[发明专利]一种表面微结构切磨一体化加工系统与方法

权利要求书

1.一种表面微结构切磨一体化加工方法，其特征在于：本方法通过表面微结构切磨一体化加工系统实现，所述系统包括磨床（1-1）、刀具盘（1-2）、微纳定位平台（1-3）和专用夹具（1-5）；微纳定位平台（1-3）其结构包括转动平台（2-1）、二维平动平台（2-2）、压电叠堆驱动器Ⅰ（2-3）、预紧螺栓Ⅰ（2-4）、压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）、预紧螺栓Ⅱ（2-6）、驱动器底座（2-7）和固定螺栓（2-8）；二维平动平台（2-2）其结构包括动平台（3-1）、位移放大机构（3-2）、连接薄板Ⅰ（3-3）、连接薄板Ⅱ（3-4）、支撑型双层薄板（3-5）和支撑座（3-6）；位移放大机构（3-2）其结构包括输出端铰链（4-1）、杠杆放大机构（4-2）、菱形放大机构（4-3）和双层对称柔性薄板（4-4）；所述转动平台（2-1）其结构包括底座（5-1）、凸台（5-2）、支撑立柱（5-3）和车轮式柔性机构（5-4）；刀具盘（1-2）其结构包括飞刀盘（6-1）、磨抛笔（6-2）和金刚石笔（6-3）；所述微纳定位平台（1-3）是一种大行程、高带宽的x、y、θ三自由度微定位平台，通过二维平动平台（2-2）和转动平台（2-1）串联实现三自由度运动，二者可单独工作；二维平动平台（2-2）通过杠杆放大机构（4-2）和菱形放大机构（4-3）实现大行程；压电叠堆驱动器Ⅰ（2-3）安装于菱形放大机构（4-3）中，菱形放大机构（4-3）右侧开螺纹孔，利用预紧螺栓Ⅰ（2-4）实现压电叠堆驱动器Ⅰ（2-3）的预紧；输入端采用双层对称柔性薄板（4-4）作为导向机构，利用压电叠堆驱动器Ⅰ（2-3）进行驱动，运动精度高；杠杆放大机构（4-2）采用圆形柔性铰链和柔性薄板作为导向机构，输出端铰链（4-1）采用外张形式，通过连接薄板Ⅰ（3-3）与动平台（3-1）连接，动平台（3-1）上分布五个圆孔，减轻平台重量；支撑型双层薄板（3-5）与连接薄板Ⅱ（3-4）连接，实现支撑导向作用；连接薄板Ⅰ（3-3）和连接薄板Ⅱ（3-4）长度不同，实现运动解耦；所述转动平台（2-1）通过固定螺栓（2-8）安装到二维平动平台（2-2）的动平台（3-1）上，压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）安装在驱动器底座（2-7）中，预紧螺栓Ⅱ（2-6）安装在驱动器底座（2-7）上实现压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）的预紧；采用车轮式柔性机构（5-4）作为导向机构，利用压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）进行驱动，实现转动，通过支撑立柱（5-3）连接底座（5-1）和车轮式柔性机构（5-4），起支撑作用；凸台（5-2）设置在车轮式柔性机构（5-4）上，开有螺纹孔，用于固定载物台（1-6）；在输入端采用椭圆形铰链，减小转动平台（2-1）工作时压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）所受到的刚性力作用；驱动器底座（2-7）成斜对角安装在转动平台（2-1）的底座（5-1）上，通过手动改变压电叠堆驱动器Ⅱ（2-5）的安装位置实现顺逆时针转动的切换；可以根据实际需求灵活选择转动平台（2-1）是否安装，在只有二维平动平台（2-2）工作的情况下，工件（1-4）固定在动平台（3-1）上，同时其工作带宽与之前相比相应提高；所述专用夹具（1-5）固定在载物台（1-6）上，载物台（1-6）通过螺栓固定在微纳定位平台（1-3）的转动平台（2-1）的凸台（5-2）上，微纳定位平台（1-3）通过支撑座（3-6）利用磁力固定在磨床（1-1）工作台上，工件（1-4）固定在专用夹具（1-5）上，刀具盘（1-2）安装在磨床（1-1）主轴上；

所述表面微结构切磨一体化加工方法主要包括以下步骤：（1）将转动平台（2-1）通过固定螺栓（2-8）安装到动平台（3-1）上，专用夹具（1-5）固定在载物台（1-6）上，载物台（1-6）固定在转动平台（2-1）的凸台（5-2）上；

（2）将微纳定位平台（1-3）安装到磨床（1-1）工作台上，将待加工工件（1-4）固定到专用夹具（1-5）上；

（3）将磨抛笔（6-2）和金刚石笔（6-3）安装到飞刀盘（6-1）上，将刀具盘（1-2）安装到磨床（1-1）主轴上，完成初始安装；

（4）根据加工要求，对走刀路径进行规划，优化工艺参数并形成数控代码，将加工程序输入磨床（1-1）控制系统，以实现磨床（1-1）各运动轴与微纳定位平台（1-3）各运动轴的协调运动；

（5）对工件（1-4）加工面进行对刀，检查程序并验证，开始加工；

（6）磨床（1-1）运动轴实现宏动，微纳定位平台（1-3）实现微纳进给补偿或运动轨迹主动调控，在刀具盘（1-2）第n个加工周期T的前半周期中，金刚石笔（6-3）首先进行切削加工，之后通过控制系统调整微纳定位平台（1-3）的位置，使磨抛笔（6-2）在T/2时刻落到第n-i（i=0,1,2……）个周期的已加工表面起始位置，进行磨抛光整，实现一个周期对工件（1-4）的加工与光整，循环往复最终实现微结构表面一次加工成形。