一种正弦柱面超精密车削螺旋刀具轨迹生成方法与流程

本发明涉及机械数控加工技术领域，具体涉及一种正弦柱面车削螺旋刀具轨迹生成方法。

背景技术：

根据柱面微结构零件独特的结构特点，其广泛应用于光电子学、通信、医疗、军工等领域，由于其独特的结构可用于实现特定的光学功能，提高系统性能，精简系统结构，主要用于比较精密的装置中，在其中实现传统加工方法无法达到的功能效果。目前国内外已经采用多种方法加工柱面上复杂微结构，如激光加工技术、liga技术、微细磨削技术、光刻蚀技术等，但是以上加工方法所加工的特征只是零件的局部柱面，无法对整体柱面进行有效的加工，主要原因是在加工整体柱面特征时无法进行合理的轨迹规划，生成加工轨迹，无法进行下一步加工。

文献“atheoreticalandexperimentalinvestigationoforthogonalslowtoolservomachiningofwavymicrostructuredpatternsonprecisionrollers”(precisionengineering43(2016)315-327)采用将柱面整体所要加工的特征进行平面展开，首先进行平面内轨迹规划设计，然后通过一定的映射方法将平面内设计好的特征轨迹映射到所要加工的柱面上，该方法一是需要对柱面上所要加工的特征进行平面转换，平面内特征轨迹规划，当特征较为复杂时平面转换过程较为复杂；二是该文献所加工的柱面特征径向深度是固定的，只在柱面的轴向进行了简单的幅值波动，无法满足复杂柱面特征的需要。

为了满足加工更为复杂柱面特征的需求，使得柱面上的加工特征不再局限于加工柱面部分表面，以及将柱面所加工特征的尺寸变化不在局限在工件轴向，本发明提出了一种正弦柱面超精密车削螺旋刀具轨迹生成方法。

技术实现要素：

本发明提供一种正弦柱面超精密车削螺旋刀具轨迹生成方法，以解决现有加工方法无法满足加工复杂柱面特征的问题，有助于提高类似柱面加工效率，有效的提高了类似柱面的加工精度。

本发明采取的技术方案是，包括如下步骤：

(1)对z轴进行刻度划分，推导获取或使用现有正弦柱面母线方程；

(2)将正弦柱面进行径向份数划分，参数t表示，根据所推导正弦柱面生成表达式，使正弦柱面母线绕轴线按径向划分份数旋转一周获取正弦柱面；

(3)将正弦柱面轴向进行螺距f刻度划分，同时将螺距f进行刀触点轨迹刻度划分，参数d表示，根据所推导刀触点轨迹生成表达式，在正弦柱面上生成螺旋刀触点刀具轨迹；

(4)选取刀具半径r，根据一定的几何关系，刀具半径补偿表达式，对螺旋刀触点刀具轨迹进行半径补偿得到刀位点坐标值；

(5)将刀位点坐标值转换为实际数控加工nc代码。

所述的步骤(1)中对z轴进行刻度划分，推导或使用现有母线方程为：根据所需加工的正弦柱面母线特征，进行必要参数设定：工件半径r，加工正弦柱面特征长度l，采用现有的方程或根据自身需要进行母线方程推导，即：

xj＝h·sin(ω·zj)+r

(xj,zj)为母线上坐标点，其中j为对z轴长度为l范围内进行刻度l划分的份数，j＝1,2,3…n，h为正弦函数幅值，ω用于确定函数周期。此处对z轴的刻度划分只为生成正弦柱面，与后续生成刀触点、刀位点没关系。

所述的步骤(2)中对正弦柱面进行径向划分为：将工件在径向2π进行刻度划分，份数为t，主要是用于在生成正弦柱面中，曲面是由多少条母线生成，同时为后面生成刀触点做基础，正弦柱面生成表达式为：

(x(i,j),y(i,j),z(i,j))为生成正弦柱面的坐标点，其中i＝1，2，3…t+1，i的最终数值为t+1是为了使最终生成的正弦柱面为封闭曲面，此时正弦柱面轴向刻度为l，此处正弦柱面生成表达式x、y、z为双下标，其中i表示生成正弦柱面的母线条数，j表示生成每一条母线上的坐标点数；当i为确定的一个数值时，变化变量j，即可生成组成正弦柱面母线的逐个坐标点(x(i,j),y(i,j),z(i,j))，变化变量i进行生成下一条正弦柱面母线，同时乘以对应角度的正弦、余弦函数值得到正弦柱面上相应位置的坐标点，生成正弦柱面。

