CN102107375A - 一种基于负刚度原理的磨削工艺系统刚度补偿机构 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于负刚度原理的磨削工艺系统刚度补偿机构，属于机械技术领域。该结构是采用压电陶瓷驱动器和柔性并联机构设计成的一种并联三自由度的负刚度可控的精密磨削工作台。它可以通过调整工作台在三个自由度方向的输出位移量和输出力之比，即刚度以产生负刚度效应，使该工作台刚度大小和磨床刚度大小相等但方向相反，从而补偿磨削工艺系统因刚性不足导致的弹性变形。该发明对于补偿磨削加工系统受磨削力产生变形，保证磨削加工用量以实现塑性域磨削、磨削精度和质量具有重要的应用价值，并具有结构简单，易于控制的特点。

Description

一种基于负刚度原理的磨削工艺系统刚度补偿机构
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及一种基于负刚度原理的磨削工艺系统刚度补偿机构，主要解决磨削工艺系统刚性不足导致的弹性变形量而无法精密控制微小磨削用量以实现塑性域磨削的问题。
背景技术
随着科学技术的不断进步，生产力的快速发展，现代工业的各个领域对产品材料的性能要求不断提高，如：耐高温、抗腐蚀、耐磨损、高硬度等。因此出现了工程陶瓷这种新型材料，其性能明显不同于普通的陶瓷材料。工程陶瓷是一种新型的硬脆材料，它具有高硬度、耐高温、优异的耐磨损、耐腐蚀以及重量轻等特点，因此在航空航天、电子电器、汽车以及制造领域的应用日益广泛。目前，工程陶瓷已经成为现代工业技术的重要组成部分，受到及其广泛的重视。但是因为工程陶瓷材料硬脆性，磨削力比大和机床刚度等因素的影响，工程陶瓷材料的磨削加工存在很多困难。
而且在磨削加工过程中，砂轮与工件之间会产生相互作用力，加上磨削系统刚度不足，导致磨削系统的弹性变形对工程陶瓷磨削有很大影响。为了降低由弹性变形引起的工件加工误差，改善磨削质量，就需要对磨削系统实现在线刚度补偿。
为了达到补偿磨削工艺系统刚性不足导致的弹性变形量，一方面需要精密测量磨削工艺系统在三个弹性变形方向上的刚度，一方面要在线测量负刚度机构所受外力，并通过控制压电晶体输出位移使之在三个方向上的刚度大小和磨削工艺系统刚度相等，方向相反。
而上述基于负刚度原理的磨削工艺系统刚度补偿机构，可以主动调整工作台刚度以补偿磨削工艺系统弹性变形，提高磨削系统刚度，保证工程陶瓷的塑性磨削加工及尺寸精度，提高磨削质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述磨削系统的刚度不足问题，提供一种基于负刚度原理的磨削工艺系统刚度补偿机构。
一种基于负刚度原理的磨削工艺系统刚度补偿机构：包括底座1，下柔性环2，上柔性环3，主体4，动平台5，柔性联接件6和各种紧固螺栓。其特征在于：下柔性环2通过三个支撑点放置在底座1上，底座1、下柔性环2和主体4通过内六角紧固螺栓连接。三个压电陶瓷驱动器分别通过内六角紧固螺栓固定在下柔性环2上，上端通过螺纹副与柔性联接件6相连。上柔性环3通过三个支撑点放置在主体4上端，并通过内六角螺栓与主体4紧固连接。上柔性环3和动平台5通过内六角螺栓与柔性联接件6紧固连接。底座1固定在磨床工作台上。
所述一种基于负刚度原理的磨削工艺系统刚度补偿机构，通过调整三个自由度方向的输出位移量来产生负刚度效应，从而补偿磨削工艺系统因刚性不住导致的弹性变形。采用的柔性环并联机构较一般柔性并联机构结构更加紧凑，一个弹性元件可以同时执行Z方向，绕X，Y轴方向三个自由度的运动控制。通过应变片测量下柔性环2的应变值，得到压电陶瓷驱动器的输出力，从而对结构的可控刚度部件的负刚度进行调控以补偿磨削工艺系统刚性不足产生的弹性变形量。
本发明具有的有益作用是：
本发明通过压电驱动器输出力大小来调整三个自由度方向的输出位移量来产生负刚度效应，从而补偿磨削工艺系统因刚性不住导致的弹性变形。采用的柔性环并联机构较一般柔性并联机构结构更加紧凑，一个弹性元件可以同时执行Z方向，绕X，Y轴方向三个自由度的运动控制。通过应变片测量下柔性环2的应变值，得到压电陶瓷驱动器的输出力，从而对结构的可控刚度部件的负刚度进行在线调控以补偿磨削工艺系统刚性不足产生的弹性变形量。该结构可以在磨削过程中对磨削系统实现刚度补偿，提高工件的磨削质量。
附图说明：
图1本发明刚度补偿结构的结构图：
图2本发明刚度补偿结构的俯视图
图3本发明刚度补偿结构的侧视图
图4本发明刚度补偿结构的局部结构图
图5本发明在磨床中应用示意图
如图1所示：1底座，2下柔性环，3上柔性环，4主体，5动平台，6柔性联接件，7压电陶瓷驱动器，8应变片黏贴位置
具体实施方式：
本发明为一种补偿磨削加工系统刚度的结构。如图1、图2、图3、图4所示，对本发明而言，工作台的尺寸为Φ130×145mm3，压电驱动器的参数为：最大推力3000N，轴向刚度200N/μm。动平台下表面通过三个支点与上柔性环及柔性联接件通过螺栓连接。上柔性环可以同时执行三个方向自由度的运动控制，其固定在主体外圈三个伸出位置上。柔性联接件可以防止过大弯矩作用在压电陶瓷驱动器上。压电陶瓷驱动器固定在下柔性环上，通过螺栓连接，上端与联接件通过螺纹连接。下柔性环上在固定压电陶瓷驱动器的位置两侧黏贴有应变片以测量压电驱动器输出力。
如图5所示，补偿机构固定在磨床工作台上，其上固定工件。压电陶瓷驱动器和应变片分别通过驱动电源和应变仪与计算机连接。计算机控制压电陶瓷驱动电源的输出电压，驱动压电陶瓷驱动器伸长，通过调节三个驱动器输出的电压值可以使上柔性环在Z方向，绕X，Y方向三个自由度上产生变形例如：在三个驱动器的电压同时从0V到100V的过程中，压电陶瓷驱动器Z方向伸长量由17.9μm到46.8μm，并有明显的线性关系，同时压电陶瓷驱动器把伸长量反馈回计算机，而且由应变片测量得到的下柔性环的应变值，经应变仪进入计算机，从而根据应变和力的关系得到压电陶瓷驱动器的输出力，最终得到输出位移量和输出力关系来产生负刚度效应，补偿磨削工艺系统因刚性不住导致的弹性变形。实现对结构的可控刚度部件的负刚度进行调控以补偿磨削工艺系统刚性不足产生的弹性变形量。
在针对不同的磨削工艺系统进行刚度补偿时，首先对磨削工艺系统在三个自由度方向上的刚度进行测量，以测量值为控制目标值，通过控制刚度可控磨削工作台使之产生与磨床三个自由度方向上刚度大小相等和方向相反的负刚度，以补偿磨削加工过程中磨床因受磨削力作用在该三个自由度方向上刚度不足导致的弹性变形。

