主轴的复合运动参数选取方法、控制装置和复合运动系统

摘要

本申请公开了一种主轴的复合运动参数选取方法，包括：对多个H‑Z尖刀去除函数分别进行模拟仿真，绘制出每个H‑Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图；根据翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图，选取达到翘边残余率TUR的目标值的磨头伸出率S、磨头偏心比e和尖刀系数k的取值范围进行组合。通过该方法可以确定不同工况下H‑Z尖刀去除函数的工作参数，将边缘去除效果用翘边残余率TUR量化，只要所选的参数满足翘边残余率TUR的目标值，就能够有效抑制光学镜片的边缘效应。本申请还公开了基于该方法的参数选取控制装置和复合运动系统。

说明书

技术领域

本发明涉及光学镜片加工技术领域，特别涉及一种主轴的复合运动参数选取方法。还涉及一种基于该复合运动参数选取方法的控制装置和复合运动系统。

背景技术

在光学镜片加工中，一般通过加工中心主轴驱动磨头对光学镜片的表面进行加工，磨头对镜片材料的去除分布及加工速率常用数学函数模型定量描述，该数学模型被称为去除函数。去除函数的理论模型一般基于Preston线性假设。待加工光学镜片的表面误差分布被称为面形误差。光学镜片加工的过程实际就是利用去除函数对面形误差进行卷积的过程，通过反卷积的求解可以得到驻留时间，即磨头在工件表面每点加工的停留时间。随着计算机技术的发展，上述过程可以通过计算机控制实现，该技术称为CCOS(英文全称为Computer controller optical surfacing)技术，现代光学加工普遍采用CCOS技术。磨头的运动形式不同，其得到的去除函数也不同。目前常用的一种去除函数为高斯型的去除函数，其在光学加工中具有较好的面形收敛效果。为了获得高斯型去除函数，主轴驱动磨头进行平转动运动实现了该型去除函数，即主轴为拐轴，拐轴的两端分别与驱动装置和磨头连接，主轴的转动轴线与磨头的中心轴线之间存在径向偏移，从而通过主轴旋转实现磨头的平转动。

现有高斯型去除函数在解决待加工工件边缘处的收敛问题时，面临边缘效应：一方面，当磨头中心过于接近工件边缘(伸出率高)时，会引起边缘处压力集中，导致去除函数分布发生变化而影响去除精度，甚至造成磨头倾覆；反之，如果磨头伸出率低，去除函数峰值在工件内侧，造成工件边缘的材料去除量明显偏低，产生翘边。比如，当磨头运动到光学镜片边缘时，去除函数的峰值却无法到达镜片边缘，此时磨头中心距镜片边缘100mm，因此无论如何运算或控制驻留时间，考虑到镜片边缘磨头平转动存在偏心，则在90mm范围内总会出现由于去除峰值无法到达边缘而产生的翘边，这便是边缘效应产生“翘边”的原因；而当磨盘伸出镜片边缘尺寸增加，从而使峰值去除向镜片边缘移动时，翘边的区域宽度虽然会缩窄，但翘边问题依然存在，而且随着磨盘伸出镜片边缘尺寸增加，受力变化而导致的去除函数突变会导致去除量局部突增的风险增加，便产生了急“塌边”问题。因此，不能为了消除翘边而过多地增加磨头伸出镜片边缘的尺寸。这就造成了光学镜片的边缘无法完全卷积。

为了解决高斯型去除函数在边缘处无法完全卷积的问题，最近公开了的一种H-Z尖刀去除函数，该去除函数通过两种运动合成来实现，即通过磨头的平转动和自转运动合成实现，在保持平转动高斯型去除函数优异的体积去除率等优点的基础上，使去除函数的峰值去除率向去除函数边缘移动，这样，即使磨头不必过多伸出光学镜片边缘也能使去除率峰值达到光学镜片的外边缘，从而在避免塌边的同时解决了翘边的问题，从算法上实现了光学镜片边缘处的类完全卷积收敛，实现了边缘效应的抑制，提高了磨头在工件边缘的材料去除效率。具体的H-Z尖刀去除函数可参见论文《提高大口径光学反射镜加工收敛效率的关键技术研究》中的描述。但是在进行不同工况下的光学镜片的边缘去除时，如何确定H-Z尖刀去除函数的工作参数，以达到较好的去除效率，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种主轴的复合运动参数选取方法，以确定不同工况下H-Z尖刀去除函数的工作参数，从而有效抑制光学镜片的边缘效应。

本发明的另一个目的在于提供了一种基于该复合运动参数选取方法的控制装置和复合运动系统，以有效抑制光学镜片的边缘效应。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种主轴的复合运动参数选取方法，包括：

