一种映射到柱面上的复杂微特征球冠面车削轨迹生成方法技术

本发明专利技术涉及一种映射到柱面上的复杂微特征球冠面车削轨迹生成方法，属于机械数控加工领域。在空间直角坐标系下建立微特征球冠向柱面映射的模型，根据设定的径向球冠分布个数划分出球冠处柱面分布角度和非球冠处柱面分布角度，将柱面按照轴向螺距刻度和径向角度所分份数划分，推导非球冠处和球冠处柱面螺旋轨迹生成表达式生成刀触点轨迹，选取刀具半径对刀触点进行刀具半径补偿生成刀位点轨迹，最终将刀位点坐标输出生成数控机床加工NC代码用于实际加工。优点是该轨迹生成方法可一次成型加工柱面微特征结构，无需再进行磨抛，对于旋转体和非旋转体都适用，加工效率高，实用性好，便于推广。于推广。于推广。

【技术实现步骤摘要】
一种映射到柱面上的复杂微特征球冠面车削轨迹生成方法


[0001]本专利技术涉及机械数控加工领域，具体涉及一种复杂微特征球冠非旋转体柱面车削螺旋刀具轨迹生成方法。

技术介绍

[0002]微特征结构一直以来都是国内外研究的热点，微特征透镜广泛应用于光学领域，可用于光信息处理、光互连、图像扫描、干涉仪等。目前微特征透镜的加工方法主要有精密车削和研磨抛光法、化学腐蚀法以及模压成型法，精密加工对加工设备的精度要求较高，而且此类方法的加工设备成本很高，并且加工效率较低，不适合批量生产。化学腐蚀则不容易控制腐蚀速度，且制造精度较低，加工出的微特征透镜表面不够光滑。模压成型法是用模具对熔融状态下的玻璃毛坯进行加压成型，需要高精度的压型模具，控制温度进行加压成型。
[0003]柱状的压型模具设计复杂，加工工序复杂，加工成本较高，目前微特征柱面结构的加工方法大多集中在精密车削、抛光、光刻蚀、激光加工等，可加工柱面上的局部微特征结构、简单微特征结构和旋转体微特征结构，对于复杂非旋转体的柱状微特征结构的加工还较为困难。如申请号为CN201810020688.8的专利中对柱面微特征为旋转体结构进行了轨迹规划，这种方法通过旋转微特征的母线得到柱面结构，但这种方法并不适用于非旋转体结构的微特征，存在局限性；申请号为CN201520848734.5的专利中为降低光学元件的偏心现象的影响设计了一种加工装置，但需要进行二次磨边，不能够一次成型；申请号为CN202011007335.8的专利中通过控制激光发射装置将激光光斑照射至待加工的工件表面进行加工，该加工方法只是在零件表面上局部加工，而不是对整个零件的完整加工，不能够保证整体的面型精度。
[0004]为了满足对复杂非旋转体柱面微特征结构的一次性成型加工的需求，使得柱面加工不再局限于单一旋转体或简单微结构，同时能够一次成型无需进行别的工序，便于对柱状的压型模具进行加工，进而高效率生产微特征透镜，需提出一种映射到柱面上的复杂微特征球冠面车削轨迹生成方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种映射到柱面上的复杂微特征球冠面车削轨迹生成方法，以解决现有技术无法高效率一次性加工出复杂的非旋转体柱面微特征结构的问题。
[0006]本专利技术采取的技术方案是：包括下列步骤：
[0007](1)在空间直角坐标系下建立柱面球冠的模型，选择圆柱轴线为X轴，根据螺旋轨迹的螺距对X轴进行刻度划分，同时对径向角度进行划分；
[0008](2)根据设定的径向球冠分布个数划分出球冠处柱面分布角度和非球冠处柱面分布角度；
[0009](3)推导圆柱面生成表达式，将柱面轴向按照螺距刻度划分，根据非微特征球冠处柱面分布角度按照径向所分份数生成非微特柱面刀触点轨迹；
[0010](4)推导柱面球冠表达式，将柱面轴向按照螺距刻度划分，根据微特征球冠处柱面分布角度按照径向所分份数生成微特征球冠处柱面刀触点轨迹；
[0011](5)选取刀具半径，根据刀具半径补偿公式对刀触点进行刀具半径补偿生成刀位点轨迹；
[0012](6)将刀位点坐标输出生成数控机床加工NC代码。
[0013]本专利技术所述步骤(1)中，建立柱面球冠微特征模型，即将球冠向柱面径向进行映射，使微特征球冠在长度为LL半径为R
L
的柱面上均匀分布。球冠在柱面上的径向分布个数为n
j
，轴向分布个数为n
x
，轴向球冠分布间隙为l
x
；
[0014]以球冠边际点M为切点做球冠的切线LM，则切线相交竖轴的交点L为所述的待映射圆柱的中心线上一点，点L到所述的球冠底平面中心点N的距离即为所述的待映射圆柱的半径，设定所述圆柱的中心L到所述球冠最高点H的距离为h，设定所述球冠所在球的半径为R，设定LM与LN之间的夹角为θ
max
，则球冠底平面半径R
s
的求解方程为：
[0015][0016]选择圆柱的轴线为X轴，螺旋轨迹的螺距为lj，将径向角度划分为tt份，则轴向刻度为：
[0017][0018]推导出柱面径向角度坐标为：
[0019]θ
i
＝2πi/tt
ꢀꢀꢀ
(3)
[0020]其中，i为对柱面轴向刻度划分的份数，i＝1,2,3,
…
,LL
·
tt/lj。
[0021]所述步骤(2)中，根据设定的径向球冠分布个数划分出球冠处柱面分布角度和非球冠处柱面分布角度，设定径向球冠分布个数为n
j
，则可推出径向球冠间隙角度θ
l
为:
[0022]θ
l
＝2π/n
j
‑
2θ
max
ꢀꢀꢀ
(4)
[0023]当且j＝1,2,
…
,n
j
，i＝1,2,3,
…
,LL
·
tt/lj时，此为非球冠处柱面径向分布角度，其中c＝i
