CN111546066B - 一种表面微结构切磨一体化加工系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种表面微结构切磨一体化加工系统与方法，属于表面微结构超精密加工领域。所述系统包括磨床、刀具盘和微纳定位平台；微纳定位平台包括转动平台和二维平台；刀具盘包括飞刀盘、金刚石笔和磨抛笔；磨床和微纳定位平台有效集成，通过控制系统实现微纳定位平台与磨床各运动轴协调运动；采用金刚石笔和磨抛笔成180°配置的刀具盘创成微结构，金刚石笔进行切削加工，磨抛笔基体表面包裹剪切增稠磨料层，利用其剪切增稠原理进行“高剪低压”磨抛光整，实现复杂表面微结构的切磨一体化高精、高效加工；本发明可以有效改善传统机械微纳加工效率低、微结构特征质量差等问题，实现复杂表面微结构的高精、高效一次成形。

Description

一种表面微结构切磨一体化加工系统与方法
技术领域
本发明涉及超硬线性复杂表面微结构的加工技术，特别提供了一种表面微结构切磨一体化加工系统与方法，属于表面微结构超精密加工领域。
背景技术
微结构表面由于其独特的微观结构使得它具有常规表面无法与之相媲美的功能优势，其在机械、物理和化学性能等方面表现出特定功能而广泛应用于光学、机械电子、生物医药和军工等领域。表面微结构的高精度、高效率、低成本加工在21世纪的制造科学技术领域中占有非常重要的地位，引起了世界各国深度关注与研究。目前微结构表面的加工方法主要有材料堆积法、材料去除法和机械微纳加工技术，前两种加工技术制造成本高，材料堆积法也会产生厚度分布不均、毛刺等问题，传统的机械微纳加工技术成本低，但其加工精度、加工效率以及加工过程中的质量精度低，很难实现复杂表面微结构的高精度高效率加工。
因此本发明提出了一种表面微结构切磨一体化加工系统与方法，利用磨床和微纳定位平台协调运动，采用磨抛笔和金刚石笔连续交替工作的刀具盘，实现复杂表面微结构的高精度高效率加工，对表面微结构加工具有重要的理论意义和实际应用价值。
发明内容
本发明提出了一种表面微结构切磨一体化加工系统与方法，磨床和微纳定位平台能够有效集成，各个组块之间能够有效通信，磨床运动轴实现宏动，微纳定位平台实现微纳进给补偿或运动轨迹主动调控，结合刀具盘转动，实现跨尺度复杂微结构的切磨一体加工；通过控制实现微纳定位平台和磨床协调运动，采用磨抛笔和金刚石笔成180°配置的刀具盘创成微结构，通过金刚石笔进行切削加工，磨抛笔基体表面包裹剪切增稠磨料层，利用其剪切增稠原理进行“高剪低压”磨抛光整，实现表面微结构高精度高效率加工，对复杂表面微结构的加工具有重要的理论意义和实际应用价值。
本发明的一种表面微结构切磨一体化加工系统与方法，所提供的技术方案如下。
1、一种表面微结构切磨一体化加工系统：包括磨床、刀具盘和微纳定位平台；微纳定位平台包括转动平台、二维平动平台、压电叠堆驱动器Ⅰ、预紧螺栓Ⅰ、压电叠堆驱动器Ⅱ、预紧螺栓Ⅱ、驱动器底座和固定螺栓；二维平动平台包括动平台、位移放大机构、连接薄板Ⅰ、连接薄板Ⅱ、支撑型双层薄板和支撑座；位移放大机构包括输出端铰链、杠杆放大机构、菱形放大机构和双层对称柔性薄板；所述转动平台包括底座、凸台、支撑立柱和车轮式柔性机构；刀具盘包括飞刀盘、磨抛笔和金刚石笔；所述专用夹具固定在载物台上，载物台通过螺栓固定在微纳定位平台的转动平台的凸台上，微纳定位平台通过支撑座利用磁力固定在磨床工作台上，工件固定在专用夹具上，刀具盘安装在磨床主轴上。
2、所述的一种表面微结构切磨一体化加工系统与方法，可以通过以下步骤实现：
（1）将转动平台通过固定螺栓安装到动平台上，专用夹具固定在载物台上，载物台固定在转动平台的凸台上；
（2）将微纳定位平台安装到磨床工作台上，将待加工工件固定到专用夹具上；
（3）将磨抛笔和金刚石笔安装到飞刀盘上，将刀具盘安装到磨床主轴上；
（4）根据加工要求，对走刀路径进行规划，优化工艺参数并形成数控代码，将加工程序输入磨床控制系统，以实现磨床各运动轴与微纳定位平台各运动轴的协调运动；
