一种杯型圆弧砂轮高效精密在位修整方法和装置与流程

本发明涉及光学元件成形加工技术领域，更具体的说是涉及一种杯型圆弧砂轮高效精密在位修整方法和装置。

背景技术：

目前，大型光学系统对大口径高陡度非球面光学元件的面形精度和表面粗糙度均提出了很高的要求，利用杯型圆弧砂轮采用横向螺旋线加工方式具有很高的加工效率和加工稳定性，砂轮的形状精度、尺寸精度和表面质量，以及对元件加工精度和加工轨迹计算将直接影响元件加工面形精度、表面粗糙度和亚表面缺陷，因此砂轮的高效、高精度、高质量修整变得尤为重要。

对于砂轮的修整多采用电火花修整、在线电解修整方法和杯形工具球面包络式修整方法，但是电火花修整、在线电解修整方法只适用于金属基砂修整，并且采用电火花修整多为离线修整，砂轮反复装夹不可避免带来误差，且修整后的砂轮表面质量差，难以控制元件加工亚表面缺陷；采用在线电解修整方法修整精度难以控制，一般用于修锐；采用杯形工具球面包络式修整方法修整，可以修整任意结合剂砂轮，但操作复杂、对修整器刚度要求较高、修整效率较低。上述修整方法均存在修整范围小，难以实现180°包角圆弧砂轮修整的问题。

因此，如何实现180°包角的杯型圆弧砂轮高效、高精度和高质量的在位修整是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种杯型圆弧砂轮高效精密在位修整方法和装置，可实现180°包角的杯型圆弧砂轮高效、高精度和高质量在位修整，从而可实现对大口径高陡度非球面光学元件的高效、超精密和低缺陷成形加工。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种杯型圆弧砂轮高效精密在位修整方法，包括以下步骤：

步骤1：测量平面修整砂轮半径；

步骤2：根据平面修整砂轮半径对机床进行修整，实现平面修整砂轮和杯型圆弧砂轮的对刀；

步骤3：设定修整参数，机床根据修整参数利用所述平面修整砂轮采用轮廓复印原理对杯型圆弧砂轮进行修整。

优选的，所述步骤1中测量平面修整砂轮半径的具体过程为：

步骤11：三轴联动数控机床包括x、y和z轴，将位移传感器固定在机床主轴上，并利用机床手轮移动机床x轴和z轴，将所述位移传感器移动到所述平面修整砂轮圆周面最高点处，位移传感器读数为位移传感器与平面修整砂轮圆周面最高点处的相对位置，移动机床z轴，使位移传感器读数为0，记录当前机床坐标值(x1，z1)；

步骤12：移动机床x轴，移动距离范围为30mm～80mm，移动机床z轴使位移传感器读数为0，记录当前的机床坐标值(x2，z2)；

步骤13：根据两次机床坐标值计算平面修整砂轮半径，计算公式如下：

优选的，所述步骤2中采用分中法对刀，分别对机床y轴方向、x轴方向和z轴方向进行对刀，提高杯型圆弧砂轮的修整精度，其中对刀过程具体为：

步骤21：y方向对刀；令杯型圆弧砂轮与平面修整砂轮低速自转，利用机床手轮移动机床y轴，使杯型圆弧砂轮圆弧面与平面修整砂轮一端面接触，将此时机床z轴和y轴坐标设置为0；保持机床x轴不动，移动机床z轴，使杯型圆弧砂轮高于平面修整砂轮后，移动机床y轴，使杯型圆弧砂轮越过平面修整砂轮，且远离平面修整砂轮另一端面3mm～5mm；再移动机床z轴到0，然后保持机床x轴和z轴坐标不动，移动机床y轴使杯型砂轮圆弧面与平面修整砂轮另一端面接触，此时机床y轴坐标为y3，将机床y坐标设置为y3/2；此时如果移动y轴使y轴坐标为0，则杯型圆弧砂轮回转轴线和平面修整砂轮圆周面中心在同一平面内；z轴坐标为0时，杯型圆弧砂轮圆弧的圆心高度位于平面修整砂轮端面圆中心处；

