专利名称：一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法
技术领域：
本发明属于复杂光学精密制造领域，特别是涉及一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法。
背景技术：
复杂光学曲面包括两个方面的内涵其一是指回转对称、且轴截面曲线非单调的非球光学曲面；其二是指没有回转对称性的光学曲面。复杂曲面光学零件在航天航空、国防和科学仪器等许多重要的工业领域以及民用光电产品中皆有十分广泛的应用需求，如何高效、低成本地创成具有复杂几何特征和高质量要求的光学曲面已成为推动这些领域发展的关键之一。迄今为止，复杂光学曲面的创成方法主要涉及复制成形、磨削、研抛、飞切和车削等。在这些创成方法中，利用快速刀具伺服(以下简称FTS)或慢速溜板伺服(以下简称S3)的车削被普遍认为是一种最有发展前途的复杂光学曲面创成方法。该方法的基本特征是将工件安装在主轴前端，刀具沿车床χ轴作非往复的恒径向进给，利用单自由度的FTS或S3驱动刀具相对于加工表面沿着ζ轴作往复直线运动，以切削创成所期望的光学曲面。为叙述方便，在后续内容中，将该方法简称为恒径向进给车削方法。然而，利用恒径向进给车削方法创成复杂光学曲面，不可避免地存在着非常大的切屑载荷扰动并依赖于刀触点或刀位点的坐标，这必将导致切削力的明显扰动。在复杂光学曲面车削系统中，FTS装置或S3运动轴皆是刚性较为薄弱的环节，因此在扰动切削力的作用下必将严重影响所获得的面形精度。在现有的利用FTS或S3车削中，为了消除切削力扰动所致的面形误差，往往需进行多次重复误差校正车削，这降低了切削效率，而且多次重复误差校正未必是误差收敛的。
发明内容
本发明针对复杂光学曲面创成，提出一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法。本发明的目的是针对复杂光学曲面创成，提出一种利用两自由度FTS的等切屑载荷车削方法，以使在车削过程中对于所有的刀位点获得一致性的切屑载荷，从而抑制切屑载荷扰动所致的面形误差，亦即切削力扰动所致的面形误差。本发明的特征主要是
(1)根据目标光学曲面，分别创建第一次走刀的待加工表面和期望创成的光学曲面，以 “等切屑载荷”为目标生成第一次走刀的刀位路径；
(2)对第一次走刀创成的已加工表面进行在机或机下实测，分别创建第二次走刀的待加工表面和期望创成的光学曲面，以“等切屑载荷”为目标生成第二次走刀的刀位路径；
(3)为两次走刀生成的“等切屑载荷”刀位路径皆利用两自由度快速刀具伺服的两个往复运动以及高精密数控车床的主轴、χ轴和ζ轴的非往复运动实现。本发明通过如下的步骤实施(1)创建第一次走刀的初始待加工表面和期望创成的曲面
根据预先设计的光学曲面，通过分配加工余量分别获得第一次走刀的期望创成曲面 S0m和第二次走刀的期望创成表面初值对2),在工件的柱坐标系^wPwZw中将对4分别沿径向和周向作等步距离散化，通过拟合创建回转对称的最适非球面，作为第一次走刀的初始待加工表面却“；
(2)生成工件第1转的刀位路径
令4是平均切屑载荷，Δ￡是切屑载荷的扰动幅值，根据预先设定的切屑载荷扰动范围Zfl ±Δ￡,确定第1转的最大径向进给量,根据^ax确定刀位点的径向步距 Lp = U , Nq是每一转的等角步距数，则第1转第J个刀位点的转角坐标和径向坐标分另U为^/ =乓片+么5, ^j = Aj-JAiO,Δ5=2π/ /·0，遍历j = 1义…, ,即可生成第1
转的刀位路径；
