專利名稱：可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)鏡面加工領(lǐng)域的磨削系統(tǒng)，特別是涉及一種可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著對(duì)地、對(duì)空觀測(cè)對(duì)大型望遠(yuǎn)鏡需求的不斷增加，制造大尺寸、高面形精度、低亞表面損傷的光學(xué)鏡面成為迫切的要求。離軸非球面是當(dāng)前光學(xué)鏡面的主要形式。對(duì)于超精密大型光學(xué)鏡面磨削來(lái)說(shuō)，一般光學(xué)鏡面的口徑要在Im以上，加工后光學(xué)鏡面的面形精度要好于10微米。
目前，超精密離軸非球面磨削的形式主要有五軸定接觸點(diǎn)磨削和三軸變接觸點(diǎn)磨削。三軸變接觸點(diǎn)磨削也稱為少軸磨削。定接觸點(diǎn)磨削軌跡規(guī)劃較為簡(jiǎn)單，但使用的機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛性差；在固定接觸點(diǎn)處，砂輪磨損非常嚴(yán)重；對(duì)于SiC等硬脆材料，難以加工。少軸磨削則可以使機(jī)床機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少機(jī)床部件之間的結(jié)合面，大大提高磨床結(jié)構(gòu)的剛性和阻尼。少軸磨削中砂輪磨損均勻，從而能延長(zhǎng)砂輪的使用壽命。目前，少軸磨削還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。超精密磨床所具備的最重要的特性是高剛度和大阻尼，磨床的高剛度和大阻尼的特性可有效抑制振動(dòng)，變形等影響機(jī)床精度的不利因素。磨削系統(tǒng)的可重構(gòu)是指根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)和待加工工件的不同特征，對(duì)磨床的結(jié)構(gòu)、砂輪幾何參數(shù)、軌跡規(guī)劃等進(jìn)行重新設(shè)置，以滿足工件曲面加工的可行性，提高工件曲面的加工效率。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),英國(guó)Cranfield大學(xué)的Xavier Tonnellier在其博士論文《針對(duì)大型光學(xué)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) 一文中描述了一種典型的三軸超精密磨床-BOX，BOX磨床采用了兩移動(dòng)軸一旋轉(zhuǎn)軸的配置形式，磨床主軸傾斜角度固定。BOX磨床的缺點(diǎn)是對(duì)旋轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)的要求非常高，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸軸承元件難以制造，無(wú)法滿足2m 口徑空間超精密光學(xué)鏡面的加工要求。且其主軸傾斜角度固定，遇到不同的待加工工件，不能改變?cè)摻嵌纫垣@得最好的加工效果，不具有可重構(gòu)性。日本的Tsunemoto Kuriyagawa等人在《一種非球陶瓷鏡面的新磨削方法》(Tsunemoto Kuriyagawa, Mohammad Saeed Sepasy Zahmaty, Katsuo Syoji, A newgrinding method for aspheric ceramic mirrors, Journal of Materials ProcessingTechnology62 (1996) 387-392)文中給出了一種少軸磨削系統(tǒng)，但該系統(tǒng)只適合小口徑光學(xué)鏡面的加工，且其軌跡規(guī)劃方法只能針對(duì)特定機(jī)床構(gòu)型，工件必須具有對(duì)稱中心，且算法復(fù)雜，不具有通用性。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，包括磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、人機(jī)交互模塊、約束條件構(gòu)造模塊，砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊，虛擬軸生成模塊，少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊，砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊、少軸加工代碼生成模塊、工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊、少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊、鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊、砂輪整形修銳模塊。本發(fā)明系統(tǒng)可針對(duì)任意曲面形式(包括離軸非球面)的光學(xué)鏡面，對(duì)砂輪磨損進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)生成虛擬軸，充分利用五軸磨床的靈活性、同時(shí)發(fā)揮了少軸磨床高剛性大阻尼的優(yōu)勢(shì)，可加工光學(xué)鏡面口徑大、少軸、可重構(gòu)，計(jì)算簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好、通用性強(qiáng)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互模塊接受用戶的輸入，約束條件構(gòu)造模塊通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)接口獲取磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的信息，結(jié)合人機(jī)交互模塊的輸入，構(gòu)造系統(tǒng)約束條件；工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊根據(jù)所述約束