[發(fā)明專利]微管鏤空結(jié)構(gòu)電火花掃描加工軌跡規(guī)劃及代碼生成方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811302161.0
• 申請日: 2018-11-02
• 公開（公告）號: CN109597358B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 佟浩;普玉彬;李勇;劉雪玲;楊錦榮;梁威
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G05B19/4099
• 分類號: G05B19/4099
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張潤

本發(fā)明公開了一種微管鏤空結(jié)構(gòu)電火花掃描加工軌跡規(guī)劃及代碼生成方法，該方法包括：獲取驅(qū)動結(jié)構(gòu)的形狀尺寸的設(shè)計要求，利用CAD/CAM軟件根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計驅(qū)動結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)造型，并將三維結(jié)構(gòu)造型在二維圓周方向進(jìn)行展開得到圓周二維造型；將圓周二維造型進(jìn)行坐標(biāo)變換和設(shè)置坐標(biāo)系；根據(jù)圓周二維造型規(guī)劃工具電極加工軌跡并生成通用軌跡加工代碼；將通用軌跡加工代碼進(jìn)行坐標(biāo)反變換，生成四軸電火花加工機(jī)床可識別的數(shù)控代碼。該方法將復(fù)雜微結(jié)構(gòu)三維運動展開為二維運動，可以實現(xiàn)復(fù)雜導(dǎo)管加工代碼的自動化生成過程，根據(jù)工件結(jié)構(gòu)形狀、加工位置的剛度和掃描軌跡重疊情況規(guī)劃掃描加工軌跡，提高主動導(dǎo)管鏤空驅(qū)動結(jié)構(gòu)的加工精度和成品率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微細(xì)特種加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種微管鏤空結(jié)構(gòu)電火花掃描加工軌跡規(guī)劃及代碼生成方法。

背景技術(shù)

植入式/介入式生物微小機(jī)電系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)診斷治療方面具有高速、自動化且損傷小優(yōu)點。采用微細(xì)導(dǎo)管的微創(chuàng)介入手術(shù)屬于被動式手術(shù)，即醫(yī)生在造影輔助下利用經(jīng)驗將介入導(dǎo)絲或微細(xì)導(dǎo)管送到身體的診療部位。這種方法具有幾點不足：介入導(dǎo)管的應(yīng)用環(huán)境為血管等復(fù)雜環(huán)境，要求操作者有豐富的臨床經(jīng)驗；導(dǎo)管在經(jīng)過分岔血管時，介入設(shè)備被動的位姿調(diào)整，很有可能摩擦損傷管腔內(nèi)壁，且無法到達(dá)管腔曲率半徑小的區(qū)域。為了克服這些不足，研究者提出在介入裝置前端集成一種微小導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)，能隨管腔環(huán)境來主動變形以靈活適應(yīng)介入式操作。但由于介入式主動導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)尺寸微小，且要實現(xiàn)生物兼容性和空間方位主動控制功能，因此其研發(fā)依賴于先進(jìn)功能材料及其微細(xì)加工技術(shù)。

主動導(dǎo)管作為微小導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)的核心零部件，一般采用先進(jìn)的具有形狀記憶特性的鎳鈦合金材料。鎳鈦合金的行程變化與重量比例大、易于微型化、耐腐蝕性以及生物相容性好、能夠直接通電流對其加熱、可根據(jù)其本身電阻變化檢測位移等優(yōu)異特性，決定了其作為主動導(dǎo)管的應(yīng)用優(yōu)勢。但是由于鎳鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)小且高彈性，易發(fā)生加工硬化且刀尖磨損嚴(yán)重，使得材料本身難以機(jī)械加工。如圖1所示，微小主動導(dǎo)管(外形直徑～1mm)上復(fù)雜薄壁的鏤空三維微驅(qū)動結(jié)構(gòu)(30-100μm)，進(jìn)一步?jīng)Q定了傳統(tǒng)切削加工難以達(dá)到成形加工要求。并且，為實現(xiàn)主動導(dǎo)管伸長、彎曲等動作的精確控制，加工還需滿足較高的尺寸精度，才可以保證結(jié)構(gòu)的完整性和一致性。

國外相關(guān)技術(shù)中已發(fā)表的基于光刻的加工工藝，不僅成本高、效率低，而且由于受到光刻刻蝕工藝二維加工方式及其刻蝕深度的限制，無法從根本上解決這種復(fù)雜三維微細(xì)結(jié)構(gòu)加工的高精度和一致性精度問題。為解決微細(xì)導(dǎo)管驅(qū)動結(jié)構(gòu)的加工問題，相關(guān)技術(shù)有“用于血管主動導(dǎo)管的鎳鈦合金驅(qū)動結(jié)構(gòu)特種加工方法”，這是采用四軸數(shù)控的三維微細(xì)電火花伺服掃描加工工藝，實現(xiàn)微小導(dǎo)管上復(fù)雜鏤空三維驅(qū)動結(jié)構(gòu)成形加工，再采用超聲振動輔助電化學(xué)拋光工藝去除表面重熔層，實現(xiàn)表面的完整性和光潔性。

但要實現(xiàn)上述發(fā)明工藝中的三維微細(xì)電火花伺服掃描加工成形工藝過程，需要對復(fù)雜三維微細(xì)驅(qū)動結(jié)構(gòu)掃描加工軌跡進(jìn)行合理規(guī)劃，并生成滿足要求的三維數(shù)控加工代碼。雖然微細(xì)電火花加工無宏觀的切削力，但由于微小導(dǎo)管上微細(xì)鏤空結(jié)構(gòu)剛度非常低，微細(xì)電火花伺服掃描放電加工中微加工力對微結(jié)構(gòu)加工精度有明顯的影響。若掃描軌跡規(guī)劃不合理，將造成加工精度差和加工去除量不均勻的問題。對于主動導(dǎo)管驅(qū)動結(jié)構(gòu)的三維微細(xì)電火花伺服掃描加工工藝過程及機(jī)床系統(tǒng)，從成形原理上需要導(dǎo)管工件的沿軸線方向圓周旋轉(zhuǎn)和沿著軸線方向直線進(jìn)給的合成掃描運動數(shù)控代碼，才能實現(xiàn)復(fù)雜鏤空三維驅(qū)動結(jié)構(gòu)掃描擬合成形。但對于常用的CAM軟件(比如，Pro/Engineer或者Creo)，易于生成相對于工具電極(刀具)的多軸聯(lián)動運動的空間代碼，卻難于直接生成這種圓周旋轉(zhuǎn)和直線進(jìn)給的聯(lián)動代碼。而且對于某些數(shù)控系統(tǒng)(比如，美國DELTA TAU公司的PMAC多軸運動控制器)也難于直接輸出旋轉(zhuǎn)軸和直線軸聯(lián)動的給定掃描速度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。