三维振动辅助铣削加工系统及结构型表面三维振动辅助铣削方法技术方案

本发明专利技术公开了一种结构型表面三维振动辅助铣削方法，包括以下步骤：建立工具、工件表面形貌数学模型、设定三维振动装置和数控机床运行路径，通过计算工具和工件在加工过程中每一时刻的位置姿态关系，对比分析获得振动辅助铣削后结构形貌。本发明专利技术提出的振动辅助铣削方法，结合数控铣削自由度较高，加工表面种类丰富以及振动装置工作频率范围较广、运行精度较高的特点可实现在多种复杂的自由曲面上制备微小结构型表面。

【技术实现步骤摘要】
三维振动辅助铣削加工系统及结构型表面三维振动辅助铣削方法
本专利技术涉及结构型表面加工
，特别是涉及一种三维振动辅助铣削加工系统及一种结构型表面三维振动辅助铣削方法
技术介绍
在自然界中，许多生物表面都均匀整齐的排列着一些周期性的微小结构，这些结构使得其生物表面呈现出了多种性能。鲨鱼皮表面减阻结构的应用可以解决飞机热震，高铁提速等问题。荷叶表面疏水结构的应用可以解决船底防污等问题。这些物质表面微小的结构所带来奇妙功能，正在推动着我国航天航空以及国防事业逐步迈入新时代。随着结构型表面加工技术的研究，现在已经形成了多种技术并行发展的新局面。按照结构型表面加工方法来分，主要分为机械式加工、电化学加工、物理加工等几大类。常见的结构形表面机械式加工技术包括有车削、铣削、磨削几大类。采用快慢刀伺服是一种制备结构型表面高效制备的用方法，但这种加工方法在加工表面类型上严重受限，特别是难以在大型自由曲面上制备微小结构，而且车削刀痕严重。采用超精密磨削的方式可以减小残留刀痕，获得的结构型表面精度较高，但是加工效率严重受限。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的结构型表面加工精度和加工效率难以同时提高的问题，而提供三维振动辅助铣削加工系统。本专利技术的另一个目的是提供一种结构型表面三维振动辅助铣削方法。为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：三维振动辅助铣削加工系统，包括数控机床和三维振动辅助装置，数控机床包括位于顶部的X向滑轨、Y向滑轨和Z向滑轨，以及位于底部的Z向转轴和Y向转轴，其中：所述X向滑轨和所述Y向滑轨相垂直，所述Y向滑轨受驱动沿所述X向滑轨在X轴方向水平移动、沿所述Y向滑轨在Y轴方向水平移动，加工组件受驱动沿所述Z向滑轨在Z轴方向上水平移动，所述加工组件包括驱动机构、受所述驱动机构驱动旋转的主轴以及固定于所述主轴上的工具；工件通过夹具固定于所述三维振动辅助装置上，所述三维振动辅助装置固定于工作台，所述Z向转轴受驱动带动Y向转轴沿Z轴方向转动，所述工作台受Y向转轴的驱动沿Y轴方向转动。一种结构型表面三维振动辅助铣削方法，定义工具坐标系为OT-XTYTZT，定义工件坐标系为OW-XWYWZW；包括以下步骤：步骤1，在工具坐标系中，建模工具表面形貌方程为：在所述公式(1)中，xT，yT，zT为工具坐标系中工具表面任意一点坐标，记为CT点坐标，R为工具表面CT点到工具轴线的距离，θ为OTCT在XTOTYT面投影与XT轴的夹角；步骤2，在工件坐标系中，建立工件表面形貌方程为：F(xw，yw，zw)＝fw(xw)+fw(yw)-zw＝0(2)在所述公式(2)中，所述xw，yw，zw为工件坐标系中工件表面任意一点坐标，记为Cw点坐标，fw(xw)为关于xw的函数，fw(yw)为关于yw的函数；步骤3，在工件坐标系中，建立机床运动路径：[xm，ym，zm，γ，β，α]＝[fmx(t)，fmy(t)，fmz(t)，fγ(t)，fβ(t)，fα(t)](3)在所述公式(3)中，xm，ym，zm为机床在工件坐标系中的XW，YW，ZW向坐标，γ，β，α分别为绕XW，YW，ZW轴的转动值，fmx(t)，fmy(t)，fmz(t)，fγ(t)，fβ(t)，fα(t)均为关于t的函数，表示为t时刻xm，ym，zm，γ，β，α的值；步骤4，在工件坐标系中，建立三维振动辅助装置的运动路径在所述公式(4)中，所述xd，yd，zd为振动