一种生成多层结构型菜单面的方法与流程

本发明涉及功能表面加工
技术领域：
，更具体的说，提出一种创新性的摆动进给抛光模式，并建立以理论模型为基础的仿真系统来规划和模拟多层结构型菜单面的生成。
背景技术：
：本发明技术开发利用机械抛光加工多层结构型菜单面的建模与仿真的方法与装置。目前，针对多层结构型菜单面可能的加工方法主要有光刻技术、纳米压痕、离子束加工、激光蚀刻和电化学处理等方式，但是这些方法局限于特定的加工材料，并且具有加工周期长、操作复杂以及成本高等缺点。因此现有加工技术的各自缺陷使其不能满足日益增高的加工精度的要求。现有抛光技术由于受到各种过程控制参数的影响具有很强的加工不确定性，常被用于表面的处理实现表面光洁度的控制而忽略面形误差的影响。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题在于，提供一种生成多层结构型菜单面的方法，解决现有加工技术周期长、操作复杂以及成本高等缺点。本发明涉及一种利用机械抛光生成多层结构型菜单面的方法，与现有抛光技术不同，所开发的技术是采用抛光过程来生成多层结构型菜单面，并同时保证表面质量。本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供一种生成多层结构型菜单面的方法，使用摆动进给抛光模式，利用机械抛光技术结合特定的抛光姿态和轨迹生成多层结构型菜单面。在本发明提供的生成多层结构型菜单面的方法中，影响多层结构型菜单面的生成的因素包括抛光影响函数，抛光路径和抛光策略。在本发明提供的生成多层结构型菜单面的方法中，通过改变不同的抛光参数，得到对应指定的影响函数，从而生成各种设计的多层结构型菜单面。在本发明提供的生成多层结构型菜单面的方法中，影响函数的预测模型是基于接触力学、运动分析理论、统计学理论以及摩擦磨损机理为基础建立的；用来预测抛光过程中抛光影响函数的理论模型为：其中，mrr(x,y,t)是位置点(x,y)处在抛光时间t内的材料去除量；n(kac,vc,t,rp,ra,σz)是参与材料去除的有效磨粒的空间分布，与体积分数vc、抛光时间t、磨料颗粒半径rp、抛光布粗糙半径ra、抛光布粗糙面高度的标准偏差σz和有效系数kac相关联；是在抛光过程中单个颗粒的材料去除体积，与压力分布速度分布抛光工件材料特性hw、锥形颗粒半角β和有效磨损系数η相关联。在本发明提供的生成多层结构型菜单面的方法中，所述抛光路径为摆动进给抛光模式，所述摆动进给抛光模式是指抛光主轴以抛光头为基点，绕着被加工面法线方向，在设定的进给角度范围内做往复运动在本发明提供的生成多层结构型菜单面的方法中，所述抛光策略主要包括：光栅式、螺旋式、希尔伯特的路径、皮亚诺的路径、利萨路径、随机路径中的至少一种。实施本发明，具有如下有益效果：1、加工处理难加工材料(如钛合金、工具钢等)和脆性材料(如玻璃、陶瓷等)，这些材料难以或者几乎不可能用常规加工方法(如快刀伺服加工)来生成结构型表面；2、通过调整影响函数和选择适当抛光策略(或其组合)来生成更多类型的结构型或图案型表面；3、具有亚微米形状精度、纳米及埃米级表面光洁度的超高级表面质量的结构型表面。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1抛光仿真系统的逻辑关系结构示意图；图2(a)实验测量和(b)模型仿真预测的抛光影响函数的三维拓扑形貌对比；图3抛光仿真系统通过改变抛光参数模拟仿真得到的不同类型多层结构型菜单面；图3中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别对应不同工件选取的变量抛光参数；图4摆动进给机械抛光通过改变抛光参数实际生成的多层结构型菜单面拓扑形貌示意图；图4中(a)、(b)、(c)分别对应不同工件选取的变量抛光参数；图5(a)抛光仿真系统预测和(b)实验测量多层结构型菜单面的拓扑形貌对比；图6(a)抛光仿真系统预测和(b)实验测量多层结构型菜单面的拓扑形貌对比。