(3)生成工件第A转的刀位路径
根据预先设定的切屑载荷扰动范围由第A转第尸1个刀位点的坐标 (Aj-l, . -!' -!),以“等切屑载荷”为控制目标获得第A转第J·个刀位点的坐标
( , A+幻)，遍历j = 2，···,礼，以获得第*转的刀位路径，逐转求解即可生成工件各转
的刀位路径；
(4)生成各运动轴第一次走刀所需的期望运动
将工件各转的刀位路径Waz)分解为单调的趋势成分(敢％而)和扰动成分 (ΘΜΜ),在车床的CNC指令驱动下沿χ轴和ζ轴实现非往复直线运动(A - , ),在两自由度FTS的驱动下沿χ轴和ζ轴作往复直线运动⑴.ΔΑΔΖ)；
(5)创建第二次走刀的待加工表面和期望创成曲面
在第一次走刀之后，对已加工表面^进行在机或机下实测，通过二维小波分解及重构，或者其它多分辨率分解及重构方法，以剔除S2中不重复的随机误差，分别得到一个包含确定性误差的曲面却2>和一个单纯的确定性误差曲面将场(2)作为第二次走刀的初
始待加工表面，则第二次走刀的期望创成曲面为=；
(6)生成各运动轴第二次走刀的期望运动
在步骤(5)的基础上，重复步骤(2) (4)，得到第二次走刀所需的“等切屑载荷”刀位路径( ./ ^ ) , J = 12,-,Ii0，k= ！义…，分解获得单调的趋势成分(试而而)和扰动成
分(βΜΜ),利用所生成的各运动轴之期望运动进行第二次走刀。 本发明所述的生成以“等切屑载荷”为目标的刀位路径，主要涉及如下的同步操
作
(1)动态修改待加工表面芬将初始待加工表面S1在工件的笛卡尔坐标系《 - xwywzw中分别沿χ轴和y轴进行等距细分，令第A转第J·个刀位点是当前的刀位点，获得在场上由第J-I个刀位点到第J·个刀位点之间刀尖轮廓所扫掠到的网格点，根据冯上的这些网格点和关联的刀尖轮廓点即可动态修改ι ；
(2)求解瞬态切屑载荷！^
将初始待加工表面场在工件的笛卡尔坐标系0 -中分别沿χ轴和y轴进行等
距细分，令第A转第J·个刀位点是当前的刀位点，在工件的坐标平面上搜索以当前刀位点为中心的邻域，获得场上与当前刀位点相邻的若干个网格点，根据这些网格点求解！与前刀面实际接触区域的边界点，根据这些接触区域的边界点求解材料去除量在刀具
基面上的投影即可获得瞬态切屑载荷；
(3)获得等切屑载荷的刀位点
令Δ5= 2π/Μ0是等角步距，Lpl是径向试算步距，则第A转第J个刀位点的转角坐标为4^ = ^ + ^5,第J·个刀位点的径向坐标初值为二Α^- +Δ巧，根据刀触点与刀位点之间的映射，获得第J个刀位点的ζ坐标；
根据当前刀位点的坐标初值，求解瞬态切屑载荷不超出则当前的刀位点坐标即为第左转第J个刀位点的坐标，否则需在当前的径向坐标的邻域内修改 Ap2 ,重新求解Aj.和,直到不超出h ± 为止；
遍历j = 1,2,-, ,以获得第k转的刀位路径。本发明的优点主要在于
(1)通过两次相继走刀即可抑制切屑载荷对刀位点坐标的依赖，从而消除切削力扰动所致的面形误差；
(2)不必依赖于昂贵的多轴超精密数控车床，仅需将一台两自由度FTS安装在一台两轴高精密数控车床上，通过一个高精密的主轴角编码器触发驱动各运动轴即可实施。本发明适用于要求高效精密低成本地创成复杂光学曲面的场合。
