专利名称：可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学镜面加工领域的磨削系统，特别是涉及一种可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统。
背景技术：
近年来，随着对地、对空观测对大型望远镜需求的不断增加，制造大尺寸、高面形精度、低亚表面损伤的光学镜面成为迫切的要求。离轴非球面是当前光学镜面的主要形式。对于超精密大型光学镜面磨削来说，一般光学镜面的口径要在Im以上，加工后光学镜面的面形精度要好于10微米。
目前，超精密离轴非球面磨削的形式主要有五轴定接触点磨削和三轴变接触点磨削。三轴变接触点磨削也称为少轴磨削。定接触点磨削轨迹规划较为简单，但使用的机床结构复杂，刚性差；在固定接触点处，砂轮磨损非常严重；对于SiC等硬脆材料，难以加工。少轴磨削则可以使机床机构简单，减少机床部件之间的结合面，大大提高磨床结构的刚性和阻尼。少轴磨削中砂轮磨损均匀，从而能延长砂轮的使用寿命。目前，少轴磨削还没有得到广泛的应用。超精密磨床所具备的最重要的特性是高刚度和大阻尼，磨床的高刚度和大阻尼的特性可有效抑制振动，变形等影响机床精度的不利因素。磨削系统的可重构是指根据系统当前的状态和待加工工件的不同特征，对磨床的结构、砂轮几何参数、轨迹规划等进行重新设置，以满足工件曲面加工的可行性，提高工件曲面的加工效率。经文献检索发现,英国Cranfield大学的Xavier Tonnellier在其博士论文《针对大型光学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) 一文中描述了一种典型的三轴超精密磨床-BOX，BOX磨床采用了两移动轴一旋转轴的配置形式，磨床主轴倾斜角度固定。BOX磨床的缺点是对旋转轴径向跳动的要求非常高，导致旋转轴轴承元件难以制造，无法满足2m 口径空间超精密光学镜面的加工要求。且其主轴倾斜角度固定，遇到不同的待加工工件，不能改变该角度以获得最好的加工效果，不具有可重构性。日本的Tsunemoto Kuriyagawa等人在《一种非球陶瓷镜面的新磨削方法》(Tsunemoto Kuriyagawa, Mohammad Saeed Sepasy Zahmaty, Katsuo Syoji, A newgrinding method for aspheric ceramic mirrors, Journal of Materials ProcessingTechnology62 (1996) 387-392)文中给出了一种少轴磨削系统，但该系统只适合小口径光学镜面的加工，且其轨迹规划方法只能针对特定机床构型，工件必须具有对称中心，且算法复杂，不具有通用性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，包括磨床参数数据库模块、磨削工艺数据库模块、人机交互模块、约束条件构造模块，砂轮几何参数重构模块，虚拟轴生成模块，少轴轨迹规划与局部干涉检查模块，砂轮磨损预测与轨迹修正模块、少轴加工代码生成模块、工艺步骤与工艺参数生成模块、少轴超精密数控磨床执行模块、镜面质量检测模块、砂轮整形修锐模块。本发明系统可针对任意曲面形式(包括离轴非球面)的光学镜面，对砂轮磨损进行补偿，通过生成虚拟轴，充分利用五轴磨床的灵活性、同时发挥了少轴磨床高刚性大阻尼的优势，可加工光学镜面口径大、少轴、可重构，计算简单、精度高、稳定性好、通用性强。