條件構(gòu)造模塊提供的系統(tǒng)約束條件確定磨削的工藝步驟與工藝參數(shù)；砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊根據(jù)約束條件構(gòu)造模塊、工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的參數(shù)計(jì)算砂輪的幾何參數(shù)；虛擬軸生成模塊根據(jù)約束條件構(gòu)造模塊和工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的參數(shù)構(gòu)造系統(tǒng)的兩個(gè)虛擬旋轉(zhuǎn)軸；少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊根據(jù)虛擬軸生成模塊、工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的參數(shù)生成無(wú)局部干涉的砂輪磨削運(yùn)動(dòng)路徑；砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊根據(jù)砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊、少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊提供的參數(shù)預(yù)測(cè)砂輪磨削 過(guò)程中幾何參數(shù)及輪廓的變化并獲得砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡的修正量；少軸加工代碼生成模塊根據(jù)砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊、工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊、少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊提供的參數(shù)生成磨床數(shù)控系統(tǒng)的加工代碼；少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)通信接口從少軸加工代碼生成模塊獲得加工代碼，完成光學(xué)鏡面的加工；砂輪整形修銳模塊根據(jù)砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊輸入的砂輪幾何參數(shù)對(duì)砂輪進(jìn)行整形、修銳，為少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊提供滿足尺寸及工藝要求的砂輪；鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊檢測(cè)少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊加工的鏡面質(zhì)量，判定是否達(dá)到加工要求，并且將本次磨削工藝參數(shù)輸入到磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，將鏡面質(zhì)量指標(biāo)輸入到砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊提高下一次砂輪磨損預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性；磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊的特征參數(shù)。以下對(duì)本發(fā)明方法做進(jìn)一步說(shuō)明，具體內(nèi)容如下人機(jī)交互模塊，其作用是接受用戶的輸入并顯示系統(tǒng)運(yùn)行的中間結(jié)果。用戶的輸入包括光學(xué)鏡面毛坯材料、尺寸、光學(xué)鏡面的幾何形狀的數(shù)學(xué)表達(dá)式以及加工完成后鏡面要達(dá)到的面形精度和表面粗糙度。系統(tǒng)運(yùn)行的中間結(jié)果包括砂輪的幾何參數(shù)、虛擬軸的位置、砂輪在空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡、砂輪輪廓因磨損而隨時(shí)間變化的過(guò)程、數(shù)控系統(tǒng)的加工代碼、磨削工藝步驟與工藝參數(shù)以及磨削過(guò)程中間曲面幾何形狀的數(shù)學(xué)表達(dá)式。磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，其作用是記錄少軸超精密數(shù)控磨床的特征，包括磨床的幾何尺寸參數(shù)、各軸運(yùn)動(dòng)的極限位置、各軸的最高和最低運(yùn)行速度和加速度、磨床的一階模態(tài)頻率以及磨床的靜態(tài)剛度。磨削工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，其作用是記錄磨削條件、使用的工藝參數(shù)以及達(dá)到的鏡面質(zhì)量。磨削條件指光學(xué)鏡面毛坯材料、砂輪的屬性以及冷卻液類型。砂輪的屬性是指砂輪的磨粒類型、結(jié)合劑類型、磨粒大小和濃度。工藝參數(shù)是指主軸轉(zhuǎn)速、砂輪線速度、砂輪進(jìn)給速度及砂輪的磨削深度。鏡面質(zhì)量是指鏡面的面形精度和表面粗糙度。約束條件構(gòu)造模塊，其作用是根據(jù)人機(jī)交互模塊、磨削工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊以及磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊來(lái)構(gòu)造系統(tǒng)約束條件。約束條件構(gòu)造模塊為砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供系統(tǒng)約束條件，包括磨床的模態(tài)頻率、磨削線速度、光學(xué)鏡面的幾何表達(dá)式、面形精度與表面粗糙度；為工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標(biāo)質(zhì)量條件下的工藝參數(shù)；以及為虛擬軸生成模塊提供的磨床的幾何尺寸參數(shù)及各軸運(yùn)動(dòng)的極限位置。砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊，其作用是根據(jù)約束條件構(gòu)造模塊和工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的參數(shù)，重構(gòu)砂輪的幾何參數(shù)。本發(fā)明中砂輪從大的形狀分類來(lái)說(shuō)，為環(huán)面砂輪，砂輪幾何參數(shù)包括砂輪直徑、砂輪切削半徑、砂輪邊界角以及砂輪軸傾角，砂輪軸傾角與機(jī)床主軸傾角相同，上述四個(gè)幾何參數(shù)可以完全確定砂輪的幾何形狀。砂輪直徑的選擇，根據(jù)磨削工藝的要求，砂輪在磨削點(diǎn)處的線速度是已知的，機(jī)床的模態(tài)也是固定的，機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)頻率要小于機(jī)床一階模態(tài)頻率，這樣可以獲得良好的動(dòng)態(tài)效果，那么砂輪的直徑就可以由旋轉(zhuǎn)頻率、線速度計(jì)算出來(lái)。砂輪切削半徑的選擇，根據(jù)局部不干涉的要求，砂輪的切削半徑要小于待磨削工 件最大曲率半徑，用這個(gè)要求限制砂輪切削半徑的上限。砂輪切削半徑的下限則受磨削材料去除率限制。磨削中，磨削材料去除率作為一項(xiàng)指標(biāo)，必須大于某個(gè)值。磨削材料去除率隨著切削半徑的增大而增大。最后選擇的砂輪的切削半徑只要在其上下限中就可以。砂輪軸傾角的選擇，砂輪軸的傾斜角也就是磨床主軸的傾斜角。理論上砂輪軸傾角的變化范圍是0°到90°，對(duì)于確定的待加工工件，砂輪軸傾角與磨削點(diǎn)在砂輪圓周方向上的分布角度有確定的函數(shù)關(guān)系。磨削點(diǎn)在砂輪圓周方向上的分布角度越寬，局部干涉的可能性越大，但是磨損越均勻。綜合干涉和磨損兩者的因素，選定一個(gè)磨削點(diǎn)在砂輪圓周方向上的分布角度，在砂輪軸傾斜角與磨削點(diǎn)在砂輪圓周方向上的分布角度的函數(shù)關(guān)系圖上可以得到砂輪軸傾斜角的值。砂輪邊界角的選擇，將砂輪曲面和待加工工件曲面同時(shí)做高斯映射，保證待加工工件曲面的高斯映射的像域在砂輪曲面的高斯映射的像域內(nèi)，根據(jù)這一條件，計(jì)算出砂輪邊界角。虛擬軸生成模塊，在少軸超精密磨床的三移動(dòng)軸之外，根據(jù)砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的砂輪幾何參數(shù)和約束條件構(gòu)造模塊提供的磨床的幾何尺寸參數(shù)及各軸運(yùn)動(dòng)的極限位置，虛擬出兩個(gè)幾何位置確定的旋轉(zhuǎn)軸，獲得虛擬五軸磨床，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度所述虛擬五軸磨床與實(shí)際五軸磨床等價(jià)。少軸軌跡規(guī)劃與干涉檢查模塊，在虛擬軸生成模塊提供的虛擬五軸磨床的基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的磨削過(guò)程中間曲面的幾何性質(zhì)，確定工件表面上刀觸點(diǎn)軌跡的形式，如果工件曲面不具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則選用Z字形刀觸點(diǎn)軌跡。所謂Z字形刀觸點(diǎn)軌跡，是指用一系列豎直的平行平面與待加工工件相交，獲得的一系列交線形成的軌跡。如果工件曲面具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則選用螺旋形的刀觸點(diǎn)軌跡。工件表面上相鄰軌跡行間距的計(jì)算，對(duì)于相鄰軌跡上兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，它們之間的最大距離為這兩點(diǎn)之間有效切削寬度的和。螺旋形刀觸點(diǎn)軌跡相鄰軌跡行間距就是以上所述最大距離，Z字形刀觸點(diǎn)軌跡相鄰軌跡行間距則是相鄰軌跡上所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間最大距離的最小值。砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡上點(diǎn)的坐標(biāo)的計(jì)算，在所述虛擬五軸磨床的基礎(chǔ)上，根據(jù)工件曲面上刀觸點(diǎn)的坐標(biāo)和法向量，計(jì)算出所述虛擬五軸磨床各軸的值。三移動(dòng)軸的值即為砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡上點(diǎn)在工件坐標(biāo)系下的位置，兩虛擬旋轉(zhuǎn)軸的值表示了刀觸點(diǎn)在砂輪表面上的位置。局部干涉檢查，根據(jù)磨削點(diǎn)處砂輪曲面與待加工工件曲面的離差值進(jìn)行局部干涉檢查。如果在磨削點(diǎn)處砂輪曲面與工件曲面的共切面內(nèi)沿各個(gè)方向的離差都不小于零，則局部干涉不存在，否則，局部干涉存在。砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊，其作用是在砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的砂輪幾何參數(shù)的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)砂輪的輪廓隨時(shí)間的變化，并根據(jù)少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡獲得因砂輪磨損而產(chǎn)生的位置修正量。加工過(guò)程中砂輪磨損預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度可以通過(guò)鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊提供的鏡面面形精度來(lái)判斷。如果預(yù)測(cè)偏差過(guò)大，則根據(jù)面形精度值修正砂輪磨損預(yù)測(cè)的過(guò)程中的參數(shù)，進(jìn)一步提高砂輪磨損預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。 