專利名稱：刀具擺動非球面加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)加工、機械加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，在光學(xué)加工、機械加工領(lǐng)域，有關(guān)非球面的機械加工方法通常有以下兩種，一種是傳統(tǒng)加工方法，另一種是所謂的“靠模”法。傳統(tǒng)加工方法就是手工加工方法，通過緩慢的切削逐步趨近需加工的非球面，在這一過程中，不斷地借助經(jīng)驗觀察和使用刀尺檢測。而靠模法也是一種機械加工方法，申請?zhí)枮?0132770.4一件中國專利申請公開了一項名為非球面軌跡成形加工方法及裝置的技術(shù)方案，該方案就是一種靠模法。這種方法是預(yù)先在一個標(biāo)準(zhǔn)圓錐上取得所需圓錐曲線，如拋物線，該曲線即為加工用模具。在加工過程中，切削刀具的尾端在該曲線上行走，切削刀具另一端的切削刃則沿相同軌跡行走，而工件就位于切削刃軌跡上，并且自轉(zhuǎn)，于是就加工出以該曲線為母線的回轉(zhuǎn)曲面，也就是一類非球面。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)存在許多不足，傳統(tǒng)加工方法自不必說。上述靠模法存在的問題是，加工不同的非球面(回轉(zhuǎn)曲面)需要制作不同的曲線模具，不僅繁瑣，而且產(chǎn)生加工誤差；曲線模具軌跡通過一段加工部件如切削刀具連桿間接控制切削刃行走軌跡，又產(chǎn)生一個加工誤差；不管加工整個非球面的什么部位，切削刃的進給方向幾乎都不在各個加工點的法線上，因此，這種方法存在在加工過程中無法消除的理論誤差。上述問題導(dǎo)致該方法加工的工件誤差較大。本發(fā)明就是要克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足。為此，我們提出了本發(fā)明之刀具擺動非球面加工方法及裝置。
為實現(xiàn)本發(fā)明，首先需要說明的是，不管球面還是非球面，只要是回轉(zhuǎn)面，它就是由一條平面曲線繞空間某軸旋轉(zhuǎn)一周而形成，該曲線叫做該回轉(zhuǎn)面的母線。經(jīng)過對作為母線的某些曲線，特別是圓錐曲線(拋物線、橢圓、雙曲線)做深入研究之后，確認(rèn)它們具有一些共同的幾何特性，這些幾何特性見圖1所示1、曲線y＝f(x)上各點的曲率半徑ρ(x)有如下關(guān)系，ρ(x)＞ρ(x0) (0＜x0＜x)
這一特征反映曲線漸開趨勢，這一點可以確保刀具在大幅度擺動或者轉(zhuǎn)動時不會發(fā)生誤加工。
2、取曲線上一任意點M0，該點曲率半徑為ρ(x0)，ρ(x0)與y軸交于K0點，線段K0M0‾=R0,]]>則ρ(x0)＞R00＜x0這一特征可以確保刀具的擺動加工正常進行。
3、曲線y＝f(x)的曲率半徑ρ(x)與y軸交于K點，那么K(x)＞K0x0＜xR(x)＞R0x0＜x這一特征決定當(dāng)加工點從曲線頂端，即x＝0處，向曲線末端，即x＝xmax處移動時，加工刀具的搖臂需上升并相應(yīng)伸長，反之則下降并相應(yīng)縮短。
4、以K0點為圓心，以R0為半徑作圓，該圓與曲線只有一個交點，即切點M0，該點就是加工點。
本發(fā)明之裝置是這樣實現(xiàn)的，見圖2所示，由升降裝置、伸縮搖擺裝置和切削裝置三大部分組成1、升降裝置固定在基座1上，它由一對導(dǎo)軌2、升降桿3和升降滑塊4組成，升降桿3穿過升降滑塊4一同置于兩個導(dǎo)軌2中間，升降稈3一端與基座1相連，旋轉(zhuǎn)升降桿3可以使升降滑塊4沿導(dǎo)軌2上下移動；2、伸縮搖擺裝置安裝在升降滑塊4一側(cè)的擺軸5上，它由伸縮滑塊6、伸縮桿7和框架導(dǎo)軌8組成，伸縮桿7一端與滑塊6相連，一同置于框架導(dǎo)軌8中間，伸縮桿7另一端穿過框架導(dǎo)軌8的一端，伸縮滑塊6安裝在擺軸5上，旋轉(zhuǎn)伸縮桿7可以使框架導(dǎo)軌8相對伸縮滑塊6移動，整個伸縮搖擺裝置可以繞擺軸5擺動或者旋轉(zhuǎn)；3、切削裝置安裝在框架導(dǎo)軌8的另一端，它由轉(zhuǎn)軸9和刀具10組成，刀具10固定在轉(zhuǎn)軸9的一端，轉(zhuǎn)軸9的另一端以框架導(dǎo)軌8的一端為軸承，刀具10隨轉(zhuǎn)軸9旋轉(zhuǎn)加工工件11，還隨伸縮搖擺裝置、升降裝置在空間移動。
