一种基于砂轮磨损预测的大口径反射镜迭代预补偿磨削方法与流程

本发明涉及光学非球面反射镜磨削加工技术领域，特别涉及大口径反射镜迭代预补偿磨削方法。

背景技术：

随着宇航空间技术的迅速发展，人类对宇宙及太空的深远探索越来越频繁，对空间光学系统有了更高精度的需求，光学反射镜是空间光学设备(如空间望远镜等)关键部件，对反射镜基体的精度、稳定性及寿命等的要求更是越来越高，对材料性能要求更加苛刻，目前的空间镜片材料主要采用硅、光学玻璃、sic陶瓷等，sic陶瓷具有比强度、高比刚度、高耐腐蚀及高尺寸稳定性等优点，在航空航天光学系统反射镜中的应用越来越广泛，sic陶瓷反射镜口径也越来越大，且由于它们较高的硬脆特性，使得超精密磨料加工成为当前这些空间镜片材料主要加工手段，高精度磨削成形在磨料加工过程中具有较高的去除效率，成为提高大镜加工效率和加工精度起着非常关键的作用。

由于由于sic陶瓷具有高硬度高脆性的材料特性，在大口径反射镜加工过程中普通的陶瓷基金刚石砂轮磨损非常严重，在一次磨削成形过程中金刚石砂轮的径向磨损量高达数十微米，且需要频繁更换砂轮，使得非球面磨削面形误差大、磨削效率低。因此，需要设计开发具有较长使用寿命的砂轮及满足大口径sic陶瓷反射镜磨削加工的新工艺、新方法。使大口径sic陶瓷磨削过程中可以避免频繁更换砂轮，达到一片砂轮一次磨削即可完成非球面成形且具有较高面形精度的目的。

传统的非球面磨削一般采用陶瓷基金刚石砂轮进行磨削，由于陶瓷结合剂具有非常高的脆性，磨削过程中基体磨损快，砂轮尺寸及形状精度磨损严重，而金属结合剂砂轮因其具有磨粒把持力强、结合强度高、耐磨性好、能承受较大的磨削压力等特点，具有较长的使用寿命，可以用于大口径sic陶瓷反射镜磨削过程。且金属结合剂金刚石砂轮可以使用elid在线电解修锐技术，可以使砂轮在磨削过程中保持较高的锋锐度，以获得良好稳定的加工质量。

大口径sic陶瓷反射镜磨削过程中砂轮磨损是不可避免的，且非球面磨削砂轮从非球面中心沿母线方向向边缘移动时材料去除量逐渐增大，导致砂轮磨损不均匀，面形误差也存在较大区别，传统磨削是在固定名义磨削深度的情况下通过多次更换砂轮反复磨削来达到目标面形精度，砂轮损耗严重，面形精度差，磨削效率低，因此，亟需对大口径非球面磨削加工方法及工艺进行优化和改进。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术是在固定名义磨削深度的情况下通过多次更换砂轮反复磨削来达到目标面形精度，导致砂轮损耗严重、面形精度差低以及磨削效率低的问题，而提出一种基于砂轮磨损预测的大口径反射镜迭代预补偿磨削方法。

一种基于砂轮磨损预测的大口径反射镜迭代预补偿磨削方法包括以下步骤：

本发明方法是在仅考虑有与砂轮尺寸磨损引起的非球面磨削面形误差的基础上实施的。本发明方法通过金刚石砂轮基础磨削磨损实验建立砂轮圆弧轮廓尺寸磨损预测模型，进而根据磨削原理及磨削过程中砂轮-工件几何接触模型建立一次磨削过程中非球面母线上各点的面形误差预测模型；将预测面形误差通过变换改变对应点处的名义磨削深度，并依据修正后的名义磨削深度对非球面磨削面形误差重新预测，以此方式对对应磨削点处的名义磨削深度进行多次迭代修正，直到预测非球面磨削面形误差最大值小于面形误差允许值。本发明方法以使用寿命长金属结合剂金刚石砂轮作为磨削工具，不进行大口径非球面磨削即可提出满足面形误差要求的砂轮磨削轨迹，避免了重复更换砂轮操作，提高了非球面磨削精度和磨削效率。