对具有不同磨头偏心比e和尖刀系数k的多个H-Z尖刀去除函数分别进行模拟仿真，绘制出每个所述H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图；

根据所述H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图，选取达到所述翘边残余率TUR的目标值的磨头伸出率S、磨头偏心比e和尖刀系数k的取值范围进行组合，其中，所述翘边残余率TUR由边缘剩余翘边量A₃和去除函数的实际边缘去除量A₁得到，所述尖刀系数k等于磨头的最大自转角度与2π的比值，所述磨头偏心比e等于磨头平转动的旋转半径与磨头直径的比值，所述磨头伸出率S等于磨头最大伸出长度与去除函数的最大抛光直径的比值。

优选的，在上述的复合运动参数选取方法中，所述翘边残余率TUR由边缘剩余翘边量A₃和去除函数的实际边缘去除量A₁得到为：

优选的，在上述的复合运动参数选取方法中，所述翘边残余率TUR的目标值≤(15％～20％)。

优选的，在上述的复合运动参数选取方法中，所述翘边残余率TUR的目标值根据加工工况而定。

优选的，在上述的复合运动参数选取方法中，所述加工工况包括工件尺寸、工件面形误差和工艺类型。

优选的，在上述的复合运动参数选取方法中，所述尖刀系数k的取值范围为

优选的，在上述的复合运动参数选取方法中，所述对具有不同磨头偏心比e和尖刀系数k的多个H-Z尖刀去除函数分别进行模拟仿真，绘制出每个所述H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图为：

将具有同一磨头偏心率e和不同尖刀系数k的多个所述H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线绘制在一个所述HZ尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图中。

本发明还提供了一种主轴的复合运动参数选取控制装置，包括：

模拟仿真单元，用于对具有不同磨头偏心比e和尖刀系数k的多个H-Z尖刀去除函数分别进行模拟仿真，绘制出每个所述H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图；

参数选择单元，用于根据所述H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图，选取达到所述翘边残余率TUR的目标值的磨头伸出率S、磨头偏心比e和尖刀系数k的取值范围进行组合，其中，所述翘边残余率TUR由边缘剩余翘边量A₃和去除函数的实际边缘去除量A₁得到，所述尖刀系数等于磨头的最大自转角度与2π的比值，所述磨头偏心比e等于磨头平转动的旋转半径与磨头直径的比值，所述磨头伸出率S等于磨头最大伸出长度与去除函数的最大抛光直径的比值。

本发明还提供了一种主轴的复合运动系统，包括主轴驱动装置，还包括复合运动参数选取控制装置，所述复合运动参数选取控制装置与所述主轴驱动装置连接，用于对具有不同磨头偏心比e和尖刀系数k的多个H-Z尖刀去除函数分别进行模拟仿真，绘制出每个所述H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图，根据所述H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图，选取达到所述翘边残余率TUR的目标值的磨头伸出率S、磨头偏心比e和尖刀系数k的取值范围进行组合；其中，所述翘边残余率TUR由边缘剩余翘边量A₃和去除函数的实际边缘去除量A₁得到，所述尖刀系数k等于磨头的最大自转角度与2π的比值，所述磨头偏心比e等于磨头平转动的旋转半径与磨头直径的比值，所述磨头伸出率S等于磨头最大伸出长度与去除函数的最大抛光直径的比值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的主轴的复合运动参数选取方法中，对具有不同磨头偏心比和尖刀系数的多个H-Z尖刀去除函数分别进行模拟仿真，绘制出每个H-Z尖刀去除函数的翘边残余率随磨头伸出率变化曲线图；根据H-Z尖刀去除函数的翘边残余率随磨头伸出率变化曲线图，选取达到翘边残余率的目标值的磨头伸出率范围、磨头偏心比范围和尖刀系数范围进行组合。通过该方法可以确定不同工况下H-Z尖刀去除函数的工作参数，将边缘去除效果用翘边残余率量化，只要所选的参数满足翘边残余率的目标值，就能够有效抑制光学镜片的边缘效应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种主轴的复合运动参数选取方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的一种主轴的复合运动参数选取方法中的翘边残余率的计算原理示意图；

图3为本发明实施例提供的一种主轴的复合运动参数选取方法的翘边残余率随磨头伸出率变化曲线图；

图4为本发明实施例提供的另一种主轴的复合运动参数选取方法的翘边残余率随磨头伸出率变化曲线图。

具体实施方式

本发明的核心是提供了一种主轴的复合运动参数选取方法，能够确定不同工况下H-Z尖刀去除函数的工作参数，从而有效抑制光学镜片的边缘效应。

本发明还提供了一种基于该复合运动参数选取方法的复合运动参数选取控制装置和复合运动系统，能够有效抑制光学镜片的边缘效应。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明实施例提供了一种主轴的复合运动参数选取方法，基于H-Z尖刀去除函数进行工作参数选取，主轴的复合运动包括磨头的平转动运动和磨头的自转运动，该复合运动参数选取方法包括以下步骤：

