[發明專利]一種三組超聲振子成錐體結構的超聲加工機床及控制方法

有效

• 申請號: 201810410272.7
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN108381306B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 冀世軍;張超;趙繼;代漢達;賀秋偉;楊記龍
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B24B1/04
• 分類號: B24B1/04;B24B41/06;B24B47/20;B24B51/00
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

1.一種三組超聲振子成錐體結構的超聲加工機床控制方法，其特征在于,

所述的三組超聲振子成錐體結構的超聲加工機床，包括超聲工具系統(1)、橫向導軌(2)、縱向導軌(3)、機床底座(4)、工件夾具(5)、豎向導軌安裝臂(6)和豎向導軌(7)，所述縱向導軌(3)縱向固定安裝在機床底座(4)上側的中間位置，所述橫向導軌(2)橫向固定安裝在縱向導軌(3)的溜板上，所述工件夾具(5)固定安裝在橫向導軌(2)的溜板上，所述豎向導軌安裝臂(6)通過螺栓固定安裝在機床底座(4)上側的中間位置且豎向導軌安裝臂(6)位于縱向導軌(3)的后方，所述豎向導軌(7)豎向固定安裝在豎向導軌安裝臂(6)的前安裝面上，所述超聲工具系統(1)固定安裝在豎向導軌(7)前側的溜板上；

所述超聲工具系統(1)包括肋板(101)、T形固定板(102)、三角固定板(103)、超聲振子(104)、鉸鏈基座(105)、柔性鉸鏈(106)、刀具(107)、小鉸鏈(108)、雙頭螺栓(109)和緊固螺栓(110)，所述T形固定板(102)固定安裝在三角固定板(103)的后方且T形固定板(102)與三角固定板(103)的上端面垂直，所述肋板(101)固定安裝在三角固定板(103)的上側的中間位置且通過螺栓與T形固定板(102)相連接，所述肋板(101)與T形固定板(102)以及三角固定板(103)的上端面均垂直，所述鉸鏈基座(105)固定安裝在三角固定板(103)的下側，所述柔性鉸鏈(106)固定安裝在鉸鏈基座(105)的下端，所述超聲振子固定套(111)有三個，三個超聲振子固定套(111)分別通過螺栓固定安裝在三角固定板(103)下側的三個傾斜的安裝臺上，所述超聲振子(104)有三個，三個超聲振子(104)分別套裝在超聲振子固定套(111)內并通過螺栓固定，所述小鉸鏈(108)有三個，三個小鉸鏈(108)的一端分別通過雙頭螺栓(109)與超聲振子(104)的輸出端相連接，三個小鉸鏈(108)的另一端分別通過雙頭螺栓(109)連接在柔性鉸鏈(106)上側中間位置相應的安裝平臺上，所述刀具(107)安裝在柔性鉸鏈(106)下側中間的刀具安裝孔內，并通過三個對稱分布的緊固螺栓(110)鎖緊；

所述鉸鏈基座(105)的外輪廓為正六邊形，其中對應的底部設計有柔性鉸鏈安裝孔的三條邊與三角固定板(103)的三角形輪廓對應的三條邊分別平行，所述鉸鏈基座(105)和柔性鉸鏈(106)的接觸面上分別設有上柔性鉸鏈定位孔(1051)和下柔性鉸鏈定位孔(1061)，用于通過銷釘對柔性鉸鏈(106)進行定位，所述三角固定板(103)下側的三個傾斜超聲振子安裝臺均與水平面成一相同的銳角，并且所述三角固定板(103)下側的三個安裝臺的平面與柔性鉸鏈(106)上側的相對應的三個安裝臺平面分別平行；

所述三個超聲振子(104)的軸線交于一點，該點為柔性鉸鏈(106)對應的六棱柱輪廓的幾何中心點，所述刀具(107)的軸線經過三個超聲振子(104)軸線的交點且刀具(107)的軸位于豎直方向；

控制方法包括以下步驟：

(1)通過精密測量儀器對待加工的毛坯或半成品件進行測量，獲得其點云數據，通過曲面重構獲取測量模型；

(2)對測量模型與設計模型進行模型匹配與比較，獲得測量模型與設計模型間的加工余量值，解析設計模型的幾何信息，分析加工余量，計算確定滿足精度要求的長度增量插補值l，確定工具頭的微動參數，磨拋頭進給速度，停留時間等加工參數；

(3)根據加工參數，進行控制器上的數控編程，計算確定刀具的加工軌跡，進而生成軌跡的相應數控加工代碼，其包含每個軸的數據信息；

(4)把所獲得的加工軌跡數控代碼輸入到數控加工機床，進行工件的數控加工作業；

(5)通過精密測量儀器對加工后的半成品或成品進行測量，通過曲面重構獲取測量模型；

(6)若測量模型與設計模型之間的偏差值在精度要求的范圍內，則完成加工；

(7)若測量模型與設計模型之間的偏差值超出工件精度所要求的范圍，則返回步驟(1)繼續對零件進行測量加工，進入下一個加工循環；

所述的刀具磨拋頭球心點的微動是由三個超聲振子提供，根據輸入三個超聲振子的電壓信號求解三個超聲振子分別沿其軸向的位置改變量s¹、s²、s³進一步求解刀具磨拋頭球心點位姿，這一過程為位置正解過程，其位置正解算法包括以下內容：