少軸加工代碼生成模塊，將少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡和砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊提供的位置修正量結(jié)合起來(lái)，獲得修正后的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡。砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡采用離散點(diǎn)的表達(dá)形式，數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法直接利用，所以將離散點(diǎn)軌跡轉(zhuǎn)換為數(shù)控磨床加工用的G代碼。G代碼中的砂輪進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速由工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的類型和能力，既可以轉(zhuǎn)化為直線插補(bǔ)類型的G代碼，也可以轉(zhuǎn)化為樣條插補(bǔ)類型的G代碼。工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊，作用是根據(jù)約束條件構(gòu)造模塊提供的約束條件，根據(jù)相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標(biāo)質(zhì)量條件下的已有的工藝參數(shù)確定本次磨削的工藝步驟和各步驟采用的工藝參數(shù)。工藝步驟是指粗加工、半精加工以及精加工的磨削順序以及所產(chǎn)生的中間曲面幾何形狀的數(shù)序表達(dá)式。粗加工、半精加工以及精加工下工藝參數(shù)要分別確定。少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊，采用三移動(dòng)軸配置，可避免采用旋轉(zhuǎn)軸帶來(lái)的徑向跳動(dòng)誤差。其中Y軸采用拱形雙梁形式，可以極大的提高系統(tǒng)的整體剛度。主軸位于雙梁之間,主軸傾斜角度可調(diào),主軸傾斜角度根據(jù)不同的工件曲面由本發(fā)明系統(tǒng)重構(gòu)。本發(fā)明系統(tǒng)可加工最大2m 口徑的超精S光學(xué)鏡面。砂輪整形修銳模塊，其作用是根據(jù)砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的砂輪幾何參數(shù)，對(duì)砂輪進(jìn)行輪廓的整形，以達(dá)到規(guī)定的幾何尺寸，對(duì)砂輪進(jìn)行修銳，使砂輪更鋒利，改善切削的效果。如果砂輪磨損過(guò)于嚴(yán)重，與原有輪廓偏離過(guò)大時(shí)，使用砂輪整形修銳模塊對(duì)砂輪重新整形修銳。鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊，其作用是檢測(cè)光學(xué)鏡面加工后的表面質(zhì)量，包括面形精度和表面粗糙度。鏡面質(zhì)量檢測(cè)的結(jié)果與本次磨削的磨削條件、磨削工藝參數(shù)一起被記錄到磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，為以后磨削工藝參數(shù)的確定提供依據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，提供了一套完整的可重構(gòu)超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，在本發(fā)明的少軸超精密數(shù)控磨床上，針對(duì)自由曲面，口徑最大2m的光學(xué)鏡面，可對(duì)砂輪幾何參數(shù)和機(jī)床主軸傾斜角度進(jìn)行重構(gòu)；針對(duì)工件曲面的性質(zhì)，可對(duì)砂輪的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行重構(gòu)；針對(duì)不同類型的數(shù)控系統(tǒng)，可對(duì)加工用的G代碼進(jìn)行重構(gòu)。針對(duì)砂輪磨削過(guò)程中的磨損，可對(duì)砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明系統(tǒng)可針對(duì)任意光學(xué)鏡面，通過(guò)生成虛擬軸，充分利用五軸磨床的靈活性，同時(shí)發(fā)揮了少軸磨床高剛性大阻尼的優(yōu)勢(shì)，并且具備砂輪磨損預(yù)測(cè)修正能力，顯著提高了加工精度。本發(fā)明系統(tǒng)具有可加工光學(xué)鏡面口徑大、少軸、可重構(gòu)、效率高、精度高、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)的示意框2是本發(fā)明中的少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊的少軸超精密數(shù)控磨床的結(jié)構(gòu)以及安裝在該少軸超精密數(shù)控磨床上的整形修銳模塊與鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊。圖3是本發(fā)明中的砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊的環(huán)形砂輪截面、砂輪的各幾何參數(shù)及虛擬軸生成模塊中的虛擬軸。