图1 (a)是利用等切屑载荷车削方法，为第一次走刀所生成的三维刀位路径； 图1 (b)是在等切屑载荷车削的第一次走刀中，瞬态切屑载荷对工件转数的依赖特征； 图2 (a)是利用恒径向进给车削方法，为第一次走刀所生成的三维刀位路径； 图2 (b)是在恒径向进给车削的第一次走刀中，瞬态切屑载荷对工件转数的依赖特征； 图3 (a)是利用等切屑载荷车削方法，通过第一次走刀所获得的面形误差；图3 (b)是利用恒径向进给车削方法，通过第一次走刀所获得的面形误差； 图4 (a)是利用等切屑载荷车削方法，为第二次走刀所生成的三维刀位路径； 图4 (b)是在等切屑载荷车削的第二次走刀中，瞬态切屑载荷对工件转数的依赖特征； 图5 (a)是利用恒径向进给车削方法，为第二次走刀所生成的三维刀位路径； 图5 (b)是在恒径向进给车削的第二次走刀中，瞬态切屑载荷对工件转数的依赖特征； 图6 (a)是利用等切屑载荷车削方法，通过第一次走刀所获得的面形误差； 图6 (b)是利用恒径向进给车削方法，通过第一次走刀所获得的面形误差。
具体实施例方式(1)根据目标光学曲面，分别创建第一次走刀的待加工表面和期望创成的光学曲面，以“等切屑载荷”为目标生成第一次走刀的刀位路径；
(2)对第一次走刀创成的已加工表面进行在机或机下实测，分别创建第二次走刀的待加工表面和期望创成的光学曲面，以“等切屑载荷”为目标生成第二次走刀的刀位路径；
(3)为两次走刀生成的“等切屑载荷”刀位路径皆利用两自由度快速刀具伺服的两个往复运动以及高精密数控车床的主轴、χ轴和ζ轴的非往复运动实现。一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法，包括如下步骤
(1)创建第一次走刀的初始待加工表面和期望创成的表面
根据预先设计的目标光学曲面，通过分配加工余量分别创建第一次走刀的期望创成曲面砼”和第二次走刀的期望创成表面初值纶2)，在工件的柱坐标系Ow-SwA^w中将却1〗 分别沿径向和周向作等步距离散化，通过拟合生成回转对称的最适非球面，作为第一次走刀的初始待加工表面却1〗；
(2)生成工件第1转的刀位路径
令4是平均切屑载荷，LL是切屑载荷的扰动幅值，根据预先设定的切屑载荷扰动范围,确定第1转的最大径向进给量/■,根据‘确定刀位点的径向步距 ^P = JasxZM0 , Ν 是每一转的等角步距数，则第1转第J个刀位点的转角坐标和径向坐标分别为幻=h + _ , Aj = A^1 -IP , Αθ=2π/Μ0，顺次遍历j = 1,2,-, ,即可生成
第1转的刀位路径( ,/ ., } , ~是第1 mu个刀位点的ζ坐标；
(3)生成工件第A转的刀位路径
根据预先设定的切屑载荷扰动范围由第*转第尸1个刀位点的坐标 ,以“等切屑载荷”为控制目标获得第*转第J·个刀位点的坐标
( ,, , .),遍历= 饵，以生成第*转的刀位路径{4^^/, } ,逐转求解即
可生成工件各转的刀位路径；
(4)分别生成车床和快速刀具伺服第一次走刀的期望运动
将工件各转的刀位路径Ψ,幼分解为单调的趋势成分(0,、,、)和扰动成分φ MM),在车床的CNC指令驱动下沿X轴和ζ轴作非往复的直线运动(51, , ),在两自
由度快速刀具伺服的驱动下沿X轴和Z轴作往复直线运动(民ΔαΔΖ);
(5)创建第二次走刀的待加工表面和期望创成曲面
在第一次走刀之后，对所获得的已加工表面爲进行在机或机下实测，通过二维小波分解及重构，或者其它多分辨率分解及重构方法，以剔除^中不重复的随机误差，分别得到一个包含确定性误差的曲面公严和一个单纯的确定性误差曲面Δ1将Sf作为第二次走
刀的初始待加工表面，则第二次走刀的期望创成曲面为K-AS ；
(6)分别生成车床和快速刀具伺服各运动轴第二次走刀的期望运动
在步骤(5)的基础上，重复步骤O) G)，得到第二次走刀的“等切屑载荷”刀位
路径( ,. ^ } , A=U,…，通过分解以获得单调的趋势成分(5,而而)和扰动成分