装置在工件坐标系中的XW，YW，ZW向坐标，fdx(t)，fdy(t)，fdz(t)均为关于t的函数，表示为t时刻xd，yd，zd的值；fdx(t)，fdy(t)，fdz(t)表达为：其中，Ax，Ay，Az为振动幅值，ωx，ωy，ωz为振动频率，φx，φy，φz为振动相位；步骤5，通过机床运动路径式(3)和振动装置运动路径式(4)，计算得到二者的合成路径为[xg，yg，zg，γg，βg，αg]＝[xm+xd，ym+yd，zm+zd，γ，β，α](6)在所述公式(6)中，xg，γg，zg为工件坐标系中，合成路径位置坐标，γg，βg，αg为绕工件坐标系XW，YW，ZW坐标轴转动值，xm，ym，zm，γ，β，α与式(3)含义一致，xd，yd，zd与式(4)含义一致；步骤6，采用位姿变换方法，通过式(1)(6)推导得到工件坐标系中，工具在某一时刻t的形貌为在所述公式(7)中，x(t，R，θ)，y(t，R，θ)，z(t，R，θ)为t时刻CT点坐标，其中R，θ，f(R)与式(1)含义一致，xg，yg，zg，γg，βg，αg与式(6)含义一致；s代表含义为sin，c代表含义为cos；步骤7，由所述式(2)和式(7)推导得到铣削后结构型表面形貌为在所述公式(8)中，xaw，yaw，zaw为铣削后结构形貌上某点坐标，xw，yw，zw为工件坐标系中，工件某点XW，YW，ZW向坐标；x(t，R，θ)，y(t，R，θ)，z(t，R，θ)与式(7)中含义一致，t1为加工截止时间。在上述技术方案中，在所述公式(1)中，当工具形貌为半径为r的球形时，R取值为rsinφ，其中在上述技术方案中，在所示公式(2)中，当工件形貌为抛物面时，fw(xw)可以表达为fw(yw)可以表达为其中，Kpx和Kpy均为抛物面系数。在上述技术方案中，在所示公式(2)中，当工件表面形貌为波纹面时，fw(yw)可以取值为cos(Kbyyw)，其中Kby为波纹面系数。在上述技术方案中，在所述公式(3)中，当机床路径为抛物面上沿工件YW向的直线运动时，fmx(t)可以表达为C2a，其中C2a表示机床在XW向的运动系数，fmy(t)可以表达为Kfyzt-Cfyz，其中Kfyz和Cfyz均为沿YW向的直线进给系数，fmz(t)可以表达为无转动α，β，γ均为0。在上述技术方案中，在所述公式(3)中，当机床路径为抛物面上做环形运动时，fmx(t)可以表达为C2bsin(t)，其中C2b为XW向运动系数，fmy(t)可以表达为C2ccos(t)，其中C2c为YW向运动系数，fmz(t)可以表达为Kpx(C2bsin(t))2+Kpy(C2ccos(t))2，无转动α，β，γ均为0。在上述技术方案中，在所述公式(3)中，当机床路径为波纹面上沿工件YW向的直线运动时，fmx(t)可以表达为C3a，其中C3a表示机床在XW向的运动位置，fmy(t)可以表达为Kfybt-Cfyb，其中Kfyb和Cfyb均为沿YW向的直线进给系数，fmz(t)可以表达为Abcos(Kby(Kfybt-Cfyb))，其中Ab和Kby均为波纹面系数，无转动α，β，γ均为0。在上述技术方案中，在所述公式(3)中，当机床路径为波纹面上做环形运动时，fmx(t)可以表达为C3bsin(t)，其中C3b为XW向运动系数，fmy(t)可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三维振动辅助铣削加工系统，其特征在于，包括数控机床和三维振动辅助装置，数控机床包括位于顶部的X向滑轨、Y向滑轨和Z向滑轨，以及位于底部的Z向转轴和Y向转轴，其中：/n所述X向滑轨和所述Y向滑轨相垂直，所述Y向滑轨受驱动沿所述X向滑轨在X轴方向水平移动、沿所述Y向滑轨在Y轴方向水平移动，加工组件受驱动沿所述Z向滑轨在Z轴方向上水平移动，所述加工组件包括驱动机构、受所述驱动机构驱动旋转的主轴以及固定于所述主轴上的工具；/n工件通过夹具固定于所述三维振动辅助装置上，所述三维振动辅助装置固定于工作台，所述Z向转轴受驱动带动Y向转轴沿Z轴方向转动，所述工作台受Y向转轴的驱动沿Y轴方向转动。/n