本发明是通过以下技术方案实现的人机交互模块接受用户的输入，约束条件构造模块通过数据库接口获取磨床参数数据库和工艺参数数据库的信息，结合人机交互模块的输入，构造系统约束条件；工艺步骤与工艺参数生成模块根据所述约束条件构造模块提供的系统约束条件确定磨削的工艺步骤与工艺参数；砂轮几何参数重构模块根据约束条件构造模块、工艺步骤与工艺参数生成模块提供的参数计算砂轮的几何参数；虚拟轴生成模块根据约束条件构造模块和工艺步骤与工艺参数生成模块提供的参数构造系统的两个虚拟旋转轴；少轴轨迹规划与局部干涉检查模块根据虚拟轴生成模块、工艺步骤与工艺参数生成模块提供的参数生成无局部干涉的砂轮磨削运动路径；砂轮磨损预测与轨迹修正模块根据砂轮几何参数重构模块、少轴轨迹规划与局部干涉检查模块提供的参数预测砂轮磨削 过程中几何参数及轮廓的变化并获得砂轮运动轨迹的修正量；少轴加工代码生成模块根据砂轮磨损预测与轨迹修正模块、工艺步骤与工艺参数生成模块、少轴轨迹规划与局部干涉检查模块提供的参数生成磨床数控系统的加工代码；少轴超精密数控磨床执行模块通过数控系统通信接口从少轴加工代码生成模块获得加工代码，完成光学镜面的加工；砂轮整形修锐模块根据砂轮几何参数重构模块输入的砂轮几何参数对砂轮进行整形、修锐，为少轴超精密数控磨床执行模块提供满足尺寸及工艺要求的砂轮；镜面质量检测模块检测少轴超精密数控磨床执行模块加工的镜面质量，判定是否达到加工要求，并且将本次磨削工艺参数输入到磨削工艺数据库模块，将镜面质量指标输入到砂轮磨损预测与轨迹修正模块提高下一次砂轮磨损预测的准确性；磨床参数数据库记录少轴超精密数控磨床执行模块的特征参数。以下对本发明方法做进一步说明，具体内容如下人机交互模块，其作用是接受用户的输入并显示系统运行的中间结果。用户的输入包括光学镜面毛坯材料、尺寸、光学镜面的几何形状的数学表达式以及加工完成后镜面要达到的面形精度和表面粗糙度。系统运行的中间结果包括砂轮的几何参数、虚拟轴的位置、砂轮在空间中的运动轨迹、砂轮轮廓因磨损而随时间变化的过程、数控系统的加工代码、磨削工艺步骤与工艺参数以及磨削过程中间曲面几何形状的数学表达式。磨床参数数据库模块，其作用是记录少轴超精密数控磨床的特征，包括磨床的几何尺寸参数、各轴运动的极限位置、各轴的最高和最低运行速度和加速度、磨床的一阶模态频率以及磨床的静态刚度。磨削工艺参数数据库模块，其作用是记录磨削条件、使用的工艺参数以及达到的镜面质量。磨削条件指光学镜面毛坯材料、砂轮的属性以及冷却液类型。砂轮的属性是指砂轮的磨粒类型、结合剂类型、磨粒大小和浓度。工艺参数是指主轴转速、砂轮线速度、砂轮进给速度及砂轮的磨削深度。镜面质量是指镜面的面形精度和表面粗糙度。约束条件构造模块，其作用是根据人机交互模块、磨削工艺参数数据库模块以及磨床参数数据库模块来构造系统约束条件。约束条件构造模块为砂轮几何参数重构模块提供系统约束条件，包括磨床的模态频率、磨削线速度、光学镜面的几何表达式、面形精度与表面粗糙度；为工艺步骤与工艺参数生成模块提供的相同或相似镜坯材料、相同或相近镜面目标质量条件下的工艺参数；以及为虚拟轴生成模块提供的磨床的几何尺寸参数及各轴运动的极限位置。砂轮几何参数重构模块，其作用是根据约束条件构造模块和工艺步骤与工艺参数生成模块提供的参数，重构砂轮的几何参数。