面，通過生成虛擬軸，充分利用五軸磨床的靈活性，同時發揮了少軸磨床高剛性大阻尼的優勢，并且具備砂輪磨損預測修正能力，顯著提高了加工精度。本發明系統具有可加工光學鏡面口徑大、少軸、可重構、效率高、精度高、穩定性好、適應性強的特點。


圖I是本發明的系統的示意框2是本發明中的少軸超精密數控磨床執行模塊的少軸超精密數控磨床的結構以及安裝在該少軸超精密數控磨床上的整形修銳模塊與鏡面質量檢測模塊。圖3是本發明中的砂輪幾何參數重構模塊的環形砂輪截面、砂輪的各幾何參數及虛擬軸生成模塊中的虛擬軸。
具體實施例方式如圖所示，下面結合附圖詳細說明本發明的具體實施方案。 圖I是本發明的系統的示意框圖。圖中101為計算機A，102為計算機B，200為工作站計算機。首先用戶通過人機交互接口，指定待加工光學鏡面毛坯材料、尺寸，光學鏡面幾何形狀的數學表達式，加工完成后鏡面要達到的面形精度和表面粗糙度。在系統運行過程中，通過人機交互接口，查看系統運行的中間結果，包括砂輪的幾何參數，虛擬軸的位置，砂輪在空間中的運動軌跡，砂輪輪廓因磨損而隨時間變化的過程，數控系統的加工代碼，磨削工藝步驟與工藝參數，磨削過程中間曲面幾何形狀的數學表達式。磨床參數數據庫模塊記錄了少軸超精密數控磨床的特征，包括磨床的幾何尺寸參數，各軸運動的極限位置，各軸的最高、最低運行速度、加速度，磨床的一階模態頻率，磨床的靜態剛度。磨削工藝參數數據庫模塊記錄了磨削條件、使用的工藝參數、達到的鏡面質量。所述磨削條件指光學鏡面毛坯材料、砂輪的屬性、冷卻液的類型。所述砂輪的屬性是指砂輪的磨粒類型、結合劑類型、磨粒大小、濃度。所述工藝參數是指主軸轉速、砂輪線速度、砂輪進給速度、砂輪的磨削深度。所述鏡面質量是指鏡面的面形精度和表面粗糙度。然后在約束條件構造模塊內根據人機交互模塊、磨削工藝參數數據庫模塊、磨床參數數據庫模塊構造系統約束條件。所述系統約束條件是指為砂輪幾何參數重構模塊提供的約束條件包括磨床的模態頻率、磨削線速度、光學鏡面的幾何表達式、面形精度與表面粗糙度，為工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標質量條件下的工藝參數，為虛擬軸生成模塊提供的磨床的幾何尺寸參數、各軸運動的極限位置。然后在工藝步驟與工藝參數生成模塊中根據約束條件構造模塊提供的約束條件，根據相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標質量條件下的已有的工藝參數確定本次磨削的工藝步驟和各步驟采用的工藝參數。所述工藝步驟是指粗加工、半精加工以及精加工的磨削順序以及所產生的中間曲面幾何形狀的數學表達式。粗加工、半精加工以及精加工下工藝參數分別確定。然后在砂輪幾何參數重構模塊中，根據系統約束條件，按照下列步驟實現模塊功能，第一步，限定砂輪的形狀為環面；第二步，根據磨床的一階模態頻率和砂輪在磨削點的線速度，計算出砂輪直徑；第三步,根據磨削點的材料去除率要求和工件上曲率半徑的最大值，計算砂輪切削半徑；第四步，跟據砂輪不干涉與均勻磨損的要求，定出磨削點在砂輪圓周方向上的分布角度，計算出砂輪軸傾角；第五步，根據加工工件曲面的高斯映射的像域在砂輪曲面的高斯映射的像域內，計算出砂輪邊界角。然后在虛擬軸生成模塊中，除少軸超精密磨床的三移動軸之外，根據所述砂輪幾何參數重構模塊提供的砂輪幾何參數和約束條件構造模塊提供的磨床的幾何尺寸參數、各軸運動的極限位置，虛擬出兩個幾何位置確定的旋轉軸，獲得虛擬五軸磨床，從運動學的角度所述虛擬五軸磨床與實際五軸磨床等價。然后在少軸軌跡規劃與干涉檢查模塊中，在所述虛擬軸生成模塊提供的虛擬五軸磨床的基礎上，在所述約束條件下，按照下列步驟實現模塊功能第一步，根據所述工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的磨削過程中間曲面的幾何 性質，確定工件表面上刀觸點軌跡的形式，如果工件曲面不具有軸對稱結構，則選用Z字形刀觸點軌跡。所謂Z字形刀觸點軌跡，是指用一系列豎直的平行平面與待加工工件相交，獲得的一系列交線形成的軌跡。