（5）对工件加工面进行对刀，检查程序并验证，开始加工；
（6）磨床运动轴实现宏动，微纳定位平台实现微纳进给补偿或运动轨迹主动调控，在刀具盘第n个加工周期T的前半周期中，金刚石笔首先进行切削加工，之后通过控制系统调整微纳定位平台的位置，使磨抛笔在T/2时刻落到第n-i（i=0,1,2……）个周期的已加工表面起始位置，进行磨抛光整，实现一个周期对工件）的加工与光整，循环往复最终实现微结构表面一次加工成形。
本发明具有以下明显效果：（1）本发明所述的微纳定位平台以柔性铰链为导向机构，利用压电叠堆驱动器为驱动，采用菱形放大与杠杆放大相结合的二级放大原理，具有大行程、高带宽和高精度的特点，实现精密微动定位；（2）本发明所述的一种表面微结构切磨一体化加工系统，磨床和微纳定位平台有效集成，磨床运动轴实现宏动，微纳定位平台实现微纳进给补偿或运动轨迹主动调控，结合刀具盘转动，实现跨尺度复杂微结构的切磨一体加工；（3）加工过程中，在刀具盘第n个加工周期T的前半周期中，金刚石笔首先进行切削加工，之后通过控制系统调整微纳定位平台的位置，使磨抛笔在T/2时刻落到第n-i（i=0,1,2……）个周期的已加工表面起始位置，进行磨抛光整，实现一个周期对工件的连续加工与光整；（4）通过控制实现微纳定位平台和磨床的协调运动，实现多种复杂表面微结构的高精度高效率加工；（5）采用磨抛笔和金刚石笔成180°配置的刀具盘创成微结构，金刚石笔进行切削加工，磨抛笔表面包裹剪切增稠磨料层，磨料层与工件表面发生接触时，磨料产生“集群效应”，实现“高剪低压”磨抛光整，实现高效率高精度加工。
附图说明
图1是本发明的一种表面微结构切磨一体化加工系统的整体结构示意图。其中：磨床1-1、刀具盘1-2、微纳定位平台1-3、待加工工件1-4、专用夹具1-5、载物台1-6。
图2是本发明的一种表面微结构切磨一体化加工系统中微纳定位平台的组成结构示意图。其中：转动平台2-1、二维平动平台2-2、压电叠堆驱动器Ⅰ2-3、预紧螺栓Ⅰ2-4、压电叠堆驱动器Ⅱ2-5、预紧螺栓Ⅱ2-6、驱动器底座2-7和固定螺栓2-8。
图3是本发明的一种表面微结构切磨一体化加工系统中微纳定位平台中二维平动平台的结构示意图。其中：动平台3-1、位移放大机构3-2、连接薄板Ⅰ3-3、连接薄板Ⅱ3-4、支撑型双层薄板3-5和支撑座3-6。
图4是本发明的一种表面微结构切磨一体化加工系统中二维平动平台中位移放大机构的结构示意图。其中：输出端铰链4-1、杠杆放大机构4-2、菱形放大机构4-3和双层对称柔性薄板4-4。
图5是本发明的一种表面微结构切磨一体化加工系统中微纳定位平台中转动平台的结构示意图。其中：底座5-1、凸台5-2、支撑立柱5-3和车轮式柔性机构5-4。
图6是本发明的一种表面微结构切磨一体化加工系统中刀具盘的组成结构示意图。其中：飞刀盘6-1、磨抛笔6-2和金刚石笔6-3。
图7是磨抛笔结构示意图。
图8是微沟槽表面阵列加工示意图。
图9是微金字塔阵列表面示意图。
图10是类谐波微沟槽表面示意图。其中：加工区域10-1和残留区域10-2。
具体实施方式
为了对本发明中所述加工系统进行清楚、完整的描述，下面将结合图1、图2、图3、图4、图5和图6进行详细说明，所述系统包括磨床1-1、刀具盘1-2、微纳定位平台1-3和专用夹具（1-5）；微纳定位平台1-3其结构包括转动平台2-1、二维平动平台2-2、压电叠堆驱动器Ⅰ2-3、预紧螺栓Ⅰ2-4、压电叠堆驱动器Ⅱ2-5、预紧螺栓Ⅱ2-6、驱动器底座2-7和固定螺栓2-8；二维平动平台2-2其结构包括动平台3-1、位移放大机构3-2、连接薄板Ⅰ3-3、连接薄板Ⅱ3-4、支撑型双层薄板3-5和支撑座3-6；位移放大机构3-2其结构包括输出端铰链4-1、杠杆放大机构4-2、菱形放大机构4-3和双层对称柔性薄板4-4；所述转动平台2-1其结构包括底座5-1、凸台5-2、支撑立柱5-3和车轮式柔性机构5-4；刀具盘1-2其结构包括飞刀盘6-1、磨抛笔6-2和金刚石笔6-3；所述专用夹具1-5固定在载物台1-6上，载物台1-6通过螺栓固定在微纳定位平台1-3的转动平台2-1的四个凸台5-2上，微纳定位平台1-3通过支撑座3-6利用磁力固定在磨床1-1工作台上，工件1-4固定在专用夹具1-5上，刀具盘1-2安装在磨床1-1主轴上。