所述的步骤(3)中轴向螺距f刻度划分表示在进行正弦柱面车削加工中，刀具沿工件径向车削一周在工件轴向的进给长度，刀具在工件径向车削一周过程中每两点之间夹角为2π/t，同时在轴向，刀触点刻度表达式为:

d＝f/t

即车削过程中相邻刀触点轴向刻度为d，每车削t个点，车削刀具轨迹下降一个螺距f，同时每相邻两刀触点在x、y、z三个方向以一定的关系协同变化，保证刀触点车削轨迹沿整个正弦曲面，整个正弦柱面加工完成，其曲面上刀触点总点数为l/d，刀触点轨迹生成表达式为：

(xm,ym,zm)为刀触点轨迹坐标点，其中m＝1，2，3…l/d，此处生成刀触点车削轨迹中，z轴刻度为d，不同于正弦柱面生成刻度l，刀触点车削轨迹每一点均由母线方程计算所得，同时在正弦柱面所分的t条母线上，通过对z轴刻度螺距f的划分，刀具每车削工件一周即进给一个螺距，所以需在每个螺距中进行更小的刻度划分d，即每相邻刀触点之间刻度为d，保证车削过程中车削工件一周刀具轴向进给f。

所述的步骤(4)中所依据的几何关系是：在刀具对工件进行车削加工中，数控机床所控制的点是刀尖的圆弧圆心点，所以需要通过将刀尖圆弧半径的长度在每个刀触点的法线方向进行补偿，故需要对每一个刀触点处的倾斜角度θ'进行求取，进而得到刀位点；根据步骤(3)中所求解的刀触点，每一刀触点倾斜角度表达式和刀触点刀具半径补偿表达式分别为：

倾斜角度表达式：

θ'm＝arctan(x'm)

其中x'm＝h·ω·cos(ω·zm)。

刀触点刀具半径补偿得到刀位点表达式：

(x'm,y'm,z'm)为刀位点坐标，其中r'为每一刀触点到工件轴线的距离，表达式为r为所选刀尖圆弧半径。

所述步骤(5)中，将刀位点坐标值转换为实际数控加工nc代码，其转换表达式为：

根据上式可以将所得刀位点进行nc代码转换，所得nc坐标点(ρm,θm,z”m)直接用于数控机床对正弦柱面的车削加工。

本发明的有益效果是：通过将加工正弦柱面特征简化为只需求解出正弦柱面的一条母线，使用该正弦柱面一条母线即可得到所要加工的正弦柱面的仿真模型；对正弦柱面进行轴向相关刻度划分，即可在正弦柱面仿真模型上生成加工整个正弦柱面的刀触点加工轨迹；然后通过对刀触点加工轨迹进行刀具半径补偿得到刀位点加工轨迹，即数控机床在实际加工中刀尖圆弧圆心所走的轨迹；最后将刀位点加工数据转化为nc代码，用于数控机床的实际加工，此方法对正弦柱面进行了有效的加工。

附图说明

图1是本发明正弦柱面超精密车削螺旋刀具轨迹生成方法的流程图；

图2是正弦波微槽曲面母线图；

图3是通过正弦波微槽母线绕轴线旋转一周所得正弦波微槽柱面图；

图4是加工正弦波微槽柱面的刀触点轨迹图；

图5是正弦波微槽柱面和刀触点轨迹复合图；

图6是刀触点刀尖圆弧半径补偿几何关系图；

图7是刀触点刀尖圆弧半径补偿几何关系局部放大图；

图8是加工正弦波微槽柱面的刀位点轨迹图；

图中，pcl为刀尖圆弧圆心，r为刀尖圆弧半径，r'为刀尖圆弧圆心到工件轴线距离，pct为车削刀触点，θ'为刀触点处的倾斜角。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的表述，但应理解，此处所描述的实例只是为了用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面以正弦波微槽曲面为例对本发明进行详细介绍，但应理解的是本发明并不局限于此，同样可以借鉴于其它柱面形状的加工，此外对于柱面上复合特征曲面的加工，本发明同样可以借鉴于其加工。

参照图1所示，包括以下步骤：

(1)对z轴进行刻度划分，推导获取或使用现有正弦柱面母线方程；

所述的步骤(1)中对z轴进行刻度划分，推导或使用现有母线方程为：根据所需加工的正弦柱面母线特征，进行必要参数设定：工件半径r，加工正弦柱面特征长度l，采用现有的方程或根据自身需要进行母线方程推导，本实例采用方程为如下式，所得图形如图2所示：

xj＝h·sin(ω·zj)+r

(xj,zj)为母线上坐标点，其中j为对z轴长度为l范围内进行刻度l划分的份数，j＝1,2,3…n。此处对z轴的刻度划分只为生成正弦柱面，与后续生成刀触点、刀位点没关系。h为正弦函数幅值，ω用于确定正弦波周期，r为工件半径；

