CN115415886A - 一种内壁光学表面抛光路径计算方法 - Google Patents

一种内壁光学表面抛光路径计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种内壁光学表面抛光路径计算方法，包括：利用待抛光工件坐标系建立与待抛光工件坐标系平行的机械臂坐标系；利用所述机械臂坐标系获取抛光路径基础矢量；利用所述抛光路径基础矢量得到内壁光学表面抛光路径，可对分布在侧壁的内壁光学表面进行抛光，且抛光方法能够实现表面加工纹理去除的效果，提升表面质量，解决内壁光学表面加工纹理去除中的空间小，位置灵活，且需要通过人工手抛进行纹理去除的费时费力，工艺不可控的难题。

Description

一种内壁光学表面抛光路径计算方法
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种内壁光学表面抛光路径计算方法。
背景技术
精密和超精密抛光是一种有效的加工切削纹理去除的后处理方法，广泛应用于光学表面以及具有超高表面质量的加工后处理。传统方法只适合针对开放空间的端面表面进行抛光加工，对于内壁光学表面这样具有空间狭小限制和光学表面朝向灵活的加工纹理抛光去除无法适用。以往的抛光方法，主要用于去除在端面基底的光学表面的加工纹理。而不是用于内壁光学表面的加工去除。内壁光学表面加工纹理的去除面临着表面朝向灵活不定的特性，因此需要一种切实可行的内壁抛光路径计算方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种内壁光学表面抛光路径计算方法，通过双重坐标系并建立对应关系后，基于表面法向矢量计算抛光路径，计算精度高输出路径误差小。
为实现上述目的，本发明提供了一种内壁光学表面抛光路径计算方法，包括：
S1、利用待抛光工件坐标系建立与待抛光工件坐标系平行的机械臂坐标系；
S2、利用所述机械臂坐标系获取抛光路径基础矢量；
S3、利用所述抛光路径基础矢量得到内壁光学表面抛光路径。
优选的，所述利用待抛光工件坐标系建立与待抛光工件坐标系平行的机械臂坐标系包括：
根据待抛光工件坐标系的X、Y轴确定与待抛光工件坐标系X、Y轴平行的初始机械臂坐标系X、Y轴；
根据抛光工具指向确定初始机械臂坐标系Z轴方向；
利用所述初始机械臂坐标系X、Y、Z轴建立机械臂坐标系。
优选的，利用所述机械臂坐标系获取抛光路径基础矢量包括：
利用所述机械臂坐标系的原点与待抛光工件坐标系的原点获取机械臂坐标系与待抛光工件坐标的原点向量；
利用所述机械臂坐标系与待抛光工件坐标的原点向量作为抛光路径基础矢量。
优选的，利用所述抛光路径基础矢量得到内壁光学表面抛光路径包括：
利用待抛光工件获取与待抛光工件的初始抛光路径点集合；
利用待抛光工件坐标系计算所述抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量；
利用所述抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量计算抛光路径点集合中各初始抛光路径点；
利用所述抛光路径点集合中各初始抛光路径点得到试运行抛光路径点集合；
利用所述试运行抛光路径点集合进行空间干涉检查得到待抛光工件的抛光路径点集合；
利用所述待抛光工件的抛光路径点集合作为内壁光学表面抛光路径。
进一步的，所述利用待抛光工件坐标系计算所述抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量的计算式如下：
F＝(x,y,z)＝0
Figure BDA0003825044410000021
其中，F＝(x，y，z)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的表面方程解析表达式，N＝(u，v，w)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量。
进一步的，利用所述抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量计算抛光路径点集合中各初始抛光路径点的计算式如下：
Figure BDA0003825044410000022
Figure BDA0003825044410000023
Figure BDA0003825044410000024
其中，(X，Y，Z)为初始抛光路径点，(u，v，w)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量，(xp，yp，zp)为抛光路径点，(a，b，c)为抛光路径基础矢量。
进一步的，利用所述抛光路径点集合中各初始抛光路径点得到试运行抛光路径点集合包括：
当抛光工具指向与机械臂坐标系Z轴相同时，利用所述抛光路径点集合中各初始抛光路径点计算与初始抛光路径点对应的各试运行抛光路径点；
利用所述各试运行抛光路径点得到试运行抛光路径点集合。
进一步的，利用所述抛光路径点集合中各初始抛光路径点计算与初始抛光路径点对应的各试运行抛光路径点的计算式如下：
Figure BDA0003825044410000031