本发明中砂轮从大的形状分类来说，为环面砂轮，砂轮几何参数包括砂轮直径、砂轮切削半径、砂轮边界角以及砂轮轴倾角，砂轮轴倾角与机床主轴倾角相同，上述四个几何参数可以完全确定砂轮的几何形状。砂轮直径的选择，根据磨削工艺的要求，砂轮在磨削点处的线速度是已知的，机床的模态也是固定的，机床主轴的旋转频率要小于机床一阶模态频率，这样可以获得良好的动态效果，那么砂轮的直径就可以由旋转频率、线速度计算出来。砂轮切削半径的选择，根据局部不干涉的要求，砂轮的切削半径要小于待磨削工 件最大曲率半径，用这个要求限制砂轮切削半径的上限。砂轮切削半径的下限则受磨削材料去除率限制。磨削中，磨削材料去除率作为一项指标，必须大于某个值。磨削材料去除率随着切削半径的增大而增大。最后选择的砂轮的切削半径只要在其上下限中就可以。砂轮轴倾角的选择，砂轮轴的倾斜角也就是磨床主轴的倾斜角。理论上砂轮轴倾角的变化范围是0°到90°，对于确定的待加工工件，砂轮轴倾角与磨削点在砂轮圆周方向上的分布角度有确定的函数关系。磨削点在砂轮圆周方向上的分布角度越宽，局部干涉的可能性越大，但是磨损越均匀。综合干涉和磨损两者的因素，选定一个磨削点在砂轮圆周方向上的分布角度，在砂轮轴倾斜角与磨削点在砂轮圆周方向上的分布角度的函数关系图上可以得到砂轮轴倾斜角的值。砂轮边界角的选择，将砂轮曲面和待加工工件曲面同时做高斯映射，保证待加工工件曲面的高斯映射的像域在砂轮曲面的高斯映射的像域内，根据这一条件，计算出砂轮边界角。虚拟轴生成模块，在少轴超精密磨床的三移动轴之外，根据砂轮几何参数重构模块提供的砂轮几何参数和约束条件构造模块提供的磨床的几何尺寸参数及各轴运动的极限位置，虚拟出两个几何位置确定的旋转轴，获得虚拟五轴磨床，从运动学的角度所述虚拟五轴磨床与实际五轴磨床等价。少轴轨迹规划与干涉检查模块，在虚拟轴生成模块提供的虚拟五轴磨床的基础上，根据工艺步骤与工艺参数生成模块提供的磨削过程中间曲面的几何性质，确定工件表面上刀触点轨迹的形式，如果工件曲面不具有轴对称结构，则选用Z字形刀触点轨迹。所谓Z字形刀触点轨迹，是指用一系列竖直的平行平面与待加工工件相交，获得的一系列交线形成的轨迹。如果工件曲面具有轴对称结构，则选用螺旋形的刀触点轨迹。工件表面上相邻轨迹行间距的计算，对于相邻轨迹上两个对应点，它们之间的最大距离为这两点之间有效切削宽度的和。螺旋形刀触点轨迹相邻轨迹行间距就是以上所述最大距离，Z字形刀触点轨迹相邻轨迹行间距则是相邻轨迹上所有对应点之间最大距离的最小值。砂轮运动轨迹上点的坐标的计算，在所述虚拟五轴磨床的基础上，根据工件曲面上刀触点的坐标和法向量，计算出所述虚拟五轴磨床各轴的值。三移动轴的值即为砂轮运动轨迹上点在工件坐标系下的位置，两虚拟旋转轴的值表示了刀触点在砂轮表面上的位置。局部干涉检查，根据磨削点处砂轮曲面与待加工工件曲面的离差值进行局部干涉检查。如果在磨削点处砂轮曲面与工件曲面的共切面内沿各个方向的离差都不小于零，则局部干涉不存在，否则，局部干涉存在。砂轮磨损预测与轨迹修正模块，其作用是在砂轮几何参数重构模块提供的砂轮几何参数的基础上，预测砂轮的轮廓随时间的变化，并根据少轴轨迹规划与局部干涉检查模块提供的砂轮运动轨迹获得因砂轮磨损而产生的位置修正量。加工过程中砂轮磨损预测的准确程度可以通过镜面质量检测模块提供的镜面面形精度来判断。如果预测偏差过大，则根据面形精度值修正砂轮磨损预测的过程中的参数，进一步提高砂轮磨损预测的准确性。 