铁笔压力头准椭圆研磨轨迹的实现方法 【技术领域】
本发明涉及一种研磨加工方法，特别涉及一种用于加工高精度、高光洁度、复杂表面零件或光学透镜的研磨设备铁笔压力头准椭圆研磨轨迹的实现方法。
背景技术
高精度、高光洁度、复杂表面的零件以及光学透镜的研磨工艺是一项非常复杂的工艺过程，它最重要的基本要素是要有一种适合于研磨工艺要求的研磨设备，这种研磨设备首要条件必须满足于研磨工艺要素为‘均匀磨耗’，均匀磨耗是指被加工零件与研磨模具在研磨过程中，能够长期保持研磨模具的表面形状精度的同时，提高被加工零件的成品合格率，然而当今世界上没有任何一种研磨设备可以在最简单的机械结构上完成均匀磨耗的要求。
下面，介绍两种现有的研磨设备铁笔压力头的研磨轨迹的实现方法：
①平面单曲线弧线摆动研磨机
平面单曲线弧线摆动研磨机是在手动研磨机的基础上配置了曲柄、摆架推杆、摆架及压力头，实现了零件加工的自动化，工作效率得到了很大的提高，其弧摆轨迹如图1所示。由于平面单曲线弧线摆动机构确定了弧线摆动运动轨迹不可能得到匀速换向，这样一来轨迹换向点就是一个失速点，而失速点在连续运动的机构中是要产生震动的，因此在低速加工时工艺是稳定的，而在高速加工时无法完成‘均匀磨耗’工艺要求，这是平面单曲线弧线摆动研磨机构无法克服的缺陷。但在低速加工工艺中仍然得到了广泛的应用。
②传统近似椭圆轨迹摆动研磨机
传统近似椭圆轨迹摆动研磨机是一种连续不间断的近似椭圆形环状的运动轨迹，八十代初我国引进了一批这类研磨机。这类研磨机有一个滑动摆动中心点，一个曲柄，基于三铰链曲柄杠杆传动原理。
传统近似椭圆轨迹的形成是以曲柄为固定旋转点，杠杆(摆杆)与曲柄作摆动联接，杠杆依据滑动摆动中心点移动的同时产生摆动，从而形成连续不间断的运动轨迹(图3)。传统近似椭圆轨迹的短轴等于曲柄的回转直径，且长、短轴之比≈1.5∶1。传统近似椭圆轨迹短轴两侧的轨迹为对称轨迹，而长轴两侧的轨迹为非对称轨迹。传统近似椭圆轨迹运动的曲线外弧与内弧，为非对称曲线，非对称曲线轨迹决定了磨盘与镜盘的磨损为不均匀磨耗。传统近似椭圆轨迹的形成需要较长的杠杆和较大的曲柄直径。并且无法随机改变长短轴之比。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用于加工高精度、高光洁度、复杂表面零件或光学透镜的铁笔压力头准椭圆研磨轨迹的实现方法，该方法可基于简单的三铰链曲柄杠杆机构来达到“均匀磨耗”的研磨工艺要求。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种铁笔压力头准椭圆研磨轨迹的实现方法，基于三铰链曲柄杠杆传动原理，其特征在于，包括下述步骤：
(1)固定导杆的滑动摆动中心点O’，导杆由曲柄驱动，曲柄按旋转角度β绕旋转中心O做旋转运动，并带动导杆沿滑动摆动中心点O’水平移动并按摆动角度δ摆动，驱使导杆端点P在X、Y坐标上围绕轨迹中心Q作近似椭圆曲线的运动；
(2)设滑动摆动中心点O’到旋转中心O的距离为B，滑动摆动中心点O’到轨迹中心Q的距离为B”，L为导杆长度，C为曲柄长度，n为导杆运动中前摆距，L”为运动中导杆前段长度，则导杆端点P的运动坐标为：
X＝n-B″
Y＝sinδ×L″；
其中：n＝cosδ×L″；B″＝L-B；
(3)当满足B/B”＝1/2，L≥20C的条件下，导杆端点P在X、Y坐标上形成不间断的封闭“准椭圆形”轨迹，实现磨盘与镜盘的“均匀磨耗”。
上述方案中，所述导杆长度L在210～4200mm之间，所述曲柄长度C在1.05～210mm，且导杆长度L＝20-200C。