(2)将正弦柱面进行径向份数划分，参数t表示，根据所推导正弦柱面生成表达式，使正弦柱面母线绕轴线按径向划分份数旋转一周获取正弦柱面；

所述的步骤(2)中对正弦柱面进行径向划分为：将正弦柱面在径向2π进行刻度划分，份数为t，主要是用于在生成正弦柱面中，确定正弦柱面是由多少条母线生成，同时为后面生成刀触点做基础，正弦柱面生成表达式如下式方程组，所得图像如图3所示。

(x(i,j),y(i,j),z(i,j))为生成正弦柱面的坐标点，其中i＝1，2，3…t+1，i的最终数值为t+1是为了使最终生成的正弦柱面为封闭曲面，此时正弦曲面轴向刻度为l，此处正弦柱面生成表达式x、y、z为双下标，其中i表示生成正弦柱面的母线条数，j表示生成每一条母线上的坐标点数；当i为确定的一个数值时，变化变量j，即可生成组成正弦柱面母线的逐个坐标点(x(i,j),y(i,j),z(i,j))，变化变量i进行生成下一条正弦柱面母线，同时乘以对应角度的正弦、余弦函数值得到正弦柱面上相应位置的坐标点，生成正弦柱面；

(3)将正弦柱面轴向进行螺距f(导程)刻度划分，同时将螺距f进行刀触点轨迹刻度划分，参数d表示，根据所推导刀触点轨迹生成表达式，在正弦柱面上生成螺旋刀触点刀具轨迹；

所述的步骤(3)中轴向螺距f(导程)刻度划分表示在进行正弦柱面车削加工中，刀具沿工件径向车削一周在工件轴向的进给长度，刀具在工件径向车削一周过程中每两点之间夹角为2π/t，同时在轴向，刀触点刻度表达式为：

d＝f/t

即车削过程中相邻刀触点轴向长度为d，每车削t个点，车削刀具轨迹下降一个螺距f，同时每相邻两刀触点同时在x、y、z三个方向以一定的关系协同变化，保证刀触点车削轨迹沿整个正弦曲面；整个正弦柱面加工完成，其曲面上刀触点总点数为l/d，刀触点轨迹生成表达式如下式，所得刀触点轨迹如图4所示，正弦波微槽曲面和刀触点复合图像如图5所示：

(xm,ym,zm)为刀触点轨迹坐标点，其中m＝1，2，3…l/d，此处生成刀触点车削轨迹中，z轴刻度为d，不同于正弦柱面生成刻度l，刀触点车削轨迹每一点均由母线方程计算所得，同时在正弦柱面所分的t条母线上，通过对z轴刻度螺距f的划分，刀具每车削工件一周即进给一个螺距，所以需在每个螺距中进行更小的刻度划分d，即每相邻刀触点之间刻度为d，保证车削过程中车削工件一周刀具轴向进给f；

(4)选取刀具半径r，根据一定的几何关系，刀具半径补偿表达式，对螺旋刀触点刀具轨迹进行半径补偿得到刀位点坐标值；

所述的步骤(4)中，所依据的几何关系，主要是在刀具对工件进行车削加工中，数控机床所控制的点是刀尖的圆弧圆心点，所以需要通过将刀尖圆弧半径的长度在每个刀触点的法线方向进行补偿，几何关系如图6所示，刀触点刀具半径补偿局部放大图如图7所示，故需要对每一个刀触点处的倾斜角度θ'进行求取，进而得到刀位点；根据权利要求4中所求解的刀触点，每一刀触点倾斜角度表达式和刀触点刀具半径补偿表达式分别为：

倾斜角度表达式：

θ'm＝arctan(x'm)

其中x'm＝h·ω·cos(ω·zm)。

刀触点刀具半径补偿得到刀位点表达式：

(x'm,y'm,z'm)为刀位点坐标，其中r'为每一刀触点到工件轴线的距离，表达式为r为所选刀尖圆弧半径，所得刀位点轨迹如图8所示；

(5)将刀位点坐标值转换为实际数控加工nc代码；

所述步骤(5)中，将刀位点坐标值转换为实际数控加工nc代码，其转换表达式为：

根据上式可以将所得刀位点进行nc代码转换，所得nc坐标点(ρm,θm,z”m)直接用于数控机床对正弦柱面的车削加工。

以上所述仅为更好的讲解本发明的具体实施过程，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。