步骤22：x方向对刀；令杯型圆弧砂轮与平面修整砂轮低速自转，将机床y轴移动到0坐标位置，利用机床手轮移动机床x轴，使杯型圆弧砂轮圆弧面与平面修整砂轮圆周面一侧接触，将此时机床x轴坐标设置为0；然后保持机床y轴坐标不动，移动机床z轴，使杯型圆弧砂轮高于平面修整砂轮后，移动机床x轴，使杯型圆弧砂轮越过平面修整砂轮，且远离平面修整砂轮圆周面另一侧3mm～5mm；再移动机床z轴至原位置，保持机床y轴和z轴坐标不动，移动机床x轴使杯型砂轮圆弧面与平面修整砂轮圆周面另一侧接触，此时机床x轴坐标为x3，将机床x坐标设置为[x3/2+(d/2-rw)]，x3≤0，或者设置为[x3/2-(d/2-rw)]，x3>0，其中d和rw分别为杯型圆弧砂轮直径和圆弧修整半径；

步骤23：z方向对刀；令杯型圆弧砂轮与平面修整砂轮低速自转，将机床x轴和y轴移动到0坐标位置，利用机床手轮移动机床z轴，使杯型圆弧砂轮底面与平面修整砂轮圆周面接触，将此时z轴坐标设置为rw+rgc。

优选的，所述步骤3中采用轮廓复印原理对杯型圆弧砂轮进行修整，控制杯型圆弧砂轮在机床xz平面做圆弧插补往复运动，同时在y向做往复运动，完成对杯型圆弧砂轮的修整，其中圆弧插补运动轨迹如下式所示：

式中：i为当前修整细分数；j为当前修整次数；h为平面修整砂轮宽度；dp为修整进给量；m为修整细分数；

步骤31：对三轴联动数控机床设置参数；在机床数控程序中输入平面修整砂轮半径rgc、杯型圆弧砂轮圆弧半径rw、杯型圆弧砂轮圆弧包角θ、平面修整砂轮转速ngc、杯型圆弧砂轮转速nw、进给速度v、修整细分数m、修整进给量dp和修整次数n；

步骤32：按照设定参数计算所述杯型圆弧砂轮的圆弧插补运动轨迹，运行机床数控程序，令杯型圆弧砂轮和平面修整砂轮自转，控制机床x轴、y轴和z轴按照圆弧插补运动轨迹进行移动实现初始修整；

在初始修整的同时，进行修整液循环过滤，运行机床数控程序，控制修整液循环过滤系统工作，水泵将修整液存储罐里含有矿物油的过滤水泵出，经过过滤器过滤后喷淋到杯型圆弧砂轮和平面修整砂轮表面的接触位置，再经由接水盘自然回流到修整液存储罐中；

步骤33：对杯型圆弧砂轮形貌进行在位监测；

令杯型圆弧砂轮低速自转，采用机床主轴上的位移传感器沿z轴方向低速进给，测量获得杯型圆弧砂轮表面三维形貌，并计算杯型圆弧砂轮轮廓偏差；

步骤34：根据杯型圆弧砂轮轮廓偏差对所述杯型圆弧砂轮进行补偿修整；

若杯型圆弧砂轮轮廓偏差大于2μm，则将杯型圆弧砂轮轮廓偏差δz作为补偿量叠加到圆弧插补运动轨迹中，直至杯型圆弧砂轮轮廓偏差小于或等于2μm，补偿修整运动轨迹如下式所示：

式中：k为预先设定的修整系数，取值在0～1之间；θ为杯型圆弧砂轮圆弧包角；i为当前修整细分数；m为修整细分数；x0,y0,z0分别为补偿修整后的运动轨迹坐标值。

一种杯型圆弧砂轮高效精密在位修整装置，包括，三轴联动数控机床、砂轮修整器、平面修整砂轮和修整液循环过滤系统；其中，所述砂轮修整器安装在所述三轴联动数控机床的机床工作台上，所述平面修整砂轮通过法兰固定在所述砂轮修整器主轴上，杯型圆弧砂轮安装在所述三轴联动数控机床的机床主轴上；机床主轴和机床工作台上均安装有位移传感器，能够测量与杯型圆弧砂轮表面的距离；

