[發(fā)明專利]一種表面微結(jié)構(gòu)切磨一體化加工系統(tǒng)與方法

有效

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• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111546066B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設計）人: 韓金國;田業(yè)冰;王金輝;劉兵;谷志強
• 申請（專利權(quán)）人: 山東理工大學
• 主分類號: B23P23/04
• 分類號: B23P23/04;B23P9/00
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• 代理人: 暫無信息

1.一種表面微結(jié)構(gòu)切磨一體化加工方法，其特征在于：本方法通過表面微結(jié)構(gòu)切磨一體化加工系統(tǒng)實現(xiàn)，所述系統(tǒng)包括磨床（1-1）、刀具盤（1-2）、微納定位平臺（1-3）和專用夾具（1-5）；微納定位平臺（1-3）其結(jié)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動平臺（2-1）、二維平動平臺（2-2）、壓電疊堆驅(qū)動器Ⅰ（2-3）、預緊螺栓Ⅰ（2-4）、壓電疊堆驅(qū)動器Ⅱ（2-5）、預緊螺栓Ⅱ（2-6）、驅(qū)動器底座（2-7）和固定螺栓（2-8）；二維平動平臺（2-2）其結(jié)構(gòu)包括動平臺（3-1）、位移放大機構(gòu)（3-2）、連接薄板Ⅰ（3-3）、連接薄板Ⅱ（3-4）、支撐型雙層薄板（3-5）和支撐座（3-6）；位移放大機構(gòu)（3-2）其結(jié)構(gòu)包括輸出端鉸鏈（4-1）、杠桿放大機構(gòu)（4-2）、菱形放大機構(gòu)（4-3）和雙層對稱柔性薄板（4-4）；所述轉(zhuǎn)動平臺（2-1）其結(jié)構(gòu)包括底座（5-1）、凸臺（5-2）、支撐立柱（5-3）和車輪式柔性機構(gòu)（5-4）；刀具盤（1-2）其結(jié)構(gòu)包括飛刀盤（6-1）、磨拋筆（6-2）和金剛石筆（6-3）；所述微納定位平臺（1-3）是一種大行程、高帶寬的x、y、θ三自由度微定位平臺，通過二維平動平臺（2-2）和轉(zhuǎn)動平臺（2-1）串聯(lián)實現(xiàn)三自由度運動，二者可單獨工作；二維平動平臺（2-2）通過杠桿放大機構(gòu)（4-2）和菱形放大機構(gòu)（4-3）實現(xiàn)大行程；壓電疊堆驅(qū)動器Ⅰ（2-3）安裝于菱形放大機構(gòu)（4-3）中，菱形放大機構(gòu)（4-3）右側(cè)開螺紋孔，利用預緊螺栓Ⅰ（2-4）實現(xiàn)壓電疊堆驅(qū)動器Ⅰ（2-3）的預緊；輸入端采用雙層對稱柔性薄板（4-4）作為導向機構(gòu)，利用壓電疊堆驅(qū)動器Ⅰ（2-3）進行驅(qū)動，運動精度高；杠桿放大機構(gòu)（4-2）采用圓形柔性鉸鏈和柔性薄板作為導向機構(gòu)，輸出端鉸鏈（4-1）采用外張形式，通過連接薄板Ⅰ（3-3）與動平臺（3-1）連接，動平臺（3-1）上分布五個圓孔，減輕平臺重量；支撐型雙層薄板（3-5）與連接薄板Ⅱ（3-4）連接，實現(xiàn)支撐導向作用；連接薄板Ⅰ（3-3）和連接薄板Ⅱ（3-4）長度不同，實現(xiàn)運動解耦；所述轉(zhuǎn)動平臺（2-1）通過固定螺栓（2-8）安裝到二維平動平臺（2-2）的動平臺（3-1）上，壓電疊堆驅(qū)動器Ⅱ（2-5）安裝在驅(qū)動器底座（2-7）中，預緊螺栓Ⅱ（2-6）安裝在驅(qū)動器底座（2-7）上實現(xiàn)壓電疊堆驅(qū)動器Ⅱ（2-5）的預緊；采用車輪式柔性機構(gòu)（5-4）作為導向機構(gòu)，利用壓電疊堆驅(qū)動器Ⅱ（2-5）進行驅(qū)動，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，通過支撐立柱（5-3）連接底座（5-1）和車輪式柔性機構(gòu)（5-4），起支撐作用；凸臺（5-2）設置在車輪式柔性機構(gòu)（5-4）上，開有螺紋孔，用于固定載物臺（1-6）；在輸入端采用橢圓形鉸鏈，減小轉(zhuǎn)動平臺（2-1）工作時壓電疊堆驅(qū)動器Ⅱ（2-5）所受到的剛性力作用；驅(qū)動器底座（2-7）成斜對角安裝在轉(zhuǎn)動平臺（2-1）的底座（5-1）上，通過手動改變壓電疊堆驅(qū)動器Ⅱ（2-5）的安裝位置實現(xiàn)順逆時針轉(zhuǎn)動的切換；可以根據(jù)實際需求靈活選擇轉(zhuǎn)動平臺（2-1）是否安裝，在只有二維平動平臺（2-2）工作的情況下，工件（1-4）固定在動平臺（3-1）上，同時其工作帶寬與之前相比相應提高；所述專用夾具（1-5）固定在載物臺（1-6）上，載物臺（1-6）通過螺栓固定在微納定位平臺（1-3）的轉(zhuǎn)動平臺（2-1）的凸臺（5-2）上，微納定位平臺（1-3）通過支撐座（3-6）利用磁力固定在磨床（1-1）工作臺上，工件（1-4）固定在專用夾具（1-5）上，刀具盤（1-2）安裝在磨床（1-1）主軸上；

所述表面微結(jié)構(gòu)切磨一體化加工方法主要包括以下步驟：（1）將轉(zhuǎn)動平臺（2-1）通過固定螺栓（2-8）安裝到動平臺（3-1）上，專用夾具（1-5）固定在載物臺（1-6）上，載物臺（1-6）固定在轉(zhuǎn)動平臺（2-1）的凸臺（5-2）上；

（2）將微納定位平臺（1-3）安裝到磨床（1-1）工作臺上，將待加工工件（1-4）固定到專用夾具（1-5）上；

（3）將磨拋筆（6-2）和金剛石筆（6-3）安裝到飛刀盤（6-1）上，將刀具盤（1-2）安裝到磨床（1-1）主軸上，完成初始安裝；

（4）根據(jù)加工要求，對走刀路徑進行規(guī)劃，優(yōu)化工藝參數(shù)并形成數(shù)控代碼，將加工程序輸入磨床（1-1）控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)磨床（1-1）各運動軸與微納定位平臺（1-3）各運動軸的協(xié)調(diào)運動；

（5）對工件（1-4）加工面進行對刀，檢查程序并驗證，開始加工；

（6）磨床（1-1）運動軸實現(xiàn)宏動，微納定位平臺（1-3）實現(xiàn)微納進給補償或運動軌跡主動調(diào)控，在刀具盤（1-2）第n個加工周期T的前半周期中，金剛石筆（6-3）首先進行切削加工，之后通過控制系統(tǒng)調(diào)整微納定位平臺（1-3）的位置，使磨拋筆（6-2）在T/2時刻落到第n-i（i=0,1,2……）個周期的已加工表面起始位置，進行磨拋光整，實現(xiàn)一個周期對工件（1-4）的加工與光整，循環(huán)往復最終實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)表面一次加工成形。