Ψ MM、,利用所获得的各运动轴之期望运动进行第二次走刀。 本发明生成以“等切屑载荷”为目标的刀位路径，涉及的同步操作如下
(1)动态修改待加工表面禺
将初始待加工表面S1在工件的笛卡尔坐标系％.; - Vw^w中分别沿X轴和1轴进行等距细分，令第A转第J·个刀位点是当前的刀位点，获得在Si1上由第J-I个刀位点到第j个刀位点之间刀尖轮廓所扫掠到的网格点，根据场上的这些网格点和关联的刀尖轮廓点即可动态修改i ；
(2)求解瞬态切屑载荷、
将初始待加工表面民在工件的笛卡尔坐标—中分别沿χ轴和轴进行等
距细分，令第A转第j个刀位点是当前的刀位点，在工件的坐标平上搜索以当前刀位点为中心的邻域，获得高上与当前刀位点相邻的若干个网格点，根据这些网格点求解战与前刀面实际接触区域的边界点，根据这些接触区域的边界点求解材料去除量在刀具
基面上的投影即为瞬态切屑载荷；
(3)生成等切屑载荷的刀位点
令是等角步距，么巧是径向试算步距，则第*转第J个刀位点的转角坐标为..9Ki = U_ ,第J·个刀位点的径向坐标初值为= Aj+ =,根据刀触点与刀位点之间的映射，获得第J·个刀位点的ζ坐标％^·；
根据当前刀位点的坐标初值，求解瞬态切屑载荷,若不超出4 ±M ,则当前的刀位点坐标即为第左转第J·个刀位点的坐标，否则需在当前的径向坐标Au的邻域内修改Aft ,重新求解^jI和4 φ ,直到不超出& ±Μ为止；
遍历j = 1,2，…，辑，以获得第*转的刀位路径。下面结合附图进一步说明本发明。
权利要求
1.一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法，其特征在于(1)根据目标光学曲面，分别创建第一次走刀的待加工表面和期望创成的光学曲面，以 “等切屑载荷”为目标生成第一次走刀的刀位路径；(2)对第一次走刀创成的已加工表面进行在机或机下实测，分别创建第二次走刀的待加工表面和期望创成的光学曲面，以“等切屑载荷”为目标生成第二次走刀的刀位路径；(3)为两次走刀生成的“等切屑载荷”刀位路径皆利用两自由度快速刀具伺服的两个往复运动以及高精密数控车床的主轴、χ轴和ζ轴的非往复运动实现。
2.一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法，其特征在于包括如下步骤(1)创建第一次走刀的初始待加工表面和期望创成的表面根据预先设计的目标光学曲面，通过分配加工余量分别创建第一次走刀的期望创成曲面和第二次走刀的期望创成表面初值对2),在工件的柱坐标系- ^wA^w中将轮1、 分别沿径向和周向作等步距离散化，通过拟合生成回转对称的最适非球面，作为第一次走刀的初始待加工表面硿1〗；(2)生成工件第1转的刀位路径令4是平均切屑载荷，LL是切屑载荷的扰动幅值，根据预先设定的切屑载荷扰动范围A5IM,确定第1转的最大径向进给量/ ,根据确定刀位点的径向步距 Ap = JmtyjtM0 , N。是每一转的等角步距数，则第1转第J个刀位点的转角坐标和径向坐标分别为= h彻,Pu = A^1 -幼，Δ0= 2Ti/iV0，顺次遍历j = 1,2,-Ji0 ,即可生成第1转的刀位路径议…巧广幻；^ , 是第1转第J个刀位点的ζ坐标；(3)生成工件第A转的刀位路径根据预先设定的切屑载荷扰动范围由第*转第尸1个刀位点的坐标 ,以“等切屑载荷”为控制目标获得第*转第J·个刀位点的坐标( ,. , .),遍历…,饵，以生成第*转的刀位路径{4^ ., .