具體實(shí)施例方式如圖所示，下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方案。 圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)的示意框圖。圖中101為計(jì)算機(jī)A，102為計(jì)算機(jī)B，200為工作站計(jì)算機(jī)。首先用戶通過(guò)人機(jī)交互接口，指定待加工光學(xué)鏡面毛坯材料、尺寸，光學(xué)鏡面幾何形狀的數(shù)學(xué)表達(dá)式，加工完成后鏡面要達(dá)到的面形精度和表面粗糙度。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)人機(jī)交互接口，查看系統(tǒng)運(yùn)行的中間結(jié)果，包括砂輪的幾何參數(shù)，虛擬軸的位置，砂輪在空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡，砂輪輪廓因磨損而隨時(shí)間變化的過(guò)程，數(shù)控系統(tǒng)的加工代碼，磨削工藝步驟與工藝參數(shù)，磨削過(guò)程中間曲面幾何形狀的數(shù)學(xué)表達(dá)式。磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊記錄了少軸超精密數(shù)控磨床的特征，包括磨床的幾何尺寸參數(shù)，各軸運(yùn)動(dòng)的極限位置，各軸的最高、最低運(yùn)行速度、加速度，磨床的一階模態(tài)頻率，磨床的靜態(tài)剛度。磨削工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊記錄了磨削條件、使用的工藝參數(shù)、達(dá)到的鏡面質(zhì)量。所述磨削條件指光學(xué)鏡面毛坯材料、砂輪的屬性、冷卻液的類型。所述砂輪的屬性是指砂輪的磨粒類型、結(jié)合劑類型、磨粒大小、濃度。所述工藝參數(shù)是指主軸轉(zhuǎn)速、砂輪線速度、砂輪進(jìn)給速度、砂輪的磨削深度。所述鏡面質(zhì)量是指鏡面的面形精度和表面粗糙度。然后在約束條件構(gòu)造模塊內(nèi)根據(jù)人機(jī)交互模塊、磨削工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊構(gòu)造系統(tǒng)約束條件。所述系統(tǒng)約束條件是指為砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的約束條件包括磨床的模態(tài)頻率、磨削線速度、光學(xué)鏡面的幾何表達(dá)式、面形精度與表面粗糙度，為工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標(biāo)質(zhì)量條件下的工藝參數(shù)，為虛擬軸生成模塊提供的磨床的幾何尺寸參數(shù)、各軸運(yùn)動(dòng)的極限位置。然后在工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊中根據(jù)約束條件構(gòu)造模塊提供的約束條件，根據(jù)相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標(biāo)質(zhì)量條件下的已有的工藝參數(shù)確定本次磨削的工藝步驟和各步驟采用的工藝參數(shù)。所述工藝步驟是指粗加工、半精加工以及精加工的磨削順序以及所產(chǎn)生的中間曲面幾何形狀的數(shù)學(xué)表達(dá)式。粗加工、半精加工以及精加工下工藝參數(shù)分別確定。然后在砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊中，根據(jù)系統(tǒng)約束條件，按照下列步驟實(shí)現(xiàn)模塊功能，第一步，限定砂輪的形狀為環(huán)面；第二步，根據(jù)磨床的一階模態(tài)頻率和砂輪在磨削點(diǎn)的線速度，計(jì)算出砂輪直徑；第三步,根據(jù)磨削點(diǎn)的材料去除率要求和工件上曲率半徑的最大值，計(jì)算砂輪切削半徑；第四步，跟據(jù)砂輪不干涉與均勻磨損的要求，定出磨削點(diǎn)在砂輪圓周方向上的分布角度，計(jì)算出砂輪軸傾角；第五步，根據(jù)加工工件曲面的高斯映射的像域在砂輪曲面的高斯映射的像域內(nèi)，計(jì)算出砂輪邊界角。然后在虛擬軸生成模塊中，除少軸超精密磨床的三移動(dòng)軸之外，根據(jù)所述砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的砂輪幾何參數(shù)和約束條件構(gòu)造模塊提供的磨床的幾何尺寸參數(shù)、各軸運(yùn)動(dòng)的極限位置，虛擬出兩個(gè)幾何位置確定的旋轉(zhuǎn)軸，獲得虛擬五軸磨床，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度所述虛擬五軸磨床與實(shí)際五軸磨床等價(jià)。然后在少軸軌跡規(guī)劃與干涉檢查模塊中，在所述虛擬軸生成模塊提供的虛擬五軸磨床的基礎(chǔ)上，在所述約束條件下，按照下列步驟實(shí)現(xiàn)模塊功能第一步，根據(jù)所述工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的磨削過(guò)程中間曲面的幾何 性質(zhì)，確定工件表面上刀觸點(diǎn)軌跡的形式，如果工件曲面不具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則選用Z字形刀觸點(diǎn)軌跡。所謂Z字形刀觸點(diǎn)軌跡，是指用一系列豎直的平行平面與待加工工件相交，獲得的一系列交線形成的軌跡。如果工件曲面具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，則選用螺旋形的刀觸點(diǎn)軌跡。第二步計(jì)算工件表面上相鄰軌跡行間距。對(duì)于相鄰軌跡上兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，它們之間的最大距離為這兩點(diǎn)之間有效切削寬度的和。螺旋形刀觸點(diǎn)軌跡相鄰軌跡行間距就是以上所述最大距離，Z字形刀觸點(diǎn)軌跡相鄰軌跡行間距則是相鄰軌跡上所有對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間最大距離的最小值。第三步，在所述虛擬五軸磨床的基礎(chǔ)上，根據(jù)工件曲面上刀觸點(diǎn)的坐標(biāo)和法向量，計(jì)算出所述虛擬五軸磨床各軸的值。三移動(dòng)軸的值即為砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡上點(diǎn)在工件坐標(biāo)系下的位置，兩虛擬旋轉(zhuǎn)軸的值表示了刀觸點(diǎn)在砂輪表面上的位置。第四步，根據(jù)磨削點(diǎn)處砂輪曲面與待加工工件曲面的離差值進(jìn)行局部干涉檢查。具體方法是如果在磨削點(diǎn)處砂輪曲面與工件曲面的公切面內(nèi)沿各個(gè)方向的離差都不小于零，則局部干涉不存在，否則，局部干涉存在。