所述修整液循环过滤系统包括接水盘、修整液回收管、修整液喷淋管水泵、过滤器和修整液存储罐；所述修整液回收管一端连通所述接水盘底部，另一端连通所述修整液存储罐的进液口；所述修整液存储罐的出液口通过水泵连接所述过滤器的进液口，所述过滤器的出液口连通所述修整液喷淋管的一端，所述修整液喷淋管的另一端固定在所述接水盘上方开口；所述接水盘包绕所述平面修整砂轮和所述杯型圆弧砂轮；所述三轴联动数控机床进行x、y和z轴方向移动。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种杯型圆弧砂轮高效精密在位修整方法和装置，实现杯型圆弧砂轮高效精密在位修形和修锐，将三轴联动数控机床和单回转轴砂轮修整器有机结合起来用于杯型圆弧砂轮修整，通过机床数控系统控制机床x直线轴和z直线轴进行圆弧包络插补，可实现杯型砂轮任意包角圆弧的高效高精度在位修整，同时控制y直线轴匀速进给运动，可保证平面修整砂轮圆周面的平整性，避免杯型圆弧砂轮在平面修整砂轮正上方修整时去除量急剧增大，保证了杯型圆弧砂轮的修整精度。机床还设置有修整液循环过滤系统，修整过程中修整液循环过滤系统在修整位置连续喷淋和回收含矿物油的过滤水，起到降温、润滑和带走硬质颗粒物的作用。本发明可实现小于180°包角的杯型圆弧砂轮高效在位精密修整，修整精度优于2μm。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的修整装置结构示意图；

图2附图为本发明提供的修整装置局部放大示意图；

图3附图为本发明提供的杯型圆弧砂轮修整动作过程正面示意图；

图4附图为本发明提供的杯型圆弧砂轮修整动作过程侧面示意图；

图5附图为本发明提供的平面修整砂轮半径测量示意图；

图6附图为本发明提供的y方向对刀示意图；

图7附图为本发明提供的x方向对刀示意图；

图8附图为本发明提供的z方向对刀示意图；

图9附图为本发明提供的杯型圆弧砂轮形貌在位监测示意图；

图10附图为本发明提供的杯型圆弧砂轮补偿修整运动过程示意图。

附图中：1—砂轮修整器；2—法兰；3—机床主轴；4—杯型圆弧砂轮；5—平面修整砂轮；6—砂轮修整器主轴；7—接水盘；8—修整液回收管；9—修整液喷淋管；10—过滤器；11—水泵；12—修整液存储罐；13—机床工作台；14—位移传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种杯型圆弧砂轮高效精密在位修整方法。

实施例1

一种杯型圆弧砂轮高效精密在位修整方法修整步骤如下：

s1：平面修整砂轮半径测量；其中，三轴联动数控机床可以进行x轴、y轴和z轴方向移动，移动机床x轴或y轴，即为将机床工作台沿向x方向或y方向移动，移动机床z轴则为将机床主轴沿z方向移动；

如图5所示，将位移传感器14固定在机床主轴3任意位置上，杯型圆弧砂轮4轴线与机床主轴3轴线重合固定，利用手轮移动机床x轴和z轴，将位移传感器14移动到平面修整砂轮5圆周面最高点，移动机床z轴，使位移传感器读数为0，记录此时的机床坐标值(x1，z1)，然后将移动机床x轴移动一定距离，移动距离范围为30mm～80mm，移动机床z轴使位移传感器读数为0，记录此时机床轴坐标值(x2，z2)，根据两次机床x/y/z机床坐标值计算平面修整砂轮半径，计算公式如下：

此种方法，采用位移传感器和机床直线轴运动实现对平面修整砂轮半径测量，高精度的位移传感器和机床直线轴有利于半径检测的准确性；

s2：修整对刀；

如图6-8所示，采用分中法对刀，提高杯型圆弧砂轮4的修整精度，此种方法，利用杯型圆弧砂轮4与平面修整砂轮5轮廓和机床直线轴运动实现机床对刀，保证对刀精度在4μm以内，其中杯型圆弧砂轮4安装在机床主轴3上，平面修整砂轮5安装在砂轮修整器主轴6上，砂轮修整器1安装在机床工作台13上，其对刀的具体方法如下：