少轴加工代码生成模块，将少轴轨迹规划与局部干涉检查模块提供的砂轮运动轨迹和砂轮磨损预测与轨迹修正模块提供的位置修正量结合起来，获得修正后的砂轮运动轨迹。砂轮运动轨迹采用离散点的表达形式，数控系统无法直接利用，所以将离散点轨迹转换为数控磨床加工用的G代码。G代码中的砂轮进给速度与主轴转速由工艺步骤与工艺参数生成模块提供。根据数控系统的类型和能力，既可以转化为直线插补类型的G代码，也可以转化为样条插补类型的G代码。工艺步骤与工艺参数生成模块，作用是根据约束条件构造模块提供的约束条件，根据相同或相似镜坯材料、相同或相近镜面目标质量条件下的已有的工艺参数确定本次磨削的工艺步骤和各步骤采用的工艺参数。工艺步骤是指粗加工、半精加工以及精加工的磨削顺序以及所产生的中间曲面几何形状的数序表达式。粗加工、半精加工以及精加工下工艺参数要分别确定。少轴超精密数控磨床执行模块，采用三移动轴配置，可避免采用旋转轴带来的径向跳动误差。其中Y轴采用拱形双梁形式，可以极大的提高系统的整体刚度。主轴位于双梁之间,主轴倾斜角度可调,主轴倾斜角度根据不同的工件曲面由本发明系统重构。本发明系统可加工最大2m 口径的超精S光学镜面。砂轮整形修锐模块，其作用是根据砂轮几何参数重构模块提供的砂轮几何参数，对砂轮进行轮廓的整形，以达到规定的几何尺寸，对砂轮进行修锐，使砂轮更锋利，改善切削的效果。如果砂轮磨损过于严重，与原有轮廓偏离过大时，使用砂轮整形修锐模块对砂轮重新整形修锐。镜面质量检测模块，其作用是检测光学镜面加工后的表面质量，包括面形精度和表面粗糙度。镜面质量检测的结果与本次磨削的磨削条件、磨削工艺参数一起被记录到磨削工艺数据库模块，为以后磨削工艺参数的确定提供依据。本发明与现有技术相比，提供了一套完整的可重构超精密大型光学镜面磨削系统，在本发明的少轴超精密数控磨床上，针对自由曲面，口径最大2m的光学镜面，可对砂轮几何参数和机床主轴倾斜角度进行重构；针对工件曲面的性质，可对砂轮的运动轨迹进行重构；针对不同类型的数控系统，可对加工用的G代码进行重构。针对砂轮磨削过程中的磨损，可对砂轮运动轨迹进行补偿。本发明系统可针对任意光学镜面，通过生成虚拟轴，充分利用五轴磨床的灵活性，同时发挥了少轴磨床高刚性大阻尼的优势，并且具备砂轮磨损预测修正能力，显著提高了加工精度。本发明系统具有可加工光学镜面口径大、少轴、可重构、效率高、精度高、稳定性好、适应性强的特点。
图I是本发明的系统的示意框2是本发明中的少轴超精密数控磨床执行模块的少轴超精密数控磨床的结构以及安装在该少轴超精密数控磨床上的整形修锐模块与镜面质量检测模块。图3是本发明中的砂轮几何参数重构模块的环形砂轮截面、砂轮的各几何参数及虚拟轴生成模块中的虚拟轴。
具体实施例方式如图所示，下面结合附图详细说明本发明的具体实施方案。 图I是本发明的系统的示意框图。图中101为计算机A，102为计算机B，200为工作站计算机。首先用户通过人机交互接口，指定待加工光学镜面毛坯材料、尺寸，光学镜面几何形状的数学表达式，加工完成后镜面要达到的面形精度和表面粗糙度。在系统运行过程中，通过人机交互接口，查看系统运行的中间结果，包括砂轮的几何参数，虚拟轴的位置，砂轮在空间中的运动轨迹，砂轮轮廓因磨损而随时间变化的过程，数控系统的加工代码，磨削工艺步骤与工艺参数，磨削过程中间曲面几何形状的数学表达式。磨床参数数据库模块记录了少轴超精密数控磨床的特征，包括磨床的几何尺寸参数，各轴运动的极限位置，各轴的最高、最低运行速度、加速度，磨床的一阶模态频率，磨床的静态刚度。