五维手动位移平台、含有五维手动位移平台的车削辅助系统及车削辅助系统的调试方法与流程

本发明涉及车削辅助装置及调试方法，具体涉及激光与椭圆超声振动结合的车削辅助装置及调试方法。

背景技术：

硬质合金、陶瓷、玻璃等硬脆材料在航空、光电子、医疗等领域都有着重要的应用价值和广阔的应用前景，由这些材料制成的关键零部件以其优越的机械、光学特性相比于传统的零件大大提高了使用寿命以及抵抗极端条件的能力。但是，这些材料由于其自身较高的硬度或较低的断裂韧性等等，导致都具有较大的加工难度；而且，在加工过程中会对刀具产生较大的磨损。因此，应用传统的机械加工手段难以获得理想的表面质量和加工精度。

激光辅助切削和椭圆超声振动辅助切削被认为是一种加工硬脆材料有效的手段。激光辅助切削可以降低材料表面的硬度，降低加工难度；椭圆超声振动辅助切削是一种使刀具产生椭圆轨迹的高频振动，在加工过程中实现刀具-材料间断切削的方法，可以有效减少刀具的磨损、降低切削力和提高加工表面质量。

但是目前，激光辅助切削都只能应用于圆柱面车削，激光焦点与切削区域置于同一圆周面内。而端面切削中由于在切削过程中加工半径逐渐变化，刀具与激光焦点的几何位置关系无法保持恒定。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有激光辅助切削技术，在切削圆柱端面时，刀具与激光焦点的几何位置关系无法保持恒定的问题，提供了一种五维手动位移平台、含有五维手动位移平台的车削辅助系统及车削辅助系统的调试方法。

本发明的五维手动位移装置，包括一号直线位移平台、二号直线位移平台、三号直线位移平台、四号直线位移平台和旋转位移平台；

以一号直线位移平台的载台上表面为xoz平面、一号直线位移平台的调节轴轴向为x轴建立空间直角坐标系xyz，设w方向平行于xoz平面且与x轴、z轴的夹角均为锐角；

二号直线位移平台的载台能够沿y轴移动；三号直线位移平台的载台能够沿z轴移动；四号直线位移平台的载台能够沿w方向移动；旋转位移平台的载台能够以其主轴旋转，该主轴平行于y轴；

三号直线位移平台的基台固定在一号直线位移平台的载台上，旋转位移平台的基台固定在三号直线位移平台的载台上，二号直线位移平台的基台固定在旋转位移平台的载台上，四号直线位移平台的基台固定二号直线位移平台的载台上。

本发明的含有五维手动位移装置的车削辅助系统，包括椭圆超声振动刀装置和激光器，

椭圆超声振动刀装置固定在机床的z轴工作平台上，该机床的z轴工作平台能够沿z轴移动；

五维手动位移装置固定在机床的z轴工作平台上，且三号直线位移平台的调节轴的轴向与机床的主轴平行；

激光器固定在四号直线位移平台的载台上；激光器发射的激光光路与w方向平行，且激光发射方向朝向机床的主轴。

本发明的含有五维手动位移装置的车削辅助系统的调试方法，具体步骤如下：

步骤一、将试刀件同轴固定在机床的主轴上，令激光器发射的激光在试刀件上聚焦；

步骤二、令试刀件沿平行于x轴方向移动，使激光在试刀件表面烧蚀出一排等距的烧蚀点；将试刀件绕其轴回转180度，令试刀件沿平行于x轴方向移动，使激光在试刀件表面再烧蚀出一排等距的烧蚀点；反复调节二号直线位移平台并重复上述两个烧蚀步骤，直到两组烧蚀点位于同一条直线上为止；

步骤三、机床沿z轴进给，使车刀头在试刀件表面对刀并留下切削圆环，该切削圆环的深度为1～3μm；反复调节一号直线位移平台，并使激光在试刀件表面留下与切削圆环同心的烧蚀圆环，直至烧蚀圆环与切削圆环重合时完成调试。