β＝arccos w,γ＝0
(X,Y,Z)＝(xp,yp,zp)+(a,0,c)-(c sinθ,0,c cosθ)-(a cosθ,0,a sinθ)
α＝0,
Figure BDA0003825044410000032
其中，(X,Y,Z，α，β，γ)为初始抛光路径点对应的各试运行抛光路径点，(u，v，w)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量。
进一步的，利用所述试运行抛光路径点集合进行空间干涉检查得到待抛光工件的抛光路径点集合包括：
利用试运行抛光路径点集合进行可视化仿真后，判断试运行抛光路径点集合中任一点是否与待抛光工件存在空间干涉，若是，则对试运行抛光路径点集合进行空间干涉优先处理，否则，输出试运行抛光路径点集合作为待抛光工件的抛光路径点集合。
进一步的，所述对试运行抛光路径点集合进行空间干涉优先处理包括：
对所述试运行抛光路径点集合中各试运行抛光路径点的β值基于空间干涉角度阈值进行调整得到试运行抛光路径点处理集合；
利用所述试运行抛光路径点处理集合进行可视化仿真后，判断试运行抛光路径点处理集合中任一点是否与待抛光工件存在空间干涉，若是，则返回步骤S1，否则，输出试运行抛光路径点处理集合作为待抛光工件的抛光路径点集合；
其中，空间干涉角度为抛光工具与基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量的夹角，空间干涉角度阈值为不大于20度。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
通过建立双重坐标系计算抛光路径，保证了抛光工具始终正对待抛光工件表面，使得抛光过程效率高，同时基于可视化仿真进行复检确保路径的计算输出准确，在实际操作的过程中不会对待抛光工件造成损伤。
附图说明
图1是本发明提供的一种内壁光学表面抛光路径计算方法流程图；
图2是本发明提供的一种内壁光学表面抛光路径计算实际应用方法抛光路径轨迹类型图；
图3是本发明提供的一种内壁光学表面抛光路径计算实际应用方法抛光工具状态示意图；
图4是本发明提供的一种内壁光学表面抛光路径计算实际应用方法抛光路径轨迹图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种内壁光学表面抛光路径计算方法，如图1所示，包括：
S1、利用待抛光工件坐标系建立与待抛光工件坐标系平行的机械臂坐标系；
S2、利用所述机械臂坐标系获取抛光路径基础矢量；
S3、利用所述抛光路径基础矢量得到内壁光学表面抛光路径。
步骤S1具体包括：
S1-1、根据待抛光工件坐标系的X、Y轴确定与待抛光工件坐标系X、Y轴平行的初始机械臂坐标系X、Y轴；
S1-2、根据抛光工具指向确定初始机械臂坐标系Z轴方向；
S1-3、利用所述初始机械臂坐标系X、Y、Z轴建立机械臂坐标系。
步骤S2具体包括：
S2-1、利用所述机械臂坐标系的原点与待抛光工件坐标系的原点获取机械臂坐标系与待抛光工件坐标的原点向量；
S2-2、利用所述机械臂坐标系与待抛光工件坐标的原点向量作为抛光路径基础矢量。
步骤S3具体包括：
S3-1、利用待抛光工件获取与待抛光工件的初始抛光路径点集合；
S3-2、利用待抛光工件坐标系计算所述抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量；
S3-3、利用所述抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量计算抛光路径点集合中各初始抛光路径点；
S3-4、利用所述抛光路径点集合中各初始抛光路径点得到试运行抛光路径点集合；
S3-5、利用所述试运行抛光路径点集合进行空间干涉检查得到待抛光工件的抛光路径点集合；
S3-6、利用所述待抛光工件的抛光路径点集合作为内壁光学表面抛光路径。
步骤S3-2的计算式如下：
F＝(x,y,z)＝0
Figure BDA0003825044410000051
其中，F＝(x，y，z)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的表面方程解析表达式，N＝(u，v，w)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量。
步骤S3-3的计算式如下：
Figure BDA0003825044410000052
Figure BDA0003825044410000053
Figure BDA0003825044410000054
其中，(X，Y，Z)为初始抛光路径点，(u，v，w)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量，(xp，yp，zp)为抛光路径点，(a，b，c)为抛光路径基础矢量。
步骤S3-4具体包括：
S3-4-1、当抛光工具指向与机械臂坐标系Z轴相同时，利用所述抛光路径点集合中各初始抛光路径点计算与初始抛光路径点对应的各试运行抛光路径点；
S3-4-2、利用所述各试运行抛光路径点得到试运行抛光路径点集合。
