CN102229109A - 磨具及采用弹性行波驱动磨具的控制方法 - Google Patents

磨具及采用弹性行波驱动磨具的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磨具及采用弹性行波驱动磨具的控制方法，该磨具包括基座以及置于基座上的磨头，所述磨头的上表面覆盖磨粒层，而磨头的下表面则附着压电陶瓷阵列；所述压电陶瓷阵列设置压电陶瓷驱动输入端口；使用时，通过压电陶瓷驱动输入端口对压电陶瓷阵列施加电压驱动信号U1，以使磨头表面的磨粒层激发出沿圆周方向行进的弹性行波，从而使磨粒层的表面质点产生微幅椭圆运动，以对被加工件进行精密加工；由此可知：本发明依靠磨粒层表面质点的椭圆运动，实现与被加工件加工表面的接触、分离，依靠切向摩擦对加工表面进行多余材料的剥离；避免了由于间隙带来的误差，能够以简单紧凑的结构实现高精度的加工。

Description

磨具及采用弹性行波驱动磨具的控制方法
技术领域
本发明涉及一种磨具及其控制方法，该磨具可以采用弹性行波进行控制，属于超精密加工领域。
背景技术
传统加工方法的加工精度止步于微米级，进一步提高精度主要采用增设各种附加设施以及与之匹配的控制策略和控制方法，这使得系统过于复杂，带来可靠性的降低以及加工和维护成本的大幅上升。其主要原因之一来源于系统中的运动副的固液（气）耦合以及由此带来的间隙和接触状态的不确定性。刀具或工件运动时，由于运动副的间隙导致运动轨迹偏离理想曲线，使设计指标难以达到。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种磨具，其利用压电陶瓷的逆压电效应，在磨具表面产生沿圆周方向行进的弹性行波，依靠表面质点的椭圆运动，实现与加工表面的接触、分离，依靠切向摩擦对加工表面进行多余材料的剥离。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种磨具，包括基座以及置于基座上的磨头，所述磨头的上表面覆盖磨粒层，而磨头的下表面则附着压电陶瓷阵列；所述压电陶瓷阵列设置压电陶瓷驱动输入端口。
进一步地：本发明所述磨头通过压电叠堆支撑在基座上，且压电叠堆设置电压信号输入端口。
本发明的另一个技术目的是采用弹性行波驱动上述磨具的控制方法，其利用压电陶瓷阵列的逆压电效应，通过压电陶瓷驱动输入端口对压电陶瓷阵列施加电压驱动信号U1，以使磨头表面的磨粒层激发出沿圆周方向行进的弹性行波，从而使磨粒层的表面质点产生微幅椭圆运动，以对被加工件进行精密加工；该电压驱动信号U1由两个在空间上具有                                                
Figure 319927DEST_PATH_IMAGE001
相位差的同形振动模态、以时间上具有一定相位差
Figure 201110108233X100002DEST_PATH_IMAGE002
的振动相叠加而成，其中，相位差
Figure 990730DEST_PATH_IMAGE002
的取值介于
Figure 832784DEST_PATH_IMAGE003
。
进一步地：本发明通过电压信号输入端口对压电叠堆施加特定的电压信号U2，使压电叠堆产生纵向伸缩变形，进而带动磨头完成纵向伸缩，实现磨头的进给以及对磨头姿态的调整。
根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果：
1、本发明通过在磨头的上表面覆盖磨粒层，磨头的下表面附着压电陶瓷阵列，并对该压电陶瓷阵列施加电压驱动信号U1，导致磨粒层的表面质点产生微幅椭圆运动；依靠该磨粒层表面质点微幅椭圆运动以及磨粒层与被加工件之间的摩擦作用来使被加工件材料剥离，达到对被加工件进行精密加工的目的。与传统方法比较：此方法没有运动副，避免了由于间隙带来的误差，能够以简单紧凑的结构实现高精度的加工。
2、本发明将磨头通过压电叠堆支撑在基座上，并对压电叠堆施加电压信号U2，使压电叠堆产生纵向伸缩变形，进而带动磨头完成纵向伸缩，实现磨头的进给以及对磨头姿态的调整；压电叠堆的纵向伸缩控制可以实现纳米级微位移，作为刀具的支撑可实现刀具的微位移进给运动。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明沿轴向展开的剖视结构简图（未对压电陶瓷阵列施加电压驱动信号）；
图3是本发明另一个沿轴向展开的剖视结构简图（对压电陶瓷阵列施加电压驱动信号）；
其中：被加工件1  磨具2  磨粒层21  压电陶瓷阵列3  压电陶瓷驱动输入端4  行波行进方向5  表面质点椭圆运动轨迹6  压电叠堆7  基座8。
具体实施方式
        附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明所述的磨具2，包括基座8以及置于基座8上的磨头，所述磨头的上表面覆盖磨粒层21，而磨头的下表面则附着压电陶瓷阵列3；所述压电陶瓷阵列3设置压电陶瓷驱动输入端4口。本发明利用压电陶瓷阵列3的逆压电效应，通过压电陶瓷驱动输入端4口对压电陶瓷阵列3施加电压驱动信号U1，以使磨头表面的磨粒层21激发出沿圆周方向行进的弹性行波，从而使磨粒层21的表面质点产生微幅椭圆运动，以对被加工件1进行精密加工；该电压驱动信号U1由两个在空间上具有
Figure 791775DEST_PATH_IMAGE001
相位差的同形振动模态、以时间上具有一定相位差
Figure 668464DEST_PATH_IMAGE002
的振动相叠加而成，其中，相位差