基于以上分析和本發(fā)明之裝置，本發(fā)明之方法是這樣實現(xiàn)的，見圖1、圖2所示，K是擺軸5在y軸上的位置，其高度值，也就是K點在y軸上的坐標(biāo)值為H；R是擺軸5至刀具10端點M0的長度值，M0是待加工回轉(zhuǎn)曲面母線y＝f(x)上的一點，H、R與y＝f(x)的關(guān)系滿足下式要求H=y0+x0y0′-------(1)R=x0y0′1+y0′2-----(2)]]>式中y0＇為曲線y＝f(x)在M0點的一階導(dǎo)數(shù)，隨著H值、R值的增大或減小，同時在x-y平面內(nèi)擺動著的伸縮搖擺裝置軸線一一地與被加工曲面母線每一處的法線發(fā)生位置上的重合，這時就由刀具10端點的各個空間位置M形成了一條連續(xù)的曲線，這一曲線即為待加工回轉(zhuǎn)曲面的母線，工件11作為旋轉(zhuǎn)體以其幾何中心線為軸自轉(zhuǎn)，在空間連續(xù)分布的點M最終形成了待加工回轉(zhuǎn)曲面。
采用本發(fā)明之加工方法及裝置，不僅不再需要模具，而且可以加工以具有上述四個幾何特征的曲線為母線所形成的回轉(zhuǎn)曲面，不論是凹面還是凸面。只需將待加工曲面的母線方程在該母線上某點求出一階導(dǎo)數(shù)代入公式(1)、(2)，求出H、R值，根據(jù)該值調(diào)整加工裝置的空間位置，即可加工出所需曲面。從理論上講本發(fā)明不存在誤差。升降裝置、伸縮搖擺裝置以及切削裝置可以進行精密設(shè)計和制造。將加工裝置機械誤差，如軸系誤差、導(dǎo)軌誤差、進給誤差，以及振動、刀具誤差、溫度等因素均考慮進去，本發(fā)明的面形加工精度仍可達(dá)0.005～0.0005mm，比現(xiàn)有靠模法提高一個數(shù)量級。對于光學(xué)加工，完全可以將粗磨、精磨兩道工序合一，可以高速研磨，工件轉(zhuǎn)速可達(dá)2000～3000rpm，刀具轉(zhuǎn)速可達(dá)1500～2000rpm。與傳統(tǒng)加工方法相比，重復(fù)性好，對操作者沒有較高技能要求，加工效率高，加工一個非球面工件只需幾個小時，如加工口徑為200～300mm的回轉(zhuǎn)拋物面鏡，只需5～8小時，加工效率提高幾十倍。


圖1是本發(fā)明原理及方法示意圖，同時也是采用本發(fā)明之方法加工凹曲面示意圖。圖2是本發(fā)明裝置示意圖，同時也是采用本發(fā)明之裝置加工凹曲面工況示意圖。圖3也是本發(fā)明裝置示意圖，同時還是采用本發(fā)明之裝置加工凸曲面工況示意圖。圖4是待加工的凸曲面在x-y坐標(biāo)系中的位置示意圖。圖5也是本發(fā)明原理及方法示意圖，同時還是采用本發(fā)明之方法加工凸曲面示意圖。
具體實施例方式關(guān)于本發(fā)明之裝置需要進一步說明的是，加工凸曲面的裝置與加工凹曲面的裝置不同之處在于將整個裝置在垂直方向翻轉(zhuǎn)180°，見圖3所示，基座1由裝置的頂部轉(zhuǎn)至底部。
升降桿3和升降滑塊4之間以及伸縮桿7和環(huán)形導(dǎo)軌8之間為螺紋連接。刀具10上分布有加工刃的端面一般是球面，加工凹曲面時該球面曲率半徑應(yīng)當(dāng)小于被加工曲面的最小曲率半徑。但是，加工凸曲面則無此限。