与现有技术相比，本发明方法所形成的准椭圆轨迹运动曲线，外弧与内弧均为对称曲线，对称曲线就决定了磨盘与镜盘的磨损为均匀磨耗，由此可降低工艺技巧、提高磨料模具的有效磨削率，最终降低了生产成本，大大提高了生产效率。
本发明准椭圆轨迹运动的导杆摆动点为固定近距离摆动中心，从而降低了运动中生成的震动和蠕动，提高了导杆的刚性，且轨迹运动换向为无震动平稳换向。本发明方法可广泛适用于平面、以及所有类型的球面研磨的各项工艺要求。
【附图说明】
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
图1是传统平面单曲线弧摆轨迹示意图。
图2是传统近似椭圆研磨轨迹示意图。
图1、图2中：1、曲柄；2、摆架推杆；3、摆架固定旋转点；4、摆架；5、轨迹换向点；6、轨迹；7、杠杆；8、滑动摆动中心点；9、磨盘；10、曲柄换向点；11、近似椭圆轨迹；12、标准椭圆轨迹；13、镜盘；s、滑动摆动中心点移动距离。
图3-图6是本发明的曲柄在四种不同回转状态下的准椭圆研磨轨迹示意图。图中：14、导杆；15、准椭圆轨迹；O、曲柄旋转中心；O’、滑动摆动中心点；L、导杆长度；L’、运动中导杆后段长度；L”、运动中导杆前段长度；Q、轨迹中心；P、导杆端点(轨迹点)；X、P的X坐标；Y、P的Y坐标；X’、准椭圆轨迹短轴；Y’、准椭圆轨迹长轴；B、导杆后摆距；B”、导杆前摆距；n、导杆运动中前摆距；C、曲柄长度；β、曲柄旋转角度；δ、导杆摆动角度。
图7是本发明实施例1所形成的准椭圆轨迹实测图。
图8是本发明实施例2所形成的准椭圆轨迹实测图。
【具体实施方式】
一种基于三铰链曲柄杠杆传动原理的铁笔压力头准椭圆研磨轨迹的实现方法，包括以下步骤：
(1)固定导杆14的滑动摆动中心点O’，导杆14由曲柄驱动，曲柄按旋转角度β绕旋转中心O做旋转运动，并带动导杆14沿滑动摆动中心点O’水平移动并按摆动角度δ摆动，驱使导杆端点P在X、Y坐标上围绕轨迹中心Q作近似椭圆曲线的运动；
(2)设滑动摆动中心点O’到旋转中心O的距离为B，滑动摆动中心点O’到轨迹中心Q的距离为B”，L为导杆长度，C为曲柄长度，n为导杆运动中前摆距，L”为运动中导杆前段长度，则导杆端点P的运动坐标为：
X＝n-B″
Y＝sinδ×L″；
其中：n＝cosδ×L″；B″＝L-B；
(3)当满足B/B”＝1/2，L≥20C的条件下，导杆端点P在X、Y坐标上形成不间断的封闭“准椭圆形”轨迹，实现磨盘与镜盘的“均匀磨耗”。
在步骤(2)中，导杆14的摆动角度δ可按下式计算：
sinδ＝C×sinβ/L；
运动中导杆前段长度L”可按下式计算：
L″＝L，-L，′
其中
L′=B2+C2-2BCcosβ]]>(余弦定理)。
当参数B/B″＝X′/Y′＝1/2时，轨迹点前后对称、左右对称，因此称为“准椭圆轨迹”。准椭圆轨迹的短轴尺寸大小为2C；长轴尺寸大小为4C，故改变C及可实现准椭圆轨迹的尺寸大小的变化。
实施例1
设导杆长度L为210mm，曲柄长度C为1.05mm，导杆后摆距B为70mm，前摆距B”为140mm，导杆端点P在X、Y坐标上所形成的实测“准椭圆形”轨迹如图7所示(下半个椭圆)，该“准椭圆形”轨迹的短轴为2.1mm，长轴为4.2mm共选取15个实测点，与标准椭圆相比，误差范围为0.00043mm～0.00588mm。
实施例2
设导杆长度L为4200mm，曲柄长度C为210mm，导杆后摆距B为1400mm，前摆距B”为2800mm，导杆端点P在X、Y坐标上所形成的实测“准椭圆形”轨迹如图8所示(下半个椭圆)，共选取15个实测点，与标准椭圆相比，误差范围为0.08518mm～1.17595mm。
从以上实施例可看出，导杆端点P所形成的椭圆轨迹与标准椭圆轨迹极为近似，误差极小。