Claims (2)

1.一种基于负刚度原理的磨削工艺系统刚度补偿机构：包括底座(1)，下柔性环(2)，上柔性环(3)，主体(4)，动平台(5)，柔性联接件(6)和紧固螺栓，其特征在于：下柔性环(2)通过三个支撑点放置在底座(1)上，底座(1)、下柔性环(2)和主体(4)通过内六角紧固螺栓连接；三个压电陶瓷驱动器分别通过内六角紧固螺栓固定在下柔性环(2)上，上端通过螺纹副与柔性联接件(6)相连；上柔性环(3)通过三个支撑点放置在主体(4)上端，并通过内六角螺栓与主体(4)紧固连接；上柔性环(3)和动平台(5)通过内六角螺栓与联接件紧固连接；在下柔性环(2)上固定压电陶瓷驱动器位置的两侧黏贴应变片，底座(1)固定在磨床工作台上。，
2.根据权利要求书1所述一种基于负刚度原理的磨削工艺系统刚度补偿机构，其特征在于：通过应变片测量下柔性环(2)的应变值，得到压电陶瓷驱动器的输出力，其输出力与压电陶瓷驱动器的输出变形量的关系产生负刚度效应，从而对该结构的刚度进行主动调控获取和机床刚度大小相等方向相反的负刚度以补偿磨削工艺系统刚性不足产生的弹性变形量；压电陶瓷驱动器可以同时执行Z方向，绕X，Y轴方向三个自由度的运动控制。
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