CN107984306A - 一种磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置及抛光方法，属于精密制造领域。由三对方形亥姆霍兹线圈以及两对圆形麦克斯韦线圈构成，三对亥姆霍兹线圈分别固定于工作空间坐标系的x轴、y轴、z轴，一对麦克斯韦线圈固定于z轴，另一对麦克斯韦线圈平行于平面xOy并可绕z轴旋转；期望方向为工件内表面在待抛光区域处的法线方向，三对亥姆霍兹线圈用于产生期望方向的均匀旋转磁场驱动抛光液产生涡旋，两对麦克斯韦线圈用于产生均匀梯度磁场以使涡旋流沿期望方向施加压力于工件抛光域。优点是通过磁场遥操纵装置对抛光液的驱动，利用三向进给滑台在抛光过程中调整工件与涡旋流的相对位置，适用于腔体类工件表面的抛光。

Description

一种磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明属于精密制造领域，尤其涉及一种磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置及抛光方法，用于抛光工具难以抵达的工件内表面抛光。

背景技术

随着机械行业近年来的快速发展，加工技术的不断成熟，机械加工逐渐向精密及超精密方向发展。除了传统的抛光方法，现今已有一些针对自由曲面的抛光的技术，但在针对变曲率曲面、高陡度中凹形曲面、拼接曲面、不适合采用抛光工具的腔体类工件表面等复杂自由曲面的抛光中还存在若干限制。

针对抛光工具难以抵达表面，现有抛光方法有如下几种：

磁流变抛光利用磁流变液在磁场中受外加磁场控制产生的流变特性进行抛光，高梯度磁场使磁流变液成为具有粘塑性的介质，对工件表面接触区域产生很大的剪切力，使工件表面的材料被去除。其在加工凹形曲面时会受到曲率半径的限制；同时，由于其机械结构过于复杂，大曲率曲面也无法使用该方法加工。

射流抛光及磁射流抛光利用喷嘴将含有磨料颗粒的液体射向工件，利用磨粒射流冲击工件表面产生径向剪切作用实现材料去除。该方法不能实现定向抛光，且射流抛光的稳定性受冲击距离影响，对于变曲率自由曲面会产生椭圆形压痕。

气囊抛光是使用柔性球冠状气囊作为抛光工具，外面粘贴专用的抛光模，将其装于旋转的工作部件上，通过气压控制与曲率变化的自由曲面形成大面积均匀接触从而实现抛光，但其在自由曲面加工过程中会产生压表面损伤。

近年来，动态磁场的应用场合越来越多，在自动供电、磁力探伤、尤其是生物医学领域微型机器人的微创手术方面具有十分重要的应用价值，但其在机械精密加工领域还鲜有涉及。由电磁线圈组合产生旋转磁场可通过改变通入线圈的电流幅值、频率来改变磁场，因此其可实现非接触驱动。由于所加工零件的结构日趋复杂，现有抛光方法在加工过程中已经出现很多限制。

发明内容

本发明提供一种磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置及抛光方法，以解决现有抛光方法不适合腔体类工件表面的抛光问题。

本发明采取的技术方案是，包括底座、磁场遥操纵装置、三向进给滑台、工作台、侧向支撑板及吊架，其中侧向支撑板与底座固定连接，吊架分别与侧向支撑板上方固定连接，所述磁场遥操纵装置由三对正交的方形亥姆霍兹线圈和两对正交的圆形麦克斯韦线圈组成，每对线圈的结构分别相同，三对正交的方形亥姆霍兹线圈包括：x向亥姆霍兹线圈一、x向亥姆霍兹线圈二、y向亥姆霍兹线圈一、y向亥姆霍兹线圈二、z向亥姆霍兹线圈一、z向亥姆霍兹线圈二；两对正交的圆形麦克斯韦线圈包括：z轴麦克斯韦线圈一、z轴麦克斯韦线圈二及L轴麦克斯韦线圈一、L轴麦克斯韦线圈二；其中，三对正交的亥姆霍兹线圈按照从小到大的顺序正交嵌套安装，互相定位，x向亥姆霍兹线圈对、y向亥姆霍兹线圈对及z向亥姆霍兹线圈二与底座固定连接，z向亥姆霍兹线圈一与侧向支撑板伸出的悬臂梁固定连接，z轴麦克斯韦线圈二与底座固定连接，z轴麦克斯韦线圈一与侧向支撑板伸出的悬臂梁固定连接；L轴麦克斯韦线圈对与L轴麦克斯韦线圈固定架固定连接，电机通过联轴器与L轴麦克斯韦线圈固定架连接，五对线圈的轴中心均与工作空间坐标系的坐标原点O重合；三向进给滑台位于磁场遥操纵装置内部，并固定安装于底座之上，工作台固定于三向进给滑台之上，内部装有带磁性颗粒的抛光液。