s21：y方向对刀：杯型圆弧砂轮4与平面修整砂轮5低速自转，利用手轮移动机床y轴，使杯型圆弧砂轮4圆弧面与平面修整砂轮5一端面接触，将此时机床z轴和y坐标设置为0；保持机床x轴不动，移动机床z轴，使杯型圆弧砂轮高于平面修整砂轮后，移动机床y轴，使杯型圆弧砂轮45越过平面修整砂轮5，且远离平面修整砂轮5另一端面3mm～5mm；再移动机床z轴到0，然后保持机床x和z坐标不动，移动机床y轴，使杯型圆弧砂轮圆弧面与平面修整砂轮另一端面接触，此时机床y坐标为y3，将机床y坐标设置为y3/2；此时如果移动y轴使y轴坐标为0，则杯型圆弧砂轮回转轴线和平面修整砂轮圆周面中心在同一平面内；z轴坐标为0时，杯型圆弧砂轮圆弧的圆心高度位于平面修整砂轮端面圆中心处；

s22：x方向对刀：保持杯型圆弧砂轮4与平面修整砂轮5低速自转，将机床y坐标移到0，利用手轮移动机床x坐标，使杯型砂轮圆弧面与平面修整砂轮圆周面一侧接触，将此时机床x坐标设置为0；然后保持机床y坐标不动，移动机床z轴，使杯型圆弧砂轮4高于平面修整砂轮5后，移动机床x轴，使杯型圆弧砂轮4越过平面修整砂轮5，且远离平面修整砂轮圆周面另一侧3mm～5mm；再移动机床z轴至原位置，保持机床y轴和z轴坐标不动，移动机床x轴使杯型圆弧砂轮圆弧面与平面修整砂轮圆周面另一侧接触，此时机床x坐标为x3，将此时机床x坐标设置为[x3/2+(d/2-rw)](x3≤0)或[x3/2-(d/2-rw)](x3>0)，其中d和rw分别为杯型圆弧砂轮直径和圆弧修整半径；

s23：z方向对刀：保持杯型圆弧砂轮4与平面修整砂轮5低速自转，将机床x/y坐标移到0，利用手轮移动机床z轴，使杯型圆弧砂轮底面与平面修整砂轮圆周面接触，将此时z坐标设置为(rw+rgc)；

s3：修整轨迹规划；

如图3-4所示，采用轮廓复印原理对杯型圆弧砂轮4进行修整，控制杯型圆弧砂轮4在xz平面做圆弧插补往复运动的同时，在y向做往复运动，完成对杯型圆弧砂轮4的修整，圆弧插补运动轨迹如下式所示。

式中：i为当前修整细分数，j为当前修整次数，h为盘型平面修整砂轮宽度；dp为修整进给量；m为修整细分数；

此种方法，采用轮廓复印原理、步进进刀方式和y向匀速往复运动，保证了平面修整砂轮圆周面的平整性，避免杯型圆弧砂轮4在平面修整砂轮5正上方时去除量急剧增大，可实现杯型圆弧砂轮4任意包角圆弧的高效在位修整，提高了砂轮修整精度和修整效率；

s31：参数设置：在机床数控程序中输入平面修整砂轮半径rgc、杯型圆弧砂轮圆弧半径rw、杯型圆弧砂轮圆弧包角θ、平面修整砂轮转速ngc、杯型圆弧砂轮转速nw、进给速度v、修整细分数m、修整进给量dp和修整次数n。

s32：初始修整，具体修整方法如下：

修整液循环过滤：如图1-2所示，运行机床数控程序，控制修整液循环过滤系统工作，水泵11将修整液存储罐12里含有矿物油的过滤水泵出，通过过滤器10过滤后，经过修整液喷淋管9喷淋到杯型圆弧砂轮4和平面修整砂轮5表面接触位置，经由接水盘7通过修整液回收管8自然回流到修整液存储罐12中。此种方法，修整过程中修整液循环过滤系统在修整位置连续喷淋和回收含矿物油的过滤水，起降温、润滑和带走硬质颗粒物的作用，有利于提升杯型圆弧砂轮4的表面质量；