结合图2、图3、图4和图5说明所述的微纳定位平台1-3是x、y、θ三自由度微纳定位平台，二维平动平台2-2与转动平台2-1相串联，实现三自由度运动；二维平动平台2-2采用并联形式实现x、y方向进给，以柔性铰链为导向机构，利用压电叠堆驱动器Ⅰ2-3进行驱动，利用位移放大机构3-2实现大行程，动平台3-1上有一个大通孔和四个对称分布的小通孔，减轻动平台3-1重量，二维平动平台2-2整体结构一体化，灵敏度高，响应快；位移放大机构3-2采用菱形放大与杠杆放大相结合的二级放大原理，整体结构为轴对称结构，菱形放大机构4-3采用双层对称柔性薄板结构，中间凸台为安装压电叠堆驱动器Ⅰ2-3的位置，具有大行程、高带宽和高精度的特点；转动平台2-1以车轮式柔性机构5-4为导向机构，利用压电叠堆驱动器Ⅱ2-5进行驱动；底座5-1上开四个对称沉头孔和八个螺纹孔，起安装定位作用，驱动器底座2-7由两个固定螺栓固定，通过改变两驱动器底座2-7位置可实现转动平台顺逆时针转动额切换；车轮式柔性机构5-4的四个柔性薄板连接在支撑立柱5-3上，实现微转动，四个凸台5-2上均有螺纹孔，方便载物台1-6的安装。
结合图6和图7说明所述的刀具盘1-3，其特征是，圆形基体4-1上固定金刚石笔6-3和磨抛笔6-2，呈180°对称分布，磨抛笔6-2基体表面包裹剪切增稠磨料层，磨料层包括高性能纤维织物、磨料、添加剂、分散相和分散介质，磨料层与工件表面发生接触时，磨料产生“集群效应”，实现“高剪低压”光整，实现高效率高精度加工。
结合图1和图6说明所述的表面微结构切磨一体化加工系统，其特征是，所述加工系统中微纳定位平台1-3和磨床1-1能够有效集成，各个组块之间能够有效通信；磨床1-1运动轴实现宏动，微纳定位平台1-3实现微纳进给补偿或运动轨迹主动调控，结合刀具盘1-2转动，金刚石笔6-3和磨抛笔6-2进行连续交替的切削与磨抛光整，实现跨尺度复杂微结构的切磨一体化加工。
为了对本发明所提技术方法进行清晰描述，下面将结合图1、图2和图6详细说明所述表面微结构切磨一体化加工方法，进行表面微结构阵列的加工步骤如下：
（1）将转动平台2-1通过固定螺栓2-8安装到动平台3-1上，专用夹具1-5固定在载物台1-6上，载物台1-6固定在转动平台2-1的凸台5-2上；
（2）将微纳定位平台1-3安装到磨床1-1工作台上，将待加工工件1-4固定到专用夹具1-5上；
（3）将磨抛笔6-2和金刚石笔6-3安装到飞刀盘6-1上，将刀具盘1-2安装到磨床1-1主轴上；
（4）根据加工要求，对走刀路径进行规划，优化工艺参数并形成数控代码，将加工程序输入磨床1-1控制系统，以实现磨床1-1各运动轴与微纳定位平台1-3各运动轴的协调运动；
（5）对工件1-4加工面进行对刀，检查程序并验证，开始加工；
（6）磨床1-1运动轴实现宏动，微纳定位平台1-3实现微纳进给补偿或运动轨迹主动调控，在刀具盘1-2第n个加工周期T的前半周期中，金刚石笔6-3首先进行切削加工，之后通过控制系统调整微纳定位平台1-3的位置，使磨抛笔6-2在T/2时刻落到第n-i（i=0,1,2……）个周期的已加工表面起始位置，进行磨抛光整，实现一个周期对工件1-4的加工与光整，循环往复最终实现微结构表面一次加工成形。
为对本发明所述的表面微结构切磨一体化加工系统与方法进行进一步表述，下面列举如图8所示的微沟槽表面阵列实施例进行详细说明，具体工作过程如下：