一种磁场遥操纵涡旋流定向抛光方法，包括下列步骤：

步骤1：放置并固定工件于工作台内，工作台内部倒入带磁性颗粒的抛光液并浸没工件，将工作台固定于三向进给滑台之上，开启各部分电源，将三向进给滑台进给到初始位置；

步骤2：将工件待加工区域分为若干部分，各部分按照一定顺序依次加工；通过各组电机带动三向进给滑台产生相应位移，将工件待加工部分中心位置进给至工作空间坐标系坐标原点O处，保证产生的涡旋流正确加工到所要求的位置；

步骤3：根据工件的加工曲面在待加工部分中心位置的法线方向，确定旋转磁场的旋转轴方向角(α,β,γ)，并给定旋转磁场角频率ω，通过式(1)得出各组亥姆霍兹线圈输入的电流幅值及相位：

式中，I₀为加载电流幅值，ω为加载电流频率；

向三对亥姆霍兹线圈通入对应幅值为I_x＝I₀sinα、I_y＝I₀sinβ、I_z＝I₀sinγ，相位为φ_z＝0，频率均为ω的电流，由此得到期望方向上的旋转磁场，工作台内部抛光液受到式(2)所示转矩τ，形成角速度为ω、方向为的涡旋流：

τ＝VM×B_H (2)

式中，V为抛光液涡旋流的体积，M为抛光液涡旋流的磁化强度，B_H为亥姆霍兹线圈所产生磁场的磁感应强度，其值为：

式中，A为匀强磁场系数，μ为空间磁导率，N为亥姆霍兹线圈匝数，a为方形亥姆霍兹线圈边长；

通入两对麦克斯韦线圈的电流值均为I_M且在加工过程中保持不变，通过电动机带动L轴麦克斯韦线圈旋转，使其轴线与y轴正向夹角为η角，即可产生期望方向上的梯度磁场，施加作用力于抛光液中的磁性粒子，产生的作用力F由式(4)得出，此时，磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置开始对该部分进行抛光加工；

式中，A'为梯度磁场系数，N'为麦克斯韦线圈匝数，I_M为通入麦克斯韦线圈的电流，R为麦克斯韦线圈半径；

步骤4：该部分加工完成后，重复步骤2-4以完成对工件下一待加工部分的加工；

步骤5：待所需加工区域的全部待加工部分加工完成后，断开各部分电源，将已完成加工的工件从工作台中取出，即完成对该工件的抛光工作。

本发明抛光过程中，根据期望方向施加相应幅值和相位的正弦波电流，由三对正交的亥姆霍兹线圈产生三个正交的均匀交变磁场(B_x,B_y,B_z)，其矢量叠加产生与期望方向一致的均匀旋转磁场，驱动工件抛光域产生角速度为ω、方向为的涡旋流；由两对正交的麦克斯韦线圈产生两个正交的均匀梯度磁场(B_L,B_z)，其矢量叠加可产生沿L-z方向上的梯度磁场，该梯度磁场方向与期望方向一致，施加磁力于涡旋流的磁性粒子，从而使得涡旋流与工件抛光域之间产生抛光所需的作用力，完成对工件的抛光。