} ,逐转求解即可生成工件各转的刀位路径；(4)分别生成车床和快速刀具伺服第一次走刀的期望运动将工件各转的刀位路径φ功分解为单调的趋势成分(β而，H)和扰动成分 φ MM.},在车床的CNC指令驱动下沿X轴和ζ轴作非往复的直线运动炉, , ),在两自由度快速刀具伺服的驱动下沿X轴和Z轴作往复直线运动(氣Δκ. ζ)；(5)创建第二次走刀的待加工表面和期望创成曲面在第一次走刀之后，对所获得的已加工表面瑪进行在机或机下实测，通过二维小波分解及重构，或者其它多分辨率分解及重构方法，以剔除^中不重复的随机误差，分别得到一个包含确定性误差的曲面游2>和一个单纯的确定性误差曲面将攻2>作为第二次走刀的初始待加工表面，则第二次走刀的期望创成曲面为轮2、=sp-M ；(6)分别生成车床和快速刀具伺服各运动轴第二次走刀的期望运动在步骤(5)的基础上，重复步骤O) G)，得到第二次走刀的“等切屑载荷”刀位路径^^^^一么，^之…，通过分解以获得单调的趋势成分巩、。和扰动成分Ψ紅閱,利用所获得的各运动轴之期望运动进行第二次走刀。
3.根据权利要求1或2所述的一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法，其特征在于 生成以“等切屑载荷”为目标的刀位路径，涉及的同步操作如下(1)动态修改待加工表面战将初始待加工表面Si在工件的笛卡尔坐标系0 - -Ww^w中分别沿X轴和y轴进行等距细分，令第A转第J个刀位点是当前的刀位点，获得在^上由第J-I个刀位点到第j个刀位点之间刀尖轮廓所扫掠到的网格点，根据芬上的这些网格点和关联的刀尖轮廓点即可动态修改^ ；(2)求解瞬态切屑载荷‘将初始待加工表面爲在工件的笛卡尔坐标系-中分别沿χ轴和轴进行等距细分，令第A转第j个刀位点是当前的刀位点，在工件的坐标平上搜索以当前刀位点为中心的邻域，获得场上与当前刀位点相邻的若干个网格点，根据这些网格点求解IT1与前刀面实际接触区域的边界点，根据这些接触区域的边界点求解材料去除量在刀具基面上的投影即为瞬态切屑载荷；(3)生成等切屑载荷的刀位点令Δ5=2π/^是等角步距，Aft是径向试算步距，则第*转第J个刀位点的转角坐标为-Af,第J·个刀位点的径向坐标初值为-Aj = Aj-I+aA ,根据刀触点与刀位点之间的映射，获得第J个刀位点的ζ坐；根据当前刀位点的坐标初值，求解瞬态切屑载荷4φ ,若不超出A ±Μ ,则当前的刀位点坐标即为第左转第J·个刀位点的坐标，否则需在当前的径向坐标Aw的邻域内修改 Nh ,重新求解^/和,直到不超出Zv ±M为止； 遍历j = 1,2,…,饵，以获得第*转的刀位路径。
全文摘要
本发明涉及一种等切屑载荷车削复杂光学曲面的方法，属于复杂光学精密制造领域，根据目标光学曲面，分别创建第一次走刀的待加工表面和期望创成的光学曲面，以“等切屑载荷”为目标生成第一次走刀的刀位路径；对第一次走刀获得的已加工表面进行在机或机下实测，分别创建第二次走刀的待加工表面和期望创成的光学曲面，以“等切屑载荷”为目标生成第二次走刀的刀位路径；在这两次走刀中生成的刀位路径皆利用两自由度快速刀具伺服的往复运动以及高精密数控车床主轴、x轴和z轴的非往复运动同步实现。优点是通过相继两次走刀即可消除切削力扰动所致的面形误差；不必依赖于昂贵的多轴超精密车床即可切削创成复杂光学曲面。
文档编号B23B1/00GK102350509SQ20111023969
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月20日 优先权日2011年8月20日
发明者周晓勤, 林洁琼, 罗丹 申请人:吉林大学