然后在砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊中，在所述砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的砂輪幾何參數(shù)的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)砂輪的輪廓隨時(shí)間的變化，并根據(jù)所述少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡獲得因砂輪磨損而產(chǎn)生的位置修正量。加工過(guò)程中砂輪磨損預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度可以通過(guò)鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊提供的鏡面面形精度來(lái)判斷。如果預(yù)測(cè)偏差過(guò)大，則根據(jù)面形精度值修正砂輪磨損預(yù)測(cè)的過(guò)程中的參數(shù)，進(jìn)一步提高砂輪磨損預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。然后在少軸加工代碼生成模塊中，將所述少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡和所述砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊提供的位置修正量結(jié)合起來(lái)，獲得修正后的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡。砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡采用離散點(diǎn)的表達(dá)形式，數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法直接使用，所以將離散點(diǎn)軌跡轉(zhuǎn)換為數(shù)控磨床加工用的G代碼。G代碼中的砂輪進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速由工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的類型和能力，既可以轉(zhuǎn)化為直線插補(bǔ)類型的G代碼，也可以轉(zhuǎn)化為樣條插補(bǔ)類型的G代碼。然后在少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊中，少軸超精密數(shù)控磨床采用三移動(dòng)軸配置，可避免采用旋轉(zhuǎn)軸帶來(lái)的徑向跳動(dòng)誤差。其中Y軸采用拱形雙梁形式，可以極大的提高系統(tǒng)的整體剛度。主軸位于雙梁之間,主軸傾斜角度可調(diào),主軸傾斜角度根據(jù)不同的工件曲面由本發(fā)明系統(tǒng)重構(gòu)。本發(fā)明的系統(tǒng)可加工最大2m 口徑的超精密光學(xué)鏡面。
然后在砂輪整形修銳模塊中，根據(jù)砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的砂輪幾何參數(shù)，對(duì)砂輪進(jìn)行輪廓的整形，以達(dá)到規(guī)定的幾何尺寸，對(duì)砂輪進(jìn)行修銳，使砂輪更鋒利，改善切削的效果。如果砂輪磨損過(guò)于嚴(yán)重，與原有輪廓偏離過(guò)大時(shí)，使用砂輪整形修銳模塊對(duì)砂輪重新整形修銳。最后在鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊中，檢測(cè)光學(xué)鏡面加工后的表面質(zhì)量，包括面形精度和表面粗糙度。鏡面質(zhì)量檢測(cè)的結(jié)果與本次磨削的磨削條件、磨削工藝參數(shù)一起記錄到磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，為以后磨削工藝參數(shù)的確定提供依據(jù)。圖2是本發(fā)明中的少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊的少軸超精密數(shù)控磨床的結(jié)構(gòu)以及安裝在該少軸超精密數(shù)控磨床上的整形修銳模塊與鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊。磨床整體結(jié)構(gòu)采用三移動(dòng)軸的形式。圖2中1、3、6分別為磨床的X軸、Y軸、Z軸。Y軸采用拱形雙梁結(jié)構(gòu)。圖2中5為磨床主軸，主軸位于雙梁之間，主軸傾斜角度可在雙梁之間的平面內(nèi)調(diào)整。圖2中4為安裝在主軸上的砂輪，2為砂輪整形修銳模塊，7為鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊。

圖3示出了環(huán)形砂輪的截面、砂輪的各幾何參數(shù)及兩個(gè)虛擬軸的位置。圖中砂輪軸線與豎直方向的夾角β即為砂輪軸傾斜角，也就是磨床主軸的傾斜角。Dw表示砂輪的直徑，Rc則是砂輪的切削半徑，在圖3截面內(nèi)，O。是R。的一個(gè)圓心。Ot-XtYtZt表示工件坐標(biāo)系，本發(fā)明中軌跡規(guī)劃獲得一系列離散點(diǎn)就是指工件坐標(biāo)系原點(diǎn)Ot的坐標(biāo)。Om-XmYmZm指工件坐標(biāo)系，Y I與Y 2為砂輪的邊界角。Aax1s與BAxis為少軸磨床的兩個(gè)虛擬旋轉(zhuǎn)軸，其中Aax1s的旋轉(zhuǎn)軸為砂輪的軸線，BAxis的旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)O。點(diǎn)，且垂直于圖3截面，BAxis固定在AAxis上，隨Ahxis運(yùn)動(dòng)。