本發(fā)明涉及一種橢圓振動軌跡控制方法，具體講是一種基于微織構(gòu)模型的橢圓振動軌跡控制方法，屬于數(shù)控加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著精密及超精密加工技術(shù)的迅猛發(fā)展,具有自清潔、防污效應(yīng)、減阻、光學(xué)性能增強(qiáng)功能的微納織構(gòu)表面在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)械切削加工由于具有加工形狀適應(yīng)性好、加工效率高、加工材料適應(yīng)廣、加工成本低已被廣泛用于微納織構(gòu)表面的加工中。結(jié)合橢圓振動輔助切削具有的降低切削力、提高加工質(zhì)量、抑止工件毛刺產(chǎn)生、增加刀具壽命等優(yōu)點(diǎn)，在具有微納織構(gòu)的表面制造中具有明顯的優(yōu)勢。在橢圓振動輔助切削過程中,刀具的振動切削相對于工件表面產(chǎn)生了連續(xù)重疊的橢圓軌跡，在每一個周期,刀具相對于工件的位置在不停的變化,同時(shí)在工件的切削方向上留下微觀形貌，從而可用于構(gòu)造微納織構(gòu)形貌。目前的超聲橢圓振動輔助微織構(gòu)研究的對象大都針對特定微織構(gòu)形狀，據(jù)此開展相應(yīng)的工藝研究，缺乏對于任意形狀微織構(gòu)的超聲橢圓振動軌跡的控制與生成的有效手段，而根據(jù)微織構(gòu)模型進(jìn)行任意形狀微織構(gòu)的制造在實(shí)際的自清潔、防污效應(yīng)、減阻、光學(xué)性能增強(qiáng)功能的微織構(gòu)引用具有重要的參考和指導(dǎo)意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提供一種于微織構(gòu)模型的橢圓振動軌跡控制方法，以解決橢圓振動輔助切削任意形狀微織構(gòu)的生成與控制問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的基于微織構(gòu)模型的橢圓振動軌跡控制方法，包括以下步驟：1)、根據(jù)微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)造微織構(gòu)曲面方程，確定微織構(gòu)加工參數(shù)和圓柱基準(zhǔn)面半徑；2)、基于微織構(gòu)加工參數(shù)和橢圓振動裝置共振頻率沿著圓柱表面的軸線方向和周向方向離散微織構(gòu)模型，計(jì)算微織構(gòu)曲面上每個離散點(diǎn)的位置矢量；3)、根據(jù)步驟2)所得各個離散點(diǎn)的位置矢量確定橢圓振動切削軌跡在該離散點(diǎn)的振動幅度，獲得每個離散點(diǎn)的橢圓振動切削軌跡；4)、根據(jù)橢圓振動切削軌跡誤差，修正每個離散點(diǎn)的橢圓振動切削軌跡，用于微織構(gòu)的切削加工。本發(fā)明中，所述步驟3)過程為：3.1)、在圓柱坐標(biāo)系中，織構(gòu)化后目標(biāo)工件形貌上任意點(diǎn)P(R,θ,z)到原工件表面的距離CP(R,θ,z)為：FZS(θ,z)＝FS((θ-(iLT-1)2π/LNT)R,z-(iAT-1))(4)Θtex＝[(iLT-1)2π/LNT,(iLT-1)2π/LNT+Ltex/R],iLT＝(1,2,...LNT)(5)Ztex＝[zs+(iAT-1)Wcut,zs+(iAT-1)Wcut+Wtex],iAT＝(1,2,...ANT)(6)式(3)中，Wtex為微織構(gòu)軸向長度；式(5)中，Ltex為微織構(gòu)周向長度；3.2)、根據(jù)橢圓振動裝置的振動參數(shù)及進(jìn)給參數(shù)離散目標(biāo)工件形貌到橢圓切削軌跡控制點(diǎn)，得到橢圓軌跡切深軸長控制序列Cvib：Cvib(mc,nc)={CP(R,(nc-1)LKvib2πR,mcfp)0---(7)]]>式(7)中，mc＝fix[(zs-ze)/fp]，nc＝fix(2πR/LKvib)，LKvib＝2Lvib，fix(x)表示對x向零取整，fp為機(jī)床每轉(zhuǎn)進(jìn)給量；3.3)、根據(jù)橢圓軌跡切深軸長與正弦波激勵幅值之間的關(guān)系，得到激勵幅值控制矩陣Amp。