【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超精密加工，具体而言，涉及一种基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法与装置。
技术介绍
1、随着航空航天、生物医疗、微机械电子等领域的发展，对各种高精度的复杂微小构件的需求量也越来越大。如一种直径1～5mm、壁厚20～120μm的c-h复合材料薄壁球壳复杂微小构件因较低密度与原子序数、良好的加工性能等优良特性，在核物理试验、新能源探索等领域得到了广泛应用。为进一步明晰工具-材料相互作用机制，揭示材料特性对实际工程应用的影响规律，需要在上述微构件全表面加工出数十个微米量级的特征微坑结构，并要求面型达到微米级形状精度、纳米级表面粗糙度和微米级的坑点间距误差，对超精密制造工艺与加工坐标转换方法带来严峻挑战。
2、对于这种微空间尺度约束下复杂基础轮廓微球壳全表面微坑结构高精度加工要求，需要采用专用的超精密多轴联动装置，设计专用的微结构加工工艺与微坑结构点集坐标生成算法，并依据装置结构与加工坐标系，对点集坐标进行合理化设计与转换，以实现微坑结构的稳定可控去除。如何依据微球靶尺寸与特定微坑结构数量，完成微坑结构均布与坐标生成，并将其转换至加工坐标系，依据微结构尺寸特征完成数控程序的编写，是保证微结构加工质量的关键。现有的超精密加工装置主要以两轴、三轴超精密制造技术为主，而五轴联动超精密加工多针对平面或圆柱等简单的基础表面，针对复杂微小构件，受限于控制程序的编写以及工艺制定，影响结果精度的因素较多，难以精确实现，规则基础轮廓、单一特征结构的坐标转换方法无法适用于薄壁球壳类复杂微小构件这类零件加工坐标
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：
2、现有的坐标转换方法无法适用于薄壁球壳类复杂微小构件五轴联动超精密加工坐标的转换与生成。
3、本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案：
4、本专利技术提供了一种基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，包括如下步骤：
5、s1、点集坐标生成：通过高分辨率ccd相机观测，使c轴运动单元轴线与铣削轴轴线处于同一平面内，调整高分辨率ccd相机对工件区域拍照，识别并获取微球靶直径，以微球靶球心为坐标原点建立工件坐标系，生成微球靶全表面微坑点集初始坐标；
6、s2、空间坐标转换：基于微球靶全表面微坑点集初始坐标，将c轴转动一定角度，使微球靶表面任意待加工空间微坑点旋转至c轴运动单元轴线所在水平面，b轴旋转一定角度，使铣削轴轴线和z轴直线运动单元夹角与待加工点-工件坐标系原点连线和z轴直线运动单元方向夹角相等，获取b轴和c轴坐标以及x/y/z直线轴运动单元在工件坐标系下的坐标；
7、s3、加工坐标标定：建立加工坐标系，将工件坐标系的坐标转换为加工坐标系下的加工坐标，对微坑结构进行高精度加工。
8、进一步地，s1包括如下步骤：
9、s1-1、调整ccd相机使其指向微球靶并垂直于水平面，获取微球靶图像，通过图像处理获取微球靶最大外围尺寸，即微球靶直径；
10、s1-2、以复杂微小构件微球靶球心为坐标原点ow，以z轴直线运动单元负向为zw+，以x轴直线运动单元正向为xw+，以y轴直线运动单元正方向为yw+，建立工件坐标系ow-xwywzw；
11、s1-3、在工件坐标系中，由薄壁微球靶全表面待加工微坑结构数nu，基于斐波那契算法生成微球靶全表面微坑结构初始点集坐标。
12、进一步地，s1-3中所述基于斐波那契算法生成微球靶全表面微坑结构初始点集坐标，具体为，沿owzw方向将微球靶壳体均匀分割为nu层，则第i层壳体厚度方向中点坐标zw为：
13、
14、d为微球靶直径；
15、s1-4、由xw向和yw向坐标服从等差数列分布，得到薄壁球壳表面微坑结构xw向和yw向坐标：
16、
17、
18、f表示黄金分割比。
19、进一步地，s1-3中，分割出的nu层侧面等效为环面，且各环面面积均为πd2/nu，确保微坑点集在宏观上的均匀分布。
20、进一步地，s2包括如下步骤：
21、s2-1、由工件坐标系下任意待加工点ni坐标(xwi,ywi,zwi)，向xwowyw平面内投影，得到投影点pi，基于投影点pi和工件坐标系原点ow连线与yw轴夹角εi，得到加工点ni对应的c轴坐标；
22、具体的，当任意待加工点ni(xwi,ywi)位于xwowyw坐标系第二象限，即xwi<0,ywi>0，此时待加工点ni对应的c轴旋转角度为(π/2-εi)，则对应c轴坐标为：
23、
24、当任意待加工点ni(xwi,ywi)位于xwowyw坐标系第一象限，即xwi>0,ywi>0，此时待加工点ni对应的c轴旋转角度为(π/2+εi)，则对应c轴坐标为：
25、
26、当任意待加工点ni(xwi,ywi)位于xwowyw坐标系第四象限，即xwi>0,ywi<0，此时待加工点ni对应的c轴旋转角度为则对应c轴坐标为：
27、
28、当任意待加工点ni(xwi,ywi)位于xwowyw坐标系第三象限，即xwi<0,ywi<0，此时待加工点ni对应的c轴旋转角度为则对应c轴坐标为：
29、
30、s2-2、由工件坐标系下任意待加工点ni(xwi,ywi,zwi)，连接点ni与微球靶球心ow，记为niow，根据niow与工件坐标系zw轴正向夹角βi，得到加工点ni对应的b轴坐标为：
