專利名稱：任意曲面法向等距離面加工方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學加工、機械加工技術領域。
背景技術：
對于平面加工來說，在調整好切削刀具的初始狀態(tài)后，刀具只需自身平行移動就可以完成加工任務。在加工過程中，只需控制切削點的三個坐標值(x、y、z)即可。就是說，對于平面加工，控制刀具的切削姿態(tài)，只需三個參數。與本發(fā)明有關的另一項現有技術是一種所謂單點加工的方法，這種方法簡單地將加工平面的方法用于加工任意曲面，仍是通過控制切削點進行加工，它是用一個無窮小的切削刃去一個一個地摘除無數個獨立的加工點處的加工余量，最終只能在一定程度上完成加工。

發(fā)明內容
對于曲面加工來說，實際上情況與平面加工完全不同。因為，曲面上每一點以及每一點的每個不同方向上的曲率半徑都不相同。因此，當刀具加工曲面上的某一點時，一般而言，需要將刀具的自身平移動作轉換為刀具切削刃繞某一點旋轉，旋轉軌跡與加工點相切，從而完成切削加工動作。要準確完成這樣的加工動作，至少需要控制六個參數方能控制刀具的切削姿態(tài)，其中通過控制三個參數來控制切削點坐標(x、y、z)，通過控制另外三個參數來控制刀具旋轉圓心點的坐標(X、Y、Z)。所以，像加工平面那樣只控制切削點坐標(x、y、z)來加工曲面在理論上不成立。然而，要實現六個參數的控制也是非常困難的。而單點加工方法雖然在理論上成立，但是，在操作上只能趨近加工結果，接近允許的誤差，而不能消除誤差，并且，這種方法加工效率較低，加工一個工件一般需要幾十甚至上百小時。本發(fā)明的目的就是要找到一種方法，減少刀具姿態(tài)控制參數，使其與平面加工一樣，刀具姿態(tài)控制參數為三個，并且，將刀具的姿態(tài)控制為其旋轉切削軌跡與曲面上的加工點相切，借助現有三坐標機床即可實現任意曲面工件的加工。為此，我們發(fā)明了本發(fā)明之任意曲面法向等距離面加工方法。
本發(fā)明是這樣實現的，見附圖所示1、任意曲面1的方程為z＝(x、y)，據此確定其法向等距離面2的參數方程為
式中Ri為任意曲面1與其法向等距離面2之間的法向距離；2、切削刀具3為球形，切削刃分布在球面上，且能繞球心O旋轉，該球面的半徑即為R0；3、根據法向等距離面2的方程確定切削刀具3球心O的坐標參數(X、Y、Z)，由此控制切削刀具3球心O在法向等距離面2上移動，在這一過程中，當Ri等于R0時，球面與任意曲面1相切于點M，點M為加工點，球心O與任意一個加工點M的距離均為R0，半徑R0處在加工點M法線上；4、在切削刀具3球心O于法向等距離面2上移動過程中，分布在球形切削刀具3球面上的切削刃繞球心O旋轉，其軌跡與任意曲面1上的各加工點M相切，從而去除加工余量，完成切削加工。
根據本發(fā)明，被加工曲面只要是具有方程式的規(guī)則曲面即可，因此，可以說本發(fā)明可以加工任意曲面，而平面曲線及平面僅僅是特例而已。只需控制切削刀具3球心O的三個坐標值(X、Y、Z)，即可將切削刀具3姿態(tài)控制為其切削刃旋轉軌跡與被加工任意曲面1上一點M相切這樣一種狀態(tài)。只需控制切削刀具3的球心O，而不必控制任意曲面1上的加工點M，控制參數為三個，而不是六個，加工對象是包括平面在內的任意曲面1，而不僅僅是平面，加工動作是切，而不是摘，從而實現了本發(fā)明之目的。這里特別需要指出的是，利用本方法可直接設計出能加工像平面、回轉曲面以及螺旋面、瓦楞面、馬鞍面等任意曲面的程控機床。


附圖是本發(fā)明之加工方法示意圖。
具體實施例方式首先根據微分幾何，推導出方程式為z＝(x、y)任意曲面1的法向等距離面2的方程。
1、被加工的任意曲面1為凹曲面，其內法向等距離面2參數方程(1)具體為
式中Ri為等距離；并且，球形切削刀具3的半徑R0應當小于被加工任意曲面1的最小曲率半徑。
2、被加工任意曲面1為凸曲面，其外法向等距離面2的參數方程(1)具體為 式中Ri為等距離；并且，在這種情況下，并不要求球形切削刀具3的半徑R0應當小于被加工任意曲面1的最小曲率半徑。
當要加工任意曲面1上點M0(x0、y0、z0)點時，必須將x0、y0、z0代入公式(2)或者(3)中，求出與x0、y0、z0對應的X0、Y0、Z0，并控制切削刀具3球心O處于X0、Y0、Z0點，此時，加工點便是被加工任意曲面1上的M0(x0、y0、z0)點，分布在球形切削刀具3球面上的切削刃繞球心O旋轉，其軌跡與M0(x0、y0、z0)點相切，從而去除該點加工余量。切削刀具3球心O在法向等距離面2上移動，重復上述過程，對整個任意曲面1進行加工。當不能一次去除加工余量時，可以分多次如n次進行，每次將任意曲面1上的加工余量去除 層。如加工余量為Δ，要分n次加工處理，則每一次去除 第i次的法向等距離面2與任意曲面1的距離Ri為[R0+(n-i)Δn],]]>要根據方程(2)或者(3)求出對應Ri的法向等距離面2方程，切削刀具3球心O在這個法向等距離面2內運動，完成加工。每次加工的起點最好選擇在被加工工件的邊界或者中心。在多次加工過程中，法向等距離面2隨著Ri的遞減，逐步沿法線方向向任意曲面1移動，當Ri等于R0時，完成加工。