Figure 553244DEST_PATH_IMAGE002
的取值介于
Figure 882594DEST_PATH_IMAGE003
。施加电压驱动信号U1，就是根据所选模态以及所需要加工的表面，人为地控制驱动信号的大小和周期，以选择通过哪个电压输入端口输入。
本发明所述磨头通过压电叠堆7支撑在基座8上，且压电叠堆7设置电压信号输入端口。则通过电压信号输入端口对压电叠堆7施加特定的电压信号U2，使压电叠堆7产生纵向伸缩变形，进而带动磨头完成纵向伸缩，实现磨头的进给以及对磨头姿态的调整。
通过两个在空间上具有
Figure 642346DEST_PATH_IMAGE001
相位差的同形振动模态，以时间上具有一定相位差
Figure 373542DEST_PATH_IMAGE002
（
Figure 429222DEST_PATH_IMAGE003
）的振动相叠加，可以获得轴对称体上沿周向的行波。在行波的行进过程中，轴对称体表面质点形成椭圆运动（当
Figure 201110108233X100002DEST_PATH_IMAGE004
时，为正椭圆；其它情况下为斜椭圆），将这个表面与工件被加工面以一定的压力相接触，轴对称体表面质点的椭圆运动可使工件的被加工面产生材料剥离，实现对工件的去除材料加工；其基本原理如图2所示，该图为轴对称体工具和工件沿周向展开的一个剖面。
磨具2下表面附着有压电陶瓷阵列3，上表面覆盖有磨粒层21，加工初始，上表面所覆盖的磨粒层21与被加工件1以一定的初始压力相接触，如图2和图3所示。对附着于磨具2下表面的压电陶瓷阵列3施以符合磨具2复合结构某阶弯曲振动模态的交变电压，交变电压即指正弦或余弦电压，可激励磨具2结构产生弯曲振动（即驻波）。两个在空间上具有
Figure 871967DEST_PATH_IMAGE005
（
Figure 201110108233X100002DEST_PATH_IMAGE006
为弯曲驻波的波长）相位差（即空间上
Figure 733613DEST_PATH_IMAGE007
的相位差），且在时间上也具有相位差
Figure 897745DEST_PATH_IMAGE002
的弯曲驻波相叠加，即可合成沿周向的行波。当行波在磨粒层21表面行进时，磨粒层21表面上的质点将产生椭圆运动，如图3所示。质点沿这个轨迹椭圆的运动的方向可以通过激励信号相位差翻转（加
Figure 201110108233X100002DEST_PATH_IMAGE008
或减）控制，轨迹椭圆的大小可以通过调整驱动信号的电压
Figure 257630DEST_PATH_IMAGE009
或频率
Figure 201110108233X100002DEST_PATH_IMAGE010
控制，轨迹椭圆的倾斜角可以通过改变相位差
Figure 657388DEST_PATH_IMAGE002
进行控制（
Figure 363176DEST_PATH_IMAGE004
时，椭圆倾斜角为0）。此外，利用结构上不同阶数的弯曲振动模态，可以合成不同波长和频率的弯曲行波，进而获得不同形状（不同长、短轴比的）轨迹椭圆。这样，就可以通过在压电陶瓷阵列3进行多种激励配置，对激励参数（电压幅值、频率、相位差）进行调整，获得对表面质点运动轨迹的有效控制，实现表面质点切入深度、切入（出）方向、切入速率等加工参数的微观调控，实现超低应力下亚纳米量级去除材料的目的。
通过对压电叠堆7施加特定的电压信号（压电叠堆7是实现偏移和偏角目的的，其中既定的压电叠堆7的伸缩大小与电压有某种关系的，所以施加的特定电压要根据需要伸缩的大小来确定的），可以使其产生微小的伸缩变形，从而驱动磨具2产生微幅的纵向位移，实现刀具的进给动作，此外，通过分别对四个压电叠堆7的电压信号进行控制，使四个叠堆的产生不同的伸缩变形，可实现对刀具姿态的控制及调整。基座8与宏观进给机构连接在一起。
综上可知：本发明所涉及的方法是利用压电陶瓷的逆压电效应，在磨具2表面形成弹性波，使磨具2表面质点产生椭圆运动，再依靠表面质点与工件之间的摩擦作用来实现磨削的超精加工。本发明利用弹性波进行精加工的磨具2是一种上表面覆盖磨粒层21、下表面附着压电陶瓷阵列3的复合结构。压电陶瓷阵列3与基体粘合在一起，磨粒层21通过沉积的方法沉积在压电陶瓷阵列3上面，磨具2通过压电叠堆7与宏观进给机构连接在一起。
利用压电陶瓷的逆压电效应，通过对压电陶瓷阵列3施加特定的电压驱动信号，在磨粒层21激发出沿圆周行进的行波，从而使磨粒层21上的质点产生微幅椭圆运动，依靠质点的椭圆运动及与被加工件1之间的摩擦作用来使材料剥离，达到对被加工件1进行精密加工的目的。
通过对压电叠堆7施加特定的电压信号，可以使叠堆产生微幅的纵向伸缩变形，进而带动磨具2完成纵向的微幅位移，从而实现刀具的进给以及对刀具姿态的精细调整。
压电叠堆7与磨头的连接可以直接粘结（焊接也可以用胶水粘接）。由于压电叠堆7使用的是直流电，而压电陶瓷阵列3采用的是交变电压，所以二者之间不会产生电干涉。
由于压电陶瓷与所施加的电压具有固有的正关系，即随着电压的增加，压电陶瓷会相应的伸长。这种固有的正关系是有陶瓷本身的结构与材料确定的。
压电叠堆7的主要作用是用来实现微进给的。进给分为两种：一种为纵向位移，根据所需产生的纵向位移的大小，根据压电陶瓷与电压固有的正关系，计算出所需施加的电压，给四个压电堆栈施加相同的电压，即可实现纵向的位移；第二种为偏角的实现，偏角的实现是根据偏角的大小计算出各个压电堆栈所需要伸长的位移，然后根据压电陶瓷与电压的正关系，计算各自的施加电压，然后分别施加电压，即可实现偏角的目的。

