一种用于硬脆材料微纳功能表面加工的激光辅助切削机床制造技术

本发明专利技术公开了一种用于硬脆材料微纳功能表面成型的激光辅助切削机床，包括铣刀模块、立柱组模块、底座、载物台组模块、夹紧定位模块、顶盖、激光器；三个立柱组模块固定在底座上且绕z轴均匀分布，载物台组模块分别与三个立柱组模块铰接；立柱组模块上设有由丝杠驱动的滑块，滑块与载物台组模块铰接，使载物台组模块与立柱组模块构成3

【技术实现步骤摘要】
一种用于硬脆材料微纳功能表面加工的激光辅助切削机床


[0001]本专利技术属于机械制造领域，具体涉及一种用于硬脆材料微纳功能表面加工的激光辅助切削机床及其加工方法。

技术介绍

[0002]硬脆材料由于其在光学、电子与机械性质上的特殊性能，所制备的各种精密零件在相关领域应用十分广泛。但由于硬脆材料具有高硬度和脆性的特质，通常被归类为难加工材料。目前激光辅助加工广泛被认为是加工硬脆材料经济可行的方法之一。而如黑硅、微流道这样的微纳表面功能结构的应用更加拓宽了硬脆材料的应用面。近十几年里，表面微纳结构逐渐成为硬脆材料研究的热门研究方向之一。
[0003]目前，暂未查到国内外关于硬脆材料微纳功能表面激光辅助切削成型机床的研究。而现使用的相关设备大多停留在实验室应用阶段，整体以“激光器+加工设备”自行拼搭为主，远没有达到商业级产品的程度，如若能研究一种可以高效地在硬脆材料表面加工出微结构的机床，必将大大降低其成本，促进其在民生、医疗、通信、科研乃至军工国防领域的应用推广。