将系统各组件安装完成，根据加工要求，对走刀路径进行规划，优化工艺参数并形成数控代码，将加工程序输入磨床1-1控制系统，对工件1-4加工面进行对刀，检查程序并验证，开始加工，工作台在磨床1-1的带动下沿x方向进给，微纳定位平台1-3进行x方向的微纳进给补偿，实现更高精度的定位，使工件1-4沿轨迹1方向运动，在加工过程中，刀具盘1-2第n个加工周期T的前半周期中，金刚石笔6-3首先进行切削加工，之后通过控制系统调整微纳定位平台1-3的位置，使微纳定位平台1-3回退，使磨抛笔6-2在T/2时刻落到第n-i（i=0,1,2……）个周期的已加工表面起始位置，进行磨抛光整，实现一个周期对工件1-4的加工与光整，直至一条微沟槽加工完成，之后控制磨床1-1或微纳定位平台1-3带动工件1-4向y方向进给一段距离，并沿轨迹2方向运动，并控制磨床1-1主轴实现反转，进行第二条微沟槽的加工，循环往复直至微沟槽表面阵列加工完成。相似的，如果调整工件沿z轴旋转90°，按照上述类似的加工原理对微沟槽阵列表面进一步加工，便可实现如图9所示微金字塔阵列表面的加工。
通过控制系统控制微纳定位平台1-3和磨床1-1协调运动，利用微纳定位平台1-3在x、y方向或沿z轴转动方向的微纳进给补偿或运动轨迹主动调控，还可以实现更加复杂表面微结构的加工，如图10所示的类谐波微沟槽表面，加工区域10-1和残留区域10-2形貌类似，可以灵活选择材料去除区域或材料残留区域作为微结构表面以实现特定的功能。
以上所述仅为本发明的个别优选实施例，只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明在具体实施方式和应用上可以有各种更改和变化。凡对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种表面微结构切磨一体化加工方法，其特征在于：本方法通过表面微结构切磨一体化加工系统实现，所述系统包括磨床（1-1）、刀具盘（1-2）、微纳定位平台（1-3）和专用夹具（1-5）；微纳定位平台（1-3）其结构包括转动平台（2-1）、二维平动平台（2-2）、压电叠堆驱动器Ⅰ（2-3）、预紧螺栓Ⅰ（2-4）、压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）、预紧螺栓Ⅱ（2-6）、驱动器底座（2-7）和固定螺栓（2-8）；二维平动平台（2-2）其结构包括动平台（3-1）、位移放大机构（3-2）、连接薄板Ⅰ（3-3）、连接薄板Ⅱ（3-4）、支撑型双层薄板（3-5）和支撑座（3-6）；位移放大机构（3-2）其结构包括输出端铰链（4-1）、杠杆放大机构（4-2）、菱形放大机构（4-3）和双层对称柔性薄板（4-4）；所述转动平台（2-1）其结构包括底座（5-1）、凸台（5-2）、支撑立柱（5-3）和车轮式柔性机构（5-4）；刀具盘（1-2）其结构包括飞刀盘（6-1）、磨抛笔（6-2）和金刚石笔（6-3）；所述微纳定位平台（1-3）是一种大行程、高带宽的x、y、θ三自由度微定位平台，通过二维平动平台（2-2）和转动平台（2-1）串联实现三自由度运动，二者可单独工作；二维平动平台（2-2）通过杠杆放大机构（4-2）和菱形放大机构（4-3）实现大行程；压电叠堆驱动器Ⅰ（2-3）安装于菱形放大机构（4-3）中，菱形放大机构（4-3）右侧开螺纹孔，利用预紧螺栓Ⅰ（2-4）实现压电叠堆驱动器Ⅰ（2-3）的预紧；输入端采用双层对称柔性薄板（4-4）作为导向机构，利用压电叠堆驱动器Ⅰ（2-3）进行驱动，运动精度高；杠杆放大机构（4-2）采用圆形柔性铰链和柔性薄板作为导向机构，输出端铰链（4-1）采用外张形式，通过连接薄板Ⅰ（3-3）与动平台（3-1）连接，动平台（3-1）上分布五个圆孔，减轻平台重量；支撑型双层薄板（3-5）与连接薄板Ⅱ（3-4）连接，实现支撑导向作用；连接薄板Ⅰ（3-3）和连接薄板Ⅱ（3-4）长度不同，实现运动解耦；所述转动平台（2-1）通过固定螺栓（2-8）安装到二维平动平台（2-2）的动平台（3-1）上，压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）安装在驱动器底座（2-7）中，预紧螺栓Ⅱ（2-6）安装在驱动器底座（2-7）上实现压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