磨削工艺参数数据库模块记录了磨削条件、使用的工艺参数、达到的镜面质量。所述磨削条件指光学镜面毛坯材料、砂轮的属性、冷却液的类型。所述砂轮的属性是指砂轮的磨粒类型、结合剂类型、磨粒大小、浓度。所述工艺参数是指主轴转速、砂轮线速度、砂轮进给速度、砂轮的磨削深度。所述镜面质量是指镜面的面形精度和表面粗糙度。然后在约束条件构造模块内根据人机交互模块、磨削工艺参数数据库模块、磨床参数数据库模块构造系统约束条件。所述系统约束条件是指为砂轮几何参数重构模块提供的约束条件包括磨床的模态频率、磨削线速度、光学镜面的几何表达式、面形精度与表面粗糙度，为工艺步骤与工艺参数生成模块提供的相同或相似镜坯材料、相同或相近镜面目标质量条件下的工艺参数，为虚拟轴生成模块提供的磨床的几何尺寸参数、各轴运动的极限位置。然后在工艺步骤与工艺参数生成模块中根据约束条件构造模块提供的约束条件，根据相同或相似镜坯材料、相同或相近镜面目标质量条件下的已有的工艺参数确定本次磨削的工艺步骤和各步骤采用的工艺参数。所述工艺步骤是指粗加工、半精加工以及精加工的磨削顺序以及所产生的中间曲面几何形状的数学表达式。粗加工、半精加工以及精加工下工艺参数分别确定。然后在砂轮几何参数重构模块中，根据系统约束条件，按照下列步骤实现模块功能，第一步，限定砂轮的形状为环面；第二步，根据磨床的一阶模态频率和砂轮在磨削点的线速度，计算出砂轮直径；第三步,根据磨削点的材料去除率要求和工件上曲率半径的最大值，计算砂轮切削半径；第四步，跟据砂轮不干涉与均匀磨损的要求，定出磨削点在砂轮圆周方向上的分布角度，计算出砂轮轴倾角；第五步，根据加工工件曲面的高斯映射的像域在砂轮曲面的高斯映射的像域内，计算出砂轮边界角。然后在虚拟轴生成模块中，除少轴超精密磨床的三移动轴之外，根据所述砂轮几何参数重构模块提供的砂轮几何参数和约束条件构造模块提供的磨床的几何尺寸参数、各轴运动的极限位置，虚拟出两个几何位置确定的旋转轴，获得虚拟五轴磨床，从运动学的角度所述虚拟五轴磨床与实际五轴磨床等价。然后在少轴轨迹规划与干涉检查模块中，在所述虚拟轴生成模块提供的虚拟五轴磨床的基础上，在所述约束条件下，按照下列步骤实现模块功能第一步，根据所述工艺步骤与工艺参数生成模块提供的磨削过程中间曲面的几何 性质，确定工件表面上刀触点轨迹的形式，如果工件曲面不具有轴对称结构，则选用Z字形刀触点轨迹。所谓Z字形刀触点轨迹，是指用一系列竖直的平行平面与待加工工件相交，获得的一系列交线形成的轨迹。如果工件曲面具有轴对称结构，则选用螺旋形的刀触点轨迹。第二步计算工件表面上相邻轨迹行间距。对于相邻轨迹上两个对应点，它们之间的最大距离为这两点之间有效切削宽度的和。螺旋形刀触点轨迹相邻轨迹行间距就是以上所述最大距离，Z字形刀触点轨迹相邻轨迹行间距则是相邻轨迹上所有对应点之间最大距离的最小值。第三步，在所述虚拟五轴磨床的基础上，根据工件曲面上刀触点的坐标和法向量，计算出所述虚拟五轴磨床各轴的值。三移动轴的值即为砂轮运动轨迹上点在工件坐标系下的位置，两虚拟旋转轴的值表示了刀触点在砂轮表面上的位置。第四步，根据磨削点处砂轮曲面与待加工工件曲面的离差值进行局部干涉检查。具体方法是如果在磨削点处砂轮曲面与工件曲面的公切面内沿各个方向的离差都不小于零，则局部干涉不存在，否则，局部干涉存在。