专利名称：一种三维椭圆振动切削光学自由曲面加工路径生成方法
—种三维椭圆振动切削光学自由曲面加工路径生成方法技术领域
本发明属于超精密切削和难加工材料切削技术领域，特别是涉及一种三维椭圆振动切削光学自由曲面加工路径生成方法。技术背景
近年来，有复杂几何特征的难加工材料如陶瓷、玻璃等的功能表面在工程光学、生物医学、半导体产品等重要的民用和国防领域有着日益增加的应用需求。例如，复眼透镜、 显微透镜、菲涅尔透镜、非球面镜、变焦距透镜等。然而，多数光学晶体材料及陶瓷材料具有脆硬性、断裂强度接近于屈服强度及各向异性等特点，使得常规加工方法获得的加工表面易产生裂纹和凹坑等缺陷。因此，如何实现难加工材料的高效加工，已成为一项亟待解决的难题。三维椭圆振动切削已被证明可以有效的降低切削力、减少切削热、改善加工精度和表面质量、减少刀具磨损等诸多优点，被广泛认为是一种极具发展前途的常规金刚石切削替代方法。然而目前学术界对三维椭圆振动金刚石切削的研究还不深入，国内外未见有文献报道利用三维椭圆振动切削光学自由曲面的刀具路径轨迹规划方法，限制了人们利用三维椭圆振动切削难加工材料的光学自由曲面。基于此，本发明研究了一种三维椭圆振动切削光学自由曲面的刀具路径生成方法。发明内容
本发明的目的是提供一种三维椭圆振动切削光学自由曲面刀具路径生成方法，本发明利用三轴机床及三维椭圆振动发生装置实现难加工材料光学自由曲面的超精密加工。
为此本发明采用如下的技术方案
本发明用在三轴金刚石超精密机床和椭圆振动发生装置上，其中机床主轴能够做回转运动，工作台可以做X向和Z向运动，同时金刚石刀具通过本课题组研发的椭圆发生装置做三维椭圆运动，该刀具路径轨迹生成方法包括下列步骤
(I)建立工件笛卡尔坐标系，得出工件笛卡尔坐标系和柱坐标系下的预先设计的自由光学曲面S的表达式；
(2)根据刀位点PL(i’j)的转角坐标和径向坐标，确定刀位点PL(i’j)的Xi’/L)和yi’,) 坐标值；
(3)求解加入椭圆y向位移和X向位移后的新的刀具刀位点PuW的和yi,j(L2)坐标值；
(4)根据刀位点PjU的Xya2)和yi，/12)坐标值，求解刀位点P^j)的z坐标值Z. .(L2).乙 1，J
(5)求解加入椭圆z向位移后的新的刀具刀位点Pu(U)的z坐标值yi，ja3)；
(6)按照⑴到(5)的步骤，进行加工运动，遍历自由曲面上的加工点，最终生成加工路径。
上述的三维椭圆振动切削光学自由曲面刀具路径生成方法中的步骤(4)最好采用如下的步骤
(a)根据新的刀位点I\2(U的前刀面在Ow-XwZw平面的投影是直线I\2(U)M列方程 (图 2);
(b)根据刀触点Pc(i’j)在目标曲面S上列方程；
(C)根据刀触点匕㈦)到刀位点(即刀具中心)的距离为刀尖圆弧半径的长度列方程，同时此方程也是对加工点进行刀刃圆弧半径补偿；
(d)根据刀位点PuW在前刀面与目标曲面交线的法面上列方程；
(e)对(a)到(d)所列方程进行联立求解，即可求得刀位点P^i」_)的z轴坐标以及刀触点P,’j)坐标。
本发明具有如下显著的优点采用本发明提供的路径生成方法，突破了传统的椭圆振动切削中椭圆运动不可控制的限制，并能够实现难加工材料光学自由曲面零件的加工。
图I是工件的笛卡尔坐标系。
图2加入椭圆y向位移和X向位移后刀位点偏置示意图。
图3是刀触点Pc(U)与刀位点关系图。
图4是刀位点路径与复曲面三维对比。
图5是刀位点路径局部放大图。
具体实施方式
三维椭圆表达式如式⑴所示，其中，为了保证不过切，对椭圆z向位移公式修正为 z (t) =c (1+cos (2 n ft+ Ψζ))。
权利要求
1.一种三维椭圆振动切削光学自由曲面加工路径生成方法，用在三轴金刚石超精密机床和椭圆振动发生装置上，其中机床主轴能够做回转运动，工作台可以做X向和Z向运动，同时金刚石刀具通过本课题组研发的椭圆发生装置做三维椭圆运动，该刀具路径轨迹生产方法包括下列步骤 (1)建立工件笛卡尔坐标系，得出工件笛卡尔坐标系和柱坐标系下的预先设计的自由光学曲面S的表达式； (2)根据刀位点P,」_)的转角坐标和径向坐标，确定刀位点P,」_)的Xi，ja)和yi，ja)坐标值； (3)求解加入椭圆y向位移和X向位移后的新的刀具刀位点的Xi，」α2)和yua2)坐标值； (4)根据刀位点I\2(i’J)的Xi,」(L2)和y」(L2)坐标值，求解刀位点PL2(i’J)的z坐标值z. .(L2).乙 1，J (5)求解加入椭圆z向位移后的新的刀具刀位点Pu(U)的z坐标值Zi，ja3)； 按照(I)到(5)的步骤，进行加工运动，遍历自由曲面上的加工点，最终生成加工路径。
2.根据权利要求I所述的一种三维椭圆振动切削光学自由曲面加工路径生成方法，所述步骤(4)采用如下的步骤 (a)根据新的刀位点的前刀面在o-xy平面的投影是直线Pu(U)M列方程； (b)根据刀触点Pc(i’j)在目标曲面S上列方程； (c)根据刀触点匕㈡)到刀位点Ι\2(υ)(即刀具中心)的距离为刀尖圆弧半径的长度列方程，同时此方程也是对加工点进行刀刃圆弧半径补偿； (d)根据刀位点在前刀面与目标曲面交线的法面上列方程； (e)对(a)到⑷所列方程进行联立求解，即可求得刀位点PjU的z轴坐标以及刀触点Pc(i，j)坐标。
全文摘要
本发明公开了一种三维椭圆振动切削光学自由曲面刀具路径生成方法，用在三轴金刚石超精密机床和椭圆振动发生装置上，其中机床主轴能够做回转运动，工作台可以做X向和Z向运动，同时金刚石刀具通过本课题组研发的椭圆发生装置做三维椭圆运动，该刀具路径轨迹生成方法是建立工件笛卡尔坐标系，得出工件笛卡尔坐标系和柱坐标系下的预先设计的自由光学曲面S的表达式；根据刀位点PL(i,j)的转角坐标和径向坐标，确定刀位点PL(i,j)的xi,j(L)和yi,j(L)坐标值；求解加入椭圆y向位移和x向位移后的新的刀具刀位点PL2(i,j)的xi,j(L2)和yi,j(L2)坐标值；根据刀位点PL2(i,j)的xi,j(L2)和yi,j(L2)坐标值，求解刀位点PL2(i,j)的z坐标值zi,j(L2)；求解加入椭圆z向位移后的新的刀具刀位点PL3(i,j)的z坐标值zi,j(L3)；按照上述步骤进行加工运动，遍历自由曲面上的加工点，最终生成加工路径。
文档编号B23B1/00GK102921966SQ201210444178
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者林洁琼, 李迎春, 卢明明 申请人:长春工业大学