本發(fā)明中，所述步驟4)過程為：4.1)、以Pi處橢圓振動切削起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，切削方向的逆方向?yàn)閛x軸正方向，切深方向的逆方向?yàn)閛y軸正方向建立坐標(biāo)系，則Pi處目標(biāo)直線Li斜率ki為：ki=Ai+1-Ai-1-2Lvib---(8)]]>且目標(biāo)直線Li過點(diǎn)Pi(-Bi-vcut/4f,-Ai)，則目標(biāo)直線方程Li為：Li:y=ki(x+Bi+vcut4f)-Ai---(9)]]>Pi處軸長Ai對應(yīng)的橢圓軌跡方程為：Ti:x(t)=Bicos(ωt)-vcutt-Biy(t)=-Aisin(ωt)---(10)]]>式(10)中，ω＝2πf；f為超聲振動頻率；vcut＝2πNR/60，N為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，R為工件半徑；t為加工時(shí)間；4.2)、設(shè)Pi處切深軸長為AiCT的橢圓運(yùn)動軌跡與目標(biāo)直線Li相切，切點(diǎn)為PiL，則與Pi和AiCT相對應(yīng)的橢圓軌跡方程如下：TiCT:x=BiCTcos(ωt)-vcutt-BiCTy=-AiCTsin(ωt)---(11)]]>橢圓軌跡TiCT上任意點(diǎn)的切線斜率為：kt=dydx=dy/dtdx/dt=-AiCTcos(ωt)ω-BiCTsin(ωt)ω-vcut---(12)]]>解方程kt＝ki可得tiL，代入TiCT得PiL(xit,yit)，而PiL位于目標(biāo)直線Li上，將PiL(xit,yit)代入直線方程；4.3)、根據(jù)結(jié)合橢圓振動裝置的性能測試得到的橢圓切削方向半軸長Bi和切深方向半軸長Ai之間恒定的對應(yīng)關(guān)系Bi＝mAi，解得修改后的切深方向半軸長AiCT為：AiCT=kiL(mAi+vcut/4f-vcutt)-AikiLm[1-cos(ωt)]-sin(ωt)---(13).]]>本發(fā)明的有益效果在于：根據(jù)橢圓振動切削表面形貌形成機(jī)理，通過上述控制方法對橢圓振動軌跡的進(jìn)行有效控制，進(jìn)而保證微織構(gòu)生成的可控性，解決任意形狀微織構(gòu)的生成問題；其步驟簡單，控制精度高，易于實(shí)現(xiàn)。附圖說明圖1是本發(fā)明中橢圓振動切削加工微織構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中工件圓柱坐標(biāo)系示意圖；圖3是本發(fā)明中橢圓切削軌跡的離散示意圖；圖4是本發(fā)明中橢圓振動切削軌跡離散俯視示意圖；圖5是本發(fā)明中目標(biāo)直線示意圖；圖6是本發(fā)明中橢圓運(yùn)動補(bǔ)償示意圖；具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明的基于微織構(gòu)模型的橢圓振動切削軌跡的建模方法，通過對橢圓振動軌跡的控制以解決任意形狀微織構(gòu)的生成問題，具體過程如下：(1)、根據(jù)給定的微織構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，構(gòu)造微織構(gòu)曲面方程,選擇微織構(gòu)加工參數(shù)、刀具參數(shù)和圓柱基準(zhǔn)面半徑。如圖1所示，通過橢圓振動輔助切削裝置中刀具的振動切削在工件的表面產(chǎn)生連續(xù)重疊的橢圓切削軌跡。如圖2所示，在工件表面選擇一點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，過原點(diǎn)o沿切削方向的逆方向?yàn)閛y軸正方向，過原點(diǎn)o沿切深方向的逆方向?yàn)閛z軸正方向,要求基于該點(diǎn)的坐標(biāo)系應(yīng)便于描述目標(biāo)微織構(gòu)曲面S的數(shù)學(xué)方程FS。