(1)以三個超聲振子(104)的軸線交點作為坐標原點O，以超聲振子一在水平面內的投影線為y軸，以水平面內過坐標原點且垂直于y軸的直線方向為x軸，以過坐標原點的豎直向上的方向為z軸建立工具系統坐標系；

(2)將控制電壓信號u¹＝U¹(t)，u²＝U²(t)，u³＝U³(t)分別輸入到超聲振子一、超聲振子二和超聲振子三；

(3)超聲振子一、超聲振子二、超聲振子三分別在輸入的電壓信號u¹＝U¹(t)，u²＝U²(t)和u³＝U³(t)的驅動下沿其軸向發生相應的位置改變量s¹、s²、s³，超聲振子沿軸向發生的位置改變量s隨控制電壓的變化函數為s＝F[A(u),f(u),θ(u),u]，其中A(u)為超聲振子振動的幅值，f(u)為超聲振子振動的頻率，θ(u)為超聲振子振動的相位差，因此有

其中u¹＝U¹(t)，u²＝U²(t)，u³＝U³(t)；

(4)由于在工具系統坐標系內，三個超聲振子(104)的軸線在水平面內的投影線互成120度，三個超聲振子(104)與水平面的夾角均為θ，30°≤θ≤60°，定義位于柔性鉸鏈(106)上的三個超聲振子(104)未工作時軸線的交點為動點M，則此時動點M位置坐標(x，y，z)的矩陣變換方程為

其中

A為變換矩陣；

(5)由刀具磨拋頭球心點到柔性鉸鏈上動點M的距離h可得刀具磨拋頭球心點在工具系統坐標系內坐標的矩陣表達式為

由于且

將以上兩關系式代入即得刀具磨拋頭球心點在工具系統坐標系內隨時間變化的微動軌跡方程；

所述的刀具磨拋頭球心點的微動是由三個超聲振子提供，根據刀具磨拋頭球心點的位置求解三個超聲振子分別沿其軸向的位置改變量s¹、s²、s³進一步求解輸入的電壓信號的過程稱為位置反解，其位置反解算法及步驟包括以下內容：

(1)以三個超聲振子(104)的軸線交點作為坐標原點O，以超聲振子一在水平面內的投影線為y軸，以水平面內過坐標原點且垂直于y軸的直線方向為x軸，以過坐標原點的豎直向上的方向為z軸建立工具系統坐標系；

(2)根據被加工零件表面現有的具體特征以及對被加工表面微觀幾何形狀和物理機械性能的要求確定刀具磨拋頭球心點在工具系統坐標系內的微動目標軌跡方程h(x,y,z)＝0，則柔性鉸鏈上動點M的微動軌跡方程為h(x,y,z+h)＝0；

(3)將微動軌跡h(x,y,z+h)＝0離散化成n個點，首先確定微動目標軌跡h(x,y,z+h)＝0上的起點P₁(x₁,y₁,z₁)和終點P_n(x_n,y_n,z_n)，然后在起點與終點之間按順序等弧長地取出h(x,y,z-h)＝0上的n-2個控制點P₂(x₂,y₂,z₂)、P₃(x₃,y₃,z₃)…P_i(x_i,y_i,z_i)…P_n-1(x_n-1,y_n-1,z_n-1)；

(4)對A矩陣求逆得A^-1，A^-1為逆變換矩陣,

已知P_i(x_i,y_i,z_i)，i＝1,2,3,4，……，n

由上述逆變換矩陣方程可得

(5)求解s＝F[A(u),f(u),θ(u),u]的反函數得u＝F^-1[A(s),f(s),θ(s),s]，將步驟(4)中解得的n代入u＝F^-1[A(s),f(s),θ(s),s]得到超聲振子一、超聲振子二、超聲振子三分別在n個控制點的控制電壓

(6)將n擬合為時間t的函數，得到三個超聲振子上的控制電壓隨時間變化的函數u₁＝U₁(t)，u₂＝U₂(t)，u₃＝U₃(t)；

(7)將控制電壓隨時間變化的函數u₁＝U₁(t)，u₂＝U₂(t)，u₃＝U₃(t)輸入超聲振子，得到刀具磨拋頭球心點的目標微動軌跡，所取的控制點個數n的數值越大，得到的目標微動軌跡越精確；

加工曲面時沿一曲線路徑進行加工，沿曲線路徑加工采用等切向長度增量法，其具體內容如下：

設XOZ坐標系內目標輪廓線L₀的方程為z＝f(x)，A點為起始點，A點坐標(x₀，y₀)，過點A，作二次拋物線L₀的切線L₁，取沿順時針方向在切線上距離A點l長的點A’,過A’作L₁的垂線交L₀于點B，同理，過點B，作二次拋物線L₀的切線L₂，取沿順時針方向在切線上距離B點l的點B’,過B’作L₂的垂線交L₀于點C，同理，過點C，作二次拋物線L₀的切線L₃，取沿順時針方向在切線上距離C點l的點C’,過C’作L₁的垂線交L₀于點D,以此類推，計算得到曲線加工路徑L₀上的加工定位點A、B、C、D、E、F、G等n個點的坐標。