利用本發(fā)明之方法加工凹曲面的過程見圖1、圖2所示，待加工回轉(zhuǎn)曲面母線方程為y＝f(x)，K是擺軸5在y軸上的位置，其高度值，也就是K點在y軸上的坐標(biāo)值為H；R是擺軸5至刀具10端點M0的長度值，M0是待加工回轉(zhuǎn)曲面母線y＝f(x)上的一點，根據(jù)公式(1)、(2)連續(xù)調(diào)整H、R值，自下而上加工，如K點由K0上升到K1，H值則由H0變化到H1，R值相應(yīng)地由R0變化到R1，隨著H值、R值的增大，同時在x-y平面內(nèi)擺動著的伸縮搖擺裝置的軸線一一地與被加工曲面母線每一處的法線發(fā)生位置上的重合，刀具10以2000rpm轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，所完成的加工點M由點M0移動至點M1，最終由刀具10端點的各個空間位置M，也就是所完成的各個加工點M形成了一條連續(xù)的曲線，這一曲線即為待加工回轉(zhuǎn)曲面的母線，工件11作為旋轉(zhuǎn)體其幾何中心線與擺軸5隨H值增減而上下移動所處的軸線重合，也就是二者同在y軸上，凹曲面的頂點朝向x軸并位于x軸上，并且H＞0Hmin＝Rmin工件11同時以3000rpm轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，在空間連續(xù)分布的點M最終便形成了待加工回轉(zhuǎn)曲面。
利用本發(fā)明之方法加工凸曲面的過程如下，待加工回轉(zhuǎn)曲面母線方程為y＝f(x)，以y軸為對稱軸且頂點朝上，見圖4所示，曲線截止至y＝0，曲線y＝f(x)與x軸形成的閉合空間即為工件11的位置。這時圖2所示的加工裝置無法實現(xiàn)加工，因為，伸縮搖擺裝置軸線僅在y軸位置與曲線y＝f(x)上的一點的法線重合。為使加工得以實現(xiàn)，需將工件11以坐標(biāo)原點為軸心逆時針轉(zhuǎn)動90°，再向右平移L距離。這一過程相當(dāng)于x-y坐標(biāo)系以其原點為軸心逆時針旋轉(zhuǎn)90°，再向右平移L距離，形成一個ξ-η直角坐標(biāo)系，ξ軸與y軸相距L，見圖5所示。加工裝置中的擺軸5的位置K仍在y軸上，K點的高度值仍設(shè)為H，擺軸5至刀具10端點M0的長度值為R，y＝f(x)在ξ-η坐標(biāo)系中表示為η＝f(ξ)，M0則是待加工回轉(zhuǎn)曲面母線η＝f(ξ)上的一點，根據(jù)公式(1)、(2)，可以推導(dǎo)出H、R與η＝f(ξ)的關(guān)系式為H＝ξ0-η0′(L-η0)R=(L-η0)2+(H-ξ0)2]]>或者R=(L-η0)1+η0′2]]>式中η0＇為曲線η＝f(ξ)在M0點的一階導(dǎo)數(shù)。還有當(dāng)H＝0時，R＝Rmin
權(quán)利要求
1.一種刀具擺動非球面加工裝置，保持切削刀具的空間方位，其特征在于，它由升降裝置、伸縮搖擺裝置和切削裝置三大部分組成A.升降裝置固定在基座(1)上，它由一對導(dǎo)軌(2)、升降桿(3)和升降滑塊(4)組成，升降桿(3)穿過升降滑塊(4)一同置于兩個導(dǎo)軌(2)中間，升降桿(3)一端與基座(1)相連，旋轉(zhuǎn)升降桿(3)可以使升降滑塊(4)沿導(dǎo)軌(2)上下移動；B.伸縮搖擺裝置安裝在升降滑塊(4)一側(cè)的擺軸(5)上，它由伸縮滑塊(6)、伸縮桿(7)和框架導(dǎo)軌(8)組成，伸縮桿(7)一端與滑塊(6)相連，一同置于框架導(dǎo)軌(8)中間，伸縮桿(7)另一端穿過框架導(dǎo)軌(8)的一端，伸縮滑塊(6)安裝在擺軸(5)上，旋轉(zhuǎn)伸縮桿(7)可以使框架導(dǎo)軌(8)相對伸縮滑塊(6)移動，整個伸縮搖擺裝置可以在擺軸(5)上擺動或者旋轉(zhuǎn)；C.