然后在砂轮磨损预测与轨迹修正模块中，在所述砂轮几何参数重构模块提供的砂轮几何参数的基础上，预测砂轮的轮廓随时间的变化，并根据所述少轴轨迹规划与局部干涉检查模块提供的砂轮运动轨迹获得因砂轮磨损而产生的位置修正量。加工过程中砂轮磨损预测的准确程度可以通过镜面质量检测模块提供的镜面面形精度来判断。如果预测偏差过大，则根据面形精度值修正砂轮磨损预测的过程中的参数，进一步提高砂轮磨损预测的准确性。然后在少轴加工代码生成模块中，将所述少轴轨迹规划与局部干涉检查模块提供的砂轮运动轨迹和所述砂轮磨损预测与轨迹修正模块提供的位置修正量结合起来，获得修正后的砂轮运动轨迹。砂轮运动轨迹采用离散点的表达形式，数控系统无法直接使用，所以将离散点轨迹转换为数控磨床加工用的G代码。G代码中的砂轮进给速度与主轴转速由工艺步骤与工艺参数生成模块提供。根据数控系统的类型和能力，既可以转化为直线插补类型的G代码，也可以转化为样条插补类型的G代码。然后在少轴超精密数控磨床执行模块中，少轴超精密数控磨床采用三移动轴配置，可避免采用旋转轴带来的径向跳动误差。其中Y轴采用拱形双梁形式，可以极大的提高系统的整体刚度。主轴位于双梁之间,主轴倾斜角度可调,主轴倾斜角度根据不同的工件曲面由本发明系统重构。本发明的系统可加工最大2m 口径的超精密光学镜面。
然后在砂轮整形修锐模块中，根据砂轮几何参数重构模块提供的砂轮几何参数，对砂轮进行轮廓的整形，以达到规定的几何尺寸，对砂轮进行修锐，使砂轮更锋利，改善切削的效果。如果砂轮磨损过于严重，与原有轮廓偏离过大时，使用砂轮整形修锐模块对砂轮重新整形修锐。最后在镜面质量检测模块中，检测光学镜面加工后的表面质量，包括面形精度和表面粗糙度。镜面质量检测的结果与本次磨削的磨削条件、磨削工艺参数一起记录到磨削工艺数据库模块，为以后磨削工艺参数的确定提供依据。图2是本发明中的少轴超精密数控磨床执行模块的少轴超精密数控磨床的结构以及安装在该少轴超精密数控磨床上的整形修锐模块与镜面质量检测模块。磨床整体结构采用三移动轴的形式。图2中1、3、6分别为磨床的X轴、Y轴、Z轴。Y轴采用拱形双梁结构。图2中5为磨床主轴，主轴位于双梁之间，主轴倾斜角度可在双梁之间的平面内调整。图2中4为安装在主轴上的砂轮，2为砂轮整形修锐模块，7为镜面质量检测模块。
图3示出了环形砂轮的截面、砂轮的各几何参数及两个虚拟轴的位置。图中砂轮轴线与竖直方向的夹角β即为砂轮轴倾斜角，也就是磨床主轴的倾斜角。Dw表示砂轮的直径，Rc则是砂轮的切削半径，在图3截面内，O。是R。的一个圆心。Ot-XtYtZt表示工件坐标系，本发明中轨迹规划获得一系列离散点就是指工件坐标系原点Ot的坐标。Om-XmYmZm指工件坐标系，Y I与Y 2为砂轮的边界角。Aax1s与BAxis为少轴磨床的两个虚拟旋转轴，其中Aax1s的旋转轴为砂轮的轴线，BAxis的旋转轴通过O。点，且垂直于图3截面，BAxis固定在AAxis上，随Ahxis运动。Ahxis固定在Z轴上，随Z轴运动。
权利要求