对具有不同磨头偏心比e和尖刀系数k的多个H-Z尖刀去除函数分别进行模拟仿真，绘制出每个H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图。其中，每个H-Z尖刀去除函数均通过不同的磨头偏心比e和尖刀系数k确定，因此，在每个不同的磨头偏心比e和尖刀系数k条件下均能够模拟仿真出各自不同的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线。

根据H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图，选取达到翘边残余率TUR的目标值的磨头伸出率S、磨头偏心比e和尖刀系数k的取值范围进行组合。即可得到工作参数。

其中，翘边残余率TUR由边缘剩余翘边量A₃和去除函数的实际边缘去除量A₁得到，可以量化去除效果，翘边残余率TUR越小，则表明，翘边越小，对翘边的抑制越有效。如图2所示，磨头正常运转，去除函数在工件上匀速扫过一条直线，会产生一条均匀的沟状去除带，图2中的曲线表示的是工件边缘处的钩状去除带的横截面轮廓线，可以看出，由于磨头伸出工件的边缘一部分，因此，在图2中，钩状去除带的横截面轮廓线一部分位于边缘之外，所以，图2中A₁表示的是去除函数的实际边缘去除量，A₂表示的是去除函数伸出边缘的溢出去除量(没有作用于工件)，A₁和A₂的和表示去除函数理论的全部去除量，A₃表示的是边缘剩余翘边量(工件边缘没有被去除的量)。从图2中可以明确地看出，图2左侧的曲线的峰值位于中间，较为对称，A₃部分的面积较大；右侧的曲线的峰值靠近边缘，A₃部分的面积较小，即翘边较小。

尖刀系数k等于磨头的最大自转角度与2π的比值，磨头的自转按照一定周期往复自转，优选为按照正弦周期自转，尖刀系数k越大，表示自转的最大角度越大，在相同自转周期下，自转的速度越快。

磨头偏心比e等于磨头平转动的旋转半径与磨头直径的比值，磨头偏心比e越大，表示磨头一次平转动去除的工件范围越大，在相同平转动周期下，磨头的线速度越大。

磨头伸出率S等于磨头最大伸出长度与去除函数的最大抛光直径的比值，由于磨头中心向工件边缘靠近时，会有一部分伸出工件边缘，将磨头的偏心平转动算在内，磨头能够伸出工件边缘的最大长度就是磨头最大伸出长度，去除函数的最大抛光直径是指在去除函数的理论运动范围的最大直径。磨头伸出率S越大，表示磨头伸出工件的边缘长度越大，磨头中心越靠近工件边缘。

上述方法在模拟仿真绘制出的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图上可以根据设定的翘边残余率TUR的目标值选取合适范围的尖刀系数k、磨头偏心比e和磨头伸出率S。只要满足设定的翘边残余率TUR的目标值，则去除函数便能够有效抑制工件的边缘效应。

如图2所示，在本实施例中，翘边残余率TUR由边缘剩余翘边量A₃和去除函数的实际边缘去除量A₁得到，具体为：

如图1所示，在本实施例中，翘边残余率TUR的目标值根据加工工况而定，不同的加工工况，其需要满足的翘边剩余量不同。优选地，加工工况包括工件尺寸、工件面形误差和工艺类型。大尺寸工件的翘边往往不好去除，因此，大尺寸工件的翘边残余率TUR的目标值可以设定得稍微高一些。

在本实施例中，定义翘边残余率TUR的目标值≤(15％～20％)时，边缘效应可以得到较好的抑制，当然，根据不同的加工工况，翘边残余率TUR的目标值可以适当改变，更优选为翘边残余率TUR的目标值≤15％。

如图3和图4所示，为了方便对不同的H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线进行对比分析，在本实施例中，对具有不同磨头偏心比e和尖刀系数k的多个H-Z尖刀去除函数分别进行模拟仿真，绘制出每个H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线具体为：

将具有同一磨头偏心比e和不同尖刀系数k的多个H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线绘制在一个H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图中。即在一个翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图中，多个变化曲线的磨头偏心比e相同，分别具有不同的尖刀系数k。从图3和图4中可以看出，在同一磨头偏心比e下，尖刀系数k越大，越有利于减小翘边残余率TUR，磨头伸出率S越大，越有利于翘边残余率TUR的减小，通过图3和图4对比，可知，磨头偏心比e越小，越有利于翘边残余率TUR的减小。