本发明的优点是：通过磁场遥操纵装置对抛光液的驱动，配合三向进给滑台在抛光过程中对工件与涡旋流相对位置的调整，完成对工件的定向抛光。该装置尤其适用于不适合采用抛光工具的腔体类工件表面的抛光。

附图说明

图1是本发明的磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置示意图，图中：1为底座，2为磁场遥操纵装置，3为三向进给滑台，4为工作台，5为侧向支撑板，6为吊架；

图2是本发明的磁场遥操纵装置结构示意图，图中：201为x轴亥姆霍兹线圈一，202为x轴亥姆霍兹线圈二，203为y轴亥姆霍兹线圈一，204为y轴亥姆霍兹线圈二，205为z轴亥姆霍兹线圈一，206为z轴亥姆霍兹线圈二，207为z轴麦克斯韦线圈一，208为z轴麦克斯韦线圈二，209为L轴麦克斯韦线圈一，210为L轴麦克斯韦线圈二，211为L轴麦克斯韦线圈固定架，212为联轴器，213为电机，带动L轴麦克斯韦线圈绕z轴旋转；每两个线圈组成一对，各对线圈轴线中点均为工作空间坐标系原点O；

图3是本发明的L轴麦克斯韦线圈示意图，其轴线L可沿平面xOy绕z轴转动；

图4是本发明的磁场遥操纵装置中各组线圈的绕制方式示意图；

图5是本发明的空间磁场矢量示意图，图中：空间磁场矢量为工件内表面加工区域的法线方向，可用向量或表示，其中α、β、γ分别为空间磁场矢量与x轴、y轴、z轴夹角，η为期望方向在平面xOy上的投影与y轴正向的夹角，θ为与xOy平面的夹角；

图6是本发明的三向进给滑台结构示意图，图中：301为x向进给，302为y向进给，303为z向进给；

图7是本发明抛光工件示意图，其内部结构为尖拱形腔体。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，包括底座1、磁场遥操纵装置2、三向进给滑台3、工作台4、侧向支撑板5及吊架6，侧向支撑板5与底座1固定连接，吊架6分别与侧向支撑板5上方固定连接，所述磁场遥操纵装置2由三对正交的方形亥姆霍兹线圈和两对正交的圆形麦克斯韦线圈组成，每对线圈的结构分别相同，三对正交的方形亥姆霍兹线圈包括：x向亥姆霍兹线圈一201、x向亥姆霍兹线圈二202、y向亥姆霍兹线圈一203、y向亥姆霍兹线圈二204、z向亥姆霍兹线圈一205、z向亥姆霍兹线圈二206；两对正交的圆形麦克斯韦线圈包括：z轴麦克斯韦线圈一207、z轴麦克斯韦线圈二208及L轴麦克斯韦线圈一209、L轴麦克斯韦线圈二210；其中，三对正交的亥姆霍兹线圈按照从小到大的顺序正交嵌套安装，互相定位，x向亥姆霍兹线圈对、y向亥姆霍兹线圈对及z向亥姆霍兹线圈二206与底座1固定，z向亥姆霍兹线圈一205与侧向支撑板5伸出的悬臂梁固定连接，z轴麦克斯韦线圈二208与底座1固定，z轴麦克斯韦线圈一207与侧向支撑板5伸出的悬臂梁固定；L轴麦克斯韦线圈对与L轴麦克斯韦线圈固定架211固定连接，电机213通过联轴器212与L轴麦克斯韦线圈固定架连接，并由电机213及联轴器212带动其在xOy平面上绕z轴转动；五对线圈的轴中心均与工作空间坐标系的坐标原点O重合；控制通入五对线圈电流的幅值及相位以产生如图4所示期望方向的磁场，三向进给滑台3位于磁场遥操纵装置2内部，并固定安装于底座1之上，工作台4固定于三向进给滑台3之上，内部装有带磁性颗粒的抛光液；

