[0005] 本发明的目的在于提供一种拉刀内凹型表面微结构的超声加工装置及其校准方法。
[0006] 本发明拉刀内凹型表面微结构的超声加工装置，包括三轴联动工作台、旋转夹具、超声振动机构和微结构检测仪。所述的旋转夹具包括拉刀定位架、装夹组件、夹紧螺栓和固定架。所述的固定架与三轴联动工作台上的工作移动块固定。所述的拉刀定位架包括第一定位板、第二定位板和第三定位板。所述第一定位板、第二定位板、第三定位板的内侧面两两之间相互垂直。第一定位板的内侧面上固定有两块定位块。第一定位板的外侧面与固定架构成转动副。固定架上开设有两个槽宽相等的圆弧通槽。两根夹紧螺栓的螺杆部分分别穿过两个圆弧通槽并与第一定位板构成螺旋副。装夹组件包括装夹架、动夹板、装夹丝杆和手柄杆。装夹架固定在第二定位板内侧面远离第一定位板的那侧。装夹丝杆与固定在装夹架上的螺母块构成螺旋副。装夹丝杆的内端与动夹板构成转动副，外端与手柄杆的一端构成转动副。动夹板与第一定位板的内侧面构成滑动副。
[0007] 所述的超声振动机构包括振动机安装架、振动机安装板、第一滑轨、支撑板、第二滑轨、超声激振器安装板、超声激振器、渐变式悬臂梁和金刚石刀具。所述振动机安装架的顶部固定有振动机安装板。振动机安装板的顶面上固定有第一滑轨。固定在支撑板底面的第一滑块与第一滑轨构成滑动副。第一滑块与第一滑轨通过紧定螺钉固定。支撑板的顶面上固定有第二滑轨。固定在超声激振器安装板底面的第二滑块与第二滑轨构成滑动副。第二滑块与第二滑轨通过紧定螺钉固定。超声激振器安装板的顶面上安装有超声激振器。超声激振器的激振头朝向正上方。渐变式悬臂梁的内端支撑板固定。渐变式悬臂梁位于超声激振器的上方，且与超声激振器的激振头接触。渐变式悬臂梁的外端固定有金刚石刀具。
[0008] 所述的微结构检测仪包括第三滑轨、检测仪固定板、检测仪安装架、摄像头和补光灯。水平设置的第三滑轨固定在振动机安装板上。固定在检测仪固定板底部的第三滑块与第三滑轨构成滑动副。第三滑块与第三滑轨通过紧定螺钉固定。所述的检测仪固定板上固定有检测仪安装架。检测仪安装架的顶部固定有摄像头和补光灯。摄像头及补光灯均倾斜朝下设置。
[0009] 进一步地，所述的三轴联动工作台包括X方向运动滑台、Y方向运动滑台和Z方向运动滑台。X方向运动滑台包括第一滑架、第一丝杆、第一移动块和第一电机。第一丝杆支承在第一滑架上。第一电机与第一滑架固定。第一电机的输出轴与第一丝杆的一端固定。第一移动块与第一滑架构成滑动副，且与第一丝杆构成螺旋副。Y方向运动滑台包括第二滑架、第二丝杆、第二移动块和第二电机。第二滑架与第一移动块固定。第二丝杆支承在第二滑架上。第二电机与第二滑架固定。第二电机的输出轴与第二丝杆的一端固定。第二移动块与第二滑架构成滑动副，且与第二丝杆构成螺旋副。Z方向运动滑台包括第三滑架、第三丝杆、工作移动块和第三电机。第三滑架与第二移动块固定。第三丝杆支承在第三滑架上。第三电机与第三滑架固定。第三电机的输出轴与第三丝杆的一端固定。工作移动块与第三滑架构成滑动副，且与第三丝杆构成螺旋副。第一丝杆、第二丝杆、第三丝杆的轴线两两之间相互垂直。第三丝杆竖直设置。
[0010] 进一步地，所述第一定位板的内侧面竖直设置。所述的动夹板靠近第一定位板的侧面与定位块的外侧面平行设置。
[0011] 进一步地，两个圆弧通槽的内侧面在同一个圆柱面上。
[0012] 进一步地，所述的第一滑轨、第二滑轨及第三滑轨上均标有刻度。第一滑轨及第二滑轨的中心轴线均水平设置，且均与第一定位板的内侧面平行。第一滑轨的轴线与第三滑轨的轴线相互垂直。
[0013] 进一步地，所述的渐变式悬臂梁在由内端至外端的方向上，横截面呈阶梯式减小。渐变式悬臂梁的中心轴线水平设置，且与第一定位板的内侧面平行。
