基于CAM的個性化樹脂鏡片復合加工工藝研究與專用設備研發(fā)*

張欣波 王 澤 弓清忠

(①廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024;②集美大學機械與能源工程學院，福建 廈門 361024)

近年來主要采用切割代替磨削的鏡片加工工藝來大批量生產同類型鏡片，在加工設備方面，若采用三軸數(shù)控機床，銑削鏡片的刀具無法垂直于球面鏡片的球心，加工面與鏡框安裝鍥合度低下，需二次打磨，容易造成普遍殘料多、加工效率低下等現(xiàn)象；而五軸數(shù)控機床具備RTCP(刀尖跟隨)功能，完全滿足鏡片加工要求，加工面與鏡框安裝鍥合度高，但是造價成本過高，導致使用率不高。如文獻[1]采用切削代替磨削設計出新型的五軸數(shù)控鏡片切割機；再如意大利的BIEMMEPI SISTEMI公司研發(fā)的五軸鏡片切割機JOKER可以加工出多種規(guī)格的鏡片。

鑒于現(xiàn)有的三直線軸鏡片輪廓加工設備生產殘料多、效率低以及五軸鏡片加工設備生產精度高、成本高的現(xiàn)狀，本文針對個性化球面樹脂鏡片的加工特點，在詳細分析其數(shù)學模型的基礎上，提出一種4軸數(shù)控鏡片輪廓加工模式，用以替代原有5軸曲面加工才能完成的任務。并在此工藝研究基礎上開發(fā)一款全新高效自動化個性樹脂鏡片輪廓加工設備，具有專用機械手上下料、雙主軸高速復合加工等特點，提高加工效率，解決目前鏡片加工行業(yè)存在的關鍵性技術瓶頸問題。

1 鏡片的幾何結構與加工工藝分析

針對樹脂、亞克力等球面鏡片，如圖1所示，其表面具有一定的弧度，因此在加工時必須要求刀具與鏡片切削面相切并且刀具延長線指向球面鏡片的球心，為了滿足鏡片輪廓加工的工藝要求，需要數(shù)控鏡片切割機具有兩個旋轉坐標軸,因此機床結構可分為主軸頭(兩自由度)、工作臺(兩自由度)和主軸頭工作臺(各一個自由度)發(fā)生擺動或回轉[2]。本文根據(jù)鏡片質量輕、硬度低的特點采用搖籃式框架結構，實現(xiàn)工作臺的兩個旋轉自由度(旋轉軸A、B)，使鏡片輪廓的空間三維插補轉換成平面二維的直線或圓弧插補，滿足鏡片的加工工藝，同時便于鏡片與鏡框裝配。

2 數(shù)控鏡片切割機插補算法研究和運動學分析

為了驗證鏡切割機的機床結構滿足鏡片輪廓的加工工藝，對鏡片切割機進行運動學分析和坐標轉換，同時，為數(shù)控鏡片切割機的后處理開發(fā)奠定了理論基礎。

2.1 運動學分析

數(shù)控機床的運動學分析任務是把工件坐標系下刀具的位姿表示，轉化為機床各構件在其各自固連坐標系中的運動量，在滿足各運動軸行程的情況下，可以滿足對工件坐標系下所有刀具位姿的定位[3]。

數(shù)控鏡片切割機的各坐標軸簡圖主要包含兩條運動鏈：工件-旋轉軸A軸-旋轉軸B軸-床身運動鏈和床身-直線軸X軸-直線軸Z軸-主軸刀具運動鏈。數(shù)控機床通過控制主軸裝置對工作臺的相對運動實現(xiàn)刀具切削工件的目的，如圖2所示。

對數(shù)控鏡片切割機的運動學建立了4個坐標系：機床固有的坐標系OBXBYBZB、表示刀具運動狀態(tài)的刀具坐標系OTXTYTZT、表示工件運動狀態(tài)的工件坐標系OWXWYWZW(與工件接觸的旋轉軸A)以及與旋轉軸A連接的定軸坐標系OMXMYMZM，如圖3所示。

建立坐標系之后，完成切削過程即刀具坐標系OTXTYTZT相對于工件坐標系OWXWYWZW的運動。

刀具坐標系OTXTYTZT到定軸坐標系OMXMYMZM的轉換矩陣為：

MMT=T(ΔZ)

(1)

定軸坐標系OMXMYMZM到工件坐標系OWXWYWZW的轉換矩陣為：

MWM=RA(ΔA)·RB(ΔB)

(2)

結合式(1)和(2)，刀具坐標系OTXTYTZT到工件坐標系OWXWYWZW的變換矩陣MWT如下：

MWT=MMT·MWM

(3)

