本發(fā)明涉及功能表面加工
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體的說(shuō)，提出一種創(chuàng)新性的擺動(dòng)進(jìn)給拋光模式，并建立以理論模型為基礎(chǔ)的仿真系統(tǒng)來(lái)規(guī)劃和模擬多層結(jié)構(gòu)型菜單面的生成。
背景技術(shù)：
：本發(fā)明技術(shù)開(kāi)發(fā)利用機(jī)械拋光加工多層結(jié)構(gòu)型菜單面的建模與仿真的方法與裝置。目前，針對(duì)多層結(jié)構(gòu)型菜單面可能的加工方法主要有光刻技術(shù)、納米壓痕、離子束加工、激光蝕刻和電化學(xué)處理等方式，但是這些方法局限于特定的加工材料，并且具有加工周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜以及成本高等缺點(diǎn)。因此現(xiàn)有加工技術(shù)的各自缺陷使其不能滿(mǎn)足日益增高的加工精度的要求?，F(xiàn)有拋光技術(shù)由于受到各種過(guò)程控制參數(shù)的影響具有很強(qiáng)的加工不確定性，常被用于表面的處理實(shí)現(xiàn)表面光潔度的控制而忽略面形誤差的影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法，解決現(xiàn)有加工技術(shù)周期長(zhǎng)、操作復(fù)雜以及成本高等缺點(diǎn)。本發(fā)明涉及一種利用機(jī)械拋光生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法，與現(xiàn)有拋光技術(shù)不同，所開(kāi)發(fā)的技術(shù)是采用拋光過(guò)程來(lái)生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面，并同時(shí)保證表面質(zhì)量。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案為：提供一種生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法，使用擺動(dòng)進(jìn)給拋光模式，利用機(jī)械拋光技術(shù)結(jié)合特定的拋光姿態(tài)和軌跡生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面。在本發(fā)明提供的生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法中，影響多層結(jié)構(gòu)型菜單面的生成的因素包括拋光影響函數(shù)，拋光路徑和拋光策略。在本發(fā)明提供的生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法中，通過(guò)改變不同的拋光參數(shù)，得到對(duì)應(yīng)指定的影響函數(shù)，從而生成各種設(shè)計(jì)的多層結(jié)構(gòu)型菜單面。在本發(fā)明提供的生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法中，影響函數(shù)的預(yù)測(cè)模型是基于接觸力學(xué)、運(yùn)動(dòng)分析理論、統(tǒng)計(jì)學(xué)理論以及摩擦磨損機(jī)理為基礎(chǔ)建立的；用來(lái)預(yù)測(cè)拋光過(guò)程中拋光影響函數(shù)的理論模型為：其中，mrr(x,y,t)是位置點(diǎn)(x,y)處在拋光時(shí)間t內(nèi)的材料去除量；n(kac,vc,t,rp,ra,σz)是參與材料去除的有效磨粒的空間分布，與體積分?jǐn)?shù)vc、拋光時(shí)間t、磨料顆粒半徑rp、拋光布粗糙半徑ra、拋光布粗糙面高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差σz和有效系數(shù)kac相關(guān)聯(lián)；是在拋光過(guò)程中單個(gè)顆粒的材料去除體積，與壓力分布速度分布拋光工件材料特性hw、錐形顆粒半角β和有效磨損系數(shù)η相關(guān)聯(lián)。在本發(fā)明提供的生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法中，所述拋光路徑為擺動(dòng)進(jìn)給拋光模式，所述擺動(dòng)進(jìn)給拋光模式是指拋光主軸以?huà)伖忸^為基點(diǎn)，繞著被加工面法線(xiàn)方向，在設(shè)定的進(jìn)給角度范圍內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)在本發(fā)明提供的生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法中，所述拋光策略主要包括：光柵式、螺旋式、希爾伯特的路徑、皮亞諾的路徑、利薩路徑、隨機(jī)路徑中的至少一種。實(shí)施本發(fā)明，具有如下有益效果：1、加工處理難加工材料(如鈦合金、工具鋼等)和脆性材料(如玻璃、陶瓷等)，這些材料難以或者幾乎不可能用常規(guī)加工方法(如快刀伺服加工)來(lái)生成結(jié)構(gòu)型表面；2、通過(guò)調(diào)整影響函數(shù)和選擇適當(dāng)拋光策略(或其組合)來(lái)生成更多類(lèi)型的結(jié)構(gòu)型或圖案型表面；3、具有亞微米形狀精度、納米及埃米級(jí)表面光潔度的超高級(jí)表面質(zhì)量的結(jié)構(gòu)型表面。