本發明屬于精密加工，涉及一種基于主軸擺動式機床的砂輪磨削球面及誤差補償的方法。

背景技術：

1、光學元件是光學成像系統中不可缺少的一部分，在航空航天、國防、醫療和人們日常生活中獲得了廣泛的應用。光學元件通常需要經過粗磨、精磨、拋光等工序，其中磨削主要起到去除材料、將毛坯加工成形的作用，影響工件的成形精度，而拋光的主要作用是去除損傷層、降低表面粗糙度等，去除量極小且耗時較長，因此提高磨削精度可以顯著減少下一步拋光工序的用時。光學元件通常由硬脆材料制成，一般采用磨削方式加工硬脆材料，但普通加工方法精度不高且容易產生亞表面損傷。超精密磨削是一種利用超硬磨料砂輪配合高性能機床進行磨削的加工方式，加工精度高于普通磨削。杯形圓弧砂輪形狀特殊，用于加工球面時效率較高，因此被廣泛應用于球面磨削。且球面磨削在非球面制造過程中一般亦起著先快速大量去除材料的工藝特點被廣泛運用，亦可在球面磨削中完成對對刀誤差的補償。

2、目前航空航天及先進儀器等領域對光學元件的精度要求越來越嚴格，但目前的球面磨削方法尚無法實現高精度高效率的加工過程?，F有的球面成形方法加工效率低，且球面半徑的精度由于對刀及刀具磨損等控制精度有限。

技術實現思路

1、針對現有技術中存在的問題，本發明提供基于主軸擺動式機床的砂輪磨削球面及誤差補償的方法，提高了加工一致性和穩定性，提高了精度和刀具耐用度。

2、本發明是通過以下技術方案來實現：

3、基于主軸擺動式機床的砂輪磨削球面及誤差補償的方法，包括，

4、s1，獲取磨削球面所需的各項尺寸和工藝參數，建立主軸擺動式機床的直線軸與主軸擺動軸聯動運動軌跡；

5、s2，基于主軸擺動式機床的直線軸與主軸擺動軸聯動運動軌跡，通過控制主軸擺動軸的擺動角度在磨削過程中不斷變化，通過砂輪的磨粒區域將待加工工件磨削為球面工件；所述球面工件的加工類型包括凸球面和凹球面；

6、s3，加工結束后，通過檢測磨削后的球面工件的半徑與球面工件的中心區域圓形凸起的尺寸，計算砂輪的位置誤差；

7、s4，根據砂輪的位置誤差，補償并調整砂輪的加工位置，更改主軸擺動式機床的直線軸與主軸擺動軸聯動運動軌跡，對球面工件進行再次加工，從而實現對球面工件在磨削過程中的誤差補償。

8、優選的，s1中的所述磨削球面所需的各項尺寸和工藝參數包括：待加工工件的直徑和高度、需加工出的球面工件的中心厚度和球面半徑、需加工出球面工件的球心與底面的距離、磨削過程中球面工件半徑減小的速度、砂輪的中徑和長度、弧砂輪的磨粒區域的小圓弧半徑、砂輪安裝位置距主軸擺動式機床的b軸中心的長度。

9、優選的，s1中建立主軸擺動式機床的直線軸與主軸擺動軸聯動運動軌跡，具體為：

10、加工凸球面時，主軸擺動式機床的x軸位置、z軸位置與b軸位置相對于時間的位置變化關系為：

11、

12、

13、

14、加工凹球面時，主軸擺動式機床的x軸位置、z軸位置與b軸位置相對于時間的位置變化關系為：

15、

16、

17、

18、式中：為主軸擺動式機床的x軸位置，為主軸擺動式機床的z軸位置，為主軸擺動式機床的b軸擺動角度位置；為砂輪長度，為砂輪安裝位置距主軸擺動式機床的b軸中心的長度；為在磨削初始位置砂輪端面自轉的截圓與待加工工件自轉形成的包絡球面半徑，為磨削過程中球面工件半徑減小的速度，為磨削時間，為砂輪中徑，為砂輪的磨粒區域的小圓弧半徑，