【技术特征摘要】
1.三维振动辅助铣削加工系统，其特征在于，包括数控机床和三维振动辅助装置，数控机床包括位于顶部的X向滑轨、Y向滑轨和Z向滑轨，以及位于底部的Z向转轴和Y向转轴，其中：
所述X向滑轨和所述Y向滑轨相垂直，所述Y向滑轨受驱动沿所述X向滑轨在X轴方向水平移动、沿所述Y向滑轨在Y轴方向水平移动，加工组件受驱动沿所述Z向滑轨在Z轴方向上水平移动，所述加工组件包括驱动机构、受所述驱动机构驱动旋转的主轴以及固定于所述主轴上的工具；
工件通过夹具固定于所述三维振动辅助装置上，所述三维振动辅助装置固定于工作台，所述Z向转轴受驱动带动Y向转轴沿Z轴方向转动，所述工作台受Y向转轴的驱动沿Y轴方向转动。


2.一种结构型表面三维振动辅助铣削方法，其特征在于，定义工具坐标系为OT-XTYTZT,定义工件坐标系为OW-XWYWZW；包括以下步骤：
步骤1，在工具坐标系中，建模工具表面形貌方程为：



在公式(1)中，xT,yT,zT为工具坐标系中工具表面任意一点坐标，记为CT点坐标，R为工具表面CT点到工具轴线的距离，θ为OTCT在XTOTYT面投影与XT轴的夹角；
步骤2，在工件坐标系中，建立工件表面形貌方程为：
F(xw,yw,zw)＝fw(xw)+fw(yw)-zw＝0(2)
在公式(2)中，所述xw,yw,zw为工件坐标系中工件表面任意一点坐标，记为Cw点坐标，fw(xw)为关于xw的函数，fw(yw)为关于yw的函数；
步骤3，在工件坐标系中，建立机床运动路径：
[xm,ym,zm,γ,β,α]＝[fmx(t),fmy(t),fmz(t),fγ(t),fβ(t),fα(t)](3)
在公式(3)中，xm,ym,zm为机床在工件坐标系中的XW,YW,ZW向坐标，γ,β,α分别为绕XW,YW,ZW轴的转动值，fmx(t),fmy(t),fmz(t),fγ(t),fβ(t),fα(t)均为关于t的函数，表示为t时刻xm,ym,zm,γ,β,α的值；
步骤4，在工件坐标系中，建立三维振动辅助装置的运动路径



在公式(4)中，所述xd,yd,zd为振动装置在工件坐标系中的XW,YW,ZW向坐标，fdx(t),fdy(t),fdz(t)均为关于t的函数，表示为t时刻xd,yd,zd的值；
fdx(t),fdy(t),fdz(t)表达为：



其中，Ax,Ay,Az为振动幅值，ωx,ωy,ωz为振动频率，φx,φy,φz为振动相位；
步骤5，通过机床运动路径式(3)和振动装置运动路径式(4)，计算得到二者的合成路径为
[xg,yg,zg,γg,βg,αg]＝[xm+xd,ym+yd,zm+zd,γ,β,α](6)
在公式(6)中，xg,yg,zg为工件坐标系中，合成路径位置坐标，γg,βg,αg为绕工件坐标系XW,YW,ZW坐标轴转动值，xm,ym,zm,γ,β,α与式(3)含义一致，xd,yd,zd与式(4)含义一致；
步骤6，采用位姿变换方法，通过式(1)(6)推导得到工件坐标系中，工具在某一时刻t的形貌为



在公式(7)中，x(t,R,θ),y(t,R,θ),z(t,R,θ)为t时刻CT点坐标，其中R,θ,f(R)与式(1)含义一致，xg,yg,zg,γg,βg,αg与式(6)含义一致；s代表含义为sin，c代表含义为cos；
步骤7，由所述式(2)和式(7)推导得到铣削后结构型表面形貌为



在公式(8)中，xaw,yaw,zaw为铣削后结构形貌上某点坐标，xw,...

【专利技术属性】
技术研发人员：王桂莲，刘文瑞，吕秉锐，冯志坚，闫世程，刘利，周海波，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12