步骤S3-4-1的计算式如下：
Figure BDA0003825044410000055
β＝arccos w,γ＝0
(X,Y,Z)＝(xp,yp,zp)+(a,0,c)-(c sinθ,0,c cosθ)-(a cosθ,0,a sinθ)
α＝0,
Figure BDA0003825044410000056
其中，(X,Y,Z，α，β，γ)为初始抛光路径点对应的各试运行抛光路径点，(u，v，w)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量。
步骤S3-5具体包括：
S3-5-1、利用试运行抛光路径点集合进行可视化仿真后，判断试运行抛光路径点集合中任一点是否与待抛光工件存在空间干涉，若是，则对试运行抛光路径点集合进行空间干涉优先处理，否则，输出试运行抛光路径点集合作为待抛光工件的抛光路径点集合。
步骤S3-5-1具体包括：
S3-5-1-1、对所述试运行抛光路径点集合中各试运行抛光路径点的β值基于空间干涉角度阈值进行调整得到试运行抛光路径点处理集合；
S3-5-1-2、利用所述试运行抛光路径点处理集合进行可视化仿真后，判断试运行抛光路径点处理集合中任一点是否与待抛光工件存在空间干涉，若是，则返回步骤S1，否则，输出试运行抛光路径点处理集合作为待抛光工件的抛光路径点集合；
其中，空间干涉角度为抛光工具与基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量的夹角，空间干涉角度阈值为不大于20度。
实施例2：
本发明提供了一种内壁光学表面内壁光学表面抛光路径计算实际应用方法，包括：
S1：定义机械臂运动坐标系，机械臂运动坐标系包括但不限于使用机械臂各个轴作为运动坐标系或以机械臂的末端的运动作为坐标系，本发明所述的坐标系选用机械臂的末端的运动构建坐标系，记为(XM,YM,ZM)，工件的坐标系设为(XW,YW,ZW)，调整机械臂的运动轴，致使机械臂末端坐标系与工件坐标系的各轴平行，且抛光工具指向的方向与ZM(或ZW)方向重合，设定该状态下的机械臂末端坐标系原点OM以及工件坐标系的原点OW，矢量OMOW的矢量在机械臂的末端坐标系下可表示为
OMOW＝(a,b,c)
其中，a为抛光工具与机械臂末端法兰中心至抛光头在XM(或XW)方向的距离，b为抛光工具与机械臂末端法兰中心至抛光头在YM(或YW)方向的距离，c为抛光工具与机械臂末端法兰中心至抛光头在ZM(或ZW)方向的距离；其正负由(XM,YM,ZM)或(XW,YW,ZW)的坐标轴的正负方向而定。
S2：在待加工工件表面进行路径点设置，形成抛光头末端在待加工工件表面的加工轨迹(xm,ym,zm)，该加工轨迹包括但不限于栅格线，螺旋线，弓字形及其他随机轨迹。
本实施例中，一种内壁光学表面内壁光学表面抛光路径计算实际应用方法，采样点轨迹，如图2所示，采用弓字形轨迹。
S3：为确保抛光工具正对待加工工件表面，对于在工件坐标系坐标为(xp,yp,zp)的点而言，计算加工轨迹点所对应的表面法矢N，其计算方式可采用但不限于利用表面方程求偏导的解析几何方式或利用三维软件建模导出，计算得单位法矢N＝(u,v,w)；
S4：根据加工轨迹点生成机械臂末端所需要运动的坐标指令(X,Y,Z,α,β,γ)。由于本实施例中的抛光工具长度较长，因此为了确保曝光过程中抛光工具与待加工工件不发生空间干涉，此时只考虑表面法矢在XWZW平面的投影，可确保抛光工具正对待加工表面法矢，如图3所示。对于在工件坐标系坐标为(xp,yp,zp)的点而言，其坐标指令的计算方式为
(X,Y,Z)＝(xp,yp,zp)+(a,0,c)-(c sinθ,0,c cosθ)-(a cosθ,0,a sinθ)
β＝θ,α＝γ＝0
其中，θ＝arctan(u/w)由待加工工件表面在(xp,yp,zp)处的法矢决定。
S5：将含有轨迹坐标点(X,Y,Z,α,β,γ)通过程序指令输入至机械臂控制器，由控制器控制机械臂进行运动，判断抛光工具与待加工工件是否有空间干涉，如无空间干涉，则进行下一步，如有空间干涉的处理步骤如下：
(1)抛光工具在运动过程中与待加工工件接触，此时可先进入S4，修改β值达到不干涉效果，但需要保证此时的抛光头方向与待加工工件表面法矢N的夹角小于一定阈值，该阈值在实施例中可以是20°。
(2)在S4始终不满足的情况下，返回S1修改抛光工具的几何尺寸，并进行重新计算，致使满足空间不干涉要求。
本实施例中，一种内壁光学表面内壁光学表面抛光路径计算实际应用方法，待抛光零件的内壁表面加工的各个位置运动坐标轨迹，如图4所示。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内壁光学表面抛光路径计算方法，其特征在于，包括：
S1、利用待抛光工件坐标系建立与待抛光工件坐标系平行的机械臂坐标系；
S2、利用所述机械臂坐标系获取抛光路径基础矢量；
S3、利用所述抛光路径基础矢量得到内壁光学表面抛光路径。
2.如权利要求1所述的一种内壁光学表面抛光路径计算方法，其特征在于，所述利用待抛光工件坐标系建立与待抛光工件坐标系平行的机械臂坐标系包括：