Ahxis固定在Z軸上，隨Z軸運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，其特征是，包括 磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，用于記錄少軸超精密數(shù)控磨床的參數(shù)； 磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，用于記錄磨削條件、使用的工藝參數(shù)、可達(dá)到的鏡面質(zhì)量； 人機(jī)交互模塊，用于接受用戶的輸入并顯示系統(tǒng)運(yùn)行的中間結(jié)果； 約束條件構(gòu)造模塊，用于結(jié)合所述人機(jī)交互模塊以及從數(shù)據(jù)庫(kù)接口獲取的所述磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和所述磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄的信息，提供磨削系統(tǒng)的系統(tǒng)約束條件； 工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊，用于根據(jù)系統(tǒng)約束條件來(lái)確定磨削的工藝步驟與工藝參數(shù)； 砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊，用于在所述系統(tǒng)約束條件的基礎(chǔ)上重構(gòu)砂輪幾何參數(shù)； 虛擬軸生成模塊，用于根據(jù)砂輪幾何參數(shù)和系統(tǒng)約束條件，虛擬出兩個(gè)幾何位置確定的旋轉(zhuǎn)軸； 少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊，用于在所述虛擬軸生成模塊提供的所述幾何位置確定的旋轉(zhuǎn)軸以及根據(jù)所述工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的磨削過(guò)程中間曲面的幾何性質(zhì)，重構(gòu)砂輪的運(yùn)動(dòng)軌跡，生成無(wú)局部干涉的砂輪磨削運(yùn)動(dòng)軌跡； 砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊，用于根據(jù)所述砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的砂輪幾何參數(shù)和所述少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡，預(yù)測(cè)砂輪磨削過(guò)程中幾何參數(shù)與輪廓的變化并獲得砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡的修正量； 少軸加工代碼生成模塊，用于根據(jù)所述少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡、所述砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊提供的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡修正量以及所述工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的磨床主軸轉(zhuǎn)速和砂輪進(jìn)給速度，生成磨床數(shù)控系統(tǒng)的加工代碼； 少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊，用于通過(guò)所述少軸加工代碼生成模塊提供的加工代碼，對(duì)光學(xué)鏡面進(jìn)行加工； 砂輪整形修銳模塊，用于根據(jù)所述砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的砂輪幾何參數(shù)，對(duì)砂輪進(jìn)行輪廓的整形 '及 鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊，用于在加工過(guò)程中為所述砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊提供鏡面面形精度，以及在加工后檢測(cè)光學(xué)鏡面的表面質(zhì)量，并將結(jié)果與當(dāng)次磨削的磨削條件和磨削工藝參數(shù)一起記錄到所述磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，其特征在于，所述少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊具有采用三移動(dòng)軸形式的磨床，其采用拱形雙梁形式，主軸位于雙梁之間，所述主軸的傾斜角度可調(diào)，可加工最的超精密光學(xué)鏡面的最大口徑為2m ；所述少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)通信接口從所述少軸加工代碼生成模塊獲得加工代碼以對(duì)光學(xué)鏡面進(jìn)行加工。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，其特征在于，所述約束條件構(gòu)造模塊根據(jù)所述人機(jī)交互模塊、所述磨削工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊以及所述磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊來(lái)構(gòu)造系統(tǒng)約束條件；所述約束條件構(gòu)造模塊為所述砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供系統(tǒng)約束條件，包括磨床的模態(tài)頻率、磨削線速度、光學(xué)鏡面的幾何表達(dá)式、面形精度與表面粗糙度；為所述工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供的相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標(biāo)質(zhì)量條件下的工藝參數(shù)；以及為所述虛擬軸生成模塊提供磨床的幾何尺寸參數(shù)及各軸運(yùn)動(dòng)的極限位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，其特征在于，所述工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊根據(jù)所述約束條件構(gòu)造模塊提供的系統(tǒng)約束條件，根據(jù)相同或相似鏡坯材料、相同或相近鏡面目標(biāo)質(zhì)量條件下的已有的工藝參數(shù)確定當(dāng)次磨削的工藝步驟和各步驟采用的工藝參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，所述砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊用于重構(gòu)砂輪幾何參數(shù)，其特征在于根據(jù)磨削工藝確定的磨削線速度、機(jī)床的模態(tài)，獲得砂輪的直徑；根據(jù)局部不干涉和磨削材料去除率下限的要求確定砂輪的切削半徑；根據(jù)磨削點(diǎn)在砂輪圓周方向上的分布角度和局部不干涉的要求，確定砂輪軸傾斜角，砂輪軸的傾斜角即是磨床主軸的傾斜角；根據(jù)待加工工件曲面的高斯映射的像域在砂輪曲面的高斯映射的像域內(nèi)的要求，獲得砂輪邊界角。