切削裝置安裝在框架導(dǎo)軌(8)的另一端，它由轉(zhuǎn)軸(9)和刀具(10)組成，刀具(10)固定在轉(zhuǎn)軸(9)的一端，轉(zhuǎn)軸(9)的另一端以框架導(dǎo)軌(8)的一端為軸承，刀具(10)隨轉(zhuǎn)軸(9)旋轉(zhuǎn)加工工件(11)，還隨伸縮搖擺裝置、升降裝置在空間移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工裝置，其特征在于，加工凸曲面的裝置與加工凹曲面的裝置不同之處在于將整個裝置在垂直方向翻轉(zhuǎn)180°，基座(1)位于裝置的底部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工裝置，其特征在于，升降桿(3)和升降滑塊(4)之間以及伸縮桿(7)和環(huán)形導(dǎo)軌(8)之間為螺紋連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加工裝置，其特征在于，刀具(10)上分布有加工刃的端面是球面，加工凹曲面時該球面曲率半徑應(yīng)當(dāng)小于被加工曲面的最小曲率半徑。
5.一種與權(quán)利要求1所述加工裝置配套的刀具擺動非球面加工方法，通過控制切削刀具切削刃在空間的位置，結(jié)合工件的自轉(zhuǎn)，完成加工過程，其特征在于，K是擺軸(5)在y軸上的位置，其高度值，也就是K點在y軸上的坐標(biāo)值為H；R是擺軸(5)至刀具(10)端點M0的長度值，M0是待加工回轉(zhuǎn)曲面母線y＝f(x)上的一點，H、R與y＝f(x)的關(guān)系滿足下式要求H=y0+x0y0′R=x0y0′1+y0′2]]>式中y0′為曲線y＝f(x)在M0點的一階導(dǎo)數(shù)，隨著H值、R值的增大或減小，同時在x-y平面內(nèi)擺動著的伸縮搖擺裝置軸線一一地與被加工曲面母線每一處的法線發(fā)生位置上的重合，這時就由刀具10端點的各個空間位置M形成了一條連續(xù)的曲線，這一曲線即為待加工回轉(zhuǎn)曲面的母線，工件(11)作為旋轉(zhuǎn)體以其幾何中心線為軸自轉(zhuǎn)，在空間連續(xù)分布的點M最終形成了待加工回轉(zhuǎn)曲面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的加工方法，其特征在于，加工凸曲面的過程如下A.待加工回轉(zhuǎn)曲面母線方程為y＝f(x)，以y軸為對稱軸且頂點朝上，曲線截止至y＝0，曲線y＝f(x)與x軸形成的閉合空間即為工件(11)的位置；B.將工件(11)以坐標(biāo)原點為軸心逆時針轉(zhuǎn)動90°，再向右平移L距離，這一過程相當(dāng)于x-y坐標(biāo)系以其原點為軸心逆時針旋轉(zhuǎn)90°，再向右平移L距離，形成一個ξ-η直角坐標(biāo)系，ξ軸與y軸相距L；C.加工裝置中的擺軸(5)的位置K仍在y軸上，K點的高度值仍設(shè)為H，擺軸(5)至刀具(10)端點M0的長度值為R，y＝f(x)在ξ-η坐標(biāo)系中表示為η＝f(ξ)，M0則是待加工回轉(zhuǎn)曲面母線η＝f(ξ)上的一點，H、R與η＝f(ξ)的關(guān)系式為H＝ξ0-η0′(L-η0)R=(L-η0)2+(H-ξ0)2]]>或者R=(L-η0)1+η0′2]]>式中η0′為曲線η＝f(ξ)在M0點的一階導(dǎo)數(shù)。
全文摘要
刀具擺動非球面加工方法及裝置屬于光學(xué)加工、機械加工技術(shù)領(lǐng)域。已知技術(shù)中的靠模法存在的不足有，加工不同面形的工件需要用不同的模具；由于刀具的進給并不是在加工點法線方向上進行，因而存在理論誤差；由于是靠模具間接控制刀具，加工誤差也較大。本發(fā)明直接根據(jù)被加工回轉(zhuǎn)曲面母線方程，控制刀具的升降和伸縮，使刀具始終在加工點的法線上準(zhǔn)確進給，同時工件自轉(zhuǎn)。由于本發(fā)明不需預(yù)先制作任何模具，不存在理論誤差，最終的加工誤差也僅來自機械誤差，因而加工成本低、效率高、精度高。本發(fā)明可用于工件的大部分常見回轉(zhuǎn)曲面的加工，不論是球面還是非球面，不論是金屬還是玻璃等，不論是切削還是研磨。
文檔編號B23C3/04GK1693021SQ200510076979
公開日2005年11月9日 申請日期2005年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月13日
發(fā)明者王長興, 楊建東, 張心明 申請人:長春理工大學(xué)