根据待抛光工件坐标系的X、Y轴确定与待抛光工件坐标系X、Y轴平行的初始机械臂坐标系X、Y轴；
根据抛光工具指向确定初始机械臂坐标系Z轴方向；
利用所述初始机械臂坐标系X、Y、Z轴建立机械臂坐标系。
3.如权利要求1所述的一种内壁光学表面抛光路径计算方法，其特征在于，利用所述机械臂坐标系获取抛光路径基础矢量包括：
利用所述机械臂坐标系的原点与待抛光工件坐标系的原点获取机械臂坐标系与待抛光工件坐标的原点向量；
利用所述机械臂坐标系与待抛光工件坐标的原点向量作为抛光路径基础矢量。
4.如权利要求1所述的一种内壁光学表面抛光路径计算方法，其特征在于，利用所述抛光路径基础矢量得到内壁光学表面抛光路径包括：
利用待抛光工件获取与待抛光工件的初始抛光路径点集合；
利用待抛光工件坐标系计算所述抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量；
利用所述抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量计算抛光路径点集合中各初始抛光路径点；
利用所述抛光路径点集合中各初始抛光路径点得到试运行抛光路径点集合；
利用所述试运行抛光路径点集合进行空间干涉检查得到待抛光工件的抛光路径点集合；
利用所述待抛光工件的抛光路径点集合作为内壁光学表面抛光路径。
5.如权利要求4所述的一种内壁光学表面抛光路径计算方法，其特征在于，所述利用待抛光工件坐标系计算所述抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量的计算式如下：
F＝(x,y,z)＝0
Figure FDA0003825044400000011
其中，F＝(x，y，z)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的表面方程解析表达式，N＝(u，v，w)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量。
6.如权利要求4所述的一种内壁光学表面抛光路径计算方法，其特征在于，利用所述抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量计算抛光路径点集合中各初始抛光路径点的计算式如下：
Figure FDA0003825044400000021
Figure FDA0003825044400000022
Figure FDA0003825044400000023
其中，(X，Y，Z)为初始抛光路径点，(u，v，w)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量，(xp，yp，zp)为抛光路径点，(a，b，c)为抛光路径基础矢量。
7.如权利要求4所述的一种内壁光学表面抛光路径计算方法，其特征在于，利用所述抛光路径点集合中各初始抛光路径点得到试运行抛光路径点集合包括：
当抛光工具指向与机械臂坐标系Z轴相同时，利用所述抛光路径点集合中各初始抛光路径点计算与初始抛光路径点对应的各试运行抛光路径点；
利用所述各试运行抛光路径点得到试运行抛光路径点集合。
8.如权利要求7所述的一种内壁光学表面抛光路径计算方法，其特征在于，利用所述抛光路径点集合中各初始抛光路径点计算与初始抛光路径点对应的各试运行抛光路径点的计算式如下：
Figure FDA0003825044400000024
β＝arccos w,γ＝0
(X,Y,Z)＝(xp,yp,zp)+(a,0,c)-(csinθ,0,ccosθ)-(acosθ,0,asinθ)
α＝0,
Figure FDA0003825044400000025
γ＝0
其中，(X,Y,Z，α，β，γ)为初始抛光路径点对应的各试运行抛光路径点，(u，v，w)为基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量。
9.如权利要求4所述的一种内壁光学表面抛光路径计算方法，其特征在于，利用所述试运行抛光路径点集合进行空间干涉检查得到待抛光工件的抛光路径点集合包括：
利用试运行抛光路径点集合进行可视化仿真后，判断试运行抛光路径点集合中任一点是否与待抛光工件存在空间干涉，若是，则对试运行抛光路径点集合进行空间干涉优先处理，否则，输出试运行抛光路径点集合作为待抛光工件的抛光路径点集合。
10.如权利要求9所述的一种内壁光学表面抛光路径计算方法，其特征在于，所述对试运行抛光路径点集合进行空间干涉优先处理包括：
对所述试运行抛光路径点集合中各试运行抛光路径点的β值基于空间干涉角度阈值进行调整得到试运行抛光路径点处理集合；
利用所述试运行抛光路径点处理集合进行可视化仿真后，判断试运行抛光路径点处理集合中任一点是否与待抛光工件存在空间干涉，若是，则返回步骤S1，否则，输出试运行抛光路径点处理集合作为待抛光工件的抛光路径点集合；
其中，空间干涉角度为抛光工具与基于待抛光工件坐标系的抛光路径点集合中各抛光路径点的单位法向矢量的夹角，空间干涉角度阈值为不大于20度。
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