具体实施方式下面将结合实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。现有技术中，抛光常用来控制表面光洁度，换言之，抛光的作用是获得超光滑表面。而本研究则通过抛光来生成专门设计的多层结构型菜单面；多层结构型菜单面可通过其他加工方法如纳米压痕，但材料局限于软金属(如铝、铜等)或是非铁材料。而本工艺过程可处理含铁材料和难加工材料(如钛合金、工具钢等)以及其他脆性材料(如玻璃、陶瓷等)；摆动进给抛光技术具有生成更多不同类型多层结构型菜单面的能力，而这些表面用其他加工方法不可能实现；通过理论建摸与仿真来抛光生成多层结构型菜单面，使抛光过程更具可控性与可预测性。现有技术对抛光过程的控制存在很多不确定性，如只能实现表面光洁度控制。本发明的主要创新点在于：首先提出一种创新性的摆动进给抛光模式，利用机械抛光技术结合特定的抛光姿态和轨迹生成多层结构型菜单面；其次构造了一个包括输入模块、处理模块和输出模块三部分组成的以理论模型为基础的抛光仿真系统，图1示出了本发明中抛光仿真系统的逻辑关系结构示意图，如图1所示，用户通过在抛光仿真系统中设定抛光参数，系统会自动生成相应g代码以及抛光轨迹仿真，同时自动模拟抛光生成的多层结构型菜单面。在本发明所述的利用机械抛光生成多层结构型菜单面的方法中，影响多层结构型菜单面生成的因素包括：抛光影响函数、抛光路径和抛光策略规划。本发明所述的利用机械抛光生成多层结构型菜单面的方法可处理含铁材料和难加工材料以及脆性材料；可生成其他加工方法不能实现的多层结构型菜单面；具有生成多种不同类型多层结构型菜单面的能力并且使抛光过程更具可控性与可预测性。该抛光仿真系统具有如下有益效果：(1)多尺度材料去处模型的建立；(2)超精密抛光表面生成机理的研究；(3)抛光策略规划和组合优化用以生成不同类型的多层结构型菜单面；(4)抛光实验及抛光生成的多层结构型菜单面的测量。在抛光过程中，最终生成的多层结构型菜单面主要取决于影响函数和刀具轨迹规划。抛光技术与其他切削加工技术的主要区别在于表面生成机理的差异，对于抛光技术生成的表面形貌是通过影响函数的累积效应来实现，而切削技术的表面生成是通过切削刀具的几何包络来实现。在实际的抛光过程中，影响函数受到各种抛光参数的影响，譬如工件材料，抛光布特性，加工参数，工件几何形状，抛光策略和抛光液特性等。因此当抛光技术加工多层结构型菜单面时，可以通过改变不同的抛光参数，得到对应指定的影响函数，从而生成各种设计的多层结构型菜单面，而不用更换抛光头。这是抛光技术相对于切削技术加工菜单面时的显着优势之一。抛光技术影响函数的预测模型是基于接触力学、运动分析理论、统计学理论以及摩擦磨损机理为基础建立的，用来预测抛光过程中抛光影响函数的理论模型，可被表示为：其中mrr(x,y,t)是位置点(x,y)处在抛光时间t内的材料去除量；n(kac,vc,t,rp,ra,σz)是参与材料去除的有效磨粒的空间分布，与体积分数vc、抛光时间t、磨料颗粒半径rp、抛光布粗糙半径ra、抛光布粗糙面高度的标准偏差σz和有效系数kac相关联；是在抛光过程中单个颗粒的材料去除体积，与压力分布速度分布抛光工件材料特性hw、锥形颗粒半角β和有效磨损系数η相关联。除了抛光影响函数，抛光路径和策略规划也将影响多层结构型菜单面的生成。抛光策略主要包括：光栅式(rasterpath)、螺旋式(spiralpath)、希尔伯特的路径(hilbertpath)、皮亚诺的路径(peanopath)、利萨路径(lissajouspath)、随机路径(pseudo-randompath)及其任意多项的组合优化。本发明提出的摆动进给抛光模式是指抛光主轴以抛光头为基点，绕着被加工面法线方向，在设定的进给角度范围内做往复运动。该方法充分发挥了抛光影响函数和抛光姿态相结合的优势，按照设定的抛光策略可以在难加工及脆性材料上生成多层结构型菜单面。本发明还会从如下方面进一步开展工作：1、将研究不同尺寸和不同类型的多层结构型菜单面；2、开发新型的抛光头，提高抛光效率和稳定性；3、组合不同的抛光策略用以生成不同的多层结构型菜单面；4、综合研究抛光过程中各种影响表面生成的因素，确定更精确的影响函数。