本发明的有益效果是：本发明设计了一种五维手动位移平台以及含有该五维手动位移平台的车削辅助系统，并且针对该车削辅助系统设计了一种调试方法。车削辅助系统集成超精密机床、椭圆超声振动刀装置和激光器为一体，通过对机床和五维手动位移平台的调节，令刀具与激光焦点的几何位置关系保持恒定，能够实现激光在位于车刀头附近的被加工工件表面聚焦形成加热区域，使材料软化便于加工。

附图说明

图1为本发明含有五维手动位移平台的车削辅助系统的俯视图；

图2为本发明含有五维手动位移平台的车削辅助系统的立体结构示意图；

图3为本发明中椭圆超声振动刀装置的结构示意图；

图4为本发明中系统调试方法的在机床y轴方向对焦时原理示意图；

图5为本发明中系统调试方法的在机床x轴方向对焦时原理示意图；

图6为本发明中激光器的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一

本发明的一种五维手动位移装置，包括一号直线位移平台7、二号直线位移平台8、三号直线位移平台9、四号直线位移平台和旋转位移平台；

以一号直线位移平台7的载台上表面为xoz平面、一号直线位移平台7的调节轴轴向为x轴建立空间直角坐标系xyz，设w方向平行于xoz平面且与x轴、z轴的夹角均为锐角；

二号直线位移平台8的载台能够沿y轴移动；三号直线位移平台9的载台能够沿z轴移动；四号直线位移平台的载台能够沿w方向移动；旋转位移平台的载台能够以其主轴旋转，该主轴平行于y轴；

三号直线位移平台9的基台固定在一号直线位移平台7的载台上，旋转位移平台的基台固定在三号直线位移平台9的载台上，二号直线位移平台8的基台固定在旋转位移平台的载台上，四号直线位移平台的基台固定二号直线位移平台8的载台上。

一号直线位移平台7、二号直线位移平台8、三号直线位移平台9和四号位移平台10均为单轴手动位移平台，旋转位移平台11为旋转手动位移平台，单轴手动位移平台和旋转位移平台均包括位于下方的基台、位于上方的载台和调节轴，旋转单轴手动位移平台的调节轴，能够使载台沿调节轴的轴向相对于基台移动；而旋转旋转位移平台中调节轴，能够使载台以垂直于载台平面的中轴旋转。

由于w方向的夹角需要在实际使用过程中确定，因此一号直线位移平台7和三号直线位移平台9相对固定后，四号位移平台10需要通过旋转位移平台11与一号直线位移平台7和三号直线位移平台9间接固定；这样才能够在x轴和z轴确定的情况下，调节w方向，而二号直线位移平台8由于调节垂直方向的位移，因此可以在满足“四号位移平台10需要通过旋转位移平台11与一号直线位移平台7和三号直线位移平台9间接相对固定”的前提下，设置在五维手动位移装置任意一层。

具体实施方式二

本具体实施方式二与具体实施方式一的区别在于，如图2所示，还包括l型激光器平台14、一号连接件16和二号连接件17，

l型激光器平台14包括两个连接面，该两个连接面首尾相接且垂直固定，l型激光器平台14的截面为l形；

二号直线位移平台8的基台通过一号连接件16固定在旋转位移平台11的载台上；l型激光器平台14的其中一个连接面固定在二号直线位移平台8的载台上，l型激光器平台14的另一个连接面的上表面通过二号连接件17与四号直线位移平台10的基台固定。由于二号直线位移平台8垂直于旋转位移平台11的载台设置，因此需要通过形状类似于角铁的一号连接件16来连接相互垂直的二号直线位移平台8和旋转位移平台11。

具体实施方式三

本发明的五维手动位移装置的车削辅助系统，如图1所示，包括椭圆超声振动刀装置1和光器2，

椭圆超声振动刀装置1固定在机床的z轴工作平台上，该机床的z轴工作平台能够沿z轴移动；

五维手动位移装置6固定在机床的z轴工作平台上，且三号直线位移平台9的调节轴的轴向与机床的主轴15平行；

激光器2固定在四号直线位移平台10的载台上；激光器2发射的激光光路与w方向平行，且激光发射方向朝向机床的主轴15。

调节任意单轴手动位移平台，能够使激光器2沿该被调节单轴手动位移平台的调节轴的轴向移动，调节旋转位移平台，能够使激光器2绕平行于y轴的中轴旋转。

如图6所示，激光器2集成了激光系统所有的配件于一体，它的优点是集成性好，节省空间，该激光器2包括：保护窗玻璃18、会聚镜系统19、准直镜系统20、激光光纤21、水冷接头22、后保护板23、激光器qbh输出头24、底座板25、防护罩26和前保护板27。