步骤一：使用金属结合剂圆弧面金刚石砂轮进行磨削实验，利用回归分析法建立砂轮磨削比g关于磨削参数的预测模型；

其中αp为磨削深度，vs为砂轮线速度，vw为砂轮进给速度，k、a、b、c为常数，磨削参数是指αp、vs和vw；

步骤二：根据非球面母线表达式，结合非球面材料磨削去除体积与砂轮体积磨损量的关系，建立磨削过程中砂轮磨削点处径向尺寸磨损量预测模型；

δrx＝f(αp,vs,vw,r,r,vw)

其中r为砂轮基圆半径，r为砂轮圆弧面半径，vw为非球面磨削去除体积；

步骤三：利用步骤二建立的砂轮径向尺寸磨损量预测模型，根据非球面母线上面形误差与砂轮径向尺寸磨损量几何关系，建立非球面面形误差预测模型；

步骤四：利用步骤三中建立的面形误差预测模型，计算非球面母线上各点的磨削面形误差值，在非球面上建立笛卡尔坐标系，以非球面回转中心为z轴，沿母线水平方向为x轴，若x坐标点(接触点)的磨削面形误差值大于目标面形误差值，则对x坐标点的名义磨削深度进行迭代预补偿处理，并计算迭代预补偿后该点的面形误差值，直至该点面形误差计算值小于目标面形误差值，进行x+1坐标点的处理；若x坐标点的磨削面形误差值小于等于目标面形误差值，则进行x+1坐标点的处理，直至非球面母线上所有点的磨削面形误差值均小于等于目标面形误差值为止；

步骤五：记录迭代过程中各接触点处名义磨削深度最终预测值，进行数控磨削加工编程及后续加工。

本发明的有益效果为：

采用金属结合剂金刚石砂轮，有效提高了砂轮使用寿命，同时，为砂轮的在线电解修整提供可能；通过普通磨削实验得到圆弧砂轮轮廓尺寸磨损模型，用于非球面磨削面形误差预测，本发明方法可以在大口径非球面磨削前依据本发明提供的理论模型确定砂轮实时磨削点的名义磨削深度和运动轨迹，使用金属结合剂金刚石砂轮实现非球面面形的一次磨削成形，避免了砂轮更换和反复磨削的过程，提高了磨削面形精度和磨削加工效率。本发明首次提出以迭代的方式对不同砂轮-工件接触点名义磨削深度进行预补偿(即采用非球面母线上各点变名义磨削深度)，提出变名义磨削深度磨削方法，避免了以往频繁更换砂轮及多次磨削过程，简化了非球面磨削工艺过程，大口径反射镜磨削效率可提高3到5倍。

附图说明

图1为本发明中使用的金属结合剂金刚石砂轮轮廓及尺寸磨损示意图。其中，r为砂轮圆弧半径，r为砂轮基圆半径，δr为砂轮圆弧半径磨损量，o(x0,z0)为砂轮回转中心。

图2为本发明流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图2所示，一种基于砂轮磨损预测的大口径反射镜迭代预补偿磨削方法包括以下步骤：

首先建立金属结合剂金刚石砂轮尺寸磨损预测模型，根据非球面反射镜镜体材料-sic陶瓷材料特性选择金属结合剂圆弧面金刚石砂轮，其结合剂结合强度高，可以有效提高砂轮使用寿命，在此基础上确定砂轮组织参数及形状参数；利用磨削比原理，使用金属结合剂金刚石砂轮进行磨削实验，确定砂轮尺寸磨损量与磨削去除材料体积及磨削工艺参数的关系模型，用于预测不同磨削参数及材料去除量条件下砂轮尺寸磨损量。大口径一般指1.5m以上。

步骤一：使用金属结合剂圆弧面金刚石砂轮进行磨削实验，利用回归分析法建立砂轮磨削比g关于磨削参数的预测模型；

其中αp为磨削深度，vs为砂轮线速度，vw为砂轮进给速度，k、a、b、c为常数，通过磨削实验及回归分析确定。

设计金属结合剂圆弧金刚石砂轮，砂轮组织参数及轮廓参数，砂轮形状如图1所示。

步骤二：根据非球面母线表达式，结合非球面材料磨削去除体积与砂轮体积磨损量的关系，建立磨削过程中砂轮磨削点处径向尺寸磨损量预测模型；

δrx＝f(αp,vs,vw,r,r,vw)