2.2 坐標轉換

pW=MWT·pW

(4)

dT=MWT·dT

(5)

(6)

(7)

求解上式可以依次求得各坐標軸的插補移動量：

(8)

通過式(8)將求出各坐標軸的的初步運動量，為后續(xù)的后處理程序的編寫提供了理論參考。

2.3 插補算法研究

插補算法對零件的加工精度至關重要。經研究鏡片的樣式主要是空間直線和空間圓弧曲線組成，如圖4～5所示，因此需要采用空間三維直線和圓弧的插補算法。

以圖5所示的I象限順時針三維坐標系OXYZ中的任意兩點A、B組成的圓弧曲線插補為例，起點A、終點為B。插補算法首先進行空間圓弧所在平面的二維插補計算，再由坐標變換計算插補點的空間三維坐標值。

以圓弧AB的圓心o為坐標原點，oA為x軸創(chuàng)建新的坐標系oxyz，如圖6所示。

在xyo平面上對圓弧進行二維圓弧插補分析，圓弧任意插補點pi=(xi,yi)的坐標值計算如下：

xi+1=xi+Δxi

(9)

yi+1=yi+Δyi

(10)

插補分析完成后，將平面坐標系oxyz的坐標點與三維坐標系OXYZ上的坐標點建立聯(lián)系。

(11)

oxy平面上任意插補點pi=(xi,yi)在三維坐標系OXYZ的坐標值為Pi=(Xi,Yi,Zi)，轉換公式如下：

(12)

同時考慮到空間三維圓弧的圓心不一定在空間坐標原點，因此要加上o點坐標的平分分量(X0,Y0,Z0)，平面oxy內的插補點到空間坐標系XYZO的轉換公式如下：

(13)

3 全自動高效數(shù)控鏡片切割設備的三維結構設計

全自動高效數(shù)控鏡片切割設備由數(shù)控鏡片切割機和專用機械手組成，主要分為工作臺模塊、橫梁雙主軸模塊、專用機械手模塊及防護模塊4個部分，三維模型如圖7所示，模塊之間在機械結構和控制信號傳輸密切配合，完成鏡片的切割和自動上下料，具體內容如下：

工作臺模塊：通過真空負壓將鏡片毛坯固定在搖籃式工作臺上，并且由伺服電機驅動繞X軸和Y軸作旋轉運動，滿足了鏡片輪廓加工的工藝要求。通過兩個運動軸的空間聯(lián)合轉動，是實現(xiàn)鏡片輪廓由空間三維加工轉換為二維平面加工的關鍵。

橫梁雙主軸模塊[4]：采用龍門式結構，確保主軸沿X軸方向和沿Z軸方向的直線往復運動，實現(xiàn)雙主軸依次切割鏡片輪廓。通過設計方形氣缸與導軌滑塊，保證兩個主軸的高度差及加工精度，避免發(fā)生干涉。

專用機械手上下料模塊[5-6]：主要負責鏡片的上下料，將鏡片毛坯移至工作臺并且等待鏡片完成加工以及將鏡片成品移至保存箱，整個加工路線的鏡片上下料由專用機械手替代人工完成，極大地提高效率。

防護模塊：主要防止碎屑飛濺傷害操作人員，同時鏡片輪廓加工時防護門自動緊閉，專用機械手上下料時防護門自動打開。

4 基于VERICUT的數(shù)控鏡片切割機模型搭建與加工仿真

在VERICUT軟件[7]中搭建鏡片切割機的仿真模型進行刀具加工軌跡仿真、監(jiān)控，在仿真環(huán)境中檢查潛在的機械結構、加工程序以及加工質量等問題，對加工過程優(yōu)化，具體的仿真技術路線如圖8所示。

4.1 建立數(shù)控鏡片切割機的模型樹以及仿真模型

在VERICUT軟件中，數(shù)控鏡片切割機的仿真模型以鏡片切割機的機械結構及其運動關系為依據(jù)，建立數(shù)控鏡片切割機的模型樹和仿真模型，如圖9～10所示。

4.2 利用MasterCam軟件編寫鏡片輪廓加工程序

將鏡片的二維圖形導入到MasterCAMv9.1軟件[10]中，設置相關參數(shù)后生成刀具切割鏡片的運行軌跡，主軸1用于鏡片外輪廓的切割(粗切和精修)；主軸2用于鏡片的打孔以及表面刻字等。如圖11所示。

由于生成的程序是二維加工程序，因此通過后處理來轉換程序，轉換后的部分程序如下：

%

O0000

N100G21

N102G0G17G40G49G80G90

(TOOL - 1 DIA. OFF. - 1 LEN. - 1 DIA. - 2.)