選擇微織構(gòu)加工參數(shù)(切削速度vcut、進(jìn)給速度vf、切削深度ap)和圓柱基準(zhǔn)面半徑，根據(jù)微織構(gòu)加工參數(shù)及橢圓振動頻率f，可得到兩次橢圓切削軌跡之間的距離Lvib為：Lvib＝2πNR/60f(1)式中，N為機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速，R為圓柱基準(zhǔn)面半徑。為方便表述，將直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為圓柱坐標(biāo)系，則工件圓柱坐標(biāo)系上任意點(diǎn)P坐標(biāo)可表示為P(ρ,θ,z)。其中ρ是P點(diǎn)到oz軸的距離，θ是線OP與ox軸的正向之間的夾角，z與直角坐標(biāo)的z等值，即P點(diǎn)距xoy平面的距離。(2)、基于加工參數(shù)和橢圓振動裝置的共振頻率沿著圓柱表面的軸線方向和周向方向離散微織構(gòu)模型，計(jì)算微織構(gòu)曲面上每個離散點(diǎn)的位置矢量。如圖3和圖4所示，根據(jù)設(shè)定的主軸轉(zhuǎn)速和橢圓振動裝置的共振頻率沿著圓柱表面的軸線方向和周向方向離散微織構(gòu)模型，最小的周向離散精度ρc等于兩次橢圓軌跡之間的距離Lvib,最小的軸向離散精度ρa(bǔ)等于機(jī)床每轉(zhuǎn)進(jìn)給量fp:ρa(bǔ)＝fp(2)(3)、根據(jù)離散點(diǎn)位置矢量確定橢圓振動切削軌跡在該離散點(diǎn)的振動幅度，從而獲得每個離散點(diǎn)處的橢圓振動切削軌跡；設(shè)微織構(gòu)加工過程從oz軸的zs開始，沿切削方向(oz軸負(fù)方向)ze結(jié)束，即微織構(gòu)在oz軸的分布范圍為[ze,zs]。根據(jù)微織構(gòu)分布參數(shù)周向間距Lcut和軸向間距Wcut，在工件軸向微織構(gòu)可分布ANT＝fix[(zs-ze)/Wcut]圈，ANT為微織構(gòu)沿工件軸向分布的圈數(shù)，每圈周向可分布LNT＝fix[2πR/Lcut]個微織構(gòu)，LNT為微織構(gòu)在周向分布的個數(shù)，式中fix(x)表示取x的整數(shù)。建立圓柱坐標(biāo)系如圖2所示，微織構(gòu)化后目標(biāo)工件形貌上任意點(diǎn)P(R,θ,z)到原工件表面的距離CP(R,θ,z)可表示為：式(3)中，Wtex為微織構(gòu)軸向長度，F(xiàn)ZS(θ,z)＝FS((θ-(iLT-1)2π/LNT)R,z-(iAT-1))(4)Θtex＝[(iLT-1)2π/LNT,(iLT-1)2π/LNT+Ltex/R],iLT＝(1,2,...LNT)(5)Ztex＝[zs+(iAT-1)Wcut,zs+(iAT-1)Wcut+Wtex],iAT＝(1,2,...ANT)(6)式(5)中，Ltex為微織構(gòu)周向長度。根據(jù)橢圓振動裝置的振動頻率與振動幅度及進(jìn)給速度離散目標(biāo)工件形貌到橢圓切削軌跡控制點(diǎn)，得到的橢圓軌跡切深軸長控制序列Cvib以矩陣形式表示。如式(7)所示，Cvib行向量表示目標(biāo)工件形貌沿工件周向離散得到的橢圓切削軌跡切深軸長控制序列，列向量表示目標(biāo)工件形貌沿工件軸向離散得到的橢圓切削軌跡切深軸長控制序列。Cvib(mc,nc)={CP(R,(nc-1)LKvib2πR,mcfp)0---(7)]]>式中，mc＝fix[(zs-ze)/fp]，nc＝fix(2πR/LKvib)，LKvib＝2Lvib，fix(x)表示取x的整數(shù)，fp為機(jī)床每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。根據(jù)橢圓振動輔助切削裝置的刀尖橢圓軌跡切深軸長與正弦波激勵幅值之間的關(guān)系，得到激勵幅值控制矩陣Amp。(4)、考慮橢圓振動切削軌跡誤差，采用相切條件修改每個離散點(diǎn)的橢圓振動切削軌跡，獲得經(jīng)補(bǔ)償后的橢圓振動切削軌跡。