19、其中，x軸和z軸為直線軸，b軸為擺動軸。

20、優選的，加工凸球面時，包絡球面半徑的具體計算公式為：

21、

22、式中：為需加工出球面工件的球心與底面的距離，為待加工工件的高度，為待加工工件的直徑；

23、加工凹球面時，包絡球面半徑的具體計算公式為：

24、式中：為需加工出的球面工件的中心厚度，為需加工出的球面工件的球面半徑，為待加工工件的高度。

25、優選的，s3中計算砂輪的位置誤差，具體為：

26、對于凸球面，計算砂輪的位置誤差，具體計算公式為：

27、

28、

29、對于凹球面，計算砂輪的位置誤差，具體計算公式為：

30、

31、

32、式中：為砂輪的圓弧中心在水平x方向上偏離理想位置的距離，為砂輪的圓弧中心在豎直z方向上偏離理想位置的距離；為磨削后的球面工件的半徑，為球面工件的中心區域圓形凸起的半徑；為砂輪的磨粒區域的小圓弧半徑，為需加工出的球面工件的球面半徑。

33、優選的，加工球面工件為凸球面時，砂輪的中徑應滿足以下條件：

34、；

35、加工球面工件為凹球面時，砂輪的中徑應滿足以下條件：

36、；

37、式中：為球面工件的中心厚度，為球面工件的球面半徑，為杯形圓弧砂輪的磨粒區域的小圓弧半徑，為球面工件的球面邊緣到球心連線與軸線之間的角度，為杯形圓弧砂輪的中徑。

38、優選的，加工球面工件為凸球面時，砂輪的杯部深度應滿足：

39、，()

40、，()

41、式中：為球面工件的球面半徑，為杯形圓弧砂輪的磨粒區域的小圓弧半徑，為球面工件的球面邊緣到球心連線與軸線之間的角度，為杯形圓弧砂輪的中徑，為加工結束后的主軸擺動角度。

42、優選的，在加工初始位置，砂輪的軸線與待加工工件的軸線存在角度，即主軸擺動角度為，砂輪的加工面與待加工工件的端面為點接觸；在加工結束位置，待加工工件已被磨削成為球面工件，砂輪的軸線與球面工件的軸線存在角度，即主軸擺動角度為，砂輪的加工面與球面工件的球面是線接觸。

43、優選的，所述砂輪為杯形圓弧砂輪，待加工工件為圓柱形結構。

44、一種主軸擺動式機床，基于主軸擺動式機床的砂輪磨削球面及誤差補償的方法使用所述的主軸擺動式機床進行加工，包括，

45、待加工工件安裝在主軸擺動式機床的旋轉平臺上，砂輪安裝在主軸擺動式機床的擺頭上，待加工工件僅繞自身軸線進行自轉，砂輪在端面因自轉形成截圓式磨削區域，截圓式磨削區域與待加工工件的自轉運動組合形成包絡球面磨削區域，擺頭的運動由xoz面內的平動和繞b軸的轉動合成運動軌跡，對待加工工件進行磨削，加工得到球面工件。

46、與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

47、本發明提出一種杯形圓弧砂輪磨削球面的方法，通過控制加工過程中工件與杯形圓弧砂輪的運動軌跡，實現包絡軌跡對工件進行材料去除，在任意的半徑方向上，材料的去除量是均勻的，包絡球面逐漸向所需的球面以相同的球心逼近，使加工過程中各接觸位置受力均勻，且工件材料均勻去除，提高了加工一致性和穩定性，提高了精度和刀具耐用度。

48、進一步的，通過檢測加工完成后球面工件中心區域圓形凸起的半徑和實際球面半徑計算砂輪位置誤差并補償，減小了誤差影響，提高了加工精度。

49、進一步的，本發明提出的方法能夠使用多種尺寸范圍的砂輪加工多種尺寸范圍的球面。