本发明的含有五维手动位移平台的车削辅助系统的工作原理为，在使用椭圆超声振动刀装置1进行加工的过程中，激光器2发射连续激光并聚焦于车刀头4刀尖附近的被加工工件平面上，使被加工工件表面材料软化或改性。椭圆超声振动刀装置1中，超声振动刀架3整体带动车刀头4产生椭圆轨迹超声振动，改变了加工模式。

由图1所示，由于空间位置关系，激光必须倾斜入射在被加工工件表面之上，因此需要转动五维手动位移平台6来实现激光器2的偏转；二号直线位移平台8、三号直线位移平台9和一一号直线位移平台7的作用分别是实现激光器2在y、z、x方向上的位置微调；四号直线位移平台0的作用是调节激光器2在沿着激光光路w方向上的位置，改变激光输出点与被加工工件平面之间的距离，一号直线位移平台7、二号直线位移平台8、三号直线位移平台9、四号直线位移平台10的行程均可以为25mm。

如图1和图2所示，本发明含有五维手动位移平台的车削辅助系统的安装方法如下：

1、安装椭圆超声振动刀装置1。

2、安装五维手动位移平台6：在安装直线x方向手动位移平台7和直线z方向手动位移平台9、时使用百分表与千分表配合机床x轴和机床z轴，使机床x轴和一号直线位移平台7调节轴的轴线的平行精度误差在5μm以内，机床z轴和三号直线位移平台9调节轴的轴线的平行精度误差都在5μm以内；安装二号直线位移平台8时保证机床y轴和二号直线位移平台8调节轴的轴线的平行精度误差也在5μm以内；

3、安装激光器2、四号直线位移平台10、一号连接件16和二号连接件17时保证四号直线位移平台10的位移方向，即w方向与激光光路方向的平行度在10μm以内。以上位置精度要求是为了能够在调节激光焦点单一方向位置时尽可能较少产生其它方向的位移误差。

上述的机床x轴、机床y轴、机床z轴是以机床本身建立的立体直角坐标系，机床z轴与机床的主轴15的轴线平行，机床x轴垂直于z轴且平行于xoy平面，机床y轴垂直于xoy平面。

具体实施方式四

本具体实施方式四与具体实施方式三的区别在于，激光器2发射的激光是波长为1080nm的红外光、额定功率为250w、工作模式为连续模式。

激光器2发射激光的光束从保护窗玻璃出射时的直径约为19mm，至激光的焦点的设计距离为150mm±10mm。

具体实施方式五

本具体实施方式五与具体实施方式三或四的区别在于，椭圆超声振动刀装置1包括超声振动刀架3和车刀头4，超声振动刀架3通过直线y方向手动刀架位移平台5固定在机床z轴的工作平台上，车刀头4安装在超声振动刀架3上，且该车刀头4的朝向机床主轴15。

并且，如图3所示，还可以在超声振动刀架3和y方向手动刀架位移平台5之间安装有测力仪传感器13，测力仪传感器13作用是加工过程中对切削力进行监测。而y方向手动刀架位移平台5的作用是在竖直方向上对椭圆超声振动刀装置1进行高度微调，使车刀头4刀刃与机床主轴15位于相同的高度。

具体实施方式六

本发明的含有五维手动位移平台的车削辅助系统的调试方法，具体步骤如下：

步骤一、将试刀件12同轴固定在机床的主轴15上，令激光器2发射的激光在试刀件12上聚焦；

步骤二、令试刀件12沿平行于x轴方向移动，使激光在试刀件12表面烧蚀出一排等距的烧蚀点；将试刀件12绕其轴回转180度，令试刀件12沿平行于x轴方向移动，使激光在试刀件12表面再烧蚀出一排等距的烧蚀点；反复调节二号直线位移平台8并重复上述两个烧蚀步骤，直到两组烧蚀点位于同一条直线上为止；