31、
32、s2-3、工件坐标系下任意待加工点ni(xwi,ywi,zwi)经c轴转动ci角度后，旋转至工件坐标系xwowzw平面内，且与加工坐标系原点ow连线和zw正向夹角为bi，再向xwowyw平面内投影，其在owxw-上投影点记为hi，则owhi即为待加工点ni对应的xw坐标xwi，由坐标转换关系得：
33、
34、s2-4、工件坐标系下任意待加工点ni(xwi,ywi,zwi)经c轴转动ci角度后，旋转至xwowzw平面内，其yw坐标ywi＝0；b轴旋转bi角度后，其zw坐标保持不变，由公式(1)可知：
35、
36、进一步地，s3包括如下步骤：
37、s3-1、控制x/y/z直线运动单元移动进行对刀操作；
38、s3-2、将对刀完成点设为加工原点，并设为加工坐标系原点om，以z轴直线运动单元正向为zm+，以x轴直线运动单元正向为xm+，以y轴直线运动单元正方向为ym+，建立加工坐标系om-xmymzm；
39、s3-3、将工件坐标系下任意待加工微坑点ni(xwi,ywi,zwi,bwi,cwi)转换为加工坐标系中加工坐标ni(xi,yi,zi,bi,ci)；
40、任意待加本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，S1包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，S1-3中所述基于斐波那契算法生成微球靶全表面微坑结构初始点集坐标，具体为，沿OwZw方向将微球靶壳体均匀分割为Nu层，则第i层壳体厚度方向中点坐标Zw为：
4.根据权利要求3所述的基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，S1-3中，分割出的Nu层侧面等效为环面，且各环面面积均为πD2/Nu，确保微坑点集在宏观上的均匀分布。
5.根据权利要求3所述的基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，S2包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，S3包括如下步骤：
7.一种薄壁球壳类复杂微小构件表面
8.根据权利要求7所述的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工装置，其特征在于，所述吸附底座与吸附夹头通过管螺纹连接。
9.根据权利要求7所述的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工装置，其特征在于，所述五轴联动机床包括：X/Y/Z三个直线运动单元、B轴运动单元(1)、C轴运动单元(5)，水平X/Z轴直线运动单元相互垂直布置，竖直Y轴直线运动单元布置在X轴直线运动单元导轨上，B轴运动单元(1)采用液体静压轴承，布置在Z轴直线运动单元上；C轴运动单元(5)采用气体静压轴承，安装在Y轴直线运动单元的拖板上，B/C轴运动单元均由无框力矩电机驱动，圆光栅反馈控制，铣削轴(2)通过轴套偏置安装于B轴运动单元(1)上；球头铣刀(3)经由气动夹紧模块连接至铣削轴(2)末端；薄壁球壳工件(6)通过真空吸附夹具组件吸附连接在C轴运动单元(5)末端，高分辨率竖直CCD相机(4)连接在Y轴直线运动单元的拖板上，用于对薄壁球壳工件(6)的实时监测与特征结构尺寸捕获。
10.根据权利要求9所述的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工装置，其特征在于，所述加工装置配备有高精度的零点快换部件，用于微球靶的高精度调头装夹。
...【技术特征摘要】
1.一种基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，s1包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，s1-3中所述基于斐波那契算法生成微球靶全表面微坑结构初始点集坐标，具体为，沿owzw方向将微球靶壳体均匀分割为nu层，则第i层壳体厚度方向中点坐标zw为：
4.根据权利要求3所述的基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，s1-3中，分割出的nu层侧面等效为环面，且各环面面积均为πd2/nu，确保微坑点集在宏观上的均匀分布。
5.根据权利要求3所述的基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，s2包括如下步骤：
6.根据权利要求5所述的基于坐标转换的薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工方法，其特征在于，s3包括如下步骤：
7.一种薄壁球壳类复杂微小构件表面微坑结构加工装置，其特征在于，所述加工装置为五轴联动机床，包括真空吸附夹具组件，所述真空吸附夹具组件包括中空的吸附底座和吸附夹头，所述吸附夹头的末端呈喇叭状，用于通过真空吸附工件，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈明君，郭锐阳，赵林杰，于天宇，刘赫男，周星颖，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。