如果工件曲面具有軸對稱結構，則選用螺旋形的刀觸點軌跡。第二步計算工件表面上相鄰軌跡行間距。對于相鄰軌跡上兩個對應點，它們之間的最大距離為這兩點之間有效切削寬度的和。螺旋形刀觸點軌跡相鄰軌跡行間距就是以上所述最大距離，Z字形刀觸點軌跡相鄰軌跡行間距則是相鄰軌跡上所有對應點之間最大距離的最小值。第三步，在所述虛擬五軸磨床的基礎上，根據工件曲面上刀觸點的坐標和法向量，計算出所述虛擬五軸磨床各軸的值。三移動軸的值即為砂輪運動軌跡上點在工件坐標系下的位置，兩虛擬旋轉軸的值表示了刀觸點在砂輪表面上的位置。第四步，根據磨削點處砂輪曲面與待加工工件曲面的離差值進行局部干涉檢查。具體方法是如果在磨削點處砂輪曲面與工件曲面的公切面內沿各個方向的離差都不小于零，則局部干涉不存在，否則，局部干涉存在。然后在砂輪磨損預測與軌跡修正模塊中，在所述砂輪幾何參數重構模塊提供的砂輪幾何參數的基礎上，預測砂輪的輪廓隨時間的變化，并根據所述少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運動軌跡獲得因砂輪磨損而產生的位置修正量。加工過程中砂輪磨損預測的準確程度可以通過鏡面質量檢測模塊提供的鏡面面形精度來判斷。如果預測偏差過大，則根據面形精度值修正砂輪磨損預測的過程中的參數，進一步提高砂輪磨損預測的準確性。然后在少軸加工代碼生成模塊中，將所述少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運動軌跡和所述砂輪磨損預測與軌跡修正模塊提供的位置修正量結合起來，獲得修正后的砂輪運動軌跡。砂輪運動軌跡采用離散點的表達形式，數控系統無法直接使用，所以將離散點軌跡轉換為數控磨床加工用的G代碼。G代碼中的砂輪進給速度與主軸轉速由工藝步驟與工藝參數生成模塊提供。根據數控系統的類型和能力，既可以轉化為直線插補類型的G代碼，也可以轉化為樣條插補類型的G代碼。然后在少軸超精密數控磨床執行模塊中，少軸超精密數控磨床采用三移動軸配置，可避免采用旋轉軸帶來的徑向跳動誤差。其中Y軸采用拱形雙梁形式，可以極大的提高系統的整體剛度。主軸位于雙梁之間,主軸傾斜角度可調,主軸傾斜角度根據不同的工件曲面由本發明系統重構。本發明的系統可加工最大2m 口徑的超精密光學鏡面。
然后在砂輪整形修銳模塊中，根據砂輪幾何參數重構模塊提供的砂輪幾何參數，對砂輪進行輪廓的整形，以達到規定的幾何尺寸，對砂輪進行修銳，使砂輪更鋒利，改善切削的效果。如果砂輪磨損過于嚴重，與原有輪廓偏離過大時，使用砂輪整形修銳模塊對砂輪重新整形修銳。最后在鏡面質量檢測模塊中，檢測光學鏡面加工后的表面質量，包括面形精度和表面粗糙度。鏡面質量檢測的結果與本次磨削的磨削條件、磨削工藝參數一起記錄到磨削工藝數據庫模塊，為以后磨削工藝參數的確定提供依據。圖2是本發明中的少軸超精密數控磨床執行模塊的少軸超精密數控磨床的結構以及安裝在該少軸超精密數控磨床上的整形修銳模塊與鏡面質量檢測模塊。磨床整體結構采用三移動軸的形式。圖2中1、3、6分別為磨床的X軸、Y軸、Z軸。Y軸采用拱形雙梁結構。圖2中5為磨床主軸，主軸位于雙梁之間，主軸傾斜角度可在雙梁之間的平面內調整。圖2中4為安裝在主軸上的砂輪，2為砂輪整形修銳模塊，7為鏡面質量檢測模塊。

圖3示出了環形砂輪的截面、砂輪的各幾何參數及兩個虛擬軸的位置。圖中砂輪軸線與豎直方向的夾角β即為砂輪軸傾斜角，也就是磨床主軸的傾斜角。Dw表示砂輪的直徑，Rc則是砂輪的切削半徑，在圖3截面內，O。是R。的一個圓心。Ot-XtYtZt表示工件坐標系，本發明中軌跡規劃獲得一系列離散點就是指工件坐標系原點Ot的坐標。Om-XmYmZm指工件坐標系，Y I與Y 2為砂輪的邊界角。Aax1s與BAxis為少軸磨床的兩個虛擬旋轉軸，其中Aax1s的旋轉軸為砂輪的軸線，BAxis的旋轉軸通過O。點，且垂直于圖3截面，BAxis固定在AAxis上，隨Ahxis運動。Ahxis固定在Z軸上，隨Z軸運動。
權利要求