如图4所示，在调节过程中，两排烧蚀点所连线之间的距离的一半为激光焦点距离车刀头4刀尖或机床的主轴15的轴线的高度差，此时可以通过直线y方向手动位移平台8调节激光器2在y轴方向的位移进行补偿并反复重复上述两个烧灼步骤，直到两组烧蚀点在一条直线上，则激光在y轴方向实现精准对焦。

步骤三、机床沿z轴进给，使车刀头4在试刀件12表面对刀并留下切削圆环，该切削圆环的深度为1～3μm；反复调节一号直线位移平台7，并使激光在试刀件12表面留下与切削圆环同心的烧蚀圆环，直至烧蚀圆环与切削圆环重合时完成调试。

在机床沿z轴方向进给前，可以先将五维手动位移平台6退刀5mm。

如图5所示，检测烧蚀圆环与切削圆环的半径差即为激光焦点与车刀头4刀尖之间的在x轴方向距离，反复调节一号直线位移平台7使烧蚀点逐渐靠近切削圆环，直至烧蚀圆环与切削圆环重合即可实现激光焦点与车刀头4刀尖在加工平面内的精准对刀。

具体实施方式七

本具体实施方式七与具体实施方式六的区别在于，试刀件12为铝制圆盘，该试刀件12的朝向车刀头4的一面粘贴有铝箔，铝箔的厚度为0.2～0.5mm。

如图4所示，当激光照射于铝箔上时，会在铝箔上留下烧痕，烧痕直径大小由激光的光斑尺寸决定，当烧痕面积最小时即可认为激光成功聚焦于铝箔上。

具体实施方式八

本具体实施方式八与具体实施方式六或七的区别在于，在本发明中，将激光焦点调节在与车刀头4刀尖同一机床主轴15的加工平面内。步骤一包括：

步骤一一、将试刀件12同轴固定在机床的主轴15上，并令车刀头4与机床的主轴15对中；

步骤一二、机床沿z轴进给车刀头4，令车刀头4与试刀件12对刀，对刀深度小于等于3μm；

步骤一三、转动旋转位移平台11，使激光器2发射的激光倾斜发射至试刀件12表面，并令激光的光斑位置处于车刀头4刀尖的范围内，该范围是以车刀头4刀尖为圆心、直径为10mm的圆面；

步骤一四、调节三号手动位移平台9，令五维手动位移平台6向z轴的正方向(如图1所示)移动4～5mm后，闭环机床；其中，z轴的正方向为由车刀头4刀尖指向试刀件12的方向；调节四号位移平台10，找到激光在试刀件12上的聚焦位置并锁定。

具体实施方式九

本具体实施方式九与具体实施方式八的区别在于，步骤一五具体为：

等距调节直线w方向手动位移平台10沿w方向方向的位移量，并控制每次激光烧蚀的时间相同，对试刀件12的表面进行打标，观测打标的烧灼痕迹大小，最小烧蚀痕迹处即为激光的聚焦位置，锁定四号位移平台9此时的位置。

等距调节直线w方向手动位移平台10即在w方向方向上改变手动位移平台10的位移，使激光的焦点在试刀件12上聚焦，并且前后焦点误差控制在10mm以内。

如图2所示，可以分别在l型激光器平台14的连接面上和二号连接件17上设置多组平行的连接孔，每组连接孔间距可以设为12.5mm。若在五维手动位移平台6的调节位移极限内无法观测到激光聚焦现象，则改变激光头4在l型激光器平台14和二号连接件17中的连接孔的位置，直到激光可以在试刀件12的位移范围内聚焦。

聚焦后观测烧痕的形状、面积大小，直到找到激光在试刀件12表面留下最小的烧蚀痕迹，此位置即为激光聚焦位置。

具体实施方式十

本具体实施方式十与具体实施方式九的区别在于，步骤一五中，激光的功率为激光器2额定功率的30％～50％。，激光烧蚀的时间为5～15s。