如圖5所示，Pi為經(jīng)離散后的軸長控制點(diǎn)，Ai為點(diǎn)Pi對應(yīng)的控制軸長，Pi-1和Pi+1為與Pi相鄰的離散軸長控制點(diǎn)，Ai-1和Ai+1為對應(yīng)的控制軸長。考慮到離散密度和補(bǔ)償計(jì)算的效率，將Pi-1和Pi+1之間的織構(gòu)形貌簡化為直線Li(圖中粗線條的直線)，即在Pi-1和Pi+1之間的橢圓振動切削理想目標(biāo)是切削痕跡與直線Li(以下稱目標(biāo)直線)相切。振動切削時(shí)，如果在Pi點(diǎn)直接以離散計(jì)算出的Ai為切深方向軸長進(jìn)行切削，由于刀具的橢圓運(yùn)動(實(shí)線橢圓軌跡)，圖6中目標(biāo)直線Li下方陰影部分被切去，即產(chǎn)生了過切現(xiàn)象。消除這種過切現(xiàn)象可以通過適當(dāng)減小Pi點(diǎn)處對應(yīng)的切深方向半軸長Ai，使得該點(diǎn)軸長對應(yīng)的橢圓運(yùn)動軌跡與目標(biāo)直線Li相切，如圖6中虛線橢圓運(yùn)動軌跡，AiCT即為Pi經(jīng)刀具橢圓運(yùn)動過切補(bǔ)償Pi處對應(yīng)的切深方向半軸長，BiCT即為Pi經(jīng)刀具橢圓運(yùn)動過切補(bǔ)償Pi處對應(yīng)的切削方向半軸長。AiCT的計(jì)算方法如下：如圖5所示建立坐標(biāo)系，以Pi處橢圓振動切削起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，切削方向的逆方向?yàn)閛x軸正方向，切深方向的逆方向?yàn)閛y軸正方向。則Pi處目標(biāo)直線Li斜率ki如下式計(jì)算：ki=Ai+1-Ai-1-2Lvib---(8)]]>如圖6所示，目標(biāo)直線Li過點(diǎn)Pi(-Bi-vcut/4f,-Ai)，Bi為Pi處對應(yīng)的切削方向半軸長,則目標(biāo)直線方程如下所示：Li:y=ki(x+Bi+vcut4f)-Ai---(9)]]>Pi處對應(yīng)的切深方向半軸長Ai對應(yīng)的橢圓軌跡方程為：Ti:x(t)=Bicos(ωt)-vcutt-Biy(t)=-Aisin(ωt)---(10)]]>上式中，ω＝2πf；f為超聲振動頻率；vcut＝2πNR/60，t為加工時(shí)間。設(shè)離散點(diǎn)Pi處切深軸長為AiCT的橢圓運(yùn)動軌跡與目標(biāo)直線Li相切，切點(diǎn)為PiL，如圖6所示。則與Pi和AiCT相對應(yīng)的橢圓軌跡方程如下：TiCT:x=BiCTcos(ωt)-vcutt-BiCTy=-AiCTsin(ωt)---(11)]]>式中，AiCT即為Pi經(jīng)刀具橢圓運(yùn)動過切補(bǔ)償Pi處對應(yīng)的切深方向半軸長，BiCT即為Pi經(jīng)刀具橢圓運(yùn)動過切補(bǔ)償Pi處對應(yīng)的切削方向半軸長。橢圓軌跡TiCT上任意點(diǎn)的切線斜率：kt=dydx=dy/dtdx/dt=-AiCTcos(ωt)ω-BiCTsin(ωt)ω-vcut---(12)]]>解方程kt＝ki可得t，代入TiCT得PiL(xit,yit)，而PiL位于目標(biāo)直線Li上，將PiL(xit,yit)代入直線方程Li，結(jié)合橢圓振動裝置的性能測試得到的橢圓切削方向半軸長Bi和切深方向半軸長Ai之間恒定的對應(yīng)關(guān)系Bi＝mAi，解得修改后的切深方向半軸長AiCT為：AiCT=kiL(mAi+vcut/4f-vcutt)-AikiLm[1-cos(ωt)]-sin(ωt)---(13)]]>(5)、按照格式保存補(bǔ)償后的橢圓振動切削軌跡為控制文件，控制橢圓振動裝置輸出需要的橢圓振動切削軌跡用于微織構(gòu)的切削加工。以上對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不限于以上描述。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，任何對本技術(shù)方案的同等修改和替代都是在本發(fā)明的范圍之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3