）的预紧；采用车轮式柔性机构（5-4）作为导向机构，利用压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）进行驱动，实现转动，通过支撑立柱（5-3）连接底座（5-1）和车轮式柔性机构（5-4），起支撑作用；凸台（5-2）设置在车轮式柔性机构（5-4）上，开有螺纹孔，用于固定载物台（1-6）；在输入端采用椭圆形铰链，减小转动平台（2-1）工作时压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）所受到的刚性力作用；驱动器底座（2-7）成斜对角安装在转动平台（2-1）的底座（5-1）上，通过手动改变压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）的安装位置实现顺逆时针转动的切换；可以根据实际需求灵活选择转动平台（2-1）是否安装，在只有二维平动平台（2-2）工作的情况下，工件（1-4）固定在动平台（3-1）上，同时其工作带宽与之前相比相应提高；所述专用夹具（1-5）固定在载物台（1-6）上，载物台（1-6）通过螺栓固定在微纳定位平台（1-3）的转动平台（2-1）的凸台（5-2）上，微纳定位平台（1-3）通过支撑座（3-6）利用磁力固定在磨床（1-1）工作台上，工件（1-4）固定在专用夹具（1-5）上，刀具盘（1-2）安装在磨床（1-1）主轴上；
所述表面微结构切磨一体化加工方法主要包括以下步骤：（1）将转动平台（2-1）通过固定螺栓（2-8）安装到动平台（3-1）上，专用夹具（1-5）固定在载物台（1-6）上，载物台（1-6）固定在转动平台（2-1）的凸台（5-2）上；
（2）将微纳定位平台（1-3）安装到磨床（1-1）工作台上，将待加工工件（1-4）固定到专用夹具（1-5）上；
（3）将磨抛笔（6-2）和金刚石笔（6-3）安装到飞刀盘（6-1）上，将刀具盘（1-2）安装到磨床（1-1）主轴上，完成初始安装；
（4）根据加工要求，对走刀路径进行规划，优化工艺参数并形成数控代码，将加工程序输入磨床（1-1）控制系统，以实现磨床（1-1）各运动轴与微纳定位平台（1-3）各运动轴的协调运动；
（5）对工件（1-4）加工面进行对刀，检查程序并验证，开始加工；
（6）磨床（1-1）运动轴实现宏动，微纳定位平台（1-3）实现微纳进给补偿或运动轨迹主动调控，在刀具盘（1-2）第n个加工周期T的前半周期中，金刚石笔（6-3）首先进行切削加工，之后通过控制系统调整微纳定位平台（1-3）的位置，使磨抛笔（6-2）在T/2时刻落到第n-i（i=0,1,2……）个周期的已加工表面起始位置，进行磨抛光整，实现一个周期对工件（1-4）的加工与光整，循环往复最终实现微结构表面一次加工成形。
2.根据权利要求1所述的一种表面微结构切磨一体化加工方法，其特征在于：所述刀具盘（1-2）中磨抛笔（6-2）和金刚石笔（6-3）成180°配置，磨抛笔（6-2）基体表面包裹剪切增稠磨料层，剪切增稠磨料层由磨料、添加剂、分散相和分散介质混合浸渍到高性能纤维织物中，利用磨料层剪切增稠原理，实现“高剪低压”弹性磨抛光整。
3.根据权利要求1所述的一种表面微结构切磨一体化加工方法，其特征在于：所述加工系统中微纳定位平台（1-3）和磨床（1-1）能够有效集成，各个组块之间能够有效通信；磨床（1-1）运动轴实现宏动，微纳定位平台（1-3）实现微纳进给补偿或运动轨迹主动调控，结合刀具盘（1-2）转动，实现跨尺度复杂微结构的切磨一体加工；通过控制实现磨床（1-1）和微纳定位平台（1-3）的协调运动，改变微纳定位平台（1-3）中压电叠堆驱动器Ⅰ（2-3）、压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）的驱动电压和驱动频率，实现多种复杂表面微结构的高精度高效率加工。
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