Claims (4)

1.一种磨具，包括基座以及置于基座上的磨头，其特征在于：所述磨头的上表面覆盖磨粒层，而磨头的下表面则附着压电陶瓷阵列；所述压电陶瓷阵列设置压电陶瓷驱动输入端口。
2.根据权利要求1所述的磨具，其特征在于：所述磨头通过压电叠堆支撑在基座上，且压电叠堆设置电压信号输入端口。
3.一种采用弹性行波驱动权利要求1所述磨具的控制方法，其特征在于：利用压电陶瓷阵列的逆压电效应，通过压电陶瓷驱动输入端口对压电陶瓷阵列施加电压驱动信号U1，以使磨头表面的磨粒层激发出沿圆周方向行进的弹性行波，从而使磨粒层的表面质点产生微幅椭圆运动，以对被加工件进行精密加工；该电压驱动信号U1由两个在空间上具有                                                
Figure 201110108233X100001DEST_PATH_IMAGE001
相位差的同形振动模态、以时间上具有一定相位差的振动相叠加而成；其中，相位差
Figure 424456DEST_PATH_IMAGE002
的取值介于
Figure 201110108233X100001DEST_PATH_IMAGE003
。
4.根据权利要求3所述采用弹性行波驱动的磨具的控制方法，其特征在于：通过电压信号输入端口对压电叠堆施加特定的电压信号U2，使压电叠堆产生纵向伸缩变形，进而带动磨头完成纵向伸缩，实现磨头的进给以及对磨头姿态的调整。
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