摆动进给抛光模式通过利用英国zeeko公司的7轴超精密抛光机(zeekoirp200)进行了一系列的抛光实验来实现。图2(a)实验测量和图2(b)示出了模型仿真预测的抛光影响函数的三维拓扑形貌对比结果，图2(a)显示了用美国zygo公司的nexviewtm3dopticalsurfaceprofiler测量所抛光工件影响函数的三维拓扑形貌；图2(b)为多尺度材料去处模型单元所预测的对应影响去除函数，通过对比可以看出预测结果和实际的测量数据有较好的一致性。图3为抛光仿真系统通过改变抛光参数，譬如抛光间距、摆动速度、进给角度等模拟仿真得到的不同类型多层结构型菜单面。在此次仿真实验过程中，针对不同工件选取的相同常量抛光参数为：抛光头半径20mm,抛光头气压1.2bar，进给角度10°，抛光头转速1500rpm，进给距离0.287mm，进给速度100mm/min；同时表1列出了针对不同工件选取的变量抛光参数设置，图3中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别对应表2中的工件序号a、b、c、d、e。从仿真结果中可以看出，通过对抛光参数的不同设定，抛光技术为生成不同类型多层结构型菜单面提供了一条经济有效的途径；同时抛光仿真系统可以对设定的抛光参数对应的多层结构型菜单面进行实时模拟显示，大大的提高了机械抛光生成多层结构型菜单面的可控性和可预测性。表1抛光仿真实验中的变量抛光参数设置图4为用美国zygo公司的nexviewtm3dopticalsurfaceprofiler测量的多层结构型菜单面三维拓扑形貌，这些多层结构型菜单面是通过摆动进给机械抛光改变各种抛光参数来产生的。实验过程为：首先抛光仿真系统针对设定的各抛光参数生成对应的cnc文件(g代码)；然后将其下载到英国zeeko公司的7轴超精密抛光机(zeekoirp200)的控制系统中进行实际的抛光实验。在此次抛光实验过程中，针对不同工件选取的相同常量抛光参数为：抛光头半径20mm,抛光头气压1.2bar，进给角度10°，抛光头转速1500rpm，进给距离0.287mm，进给速度100mm/min；同时表2列出了针对不同工件选取的变量抛光参数设置，图4中(a)、(b)、(c)分别对应表2中的工件序号a、b、c。实验结果可以证实：在实际的摆动进给机械抛光过程中，通过抛光参数的不同设定，可以实现不同类型多层结构型菜单面的加工。表2实际抛光实验中的变量抛光参数设置工件序号abc摆动速度(dgreespermin)200250250抛光点间距(mm)0.40.40.8抛光轨迹间距(mm)0.40.40.8图5(a)抛光仿真系统预测和图5(b)实验测量多层结构型菜单面的拓扑形貌对比，图6(a)抛光仿真系统预测和图6(b)实验测量多层结构型菜单面的拓扑形貌对比，作为预测模型的验证，测量了更详尽的表面拓扑形貌并与预测结果对比，如图5(a)和图5(b)的对比以及图6(a)和图6(b)的对比结果表明，预测表面拓扑与实测结果在表面形貌上有着较好的一致性，从而进一步证实了抛光仿真系统的可行性。在本发明中，使用如下方式用于生成多层结构型菜单面：(1)提出了创新性的摆动进给抛光模式；(2)利用抛光技术生成多层结构型菜单面；(3)生成多层结构型菜单面的抛光策略之方法和设备的开发；(4)机械抛光生成多层结构型菜单面的理论建模与仿真。使用本发明的生成多层结构型菜单面的方法，效果如下：1、在难加工及脆性材料上生成多层结构型菜单面；2、为生成多层结构型菜单面提供了其他加工方法不能实现的解决办法；3、该方法根据抛光参数的不同设置，具有生成多种不同类型多层结构型菜单面的能力；4、通过理论建摸与仿真来抛光生成多层结构型菜单面，使抛光过程更具可控性与可预测性。本发明用抛光生成多层结构型菜单面，这些菜单面可用于光学、生物医学、仿生学以及机电一体化等应用领域。应当理解，以上技术方案仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。当前第1页12