其中r为砂轮基圆半径，r为砂轮圆弧面半径，vw为非球面磨削去除体积；

步骤三：利用步骤二建立的砂轮径向尺寸磨损量预测模型，根据非球面母线上面形误差与砂轮径向尺寸磨损量几何关系，建立非球面面形误差预测模型；

步骤四：利用步骤三中建立的面形误差预测模型，计算非球面母线上各点的磨削面形误差值，在非球面上建立笛卡尔坐标系，以非球面回转中心为z轴，沿母线水平方向为x轴，若x坐标点(接触点)的磨削面形误差值大于目标面形误差值，则对x坐标点的名义磨削深度进行迭代预补偿处理，并计算迭代预补偿后该点的面形误差值，直至该点面形误差计算值小于目标面形误差值，进行x+1坐标点的处理；若x坐标点的磨削面形误差值小于等于目标面形误差值，则进行x+1坐标点的处理，直至非球面母线上所有点的磨削面形误差值均小于等于目标面形误差值为止；

步骤五：记录迭代过程中各接触点处名义磨削深度最终预测值，进行数控磨削加工编程及后续加工。

本发明提供了一种大口径超硬材料反射镜磨削砂轮运动轨迹规划及实时磨削点名义磨削深度迭代预测方法。本发明方法在仅考虑砂轮尺寸磨损对非球面反射镜磨削面形误差的影响的基础上，首先通过理论和实验研究建立相同磨削条件下圆弧金刚石砂轮形状及尺寸磨损量关于磨削参数的预测模型，通过理论分析非球面母线方向不同磨削点处砂轮尺寸磨损量与面形误差的关系，建立实时砂轮-工件磨削接触点处由砂轮尺寸磨损引起的面形误差预测模型，以目标面形误差为标准，通过一定的转换模型将预测面形误差迭加到实时磨削点处的名义磨削深度上，最终在满足非球面各点处的非球面磨削面形误差均小于目标面形误差时停止迭代，确定实际磨削过程中的不同磨削点名义磨削深度并以此为基础规划砂轮回转中心运动轨迹。本发明方法可以在不实施大口径非球面磨削的基础上确定砂轮实时磨削点的名义磨削深度和运动轨迹，选择金属结合剂金刚石砂轮作为磨削工具以实现面形的一次成形，提高了磨削面形精度和磨削加工效率。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤三中建立磨削过程中非球面母线上砂轮与工件接触点的面形误差预测模型具体为：

其中ex为非球面母线上距离回转中心x坐标点处的非球面磨削面形误差，用非球面检测矢量高与非球面理想矢量高的差值表示，βx为非球面母线上距离回转中心x点处的切线倾斜角度。

在金刚石砂轮尺寸磨损预测模型的基础上，给出回转非球面反射镜母线表达式，初始磨削参数工艺参数，依据磨削原理、非球面轮廓模型及砂轮-工件接触几何关系模型，分析磨削过程中砂轮-工件接触点处材料磨削去除体积、磨削工艺参数与砂轮尺寸磨损量的关系，建立磨削过程中非球面母线上砂轮-工件接触点的面形误差预测模型。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤四中若x坐标点的磨削面形误差值大于目标面形误差值，则对x坐标点的名义磨削深度进行迭代预补偿处理的具体过程为：

通过增加磨削点的名义磨削深度补偿由于砂轮磨损引起的非球面面形误差，将x坐标点的磨削面形误差值经过转换后迭加到名义磨削深度上，并以迭加后的新的名义磨削深度进行磨削，计算迭代预补偿后的面形误差值；经过多次迭代预补偿直至x坐标点的磨削面形误差预测值小于目标面形误差值时，x坐标点名义磨削深度迭加结束，记录此时x点处的名义磨削深度αpx(n)及迭代次数n，进行x+1坐标点名义磨削深度的迭加计算；

迭加后的名义磨削深度表达式如下：

αpx(n)＝αpx(n-1)+εx(n-1)(n≥2)

其中εx(n-1)为x坐标点第n-1次迭代后得到的磨削面形误差计算值，αpx(1)＝αp，

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述名义磨削深度的迭代过程中，x坐标点第n次迭代后的预测非球面面形误差由如下所示的方程式表示：

其中，为在x坐标点处名义磨削深度为αpx(n)时面形误差的预测值，即：为前n-1次迭代计算得出的面形误差的和。

通过本发明方法得到的非球面不同磨削接触点处的名义磨削深度αpx(n)和迭代次数n均不相同。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤五中确定的砂轮回转中心在磨削过程中的移动轨迹具体为：

其中x0为砂轮回转中心x轴坐标值，z0为砂轮回转中心z轴坐标值。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。