1.一種可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，其特征是，包括 磨床參數數據庫模塊，用于記錄少軸超精密數控磨床的參數； 磨削工藝數據庫模塊，用于記錄磨削條件、使用的工藝參數、可達到的鏡面質量； 人機交互模塊，用于接受用戶的輸入并顯示系統運行的中間結果； 約束條件構造模塊，用于結合所述人機交互模塊以及從數據庫接口獲取的所述磨床參數數據庫和所述磨削工藝數據庫中記錄的信息，提供磨削系統的系統約束條件； 工藝步驟與工藝參數生成模塊，用于根據系統約束條件來確定磨削的工藝步驟與工藝參數； 砂輪幾何參數重構模塊，用于在所述系統約束條件的基礎上重構砂輪幾何參數； 虛擬軸生成模塊，用于根據砂輪幾何參數和系統約束條件，虛擬出兩個幾何位置確定的旋轉軸； 少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊，用于在所述虛擬軸生成模塊提供的所述幾何位置確定的旋轉軸以及根據所述工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的磨削過程中間曲面的幾何性質，重構砂輪的運動軌跡，生成無局部干涉的砂輪磨削運動軌跡； 砂輪磨損預測與軌跡修正模塊，用于根據所述砂輪幾何參數重構模塊提供的砂輪幾何參數和所述少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運動軌跡，預測砂輪磨削過程中幾何參數與輪廓的變化并獲得砂輪運動軌跡的修正量； 少軸加工代碼生成模塊，用于根據所述少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運動軌跡、所述砂輪磨損預測與軌跡修正模塊提供的砂輪運動軌跡修正量以及所述工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的磨床主軸轉速和砂輪進給速度，生成磨床數控系統的加工代碼； 少軸超精密數控磨床執行模塊，用于通過所述少軸加工代碼生成模塊提供的加工代碼，對光學鏡面進行加工； 砂輪整形修銳模塊，用于根據所述砂輪幾何參數重構模塊提供的砂輪幾何參數，對砂輪進行輪廓的整形 '及 鏡面質量檢測模塊，用于在加工過程中為所述砂輪磨損預測與軌跡修正模塊提供鏡面面形精度，以及在加工后檢測光學鏡面的表面質量，并將結果與當次磨削的磨削條件和磨削工藝參數一起記錄到所述磨削工藝數據庫模塊。
2.根據權利要求I所述的可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，其特征在于，所述少軸超精密數控磨床執行模塊具有采用三移動軸形式的磨床，其采用拱形雙梁形式，主軸位于雙梁之間，所述主軸的傾斜角度可調，可加工最的超精密光學鏡面的最大口徑為2m ；所述少軸超精密數控磨床執行模塊通過數控系統通信接口從所述少軸加工代碼生成模塊獲得加工代碼以對光學鏡面進行加工。
3.根據權利要求I或2所述的可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，其特征在于，所述約束條件構造模塊根據所述人機交互模塊、所述磨削工藝參數數據庫模塊以及所述磨床參數數據庫模塊來構造系統約束條件；所述約束條件構造模塊為所述砂輪幾何參數重構模塊提供系統約束條件，包括磨床的模態頻率、磨削線速度、光學鏡面的幾何表達式、面形精度與表面粗糙度；為所述工藝步驟與工藝參數生成模塊提供的相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標質量條件下的工藝參數；以及為所述虛擬軸生成模塊提供磨床的幾何尺寸參數及各軸運動的極限位置。
4.根據權利要求I所述的可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，其特征在于，所述工藝步驟與工藝參數生成模塊根據所述約束條件構造模塊提供的系統約束條件，根據相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標質量條件下的已有的工藝參數確定當次磨削的工藝步驟和各步驟采用的工藝參數。