本發(fā)明可應用于加工任意平面曲線4。在加工前，先要根據任意平面曲線4方程，求出其法向等距離線5方程。加工凹曲線時，切削刀具3球心O在被加工曲線的內法向等距離線5上運動；加工凸曲線時，切削刀具3球心O在被加工曲線的外法向等距離線5上運動。這里的等距離仍為Ri，球形切削刀具3的半徑仍為R0，加工凹曲線時該半徑R0應當小于被加工曲線的最小曲率半徑。平面曲線這種加工方法也可以叫做任意曲線法向等距離線加工方法。
因為本發(fā)明可以加工任意平面曲線4，當然也就能加工以任意平面曲線4為母線的任意回轉曲面。凹凸任意回轉曲面的具體加工方法與加工平面凹凸任意平面曲線4的方法相同，只是被加工的任意回轉曲面應當繞自身軸旋轉。
權利要求
1.一種任意曲面法向等距離面加工方法，采用三個參數控制切削刀具的切削姿態(tài)，對任意曲面進行逐點加工，其特征在于①任意曲面(1)的方程為z＝(x、y)，據此確定其法向等距離面(2)的參數方程為 式中Ri為任意曲面(1)與其法向等距離面(2)之間的法向距離；②切削刀具(3)為球形，切削刃分布在球面上，且能繞球心O旋轉，該球面的半徑即為R0；③根據法向等距離面(2)的方程確定切削刀具(3)球心O的坐標參數(X、Y、Z)，由此控制切削刀具(3)球心O在法向等距離面(2)上移動，在這一過程中，球面與任意曲面(1)相切于點M，點M為加工點，球心O與任意一個加工點M的距離均為R0，半徑R0處在加工點M法線上；④在切削刀具(3)球心O于法向等距離面(2)上移動過程中，分布在球形切削刀具(3)球面上的切削刃繞球心O旋轉，其軌跡與任意曲面(1)上的各加工點M相切，從而去除加工余量，完成切削加工。
2.根據權利要求1所述的加工方法，其特征在于，被加工的任意曲面(1)為凹曲面，其內法向等距離面(2)參數方程具體為 式中Ri為等距離；并且，球形切削刀具(3)的半徑R0應當小于被加工任意曲面(1)的最小曲率半徑。
3.根據權利要求1所述的加工方法，其特征在于，被加工任意曲面(1)為凸曲面，其外法向等距離面(2)的參數方程具體為 式中Ri為等距離。
4.根據權利要求1所述的加工方法，其特征在于，可以分n次(多次)進行，加工余量為Δ，每一次去除 第i次的法向等距離面(2)與任意曲面(1)的距離Ri為[R0+](n-i)Δn],]]>在加工過程中，法向等距離面(2)隨著Ri遞減，逐步沿法線方向向任意曲面(1)移動，當Ri等于R0時，完成加工。
5.根據權利要求1所述的加工方法，其特征在于，用于加工任意平面曲線(4)，在加工前，先要根據任意平面曲線(4)方程，求出其法向等距離線(5)方程；加工凹曲線時，切削刀具(3)球心O在被加工曲線的內法向等距離線(5)上運動；加工凸曲線時，切削刀具(3)球心O在被加工曲線的外法向等距離線(5)上運動；這里的等距離仍為Ri，球形切削刀具(3)的半徑仍為R0，加工凹曲線時該半徑R0應當小于被加工曲線的最小曲率半徑。
6.根據權利要求5所述的加工方法，其特征在于，加工以任意平面曲線(4)為母線的任意回轉曲面，凹凸任意回轉曲面的具體加工方法與加工平面凹凸任意平面曲線(4)的方法相同，只是被加工的任意回轉曲面應當繞自身軸旋轉。
全文摘要
任意曲面法向等距離面加工方法屬于光學加工、機械加工技術領域。相關的已知技術主要是一種叫做單點加工的方法，其存在的不足是，它并不能實際加工出真實的待加工任意曲面，因此，所加工的曲面的面形精度低。本發(fā)明是根據待加工曲面方程，求出其法向等距離面方程，兩個曲面各對應處在法向上距離相等；選用球形切削刀具，該球半徑等于兩個曲面法向距離；在加工過程中其球心始終在法向等距離面上移動，同時分布在刀具球面上的切削刃繞球心旋轉，旋轉軌跡與待加工曲面上的加工點相切，從而祛除該點加工余量。本發(fā)明可應用于任意曲面，包括平面、回轉面以及螺旋面、馬鞍面等其他曲面的光學、機械加工，加工結果符合要求。
文檔編號G05B19/19GK1694024SQ200510076980
公開日2005年11月9日 申請日期2005年6月13日 優(yōu)先權日2005年6月13日
發(fā)明者王長興, 楊建東, 王凌云 申請人:長春理工大學