砂轮修整：如图3-4所示，运行机床数控程序，杯型圆弧砂轮4和平面修整砂轮5自转，机床x/y/z轴按照上述修整轨迹往复运动，对杯型圆弧砂轮4进行修整；

s33：砂轮形貌在位监测：如图9所示，机床工作台13上任意位置安装位移传感器14，杯型圆弧砂轮4低速自转，通过移动机床工作台13令位移传感器14沿x向低速进给，测量杯型圆弧砂轮表面三维形貌，计算杯型圆弧砂轮轮廓偏差；此种方法，对砂轮表面三维形貌进行测量，避免离线检测重复装夹引入的误差，机床只有x轴运动，有利于得到精确的杯型圆弧砂轮轮廓偏差，为补偿修整提供理论数据；

s34：补偿修整：如图10所示，若杯型圆弧砂轮轮廓偏差大于2μm，则将偏差δz作为补偿量叠加到圆弧插补运动轨迹中，直至杯型圆弧砂轮轮廓偏差小于等于2μm，补偿修整运动轨迹如下式所示：

式中：k为预先设定的修整系数，取值范围为0～1；θ为杯型圆弧砂轮圆弧包角；i为当前修整细分数；m为修整细分数；x0,y0,z0分别为补偿修整后的运动轨迹坐标值；

此种方法，对砂轮进行补偿修整，有利于获得高精度修整精度，修整精度优于2μm。图10中红色不规则曲线为补偿轨迹，黑色圆弧线为初始修整轨迹。

为了进一步优化上述技术方案，砂轮修整器1固定在机床工作台13一侧，平面修整砂轮5通过法兰2固定在砂轮修整器主轴6上，仅具有一个主轴，可通过机床数控系统控制主轴旋转，实现0～5000rpm的无极变速。此种设置可实现砂轮的在位高效高精度修整。

为了进一步优化上述技术方案，数控系统可同时实现对机床直线轴(机床直线轴包括机床x、y、z轴，其中x或y轴运动时为机床工作台13沿x或y方向运动，z轴运动时为机床主轴3沿z方向运动)、机床主轴3和砂轮修整器主轴运动的控制。此种设置便于实现机床圆弧插补修整运动。

为了进一步优化上述技术方案，杯型圆弧砂轮4在加工中磨钝后，可直接移到修整工位对杯型圆弧砂轮4进行在位砂轮修整。修整工位为机床工作台上的一定范围位置，根据修整的放置位置、平面修整砂轮5的尺寸、杯型圆弧砂轮4的大小和修整半径决定，通过调整机床x、y和z轴寻找到机床工作台上平面修整砂轮5修整杯型圆弧砂轮4的合适的修整工位。

为了进一步优化上述技术方案，平面修整砂轮5为盘型平面金刚石砂轮，盘型平面金刚石砂轮由结合剂和金刚石颗粒组成，金刚石颗粒黏附在结合剂上，结合剂为绿碳，通过3～8颗螺钉固定在砂轮修整器主轴上。

为了进一步优化上述技术方案，杯型圆弧砂轮4为杯型圆弧金刚石砂轮，杯型圆弧金刚石砂轮结合剂为金属、陶瓷或树脂，固定安装在机床主轴上。

为了进一步优化上述技术方案，位移传感器14为分辨率优于0.1μm、精度优于0.5μm的非接触式位移传感器，同时具有实时显示、测量数据存储和读取的功能。此种方法，采用在位测量的方法，具有实时显示、测量数据存储和读取的功能，可以实现砂轮三维形貌的拟合和轮廓偏差的计算，有利于砂轮轮廓偏差高精度检测。

为了进一步优化上述技术方案，杯型圆弧砂轮轮廓偏差由位移传感器测量的砂轮表面三维形貌数据计算得来，由砂轮转速、测量速度和采样频率计算得到砂轮表面形貌三维坐标点阵s1，采用最小二乘法计算出砂轮圆弧半径rw1，然后根据砂轮圆弧半径计算出对应的砂轮表面理论三维坐标点阵s0，实际三维坐标点阵与理论三维坐标点阵相减，得到杯型圆弧砂轮轮廓偏差δz＝s1-s0。

为了进一步优化上述技术方案，圆弧插补运动轨迹为直线包络式轨迹或斜线包络式轨迹。

为了进一步优化上述技术方案，圆弧插补运动轨迹为等弧长的小线段，弧长矢高应小于等于1μm。此种方法，在机床精度满足的前提下，圆弧插补轨迹可无限接近于圆弧，提高了杯型圆弧砂轮的修整精度。

为了进一步优化上述技术方案，采用直线包络式轨迹需同时使用机床2个直线轴，采用斜线包络式轨迹需同时使用机床3个直线轴。此种设置，可实现小于180°包角的杯型圆弧砂轮在位精密修整。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。