以抛光图7所示尖拱形工件为例，一种磁场遥操纵涡旋流定向抛光方法，包括下列步骤：

步骤1：放置并固定工件于工作台4内，工作台4内部倒入带磁性颗粒的抛光液并浸没工件，将工作台4固定于三向进给滑台3之上，开启各部分电源，将三向进给滑台进给到初始位置；

步骤2：将工件待加工区域分为若干部分，各部分按照一定顺序依次加工；通过各组电机带动三向进给滑台产生相应位移，将工件待加工部分中心位置进给至工作空间坐标系坐标原点O处，保证产生的涡旋流正确加工到所要求的位置；

步骤3：根据工件的加工曲面在待加工部分中心位置的法线方向，确定旋转磁场的旋转轴方向角(α,β,γ)，并给定旋转磁场角频率ω，通过式(1)得出各组亥姆霍兹线圈输入的电流幅值及相位：

式中，I₀为加载电流幅值，ω为加载电流频率；

向三对亥姆霍兹线圈通入对应幅值为I_x＝I₀sinα、I_y＝I₀sinβ、I_z＝I₀sinγ，相位为φ_z＝0，频率均为ω的电流，由此得到期望方向上的旋转磁场，工作台内部抛光液受到式(2)所示转矩τ，形成角速度为ω、方向为的涡旋流：

τ＝VM×B_H (2)

式中，V为抛光液涡旋流的体积，M为抛光液涡旋流的磁化强度，B_H为亥姆霍兹线圈所产生磁场的磁感应强度，其值为：

式中，A为匀强磁场系数，μ为空间磁导率，N为亥姆霍兹线圈匝数，a为方形亥姆霍兹线圈边长；

通入两对麦克斯韦线圈的电流值均为I_M且在加工过程中保持不变，通过电动机带动L轴麦克斯韦线圈旋转，使其轴线与y轴正向夹角为η角，即可产生期望方向上的梯度磁场，施加作用力于抛光液中的磁性粒子，产生的作用力F由式(4)得出，此时，磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置开始对该部分进行抛光加工；

式中，A'为梯度磁场系数，N'为麦克斯韦线圈匝数，I_M为通入麦克斯韦线圈的电流，R为麦克斯韦线圈半径；

步骤4：该部分加工完成后，重复步骤2-4以完成对工件下一待加工部分的加工；

步骤5：待所需加工区域的全部待加工部分加工完成后，断开各部分电源，将已完成加工的工件从工作台中取出，即完成对该工件的抛光工作。

下面通过原理分析对本发明的抛光方法做进一步的分析说明。

一对亥姆霍兹线圈包含两个方形线圈，两线圈尺寸、匝数及绕制方式完全相同且安装轴线重合，正方形的边长w与两线圈中心距离d满足w＝1.089d的关系；将两个线圈通入同向且等强度的电流，即可在中间一定的区域内产生沿轴线方向的均匀磁场；三对正交的亥姆霍兹线圈经过矢量叠加可产生一个空间万向均匀旋转磁场。一对麦克斯韦线圈包含两个圆形线圈，两线圈尺寸、匝数及绕制方式完全相同且安装轴线重合，线圈半径r及两线圈中心距离d的关系为将麦克斯韦线圈通入同强度的反向电流，即可在中间区域产生一个均匀梯度磁场；

磁场遥操纵装置由五对线圈组成，包括三对正交的方形亥姆霍兹线圈和两对正交的麦克斯韦线圈。抛光过程中通过控制通入亥姆霍兹线圈的电流幅值、频率、相位角和麦克斯韦线圈的方位来控制动态磁场，以驱动工作台内部抛光液产生涡流及推进。期望方向为工件内表面在待抛光区域处的法线方向，用向量表示，其中α、β、γ分别为空间磁场向量与x轴、y轴、z轴夹角，式(1)建立了各对亥姆霍兹线圈输入电流的幅值(I_x,I_y,I_z)、频率ω及相位与方向角(α,β,γ)之间的关系，通过期望方向角(α,β,γ)确定三对线圈电流的幅值及相位，并给定频率ω，分别向三对亥姆霍兹线圈通入满足式(1)的正弦波电流以产生期望方向的均匀旋转磁场：