N104G2000

N106T1M6

N108G0G90G54A-75.576B7.482A0.

S5000M3

...

通過MasterCAMv9.1軟件對鏡片輪廓加工進行虛擬仿真，將生成的程序導入數(shù)控機床控制系統(tǒng)，便可以對鏡片輪廓實際加工。

4.3 鏡片切割虛擬仿真加工分析

將鏡片加工程序導入到VERICUT軟件中，開始進行虛擬仿真切割鏡片，如圖12所示。

虛擬加工仿真分析檢測鏡片切割機在加工過程中的碰撞、超程現(xiàn)象，根據(jù)提示排除潛在的碰撞和干涉，為后續(xù)的數(shù)控鏡片切割機的三維建模奠定基礎，同時驗證了插補算法研究和后處理以及加工程序的正確性。

4.4 加工速度優(yōu)化

鏡片外輪廓是曲線且封閉，因此加工過程為連續(xù)切割，導致刀具受力連續(xù)平穩(wěn)。利用VERICUT軟件的切削速度優(yōu)化功能，針對不同類型、材質的鏡片，重新計算切割機的進給速度和主軸轉速，并且保存到鏡片加工程序中，實現(xiàn)鏡片成品的高效率高精度生產。

針對數(shù)控鏡片切割機加工鏡片，結合實際生產，完善多種鏡片材質的優(yōu)化參數(shù)庫，樹脂鏡片實際切割示意圖如圖13所示。

5 鏡片成品精度檢測

為了檢驗數(shù)控鏡片切割機的加工精度達到要求，同時在加工過程中鏡片的表面沒有劃痕，本文選用成熟的機器視覺技術來完成鏡片成品的精度檢測[9]。

首先借助照明系統(tǒng)、工業(yè)相機和鏡頭搭建硬件檢測平臺，然后將被測物轉換成圖像再傳輸至計算機中，最后利用SCISmart軟件進行精度分析，對比被測物AutoCAD繪圖軟件的理想形態(tài)信息(鏡片二維圖形的DXF文件格式)，分析被測物的加工精度情況。機器視覺精度檢測的技術路線如圖14所示。

根據(jù)選取的相機型號調整視覺系統(tǒng)硬件相應的參數(shù)得到工業(yè)相機的測量精度，具體調節(jié)方式參照成像原理如圖15所示。

焦距、工作距離及視野的關系式如下：

(13)

式中：f為焦距；D為工作距離；H和V分別為圖像視野的水平和垂直尺寸；h和v為靶面尺寸(芯片尺寸)的寬和高，工業(yè)相機ACA1000M-GE-S的靶面尺寸為1/2.3＂，故h=5.6 mm，v=4.2 mm。

在公式計算以及鏡片成品尺寸分析的基礎上，得到H=70 mm，D=100 mm，f=8 mm。

工業(yè)相機精度的計算公式如下：

(14)

式中：RSD為工業(yè)相機精度；Pix(H)為工業(yè)相機水平方向的分辨率，取值為3 856。

經計算工業(yè)相機的拍攝精度RSD=0.018 mm。

6 鏡片切割機樣機的加工試驗研究

當鏡片切割機的主軸轉速越高，鏡片的加工質量越好，但是速度過高會導致機床溫度升高，容易引發(fā)鏡片的變形。因此針對樣機加工鏡片的試驗，得到主軸轉速、進給速率、加工時間以及鏡片成品精度等重要參數(shù)之間的關系，得出實際生產中最優(yōu)的主軸轉速和進給速率的參數(shù)。

經SCISmart軟件分析對比，鏡片切割機在主軸轉速60 000 r/min，進給速率速率5 000 mm/min的條件下加工精度及效率最優(yōu)，且鏡片表面無劃痕，顯示最大誤差發(fā)生的位置(圖中綠色曲線)，如圖16所示。

表1 鏡片切割機樣機試驗加工參數(shù)

7 結語

針對目前鏡片輪廓大批量加工的現(xiàn)狀，本文研究開發(fā)了一款新型的四軸鏡片輪廓加工設備，在滿足鏡片精度和生產要求的前提下節(jié)約成本提升效率，同時配備專用機械手上下料、雙主軸依次加工鏡片。

經實際樣機多次試驗表明：(1)鏡片切割機在主軸轉速60 000 r/min，進給速率速率5 000 mm/min的條件下的加工精度及效率最優(yōu)；(2)平均40 s完成一對鏡片的加工和上下料，有效的提高生產效率；(3)鏡片加工精度達到0.01 mm的誤差，滿足鏡片的精度要求，同時加工鏡片過程中對表面無影響。解決了鏡片輪廓加工設備成本高、人工上下料的弊端。