附圖說(shuō)明為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1拋光仿真系統(tǒng)的邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(a)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和(b)模型仿真預(yù)測(cè)的拋光影響函數(shù)的三維拓?fù)湫蚊矊?duì)比；圖3拋光仿真系統(tǒng)通過(guò)改變拋光參數(shù)模擬仿真得到的不同類(lèi)型多層結(jié)構(gòu)型菜單面；圖3中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別對(duì)應(yīng)不同工件選取的變量拋光參數(shù)；圖4擺動(dòng)進(jìn)給機(jī)械拋光通過(guò)改變拋光參數(shù)實(shí)際生成的多層結(jié)構(gòu)型菜單面拓?fù)湫蚊彩疽鈭D；圖4中(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)不同工件選取的變量拋光參數(shù)；圖5(a)拋光仿真系統(tǒng)預(yù)測(cè)和(b)實(shí)驗(yàn)測(cè)量多層結(jié)構(gòu)型菜單面的拓?fù)湫蚊矊?duì)比；圖6(a)拋光仿真系統(tǒng)預(yù)測(cè)和(b)實(shí)驗(yàn)測(cè)量多層結(jié)構(gòu)型菜單面的拓?fù)湫蚊矊?duì)比。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述?，F(xiàn)有技術(shù)中，拋光常用來(lái)控制表面光潔度，換言之，拋光的作用是獲得超光滑表面。而本研究則通過(guò)拋光來(lái)生成專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的多層結(jié)構(gòu)型菜單面；多層結(jié)構(gòu)型菜單面可通過(guò)其他加工方法如納米壓痕，但材料局限于軟金屬(如鋁、銅等)或是非鐵材料。而本工藝過(guò)程可處理含鐵材料和難加工材料(如鈦合金、工具鋼等)以及其他脆性材料(如玻璃、陶瓷等)；擺動(dòng)進(jìn)給拋光技術(shù)具有生成更多不同類(lèi)型多層結(jié)構(gòu)型菜單面的能力，而這些表面用其他加工方法不可能實(shí)現(xiàn)；通過(guò)理論建摸與仿真來(lái)拋光生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面，使拋光過(guò)程更具可控性與可預(yù)測(cè)性?，F(xiàn)有技術(shù)對(duì)拋光過(guò)程的控制存在很多不確定性，如只能實(shí)現(xiàn)表面光潔度控制。本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：首先提出一種創(chuàng)新性的擺動(dòng)進(jìn)給拋光模式，利用機(jī)械拋光技術(shù)結(jié)合特定的拋光姿態(tài)和軌跡生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面；其次構(gòu)造了一個(gè)包括輸入模塊、處理模塊和輸出模塊三部分組成的以理論模型為基礎(chǔ)的拋光仿真系統(tǒng)，圖1示出了本發(fā)明中拋光仿真系統(tǒng)的邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，用戶(hù)通過(guò)在拋光仿真系統(tǒng)中設(shè)定拋光參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)g代碼以及拋光軌跡仿真，同時(shí)自動(dòng)模擬拋光生成的多層結(jié)構(gòu)型菜單面。在本發(fā)明所述的利用機(jī)械拋光生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法中，影響多層結(jié)構(gòu)型菜單面生成的因素包括：拋光影響函數(shù)、拋光路徑和拋光策略規(guī)劃。本發(fā)明所述的利用機(jī)械拋光生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法可處理含鐵材料和難加工材料以及脆性材料；可生成其他加工方法不能實(shí)現(xiàn)的多層結(jié)構(gòu)型菜單面；具有生成多種不同類(lèi)型多層結(jié)構(gòu)型菜單面的能力并且使拋光過(guò)程更具可控性與可預(yù)測(cè)性。該拋光仿真系統(tǒng)具有如下有益效果：(1)多尺度材料去處模型的建立；(2)超精密拋光表面生成機(jī)理的研究；(3)拋光策略規(guī)劃和組合優(yōu)化用以生成不同類(lèi)型的多層結(jié)構(gòu)型菜單面；(4)拋光實(shí)驗(yàn)及拋光生成的多層結(jié)構(gòu)型菜單面的測(cè)量。在拋光過(guò)程中，最終生成的多層結(jié)構(gòu)型菜單面主要取決于影響函數(shù)和刀具軌跡規(guī)劃。拋光技術(shù)與其他切削加工技術(shù)的主要區(qū)別在于表面生成機(jī)理的差異，對(duì)于拋光技術(shù)生成的表面形貌是通過(guò)影響函數(shù)的累積效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而切削技術(shù)的表面生成是通過(guò)切削刀具的幾何包絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的拋光過(guò)程中，影響函數(shù)受到各種拋光參數(shù)的影響，譬如工件材料，拋光布特性，加工參數(shù)，工件幾何形狀，拋光策略和拋光液特性等。