[发明专利]一种三维超声振动加工机床及其控制方法

权利要求书

1.一种三维超声振动加工机床的控制方法，所述三维超声振动加工机床包括机床底座、y向线性模组、纵向导轨立柱、x向线性模组、转台、超声工具系统、z向线性模组、工件夹具、二维微振平台；所述x向线性模组安装在机床底座上；所述y向线性模组安装在x向线性模组上并由x向线性模组驱动进行x向直线往复运动；所述转台安装在y向线性模组上并由y向线性模组驱动进行y向直线往复运动；所述二维微振平台安装在转台上；工件夹具安装在二维微振平台上；所述z向线性模组安装在纵向导轨立柱上；所述超声工具系统安装在z向线性模组上并由z向线性模组驱动进行z向往复直线运动；所述超声工具系统内设有Z向超声振子，所述二维微振平台内分别设有X向超声振子以及Y向超声振子，Z向超声振子、X向超声振子及Y向超声振子三者在空间上两两垂直；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过精密测量仪器对待加工毛坯或半成品进行测量，获取其加工曲面数据，通过曲面重构获取其测量模型，判断该曲面类型；

步骤二、根据理论模型的形状特征判断，进行理论轨迹规划，并将测量模型与设计模型进行模型匹配；

步骤三、根据模型匹配结果，选择加工参数，包括刀具前角γ₀、刀具后角α₀、刀具钝圆半径r_e、切削速度v_c、振动频率f、超声振子输入电压U、加工余量及机床参数；

步骤四、根据步骤三种选择的加工参数，进行加工仿真，并判断是否会发生干涉碰撞，若存在干涉，则返回步骤三重新选择加工参数；若不存在碰撞干涉，则进行步骤五；

步骤五、进行数控编程，确定刀具轨迹，生成刀具轨迹的数控代码，并将数控代码输入数控机床，进行实际加工，然后利用精密仪器对加工后工件再次进行测量，通过曲面重构获取测量模型；

步骤六、判断测量模型是否满足加工要求，若不满足加工要求，判断该工件是否可以修复，若可修复，则返回步骤三重新选择加工参数进行后续步骤；若满足加工要求或者不满足加工要求且不可修复，则完成加工；

根据所述步骤三选择的加工参数，可进行刀具钝圆中心位置的正解：刀具钝圆中心O'的相对微动是由Z向超声振子、X向超声振子及Y向超声振子提供，根据Z向超声振子、X向超声振子及Y向超声振子输入的电压信号求解出三个超声振子沿其轴向位置的位置变化量s₁、s₂、s₃，进一步求解刀具刀尖钝圆中心处位置，具体包括以下步骤：

S11.X向超声振子与水平面夹角为0，Z向超声振子与水平面夹角为90°；当使工具系统沿竖直方向移动，使刀具最低点恰好接触工件但未进行切削时，以三个超声振子轴线的交点为坐标原点O建立工具系统坐标系，此时X向超声振子所在轴为x轴，Y向超声振子所在轴为y轴，Z向超声振子所在轴为z轴；

S12.对三个超声振子分别输入电压控制信号u₁＝U₁(t)，u₂＝U₂(t)，u₃＝U₃(t)；

S13.X向超声振子、Y向超声振子与Z向超声振子分别输入电压控制信号u₁＝U₁(t)，u₂＝U₂(t)，u₃＝U₃(t)后，在其驱动下产生的位移变化量分别为s₁、s₂、s₃，超声振子沿其轴向方向发生的位移变化量随控制电压的变化函数写为s＝F[A(u),f(u),θ(u),u]，其中，A(u)为超声振子振幅，f(u)为超声振子振动频率，θ(u)为超声振子振动相位差，因此有：

其中，u₁＝U₁(t),u₂＝U₂(t),u₃＝U₃(t)；

S14.在实际加工中，假定x方向上合速度分量v_x，y方向上合速度分量v_y；加工时，刀具钝圆最低点与工件接触点设为M点，此时动点M的位置变化量为s⁽¹⁾,s⁽²⁾,s⁽³⁾，因此有：

其中，s₁、s₂、s₃分别为X向超声振子、Y向超声振子、与Z向超声振子在输入电压控制信号后产生的位移改变量，v_y为y方向上的进给速度，v_x为x方向上的进给速度；

则动点M的位置坐标(x,y,z)的矩阵变换方程为：

其中，为变换矩阵；

S15.设刀具钝圆半径为r_e，则钝圆中心O'到刀具最低点M距离为钝圆半径长度；钝圆中心O'在工具系统坐标系内矩阵表达式为：

则动点M的位置坐标为：

因为且且u₁＝U₁(t)，u₂＝U₂(t)，u₃＝U₃(t)；

将上述关系式代入求得刀具钝圆中心在工具系统坐标系内随时间变化的微动目标轨迹方程。