1.一种可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，其特征是，包括 磨床参数数据库模块，用于记录少轴超精密数控磨床的参数； 磨削工艺数据库模块，用于记录磨削条件、使用的工艺参数、可达到的镜面质量； 人机交互模块，用于接受用户的输入并显示系统运行的中间结果； 约束条件构造模块，用于结合所述人机交互模块以及从数据库接口获取的所述磨床参数数据库和所述磨削工艺数据库中记录的信息，提供磨削系统的系统约束条件； 工艺步骤与工艺参数生成模块，用于根据系统约束条件来确定磨削的工艺步骤与工艺参数； 砂轮几何参数重构模块，用于在所述系统约束条件的基础上重构砂轮几何参数； 虚拟轴生成模块，用于根据砂轮几何参数和系统约束条件，虚拟出两个几何位置确定的旋转轴； 少轴轨迹规划与局部干涉检查模块，用于在所述虚拟轴生成模块提供的所述几何位置确定的旋转轴以及根据所述工艺步骤与工艺参数生成模块提供的磨削过程中间曲面的几何性质，重构砂轮的运动轨迹，生成无局部干涉的砂轮磨削运动轨迹； 砂轮磨损预测与轨迹修正模块，用于根据所述砂轮几何参数重构模块提供的砂轮几何参数和所述少轴轨迹规划与局部干涉检查模块提供的砂轮运动轨迹，预测砂轮磨削过程中几何参数与轮廓的变化并获得砂轮运动轨迹的修正量； 少轴加工代码生成模块，用于根据所述少轴轨迹规划与局部干涉检查模块提供的砂轮运动轨迹、所述砂轮磨损预测与轨迹修正模块提供的砂轮运动轨迹修正量以及所述工艺步骤与工艺参数生成模块提供的磨床主轴转速和砂轮进给速度，生成磨床数控系统的加工代码； 少轴超精密数控磨床执行模块，用于通过所述少轴加工代码生成模块提供的加工代码，对光学镜面进行加工； 砂轮整形修锐模块，用于根据所述砂轮几何参数重构模块提供的砂轮几何参数，对砂轮进行轮廓的整形 '及 镜面质量检测模块，用于在加工过程中为所述砂轮磨损预测与轨迹修正模块提供镜面面形精度，以及在加工后检测光学镜面的表面质量，并将结果与当次磨削的磨削条件和磨削工艺参数一起记录到所述磨削工艺数据库模块。
2.根据权利要求I所述的可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，其特征在于，所述少轴超精密数控磨床执行模块具有采用三移动轴形式的磨床，其采用拱形双梁形式，主轴位于双梁之间，所述主轴的倾斜角度可调，可加工最的超精密光学镜面的最大口径为2m ；所述少轴超精密数控磨床执行模块通过数控系统通信接口从所述少轴加工代码生成模块获得加工代码以对光学镜面进行加工。
3.根据权利要求I或2所述的可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，其特征在于，所述约束条件构造模块根据所述人机交互模块、所述磨削工艺参数数据库模块以及所述磨床参数数据库模块来构造系统约束条件；所述约束条件构造模块为所述砂轮几何参数重构模块提供系统约束条件，包括磨床的模态频率、磨削线速度、光学镜面的几何表达式、面形精度与表面粗糙度；为所述工艺步骤与工艺参数生成模块提供的相同或相似镜坯材料、相同或相近镜面目标质量条件下的工艺参数；以及为所述虚拟轴生成模块提供磨床的几何尺寸参数及各轴运动的极限位置。
4.根据权利要求I所述的可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，其特征在于，所述工艺步骤与工艺参数生成模块根据所述约束条件构造模块提供的系统约束条件，根据相同或相似镜坯材料、相同或相近镜面目标质量条件下的已有的工艺参数确定当次磨削的工艺步骤和各步骤采用的工艺参数。
5.根据权利要求I所述的可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，所述砂轮几何参数重构模块用于重构砂轮几何参数，其特征在于根据磨削工艺确定的磨削线速度、机床的模态，获得砂轮的直径；根据局部不干涉和磨削材料去除率下限的要求确定砂轮的切削半径；根据磨削点在砂轮圆周方向上的分布角度和局部不干涉的要求，确定砂轮轴倾斜角，砂轮轴的倾斜角即是磨床主轴的倾斜角；根据待加工工件曲面的高斯映射的像域在砂轮曲面的高斯映射的像域内的要求，获得砂轮边界角。