式中，I₀为加载电流幅值，ω为加载电流频率，同时为产生旋转磁场的频率。

由亥姆霍兹线圈所产生磁场的磁感应强度B_H可由式(3)表示：

式中，A为匀强磁场系数，μ为空间磁导率，N为亥姆霍兹线圈匝数，a为方形亥姆霍兹线圈边长；

工作台内抛光液中的磁性抛光粒子受到上述旋转磁场的转矩作用产生期望方向的涡旋流，其受到转矩τ由式(2)表示：

τ＝VM×B_H (2)

式中，V为抛光液涡旋流的体积，M为抛光液涡旋流的磁化强度。

采用方位角(η,θ)等价表示空间磁场矢量η为空间磁场矢量在平面xOy上的投影与y轴正向的夹角，θ为与平面xOy的夹角，则空间磁场向量可表示为抛光液中的磁性抛光粒子受到梯度磁场作用，其产生的推力大小可由下式表示：

式中，为磁场梯度算子，B_M为麦克斯韦线圈产生的磁感应强度。

一对麦克斯韦线圈既产生轴线方向上的均匀梯度磁场，又产生垂直方向的均匀梯度磁场，因此，两对正交的麦克斯韦线圈所产生磁场B_M可由下式表示：

式中，g_L为L轴麦克斯韦线圈产生磁场的磁场梯度，g_z为z轴麦克斯韦线圈产生磁场的磁场梯度。

因此，其在各方向产生的推力为下式：

式中，M为抛光液的磁化强度大小；

为了使两对正交的麦克斯韦线圈产生空间磁场向量方向的均匀梯度磁场，通过电动机带动可转动的L轴麦克斯韦线圈，使其轴线L与y轴正向的夹角为η。当麦克斯韦线圈产生的推力方向与空间磁场矢量方向一致时满足式下式：

通过计算可知g_L＝g_z，即当两对麦克斯韦线圈产生的磁场梯度相同时，产生推力方向可沿期望方向因此无需改变通入两对麦克斯韦线圈的幅值、频率及相位，只需保证二者所产生的磁场梯度相等，且L轴麦克斯韦线圈的轴线L与y轴正向的夹角为η，即可保证二者矢量叠加产生的梯度磁场沿期望方向向两对麦克斯韦线圈通入强度相等、方向相反的电流，其产生的磁场梯度由下式表示：

式中，A'为梯度磁场系数，N'为麦克斯韦线圈匝数，I_M为通入麦克斯韦线圈的电流，R为麦克斯韦线圈半径；

因此，整理得抛光液中的磁性抛光粒子所受梯度磁场的推力由式(4)所示：

当磁场遥操纵系统中的五对线圈按照上述要求通入相应幅值及相位的电流时，由三对正交的亥姆霍兹线圈产生的均匀旋转磁场沿空间磁场矢量方向，驱动工件抛光域产生角速度为ω、方向为的涡旋流；由两对正交的麦克斯韦线圈产生的均匀梯度磁场同样沿空间磁场矢量方向，施加作用力于涡旋流的磁性粒子，从而使得涡旋流与工件抛光域之间产生抛光所需推力F。

Claims (2)

