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专利号: 2024117950132
申请人: 浙江工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-29
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于轨迹点和驻留时间优化的剪切增稠抛光方法,其特征在于,包括以下步骤:

S1:以世界坐标系为基准,设定基于剪切增稠抛光装置的抛光工艺参数,包括:抛光工具在x方向的速度分量Us、剪切层厚度h0、抛光倾角α;剪切层厚度为抛光用的工具头到待处理工件表面的最短距离;

S2:构建剪切增稠抛光的空间材料去除足迹预测模型,该预测模型包括影响区域尺寸方程和材料去除量方程;

S3:对待处理工件表面形貌进行测量,得到测量点矩阵,并利用轨迹点生成算法得到抛光区域内的全部轨迹点;

S4:利用所述预测模型计算S3得到的每个轨迹点的影响区域尺寸,以相邻轨迹点相接且不发生干涉为目标,对轨迹点x、y坐标值进行优化后,基于调整后的x、y坐标值及测量点矩阵,用三次样条曲线调整轨迹点的z坐标值,再按进给路线排序得到轨迹点进给矩阵;

S5:根据所述测量点矩阵和轨迹点进给矩阵,结合目标面型函数,计算每个轨迹点的待去除材料量Halw;对每个轨迹点进行驻留时间迭代,每次迭代过程中计算迭代高度DH,以及DH与Halw的残余误差DE,若DE小于等于预期误差,则进行下一轨迹点的迭代,直到遍历所有轨迹点,输出驻留时间矩阵;反之,则判断DH是否小于Halw,若否,则更新为更小的迭代步长,且当前轨迹点驻留时间减去更新的迭代步长后开始下一轮迭代,若是,则当前轨迹点驻留时间增加原迭代步长后开始下一轮迭代;

S6:在剪切增稠抛光装置上使用轨迹点进给矩阵与驻留时间矩阵,对待处理工件进行抛光。

2.根据权利要求1所述的基于轨迹点和驻留时间优化的剪切增稠抛光方法,其特征在于,所述预测模型的表达式如下:;

式中,S表示影响区域尺寸,为粘度指数,x0为影响区域在x方向上的边界值;Hmaterial为材料去除量,mrr为材料去除函数,Tdwell为驻留时间;k为普雷斯顿系数,Pd为抛光液与工件表面的瞬时载荷,us为抛光液流过工件表面的瞬时相对速度;K为稠度系数,h(x)表示浸没在抛光液中的工具头表面的各个点到待处理工件表面的距离函数。

3.根据权利要求1所述的基于轨迹点和驻留时间优化的剪切增稠抛光方法,其特征在于,所述S4中,以相邻轨迹点相接且不发生干涉为目标,对影响区域的轨迹点进行优化,具体为:以第一个轨迹点为基准点,从当前轨迹点开始按顺序遍历所有轨迹点,对于当前轨迹点判断其是否满足筛除条件,所述筛除条件为当前轨迹点的x值小于等于前一轨迹点的x值,若满足,则筛除当前轨迹点,对下一轨迹点的x值继续进行判断,直到不满足筛除条件;

此时计算当前轨迹点和前一轨迹点的影响区域半径,构建轨迹点调整式,得到x方向上的偏移量,该偏移量用于更新当前轨迹点的x坐标。

4.根据权利要求3所述的基于轨迹点和驻留时间优化的剪切增稠抛光方法,其特征在于,对于m行n列的轨迹点矩阵Hpp,轨迹点调整式如下:;

式中,i表示轨迹点所在的行,i=1,2,3,…,m,j表示轨迹点所在的列,j=1,2,3,…,n;c为跳跃参数,c=1,2,3,…,j‑1; 表示当前轨迹点 的影响区域半径,表示前一轨迹点 的影响区域半径;β为轨迹点法向量与z向的夹角, 为轨迹点在x方向上的偏移量, 表示Hpp(i,j)在x方向的值, 表示Hpp(i,j‑c)在x方向的值。

5.根据权利要求1所述的基于轨迹点和驻留时间优化的剪切增稠抛光方法,其特征在于,所述S5具体通过如下子步骤实现:(5.1)根据测量点矩阵与轨迹点进给矩阵中的x坐标 和y坐标 ,拟合每个x、y坐标在待处理工件表面形貌上的z值,记作 ,u=1,2,3,…,l,l为优化后的轨迹点总数;结合目标面型函数zm=G(x,y)计算每个轨迹点的待去除材料量Halw(u),表达式如下:;

同时,设定初始迭代参数,并初始化迭代次数di=1;初始迭代参数包括:预期误差E、初始迭代步长Δl、初始驻留时间矩阵;其中,预期误差和初始迭代步长由人为设定;