6.根据权利要求I所述的可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，其特征在于，所述虚拟轴生成模块，根据所述砂轮几何参数重构模块提供的砂轮几何参数和所述约束条件构造模块提供的磨床的几何尺寸参数、各轴运动的极限位置，虚拟出两个几何位置确定的旋转轴，获得虚拟五轴磨床，从运动学的角度所述虚拟五轴磨床与实际的五轴磨床等效。
7.根据权利要求I所述的可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，其特征在于，所述少轴轨迹规划与干涉检查模块用于根据工件曲面的几何性质，工件表面刀触点的轨迹选用Z字形或者螺旋形，根据磨削点处的有效磨削宽度，确定相邻刀触点轨迹的行间距，根据虚拟五轴磨床，计算磨削点在砂轮曲面上的位置及砂轮在工件坐标系中的坐标，根据磨削点处的工件曲面与砂轮曲面的离差值，判断是否局部干涉。
8.根据权利要求I所述的可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，其特征在于，所述砂轮磨损预测修正模块在所述砂轮几何参数重构模块提供的砂轮几何参数的基础上，预测砂轮的轮廓随时间的变化，并根据所述少轴轨迹规划与局部干涉检查模块提供的砂轮运动轨迹获得因砂轮磨损而产生的位置修正量；加工过程中砂轮磨损预测的准确程度可以通过所述镜面质量检测模块提供的镜面面形精度来判断。
9.根据权利要求I所述的可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，其特征在于，所述少轴加工代码生成模块将所述少轴轨迹规划与局部干涉检查模块提供的砂轮运动轨迹和所述砂轮磨损预测与轨迹修正模块提供的位置修正量结合起来，获得修正的砂轮运动轨迹；所述砂轮运动轨迹采用离散点的表达形式，将离散点轨迹转换为数控磨床加工用的G代码；G代码中的砂轮进给速度与主轴转速由所述工艺步骤与工艺参数生成模块提供；根据数控系统的类型和能力，既可以转化为直线插补类型的G代码，也可以转化为样条插补类型的G代码。
全文摘要
一种可重构少轴超精密大型光学镜面磨削系统，包括磨床参数数据库模块、磨削工艺数据库模块、人机交互模块、约束条件构造模块，砂轮几何参数重构模块，虚拟轴生成模块，少轴轨迹规划与局部干涉检查模块，砂轮磨损预测与轨迹修正模块、少轴加工代码生成模块、工艺步骤与工艺参数生成模块、少轴超精密数控磨床执行模块、镜面质量检测模块、砂轮整形修锐模块。针对不同加工要求，可快速重构磨削工艺参数、砂轮几何参数、磨床主轴倾斜角度、砂轮运动轨迹以及加工代码，并对砂轮磨损进行预测补偿。本发明系统具有可加工光学镜面口径大、少轴、可重构、效率高、精度高、稳定性好、适应性强的特点。
文档编号B24B49/18GK102794688SQ20121028501
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月10日 优先权日2012年8月10日
发明者殷跃红, 姜振华, 洪海波, 徐勇, 王乾人 申请人:上海交通大学