技术实现思路

[0004]针对目前市面上没有用于商用级硬脆材料微纳功能表面加工的激光辅助切削成型机床的问题，本专利技术提供一种用于硬脆材料微纳功能表面成型的激光辅助切削机床及其加工方法，创新地采用3
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PUU并联机构，在刀具与激光器都相对于机床固定的情况下，利用转台和3
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PUU 并联机构的配合，实现激光始终照射在工件待加工区域的加工效果。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的，结合附图：
[0006]一种用于硬脆材料微纳功能表面成型的激光辅助切削机床，包括铣刀模块1、立柱组模块2、底座3、载物台组模块4、夹紧定位模块6、顶盖8、激光器9；三个立柱组模块2固定在底座3上且绕z轴均匀分布，载物台组模块4分别与三个立柱组模块2铰接且位于立柱组模块2之间的中心位置；立柱组模块2上设有由丝杠203驱动的滑块206，滑块206与载物台组模块4铰接，使载物台组模块4与立柱组模块2构成3
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PUU并联机构；工件5通过夹紧定位模块6固定在载物台组模块4上且能够在载物台组模块4驱动下绕Z轴旋转；顶盖8固定在三个立柱组模块2上，铣刀模块1固定在顶盖8上且位于载物台组模块4正上方，激光器9通过激光器架7固定在顶盖8上且位于铣刀模块1侧方。
[0007]3‑
PUU并联机构是指3自由度的移动副
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虎克铰副
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虎克铰副并联机构连接形式，3
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PUU 机构能够通过分别改变三个滑块206的Z向位置实现载物台组模块4沿X、Y、Z轴的移动。 3
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PUU并联机构的结构相对简单，同时具有高刚性、高速度、高精度、高柔性、高灵活性、无累积误差的优点，非常适合激光切割的要求。3
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PUU相对于多自由度并联机构而言，具有更实际的应用价值，结构简单，可以满足平面切割的要求。
[0008]进一步地，所述立柱组模块2包括丝杠电机201、垫片202、丝杠203、立柱204、导轨
205、滑块206、连杆207、虎克铰208，所述导轨205沿Z轴方向固定在立柱204上，滑块 206与导轨205滑动连接，滑块206通过虎克铰208与连杆207铰接，连杆207另一端通过虎克铰208与所述载物台组模块4铰接；丝杠电机201固定在顶盖8上，丝杠203与滑块206 啮合传动，在丝杠电机201的驱动下，滑块206沿导轨205滑动，作直线往复运动，实现推拉连杆207的功能，且每个立柱组模块都由单独的丝杠电机201独立驱动。
[0009]进一步地，所述载物台组模块4包括安装板401、转台402、载物平台403、步进电机404，安装板401固定在转台402上，转台402安装在载物平台403上并在步进电机404的驱动下旋转，步进电机404固定在载物平台403底部，载物平台403上设有三对凸耳，三对凸耳与所述立柱组模块2通过虎克铰208铰接。
[0010]优选地，所述安装板401包括夹紧件安装孔4011、安装板安装孔4012、安装板定位孔 4013、定位块安装孔4014、定位块定位孔4015，夹紧件安装孔4011沿安装板401周向均匀分布，实现安装夹紧件功能，安装板安装孔4012沿安装板401周向均匀分布，实现固定安装板401功能，安装板定位孔4013实现安装板401定位功能，定位块安装孔4014实现安装定位块604功能，定位块定位孔4015实现定位块604定位功能。
[0011]进一步地，所述夹紧定位模块6包括压块601、压紧螺母602、压紧螺柱603、定位块604；定位块604固定在安装板401上，定位块604限制工件5的x移动、y移动和z转动三个自由度，压块601将工件压紧固定在安装板401上，定位块604和安装板401实现工件定位功能。
[0012]优选地，所述定位块604设有与工件5外形匹配的定位豁口，通过定位豁口限制工件5 沿X轴及Y轴方向的移动以及绕Z轴的转动。
[0013]优选地，所述压块601上设有长条孔，用于调节压紧螺柱603的装配位置；压块601压紧工件5后，通过压紧螺母602和压紧螺柱603固定在安装板401上，实现夹紧工件功能。
[0014]优选地，所述所述底座3顶面设有三个凸台，三个凸绕z轴均匀分布，用于安装立柱组模块2。
[0015]本专利技术同时提供一种用于硬脆材料微纳功能表面成型的激光辅助切削机床的加工方法，主要包括以下几个步骤：
[0016]步骤1.将工件装夹至定位夹具模块上，启动机床，设置系统初始参数值及初始位置，同时输入设计模型；
[0017]步骤2.分析设计模型，根据数据分析，确定机床的运行动作，形成数控加工程序，通过控制工作台旋转和3
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PUU并联机构的运动来达到控制工件运动的目的；
[0018]步骤3.对步骤2中已加工的工件进行测量，形成模型，与步骤1中输入的设计模型进行比较；
[0019]步骤4.若满足精度要求，结束加工，若不满足精度要求，返回步骤1中的设备初始化动作。
[0020]进一步地，加工方向转变时，所述步骤2中载物台组模块运动的控制是指：先确定转角，然后通过工件位置与转角的关系，来确定工件的水平移动。
[0021]进一步地，所述3
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PUU并联机构的运动通过三个立柱组模块协同控制，最终实现载物台组模块沿 X、Y、Z轴的移动：根据三个立柱组模块的滑块位置与载物台组模块位置间关系，确定三个滑块各自的运动，滑块在丝杠的驱动下作直线往复运动，带动载物台组模块运动。
[0022]本专利技术的优点在于：
[0023]1.针对国内硬脆材料激光辅助加工机床尚处于实验室阶段的现状，设计了一款专用型硬脆材料激光辅助切削机床，使得机床更加集成与商业化，并对设备外形加以优化，达到商业级产品要求，同时对激光器的功率参数、刀具的运动等进行控制，激光器与加工设备的融合方式，方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于硬脆材料微纳功能表面成型的激光辅助切削机床，其特征在于，包括铣刀模块(1)、立柱组模块(2)、底座(3)、载物台组模块(4)、夹紧定位模块(6)、顶盖(8)、激光器(9)；三个立柱组模块(2)固定在底座(3)上且绕z轴均匀分布，载物台组模块(4)分别与三个立柱组模块(2)铰接且位于立柱组模块(2)之间的中心位置；立柱组模块(2)上设有由丝杠(203)驱动的滑块(206)，滑块(206)与载物台组模块(4)铰接，使载物台组模块(4)与立柱组模块(2)构成3
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PUU并联机构；工件(5)通过夹紧定位模块(6)固定在载物台组模块(4)上且能够在载物台组模块(4)驱动下绕Z轴旋转；顶盖(8)固定在三个立柱组模块(2)上，铣刀模块(1)固定在顶盖(8)上且位于载物台组模块(4)正上方，激光器(9)通过激光器架7固定在顶盖(8)上且位于铣刀模块(1)侧方。2.如权利要求1所述的一种用于硬脆材料微纳功能表面成型的激光辅助切削机床，其特征在于，所述立柱组模块(2)包括丝杠电机(201)、垫片(202)、丝杠(203)、立柱(204)、导轨(205)、滑块(206)、连杆(207)、虎克铰(208)，所述导轨(205)沿Z轴方向固定在立柱(204)上，滑块(206)与导轨(205)滑动连接，滑块(206)通过虎克铰(208)与连杆(207)铰接，连杆(207)另一端通过虎克铰(208)与所述载物台组模块(4)铰接；丝杠电机(201)固定在顶盖(8)上，丝杠(203)与滑块(206)啮合传动，在丝杠电机(201)的驱动下，滑块(206)沿导轨(205)滑动，作直线往复运动，实现推拉连杆(207)的功能。3.如权利要求1所述的一种用于硬脆材料微纳功能表面成型的激光辅助切削机床，其特征在于，所述载物台组模块(4)包括安装板(401)、转台(402)、载物平台(403)、步进电机(404)，安装板(401)固定在转台(402)上，转台(402)安装在载物平台(403)上并在步进电机(404)的驱动下旋转，步进电机(404)固定在载物平台(403)底部，载物平台(403)上设有三对凸耳，三对凸耳与所述立柱组模块(2)通过虎克铰(208)铰接。4.如权利要求1所述的一种用于硬脆材料微纳功能表面成型的激光辅...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀世军，李晓雅，赵继，范润泽，贺秋伟，代汉达，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：