[0014] 进一步地，所述渐变式悬臂梁固定金刚石刀具处的厚度与金刚石刀具3-9的高度之和小于4mm。所述的金刚石刀具呈锥形。
[0015] 进一步地，所述摄像头及补光灯的朝向与水平面的夹角呈45°。
[0016] 该拉刀内凹型表面微结构的超声加工装置的校准方法具体如下：
[0017] 步骤一、在与目标拉刀样品材质相同的金属块上用激光打标装置加工出测试微结构槽。测试微结构槽的形状及深度均与需要在目标拉刀样品前刀面上加工的微结构槽完全相同。
[0018] 将金属块上带有测试微结构槽的侧面朝向正上方并放置到摄像头的斜下方。打开补光灯，摄像头拍摄测试微结构槽，得到测试照片。对测试照片进行灰度化处理。记录下灰度化后测试照片的微结构槽上灰度值最大点的灰度值c和灰度值最小点的灰度值d。
[0019] 步骤二、关闭补光灯，将目标拉刀样品装夹在旋转夹具上。松开两个夹紧螺栓，转动拉刀定位架，目标拉刀样品的前刀面达到朝向上方的水平状态后，拧紧两个夹紧螺栓。以目标拉刀样品上的其中一个刀齿作为目标刀齿。
[0020] 步骤三、将检测仪固定板沿第三滑轨滑动，使得检测仪安装架与渐变式悬臂梁在一个垂直于渐变式悬臂梁中心轴线的平面上的投影不相交。
[0021] 步骤四、驱动第一电机，使得目标拉刀样品接触装夹组件的侧面与金刚石刀具的刀尖对齐。驱动第三电机，使得目标拉刀样品上目标刀齿的前刀面低于金刚石刀具的刀尖，且与金刚石刀具的刀尖的竖直距离在0.5mm～0.8mm之间。驱动第二电机，使得金刚石刀具的刀尖到达目标刀齿的正上方。
[0022] 步骤五、启动超声激振器，使带有金刚石刀具的悬臂梁上下振动。同时，第一电机及第二电机转动，使得目标刀齿的前刀面上刻蚀出微结构槽。
[0023] 步骤六、目标刀齿前刀面的微结构加工完成后，关闭超声激振器。将支撑板沿第一滑轨向远离拉刀定位架的一侧滑动，使得检测仪安装架与渐变式悬臂梁在一个垂直于第三滑轨中心轴线的平面上的投影不相交。将检测仪固定板沿第三滑轨滑动至摄像头正对目标拉刀样品的状态。
[0024] 步骤七、第一电机、第二电机及第三电机转动，使得目标刀齿到达摄像头的斜下方。打开补光灯，摄像头拍摄目标刀齿上的微结构槽，得到校验照片。
[0025] 步骤八、将校验照片进行灰度化处理，若灰度化后的校验照片中微结构槽范围内的任意一个点的灰度值均在(d-10)至(c+10)之间，则进入步骤九，否则，以一个未经加工的刀齿作为新的目标刀齿，重复步骤三至步骤七。
[0026] 步骤九、校准完成。
[0027] 进一步地，步骤一中，摄像头拍摄测试照片时，摄像头与金属块上测试微结构槽的水平距离达到a，竖直距离达到b，5mm≤a≤15mm，5mm≤b≤15mm。
[0028] 步骤七中，摄像头拍摄校验照片时，摄像头与目标刀齿上微结构槽的水平距离达到a，竖直距离达到b。
[0029] 本发明具有的有益效果是：
[0030] 1、本发明通过在对渐变式悬臂梁施加超声振动的方式驱动金刚石刀具，使得金刚石刀具能够伸入拉刀前刀面为代表的内凹型表面进行微结构加工，简化了表面结构的加工过程，不产生切屑。
[0031] 2、本发明在加工过程中不会影响拉刀刀齿的强度，同时还给刀齿表面增加了预压力，有利于增加刀具寿命。
[0032] 3、本发明采用超声振动加工，相比于电火花加工和激光加工更加节能；采用悬臂梁单点金刚石击打拉刀前刀面形成微结构的方式，相比于其他采用变幅杆加工的方式更加简便有效。
[0033] 4、由于在相同的光照强度条件下，开设不同的微结构深度反射的光线强度不同，因此不同深度的微结构在拍摄的图像中显示的灰度值不同。本发明通过拍摄刀齿前刀面照片并进行灰度化的方式，判断刀齿上的微结构是否达到所需尺寸，实现了内凹型表面上微结构的尺寸测量。