因此當(dāng)拋光技術(shù)加工多層結(jié)構(gòu)型菜單面時(shí)，可以通過(guò)改變不同的拋光參數(shù)，得到對(duì)應(yīng)指定的影響函數(shù)，從而生成各種設(shè)計(jì)的多層結(jié)構(gòu)型菜單面，而不用更換拋光頭。這是拋光技術(shù)相對(duì)于切削技術(shù)加工菜單面時(shí)的顯著優(yōu)勢(shì)之一。拋光技術(shù)影響函數(shù)的預(yù)測(cè)模型是基于接觸力學(xué)、運(yùn)動(dòng)分析理論、統(tǒng)計(jì)學(xué)理論以及摩擦磨損機(jī)理為基礎(chǔ)建立的，用來(lái)預(yù)測(cè)拋光過(guò)程中拋光影響函數(shù)的理論模型，可被表示為：其中mrr(x,y,t)是位置點(diǎn)(x,y)處在拋光時(shí)間t內(nèi)的材料去除量；n(kac,vc,t,rp,ra,σz)是參與材料去除的有效磨粒的空間分布，與體積分?jǐn)?shù)vc、拋光時(shí)間t、磨料顆粒半徑rp、拋光布粗糙半徑ra、拋光布粗糙面高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差σz和有效系數(shù)kac相關(guān)聯(lián)；是在拋光過(guò)程中單個(gè)顆粒的材料去除體積，與壓力分布速度分布拋光工件材料特性hw、錐形顆粒半角β和有效磨損系數(shù)η相關(guān)聯(lián)。除了拋光影響函數(shù)，拋光路徑和策略規(guī)劃也將影響多層結(jié)構(gòu)型菜單面的生成。拋光策略主要包括：光柵式(rasterpath)、螺旋式(spiralpath)、希爾伯特的路徑(hilbertpath)、皮亞諾的路徑(peanopath)、利薩路徑(lissajouspath)、隨機(jī)路徑(pseudo-randompath)及其任意多項(xiàng)的組合優(yōu)化。本發(fā)明提出的擺動(dòng)進(jìn)給拋光模式是指拋光主軸以?huà)伖忸^為基點(diǎn)，繞著被加工面法線(xiàn)方向，在設(shè)定的進(jìn)給角度范圍內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該方法充分發(fā)揮了拋光影響函數(shù)和拋光姿態(tài)相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，按照設(shè)定的拋光策略可以在難加工及脆性材料上生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面。本發(fā)明還會(huì)從如下方面進(jìn)一步開(kāi)展工作：1、將研究不同尺寸和不同類(lèi)型的多層結(jié)構(gòu)型菜單面；2、開(kāi)發(fā)新型的拋光頭，提高拋光效率和穩(wěn)定性；3、組合不同的拋光策略用以生成不同的多層結(jié)構(gòu)型菜單面；4、綜合研究拋光過(guò)程中各種影響表面生成的因素，確定更精確的影響函數(shù)。擺動(dòng)進(jìn)給拋光模式通過(guò)利用英國(guó)zeeko公司的7軸超精密拋光機(jī)(zeekoirp200)進(jìn)行了一系列的拋光實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2(a)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和圖2(b)示出了模型仿真預(yù)測(cè)的拋光影響函數(shù)的三維拓?fù)湫蚊矊?duì)比結(jié)果，圖2(a)顯示了用美國(guó)zygo公司的nexviewtm3dopticalsurfaceprofiler測(cè)量所拋光工件影響函數(shù)的三維拓?fù)湫蚊?；圖2(b)為多尺度材料去處模型單元所預(yù)測(cè)的對(duì)應(yīng)影響去除函數(shù)，通過(guò)對(duì)比可以看出預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)有較好的一致性。圖3為拋光仿真系統(tǒng)通過(guò)改變拋光參數(shù)，譬如拋光間距、擺動(dòng)速度、進(jìn)給角度等模擬仿真得到的不同類(lèi)型多層結(jié)構(gòu)型菜單面。在此次仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)不同工件選取的相同常量拋光參數(shù)為：拋光頭半徑20mm,拋光頭氣壓1.2bar，進(jìn)給角度10°，拋光頭轉(zhuǎn)速1500rpm，進(jìn)給距離0.287mm，進(jìn)給速度100mm/min；同時(shí)表1列出了針對(duì)不同工件選取的變量拋光參數(shù)設(shè)置，圖3中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別對(duì)應(yīng)表2中的工件序號(hào)a、b、c、d、e。從仿真結(jié)果中可以看出，通過(guò)對(duì)拋光參數(shù)的不同設(shè)定，拋光技術(shù)為生成不同類(lèi)型多層結(jié)構(gòu)型菜單面提供了一條經(jīng)濟(jì)有效的途徑；同時(shí)拋光仿真系統(tǒng)可以對(duì)設(shè)定的拋光參數(shù)對(duì)應(yīng)的多層結(jié)構(gòu)型菜單面進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬顯示，大大的提高了機(jī)械拋光生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的可控性和可預(yù)測(cè)性。