t；
[0024]当且j＝1,2,
…
,n
j
+1，i＝1,2,3,
…
,LL
·
tt/lj时，此为球冠处柱面径向分布角度，其中c＝i
t。
[0025]本专利技术所述步骤(3)中，螺旋轨迹的螺距lj为在进行柱面微特征数控加工中，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的径向角度为2π/tt，同时在轴向刀触点刻度为lj/tt，整个微特征柱面结构加工完成后刀触点总点数为LL
·
tt/lj；
[0026]依据划分的轴向刻度推导所述非球冠处微特征柱面径向分布角度下的圆柱面刀触点轨迹为：
[0027][0028]其中，i＝1,2,3,
…
,LL
·
tt/lj，j＝1,2,
…
,n
j
。
[0029]本专利技术所述步骤(4)中，依据划分的轴向刻度推导出所述球冠处微特征柱面径向分布角度下的柱面刀触点轨迹，需要将球冠上的点向圆柱面进行映射，为了便于后续刀触点轨迹的推导，根据几何关系设定两个待映射点处的必要参数：
[0030][0031][0032]球冠向柱面映射分为两种情况，第一种为球冠表面映射之前在圆柱表面的外面，即当时，其中nn＝0,1,
…
,n
x
，需对待映射点进行压缩，推导此时的柱面微特征球冠方程为：
[0033][0034]令将螺旋轨迹方程应用到上述柱面球冠微特征方程中，进行推导此时的刀触点轨迹方程为：
[0035][0036]其中i＝1,2,3,
…
,LL
·
tt/lj，j＝1,2,
…
,n
j
+1；
[0037]球冠向圆柱表面映射的第二种情况本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种映射到柱面上的复杂微特征球冠面车削轨迹生成方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)在空间直角坐标系下建立柱面球冠的模型，选择圆柱轴线为X轴，根据螺旋轨迹的螺距对X轴进行刻度划分，同时对径向角度进行划分；(2)根据设定的径向球冠分布个数划分出球冠处柱面分布角度和非球冠处柱面分布角度；(3)推导圆柱面生成表达式，将柱面轴向按照螺距刻度划分，根据非微特征球冠处柱面分布角度按照径向所分份数生成非微特柱面刀触点轨迹；(4)推导柱面球冠表达式，将柱面轴向按照螺距刻度划分，根据微特征球冠处柱面分布角度按照径向所分份数生成微特征球冠处柱面刀触点轨迹；(5)选取刀具半径，根据刀具半径补偿公式对刀触点进行刀具半径补偿生成刀位点轨迹；(6)将刀位点坐标输出生成数控机床加工NC代码。2.根据权利要求1所述的一种映射到柱面上的复杂微特征球冠面车削轨迹生成方法，其特征在于：所述步骤(1)中，建立柱面球冠微特征模型，即将球冠向柱面径向进行映射，使微特征球冠在长度为LL半径为R
L
的柱面上均匀分布，球冠在柱面上的径向分布个数为n
j
，轴向分布个数为n
x
，轴向球冠分布间隙为l
x
；以球冠边际点M为切点做球冠的切线LM，则切线相交竖轴的交点L为所述的待映射圆柱的中心线上一点，点L到所述的球冠底平面中心点N的距离即为所述的待映射圆柱的半径，设定所述圆柱的中心L到所述球冠最高点H的距离为h，设定所述球冠所在球的半径为R，设定LM与LN之间的夹角为θ
max
，则球冠底平面半径R
s
的求解方程为：选择圆柱的轴线为X轴，螺旋轨迹的螺距为lj，将径向角度划分为tt份，则轴向刻度为：推导出柱面径向角度坐标为：θ
i
＝2πi/tt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，i为对柱面轴向刻度划分的份数，i＝1,2,3,
…
,LL
·
tt/lj。3.根据权利要求1所述的一种映射到柱面上的复杂微特征球冠面车削轨迹生成方法，其特征在于：所述步骤(2)中，根据设定的径向球冠分布个数划分出球冠处柱面分布角度和非球冠处柱面分布角度，设定径向球冠分布个数为n
j
，则可推出径向球冠间隙角度θ
l
为:θ
l
＝2π/n
j
‑
2θ
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)当且i＝1,2,3,
…
,LL
·
tt/lj时，此为非球冠处柱面径向分布角度，其中c＝i\tt；当且i＝1,
2,3,
…
,LL
·
tt/lj时，此为球冠处柱面径向分布角度，其中c＝i\tt。4.根据权利要求1所述的一种映射到柱面上的复杂微特征球冠面车削轨迹生成方法，其特征在于：所述步骤(3)中，螺旋轨迹的螺距lj为在进行柱面微特征数控加工中，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的径向角度为2π/tt，同时在轴向刀触点刻度为lj/tt，整个微特征柱面结构加工完成后刀触点总点数为LL
·
tt/lj；依据划分的轴向刻度推导所述非球冠处微特征柱面径向分布角度下的圆柱面刀触点轨迹为：其中，i＝1,2,3,
…
,LL
·
tt/lj，j＝1,2,
…
,n
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀世军，李京瑾，赵继，宁培惺，胡志清，代汉达，王晓晖，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：