[发明专利]一种磁场遥操纵工具定向抛光装置及抛光方法

权利要求书

1.一种磁场遥操纵工具定向抛光装置，其特征在于：包括磁场发生装置、工件装夹装置、z向升降台、z向旋转台、抛光工具、工件、x向调节装置、基座，其中工件装夹装置中的容器固定在z向升降台上，z向升降台固定在z向旋转台上，z向旋转台固定连接在基座上，磁场发生装置分为左、右两部分，分别位于工件装夹装置的两侧，磁场发生装置两部分的底部分别与一组x向调节装置滑动连接，该一组x向调节装置固定连接在基座上，工件位于工件装夹装置，抛光工具位于工件中；

所述磁场发生装置的左部分和右部分结构相同，其中磁场发生装置的左部分包括左电磁铁框架及n个由铜导线绕制的电磁铁，n≥3，每个电磁铁的轴线与空间坐标系中平面yOz的夹角γ均为45°，每个电磁铁关于x轴均布放置，其轴线在平面yOz上的投影之间的夹角为θ，θ＝(360/n)°，每个磁场发生装置左部分中任一电磁铁均与磁场发生装置右部分中相应的一电磁铁轴线重合，2n个电磁铁的轴线相交于工作空间坐标系原点O，且每个电磁铁与原点O的距离为d。

2.根据权利要求1所述的一种磁场遥操纵工具定向抛光装置，其特征在于：所述抛光工具由抛光工具球套和永磁体组成，永磁体固定在抛光工具球套内。

3.根据权利要求1所述的一种磁场遥操纵工具定向抛光装置，其特征在于：所述工件装夹装置包括容器和紧定螺钉。

4.采用如权利要求1所述的磁场遥操纵工具定向抛光装置的一种磁场遥操纵工具定向抛光方法，其特征在于：包括下列步骤：

步骤1：将工件定位、装夹在容器中，向容器内倒入抛光液，液面高度略高于工件；

步骤2：调节z向升降台使工件装夹装置沿z轴运动，使工件处于工件抛光域；调节x向调节装置控制磁场发生装置的左、右部分沿x向位移使其处于工作位置；

步骤3：打开电源，确定工作环境，放置抛光工具于空间位置L处，输入2n个电磁铁的电流信号I，抛光工具将于空间位置L处旋转，同时带动其周围抛光液中微小抛光磨粒，以v的抛光运动速度，以F_N2的抛光压力，对工件待加工腔内表面L处进行抛光：

其中，I为由磁场发生装置中2n个电磁铁的电流所组成的电流矩阵，A(LM)为磁场发生装置的磁场驱动矩阵，T_m为抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处所受的磁力矩，F_m为抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处所受的磁力，L为抛光工具相对于空间坐标系O点的位置；

式(1)中电流矩阵I：

I＝[I₁₀₁ I₁₀₂ … I_10n I_101' I_102' … I_10n']^T  (2)

其中，I为由磁场发生装置中2n个电磁铁的电流所组成的电流矩阵，I₁₀₁为磁场发生装置左部分中电磁铁左一的电流，I₁₀₂为电磁铁左二的电流…I_10n电磁铁左n的电流，I_101'为磁场发生装置右部分中电磁铁右一的电流，I_102'为电磁铁右二的电流…I_10n'电磁铁右n的电流；

式(1)中磁场驱动矩阵A(LM)：

其中，A(LM)为磁场驱动矩阵，S(M)为永磁体反对称矩阵，B(L)单位电流磁场矩阵，为单位电流磁力矩阵；

式(3)中永磁体反对称矩阵S(M)：

其中，m_x为抛光工具中永磁体磁偶极矩沿x轴分量、m_y为抛光工具中永磁体磁偶极矩沿y轴分量、m_z为抛光工具中永磁体磁偶极矩沿z轴分量；

式(3)中单位电流磁场矩阵B(L)：

其中，B_x101(L)、B_y101(L)、B_z101(L)分别为磁场发生装置左部分中电磁铁左一输入单位电流信号，即I₁₀₁＝1(A)时，在空间位置L处产生的磁场强度沿x轴、y轴、z轴的分量；B_x102(L)、B_y102(L)、B_z102(L)分别为磁场发生装置左部分中电磁铁左二输入单位电流信号，即I₁₀₂＝1(A)时，在空间位置L处产生的磁场强度沿x轴、y轴、z轴的分量；B_x10n(L)、B_y10n(L)、B_z10n(L)分别为磁场发生装置左部分中电磁铁左n输入单位电流信号，即I_10n＝1(A)时，在空间位置L处产生的磁场强度沿x轴、y轴、z轴的分量；B_x101'(L)、B_y101'(L)、B_z101'(L)分别为磁场发生装置右部分中电磁铁右一输入单位电流信号，即I_101'＝1(A)时，在空间位置L处产生的磁场强度沿x轴、y轴、z轴的分量；B_x102'(L)、B_y102'(L)、B_z102'(L)分别为磁场发生装置右部分中电磁铁右二输入单位电流信号，即I_102'＝1(A)时，在空间位置L处产生的磁场强度沿x轴、y轴、z轴的分量；B_x10n'(L)、B_y10n'(L)、B_z10n'(L)分别为磁场发生装置右部分中电磁铁右n输入单位电流信号，即I_10n'＝1(A)时，在空间位置L处产生的磁场强度沿x轴、y轴、z轴的分量；