表1拋光仿真實(shí)驗(yàn)中的變量拋光參數(shù)設(shè)置圖4為用美國(guó)zygo公司的nexviewtm3dopticalsurfaceprofiler測(cè)量的多層結(jié)構(gòu)型菜單面三維拓?fù)湫蚊?，這些多層結(jié)構(gòu)型菜單面是通過(guò)擺動(dòng)進(jìn)給機(jī)械拋光改變各種拋光參數(shù)來(lái)產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：首先拋光仿真系統(tǒng)針對(duì)設(shè)定的各拋光參數(shù)生成對(duì)應(yīng)的cnc文件(g代碼)；然后將其下載到英國(guó)zeeko公司的7軸超精密拋光機(jī)(zeekoirp200)的控制系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際的拋光實(shí)驗(yàn)。在此次拋光實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，針對(duì)不同工件選取的相同常量拋光參數(shù)為：拋光頭半徑20mm,拋光頭氣壓1.2bar，進(jìn)給角度10°，拋光頭轉(zhuǎn)速1500rpm，進(jìn)給距離0.287mm，進(jìn)給速度100mm/min；同時(shí)表2列出了針對(duì)不同工件選取的變量拋光參數(shù)設(shè)置，圖4中(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)表2中的工件序號(hào)a、b、c。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證實(shí)：在實(shí)際的擺動(dòng)進(jìn)給機(jī)械拋光過(guò)程中，通過(guò)拋光參數(shù)的不同設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型多層結(jié)構(gòu)型菜單面的加工。表2實(shí)際拋光實(shí)驗(yàn)中的變量拋光參數(shù)設(shè)置工件序號(hào)abc擺動(dòng)速度(dgreespermin)200250250拋光點(diǎn)間距(mm)0.40.40.8拋光軌跡間距(mm)0.40.40.8圖5(a)拋光仿真系統(tǒng)預(yù)測(cè)和圖5(b)實(shí)驗(yàn)測(cè)量多層結(jié)構(gòu)型菜單面的拓?fù)湫蚊矊?duì)比，圖6(a)拋光仿真系統(tǒng)預(yù)測(cè)和圖6(b)實(shí)驗(yàn)測(cè)量多層結(jié)構(gòu)型菜單面的拓?fù)湫蚊矊?duì)比，作為預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證，測(cè)量了更詳盡的表面拓?fù)湫蚊膊⑴c預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比，如圖5(a)和圖5(b)的對(duì)比以及圖6(a)和圖6(b)的對(duì)比結(jié)果表明，預(yù)測(cè)表面拓?fù)渑c實(shí)測(cè)結(jié)果在表面形貌上有著較好的一致性，從而進(jìn)一步證實(shí)了拋光仿真系統(tǒng)的可行性。在本發(fā)明中，使用如下方式用于生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面：(1)提出了創(chuàng)新性的擺動(dòng)進(jìn)給拋光模式；(2)利用拋光技術(shù)生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面；(3)生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的拋光策略之方法和設(shè)備的開(kāi)發(fā)；(4)機(jī)械拋光生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的理論建模與仿真。使用本發(fā)明的生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面的方法，效果如下：1、在難加工及脆性材料上生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面；2、為生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面提供了其他加工方法不能實(shí)現(xiàn)的解決辦法；3、該方法根據(jù)拋光參數(shù)的不同設(shè)置，具有生成多種不同類(lèi)型多層結(jié)構(gòu)型菜單面的能力；4、通過(guò)理論建摸與仿真來(lái)拋光生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面，使拋光過(guò)程更具可控性與可預(yù)測(cè)性。本發(fā)明用拋光生成多層結(jié)構(gòu)型菜單面，這些菜單面可用于光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)以及機(jī)電一體化等應(yīng)用領(lǐng)域。應(yīng)當(dāng)理解，以上技術(shù)方案僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。當(dāng)前第1頁(yè)12