1.一种磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置，其特征在于：包括底座、磁场遥操纵装置、三向进给滑台、工作台、侧向支撑板及吊架，其中侧向支撑板与底座固定连接，吊架分别与侧向支撑板上方固定连接，所述磁场遥操纵装置由三对正交的方形亥姆霍兹线圈和两对正交的圆形麦克斯韦线圈组成，每对线圈的结构分别相同，三对正交的方形亥姆霍兹线圈包括：x向亥姆霍兹线圈一、x向亥姆霍兹线圈二、y向亥姆霍兹线圈一、y向亥姆霍兹线圈二、z向亥姆霍兹线圈一、z向亥姆霍兹线圈二；两对正交的圆形麦克斯韦线圈包括：z轴麦克斯韦线圈一、z轴麦克斯韦线圈二及L轴麦克斯韦线圈一、L轴麦克斯韦线圈二；其中，三对正交的亥姆霍兹线圈按照从小到大的顺序正交嵌套安装，互相定位，x向亥姆霍兹线圈对、y向亥姆霍兹线圈对及z向亥姆霍兹线圈二与底座固定连接，z向亥姆霍兹线圈一与侧向支撑板伸出的悬臂梁固定连接，z轴麦克斯韦线圈二与底座固定连接，z轴麦克斯韦线圈一与侧向支撑板伸出的悬臂梁固定连接；L轴麦克斯韦线圈对与L轴麦克斯韦线圈固定架固定连接，电机通过联轴器与L轴麦克斯韦线圈固定架连接，五对线圈的轴中心均与工作空间坐标系的坐标原点O重合；三向进给滑台位于磁场遥操纵装置内部，并固定安装于底座之上，工作台固定于三向进给滑台之上，内部装有带磁性颗粒的抛光液。

2.采用如权利要求1所述的磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置的一种磁场遥操纵涡旋流定向抛光方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1：放置并固定工件于工作台内，工作台内部倒入带磁性颗粒的抛光液并浸没工件，将工作台固定于三向进给滑台之上，开启各部分电源，将三向进给滑台进给到初始位置；

步骤2：将工件待加工区域分为若干部分，各部分按照一定顺序依次加工；通过各组电机带动三向进给滑台产生相应位移，将工件待加工部分中心位置进给至工作空间坐标系坐标原点O处，保证产生的涡旋流正确加工到所要求的位置；

步骤3：根据工件的加工曲面在待加工部分中心位置的法线方向，确定旋转磁场的旋转轴方向角(α,β,γ)，并给定旋转磁场角频率ω，通过式(1)得出各组亥姆霍兹线圈输入的电流幅值及相位：

式中，I₀为加载电流幅值，ω为加载电流频率；

向三对亥姆霍兹线圈通入对应幅值为I_x＝I₀sinα、I_y＝I₀sinβ、I_z＝I₀sinγ，相位为φ_z＝0，频率均为ω的电流，由此得到期望方向上的旋转磁场，工作台内部抛光液受到式(2)所示转矩τ，形成角速度为ω、方向为的涡旋流：

τ＝VM×B_H (2)

式中，V为抛光液涡旋流的体积，M为抛光液涡旋流的磁化强度，B_H为亥姆霍兹线圈所产生磁场的磁感应强度，其值为：

<mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>H</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>A&amp;mu;NI</mi> <mi>H</mi> </msub> </mrow> <mi>a</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，A为匀强磁场系数，μ为空间磁导率，N为亥姆霍兹线圈匝数，a为方形亥姆霍兹线圈边长；

通入两对麦克斯韦线圈的电流值均为I_M且在加工过程中保持不变，通过电动机带动L轴麦克斯韦线圈旋转，使其轴线与y轴正向夹角为η角，即可产生期望方向上的梯度磁场，施加作用力于抛光液中的磁性粒子，产生的作用力F由式(4)得出，此时，磁场遥操纵涡旋流定向抛光装置开始对该部分进行抛光加工；

<mrow> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>0.5</mn> <msup> <mi>A</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mi>&amp;mu;</mi> <mo>|</mo> <mi>M</mi> <mo>|</mo> <msup> <mi>VN</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <msub> <mi>I</mi> <mi>M</mi> </msub> </mrow> <msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中，A'为梯度磁场系数，N'为麦克斯韦线圈匝数，I_M为通入麦克斯韦线圈的电流，R为麦克斯韦线圈半径；

步骤4：该部分加工完成后，重复步骤2-4以完成对工件下一待加工部分的加工；

步骤5：待所需加工区域的全部待加工部分加工完成后，断开各部分电源，将已完成加工的工件从工作台中取出，即完成对该工件的抛光工作。