式(3)中单位电流磁力矩阵

其中，为抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处，在磁场发生装置左部分中电磁铁左一输入单位电流信号，即I₁₀₁＝1(A)时，所受磁力分别沿x轴、y轴及z轴的分量；为抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处，在磁场发生装置左部分中电磁铁左二输入单位电流信号，即I₁₀₂＝1(A)时，所受磁力分别沿x轴、y轴及z轴的分量；为抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处，在磁场发生装置左部分中电磁铁左n输入单位电流信号，即I_10n＝1(A)时，所受磁力分别沿x轴、y轴及z轴的分量；为抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处，在磁场发生装置右部分中电磁铁右一输入单位电流信号，即I_101'＝1(A)时，所受磁力分别沿x轴、y轴及z轴的分量；为抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处，在磁场发生装置右部分中电磁铁右n输入单位电流信号，即I_10n'＝1(A)时，所受磁力分别沿x轴、y轴及z轴的分量；

式(6)中抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处，在磁场发生装置左部分中电磁铁左n输入单位电流信号，即I_10n＝1(A)时，所受磁力分别沿x轴、y轴及z轴的分量

式(6)中抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处，在磁场发生装置右部分中电磁铁右n输入单位电流信号，即I_10n'＝1(A)时，所受磁力分别沿x轴、y轴及z轴的分量

式(1)中抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处所受的磁力F_m：

F_m＝-(F_g+F_v+F_f+F_N1)  (9)

其中，F_g为抛光工具的重力，F_v为抛光工具在抛光液中所受浮力，F_N1为抛光工具受到抛光液中微小抛光磨粒的压力，F_f为抛光工具受到抛光液中微小抛光磨粒的静摩擦力；

式(9)中抛光工具受到抛光液中微小抛光磨粒的静摩擦力F_f：

其中，f为微小抛光磨粒与抛光工具的静摩擦系数，v为抛光液中微小抛光磨粒的抛光运动速度；

式(9)中抛光工具受到抛光液中微小抛光磨粒的压力F_N1：

F_N1＝F_N2  (11)

其中，F_N2为抛光磨粒对工件内腔内表面的抛光压力；

式(1)中抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体位于空间位置L处所受的磁力矩T_m：

T_m＝-(T_f1+T_f2)  (12)

其中，T_f1为抛光工具受到抛光液的阻力转矩，T_f2为抛光工具受到所压的微小抛光磨粒的阻力转矩；

式(12)中抛光工具受到抛光液的阻力转矩T_f1：

T_f1＝4π·μ·r²·ω  (13)

其中，μ为抛光液的流体动力粘度，r为球形抛光工具的矢量半径，ω为抛光工具在空间位置L处的旋转角速度；

式(9)中抛光工具在空间位置L处的旋转角速度ω：

式(12)中抛光工具受到所压的微小抛光磨粒的阻力转矩T_f2：

T_f2＝F_f×r  (15)

步骤4：当改变抛光磨粒的抛光运动速度v或者抛光压力F_N2时，需重新计算输入电流信号，返回步骤3；

步骤5：当改变抛光位置L，即控制抛光工具的空间位置L经历时间t＝t₁从L＝L₁处位移到L＝L₂处时，需要抛光工具在磁场中受到的磁力F_m和磁力矩磁力T_m；即当时间0≤tt₁时，将式(9)替换为式(16)，式(12)替换为式(18)，返回步骤3；式(1)中磁场驱动矩阵A(LM)也会跟随空间位置L的改变而发生改变；

位移过程中抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体所受的磁力F_m:

F_m＝-(F_g+F_v)+ma  (16)

其中，m为抛光工具质量，a为抛光工具从空间位置L₁处移动到空间位置L₂处过程中的位移加速度；

式(16)中位移加速度a：

其中，L₁为抛光工具初始空间位置，L₂为抛光工具终止空间位置，t₁为抛光工具从空间位置L₁处移动到空间位置L₂处经历的时间；

位移过程中抛光工具中磁偶极矩为M的永磁体所受的磁力矩T_m:

T_m＝-T_f1  (18)

步骤6：当时间t≥t₁，即抛光工具的空间位置L＝L₂时，需控制抛光工具位于空间位置L处带动其周围抛光液中微小抛光磨粒，以v的抛光运动速度，以F_N2的抛光压力，对工件待加工腔内表面L处进行抛光，将式(16)替换为式(9)，式(18)替换为式(12)，返回步骤3；值得注意的是，式(1)中磁场驱动矩阵A(LM)也会跟随空间位置L的改变而发生改变；

步骤7：加工完成后，关闭电源，取出抛光工具，将已加工完成的工件从工件装夹装置中取出，清理抛光液，完成对该工件腔体内表面的抛光工作。