(5.2)逐个遍历所有轨迹点,对于当前轨迹点进行驻留时间迭代计算,计算本次迭代过程中的迭代高度DH(di),迭代次数di=1,2,3,…,以及迭代高度与待去除材料量的残余误差DE(di),表达式如下:;

式中,mrr是材料去除函数, 是当前轨迹点第di次迭代时的驻留时间;

(5.3)判断当前残余误差DE(di)是否大于给定的预期误差E,若是,则执行步骤(5.4),若否,则执行步骤(5.5);

(5.4)判断当前迭代高度DH(di)是否小于对应的待去除材料量Halw(u),若否,则设置一个更小的迭代步长 ,对应轨迹点的驻留时间减去一个迭代步长 ,迭代次数加1,并返回步骤(5.2);若是,相应轨迹点的驻留时间加上一个迭代步长Δl,迭代次数加1,并返回步骤(5.2);

(5.5)判断是否遍历所有轨迹点,若否,则重置迭代次数di=1,对下一个轨迹点进行迭代计算,并重复步骤(5.2)‑(5.3);若是,则结束迭代流程并输出更新后的驻留时间矩阵。

6.根据权利要求1所述的基于轨迹点和驻留时间优化的剪切增稠抛光方法,其特征在于,所述S3中,利用轨迹点生成算法得到抛光区域内的全部轨迹点,具体操作如下:按照轨迹生成函数生成轨迹点的x、y坐标,取测量点矩阵中的z最大值作为标定值,将标定值与剪切层厚度h0相加得到轨迹点到工件表面的距离 ,将 沿各个轨迹点的法向量方向加到目标面型函数zm=G(x,y)上,得到 , 指沿各个轨迹点的法向量方向叠加的 在z方向上的投影长度;将轨迹点的x、y坐标代入该式中,得到轨迹点的z坐标,将所有轨迹点的x、y、z坐标整合,得到轨迹点矩阵,根据实际抛光区域的大小调整x、y的坐标值,完成坐标转换。

7.根据权利要求1所述的基于轨迹点和驻留时间优化的剪切增稠抛光方法,其特征在于,所述S3中,采用GPI XP/D激光干涉仪对待处理工件表面形貌进行测量,得到测量点矩阵。

8.根据权利要求1所述的基于轨迹点和驻留时间优化的剪切增稠抛光方法,其特征在于,所述剪切增稠抛光装置,包括:抛光液循环组件、六自由度超精密加工机械臂、高速电主轴、主轴夹具、角度测量仪、抛光工具、柔性水平校准组件、光学平台、控制端;

所述高速电主轴通过主轴夹具固定在六自由度超精密加工机械臂的末端关节上,所述抛光工具同轴固连在高速电主轴上,抛光工具在六自由度超精密加工机械臂的作用下移动至指定位置;高速电主轴上布置有角度测量仪,用于实时测量高速电主轴与待处理工件的法向夹角;抛光池固定在光学平台上,待处理工件固定在抛光池中,柔性水平校准组件在控制端的控制下,用于保持待处理工件处于水平状态;抛光池中盛装有抛光液,抛光液循环组件用于保持抛光池中的抛光液循环流动;控制端用于控制抛光液循环组件的循环流速、高速电主轴的转速,以及根据S6得到的轨迹点进给矩阵与驻留时间矩阵控制六自由度超精密加工机械臂的运行。

9.根据权利要求8所述的基于轨迹点和驻留时间优化的剪切增稠抛光方法,其特征在于,所述抛光液循环组件包括:高粘度转子泵、抛光池、竹节管、防溅挡板;抛光池的底部出口与高粘度转子泵的进口端通过管路连接,竹节管通过主轴夹具固定在抛光池上方,其入口端与高粘度转子泵的出口端通过管路连接,出口端位于抛光池上方,控制端通过控制高粘度转子泵的转速,调节竹节管出口处的抛光液流速;所述防溅挡板与抛光池顶部固连,用于防止抛光液飞溅至工作区域之外。

10.根据权利要求8所述的基于轨迹点和驻留时间优化的剪切增稠抛光方法,其特征在于,所述柔性水平校准组件包括:工件卡盘、微型气缸、压缩空气机、调压阀、水平仪;工件卡盘布置在抛光池内,四个微型气缸的一端分别与工件卡盘下表面的四角固连,另一端分别固定在抛光池底部;四个微型气缸分别通过管路与压缩空气机的出口端连接,该连接管路上设置有调压阀,控制端通过控制压缩空气机的输出压力和调压阀的开度,对微型气缸的升降高度进行协同调节,使工件卡盘保持水平;所述待处理工件安装在工件卡盘的上表面,水平仪布置在待处理工件周围,用于反馈待处理工件的水平度。