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，其特征在于，所述虛擬軸生成模塊，根據(jù)所述砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的砂輪幾何參數(shù)和所述約束條件構(gòu)造模塊提供的磨床的幾何尺寸參數(shù)、各軸運(yùn)動(dòng)的極限位置，虛擬出兩個(gè)幾何位置確定的旋轉(zhuǎn)軸，獲得虛擬五軸磨床，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度所述虛擬五軸磨床與實(shí)際的五軸磨床等效。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，其特征在于，所述少軸軌跡規(guī)劃與干涉檢查模塊用于根據(jù)工件曲面的幾何性質(zhì)，工件表面刀觸點(diǎn)的軌跡選用Z字形或者螺旋形，根據(jù)磨削點(diǎn)處的有效磨削寬度，確定相鄰刀觸點(diǎn)軌跡的行間距，根據(jù)虛擬五軸磨床，計(jì)算磨削點(diǎn)在砂輪曲面上的位置及砂輪在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，根據(jù)磨削點(diǎn)處的工件曲面與砂輪曲面的離差值，判斷是否局部干涉。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，其特征在于，所述砂輪磨損預(yù)測(cè)修正模塊在所述砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊提供的砂輪幾何參數(shù)的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)砂輪的輪廓隨時(shí)間的變化，并根據(jù)所述少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡獲得因砂輪磨損而產(chǎn)生的位置修正量；加工過(guò)程中砂輪磨損預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度可以通過(guò)所述鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊提供的鏡面面形精度來(lái)判斷。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，其特征在于，所述少軸加工代碼生成模塊將所述少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊提供的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡和所述砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊提供的位置修正量結(jié)合起來(lái)，獲得修正的砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡；所述砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡采用離散點(diǎn)的表達(dá)形式，將離散點(diǎn)軌跡轉(zhuǎn)換為數(shù)控磨床加工用的G代碼；G代碼中的砂輪進(jìn)給速度與主軸轉(zhuǎn)速由所述工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊提供；根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的類型和能力，既可以轉(zhuǎn)化為直線插補(bǔ)類型的G代碼，也可以轉(zhuǎn)化為樣條插補(bǔ)類型的G代碼。
全文摘要
一種可重構(gòu)少軸超精密大型光學(xué)鏡面磨削系統(tǒng)，包括磨床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、磨削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、人機(jī)交互模塊、約束條件構(gòu)造模塊，砂輪幾何參數(shù)重構(gòu)模塊，虛擬軸生成模塊，少軸軌跡規(guī)劃與局部干涉檢查模塊，砂輪磨損預(yù)測(cè)與軌跡修正模塊、少軸加工代碼生成模塊、工藝步驟與工藝參數(shù)生成模塊、少軸超精密數(shù)控磨床執(zhí)行模塊、鏡面質(zhì)量檢測(cè)模塊、砂輪整形修銳模塊。針對(duì)不同加工要求，可快速重構(gòu)磨削工藝參數(shù)、砂輪幾何參數(shù)、磨床主軸傾斜角度、砂輪運(yùn)動(dòng)軌跡以及加工代碼，并對(duì)砂輪磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)補(bǔ)償。本發(fā)明系統(tǒng)具有可加工光學(xué)鏡面口徑大、少軸、可重構(gòu)、效率高、精度高、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B24B49/18GK102794688SQ20121028501
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者殷躍紅, 姜振華, 洪海波, 徐勇, 王乾人 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)