5.根據權利要求I所述的可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，所述砂輪幾何參數重構模塊用于重構砂輪幾何參數，其特征在于根據磨削工藝確定的磨削線速度、機床的模態，獲得砂輪的直徑；根據局部不干涉和磨削材料去除率下限的要求確定砂輪的切削半徑；根據磨削點在砂輪圓周方向上的分布角度和局部不干涉的要求，確定砂輪軸傾斜角，砂輪軸的傾斜角即是磨床主軸的傾斜角；根據待加工工件曲面的高斯映射的像域在砂輪曲面的高斯映射的像域內的要求，獲得砂輪邊界角。
6.根據權利要求I所述的可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，其特征在于，所述虛擬軸生成模塊，根據所述砂輪幾何參數重構模塊提供的砂輪幾何參數和所述約束條件構造模塊提供的磨床的幾何尺寸參數、各軸運動的極限位置，虛擬出兩個幾何位置確定的旋轉軸，獲得虛擬五軸磨床，從運動學的角度所述虛擬五軸磨床與實際的五軸磨床等效。
7.根據權利要求I所述的可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，其特征在于，所述少軸軌跡規劃與干涉檢查模塊用于根據工件曲面的幾何性質，工件表面刀觸點的軌跡選用Z字形或者螺旋形，根據磨削點處的有效磨削寬度，確定相鄰刀觸點軌跡的行間距，根據虛擬五軸磨床，計算磨削點在砂輪曲面上的位置及砂輪在工件坐標系中的坐標，根據磨削點處的工件曲面與砂輪曲面的離差值，判斷是否局部干涉。
8.根據權利要求I所述的可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，其特征在于，所述砂輪磨損預測修正模塊在所述砂輪幾何參數重構模塊提供的砂輪幾何參數的基礎上，預測砂輪的輪廓隨時間的變化，并根據所述少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運動軌跡獲得因砂輪磨損而產生的位置修正量；加工過程中砂輪磨損預測的準確程度可以通過所述鏡面質量檢測模塊提供的鏡面面形精度來判斷。
9.根據權利要求I所述的可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，其特征在于，所述少軸加工代碼生成模塊將所述少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運動軌跡和所述砂輪磨損預測與軌跡修正模塊提供的位置修正量結合起來，獲得修正的砂輪運動軌跡；所述砂輪運動軌跡采用離散點的表達形式，將離散點軌跡轉換為數控磨床加工用的G代碼；G代碼中的砂輪進給速度與主軸轉速由所述工藝步驟與工藝參數生成模塊提供；根據數控系統的類型和能力，既可以轉化為直線插補類型的G代碼，也可以轉化為樣條插補類型的G代碼。
全文摘要
一種可重構少軸超精密大型光學鏡面磨削系統，包括磨床參數數據庫模塊、磨削工藝數據庫模塊、人機交互模塊、約束條件構造模塊，砂輪幾何參數重構模塊，虛擬軸生成模塊，少軸軌跡規劃與局部干涉檢查模塊，砂輪磨損預測與軌跡修正模塊、少軸加工代碼生成模塊、工藝步驟與工藝參數生成模塊、少軸超精密數控磨床執行模塊、鏡面質量檢測模塊、砂輪整形修銳模塊。針對不同加工要求，可快速重構磨削工藝參數、砂輪幾何參數、磨床主軸傾斜角度、砂輪運動軌跡以及加工代碼，并對砂輪磨損進行預測補償。本發明系統具有可加工光學鏡面口徑大、少軸、可重構、效率高、精度高、穩定性好、適應性強的特點。
文檔編號B24B49/18GK102794688SQ20121028501
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月10日 優先權日2012年8月10日
發明者殷躍紅, 姜振華, 洪海波, 徐勇, 王乾人 申請人:上海交通大學