具体地，当认为翘边残余率TUR的目标值小于15％时，边缘效应得到了较好的抑制，下面列举两个不同磨头偏心比e下的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图。第一种，在磨头偏心比e为1/10的情况下，得到如图3所示材料去除量的仿真结果，在图3中，在磨头伸出率S为0.1时，尖刀系数k＝0.2即可满足翘边残余TUR小于15％的目标。第二种，在磨头偏心比e为1/5的情况下，得到如图4所示仿真计算结果，在磨头伸出率S为0.05时，尖刀系数k＝0.1即可满足翘边残余TUR小于15％的目标。若采取其它参数及翘边残余率TUR的目标值，可通过磨头伸出率S、尖刀系数k、磨头偏心比e参数组合来实现翘边残余率TUR的收敛抑制。

从图3和图4可以看出，随着尖刀系数k等幅提升，对翘边残余率TUR的抑制作用逐渐减弱，当尖刀系数k增大到某个值k₀时，再继续增大尖刀系数k，对翘边残余率TUR的抑制作用几乎不再变化，到达极限。该尖刀系数k₀满足公式：即尖刀系数k的取值范围为由于尖刀系数k为磨头自转的最大角度与2π的比值，因此，只要磨头自转的最大角度满足k₀对应的极限角度时，便最有利于翘边残余率TUR的抑制。而磨头自转的最大角度通过相应的设备来驱动实现，在设备的驱动条件能够满足磨头自转的最大角度达到极限值时，则选择设备对应该极限值的驱动条件，从而在根据翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图选取工作参数时，只选取磨头偏心比e和磨头伸出率S的取值范围。对于驱动条件不能达到磨头自转的最大角度极限值的设备，则在设备的驱动能力下，根据翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图选取工作参数时，选取尖刀系数k、磨头偏心比e和磨头伸出率S的取值范围。

从图3和图4不难看出，小磨头偏心比e、大磨头伸出率S、大尖刀系数k，有利于减小翘边残余率TUR，获得更好的加工效果。但同时也对其他方面产生不利影响，如下表1所示，故需要综合考虑选取磨头偏心比e、磨头伸出率S和尖刀系数k。

表1磨头偏心比、磨头伸出率和尖刀系数对其它工作参数的影响

当然，除了采取图3和图4中的曲线绘制方式外，还可以将每个H-Z尖刀去除函数单独绘制在不同的变化曲线图中，同样能够根据翘边残余率TUR的目标值选取磨头偏心比e、磨头伸出率S和尖刀系数k的范围。

基于以上实施例所描述的主轴的复合运动参数选取方法，本发明实施例还提供了一种主轴的复合运动参数选取控制装置，包括模拟仿真单元和参数选择单元。其中，

模拟仿真单元用于对具有不同磨头偏心比e和尖刀系数k的多个H-Z尖刀去除函数分别进行模拟仿真，绘制出每个H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图；

参数选择单元用于根据H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图，选取达到翘边残余率TUR的目标值的磨头伸出率S、磨头偏心比e和尖刀系数k的取值范围进行组合，其中，翘边残余率TUR由边缘剩余翘边量A₃和去除函数的实际边缘去除量A₁得到，尖刀系数k等于磨头的最大自转角度与2π的比值，磨头偏心比e等于磨头平转动的旋转半径与磨头直径的比值，磨头伸出率S等于磨头最大伸出长度与去除函数的最大抛光直径的比值。

由于该复合运动参数选取控制装置采用了本发明中的复合运动参数选取方法，因此，可以在根据H-Z尖刀去除函数模拟仿真绘制出的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图中选取能够达到翘边残余率TUR的目标值的磨头偏心比e、磨头伸出率S和尖刀系数k的范围，实现对工件边缘效应的抑制。

本发明实施例还提供了一种主轴的复合运动系统，包括主轴驱动装置和复合运动参数选取控制装置，复合运动参数选取控制装置与主轴驱动装置连接，用于对具有不同磨头偏心比e和尖刀系数k的多个H-Z尖刀去除函数分别进行模拟仿真，绘制出每个H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图，根据H-Z尖刀去除函数的翘边残余率TUR随磨头伸出率S变化曲线图，选取达到翘边残余率TUR的目标值的磨头伸出率S、磨头偏心比e和尖刀系数k的取值范围进行组合；其中，翘边残余率TUR由边缘剩余翘边量A₃和去除函数的实际边缘去除量A₁得到，尖刀系数k等于磨头的最大自转角度与2π的比值，磨头偏心比e等于磨头平转动的旋转半径与磨头直径的比值，磨头伸出率S等于磨头最大伸出长度与去除函数的最大抛光直径的比值。

该复合运动系统在复合运动参数选取控制装置的控制作用下，选取能够有效抑制翘边残余率TUR的工作参数，主轴驱动装置依据该工作参数进行工作，完成工件的抛光，有效抑制了工件的边缘效应。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。