CN103433516B - 一种基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，包括刀架、柔性铰链、压电陶瓷驱动器、前置法兰盘、后置法兰盘、柔性连接头、振动传感器和控制器；压电陶瓷驱动器的前端通过柔性连接头与前置法兰盘的后端连接，前置法兰盘的前端与刀架的前端固定连接；压电陶瓷驱动器的后端通过后置法兰盘与刀架的后端固定连接。控制器与振动传感器、压电陶瓷驱动器电连接；柔性铰链的上部分和下部分还分别具有弹性弯曲薄板。本发明在精密车削时，可实现对刀具进行实时在线的位置调节，具有结构简单、刚度大、位移控制精度高、响应速度快、较大的输出力以及功耗低等优点，可有效地抑制车削颤振的发生。

Description

一种基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置

技术领域

本发明涉及车削加工设备技术领域，尤其涉及一种基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置。

背景技术

机械加工是零件制造的一个重要环节，是保证实现工件表面几何形状和位置精度的关键所在。尽管金属切削技术有了许多的进步，但加工精度和加工效率仍然受困于切削过程的不稳定性。切削过程不稳定会导致切削颤振。颤振是一种自激振动，它是由于切削过程的动态特性和机床—刀具—工件系统的模态特性之间的相互作用造成的。在实际加工中，不再认为刀具是绝对刚性的，那么切削时必然会引起刀具的变形。由于刀具既有质量也有刚度，所以会产生振动。如果刀具在切削材料时候发生振动，则工件表面会出现波纹。如何提高车削零件的加工质量和生产效率、降低加工过程中出现的颤振是机械制造业急需解决的问题。

对于车削加工中颤振的抑制，国内外研究人员进行了大量的研究。颤振抑制的类型多种多样，主要分为主动抑制、被动抑制两种方式。主动控制是指在振动控制过程中，根据传感器检测到的振动信号，基于一定的控制策略，经过实时计算，通过驱动作动器对控制目标施加一定的影响，根据不同的工况对控制参数进行在线调整，达到抑制或消除振动的目的。然而该方式成本高稳定性差。

被动控制是通过增加切削系统刚度、阻尼或者附加被动动力吸振器来吸收振动来抑制颤振的方法，来达到车削加工中减振的效果。而该方式的主要缺点是设备经过设计加工后，各项性能参数就已固定，势必受到它所附加在的主系统的自然频率的制约，如有些颤振的发生是由于工件本身模态特性造成的，而工件在切削过程中由于不断有金属被切下来，它的自然频率在不断发生变化，基于它所设计的被动吸振器的吸振效果就会受到限制。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种在切削加工中，控制范围强、适应性强、能够在线控制的颤振抑制系统。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于压电驱动器的车削颤振抑制装置，根据压电材料因电场作用产生机械变形、并且频率响应很高的原理，将其应用于刀架上，在精密车削时，通过对刀具进行实时在线的位置调节，从而有效地抑制车削颤振的发生。

本发明解决上述技术问题的原理和思路是：研究发现，智能材料是指一类能够随外界环境变化进行瞬时主动响应的材料，它可以通过外加的某一刺激信号，改变材料的固有特性，并且具有可控性、可逆性及快速响应等特点。其中，压电材料可以因电场作用产生机械变形，因此基于压电陶瓷等智能材料驱动的快速伺服刀架系统可用于针对由于颤振导致的工件表面纹理缺陷进行主动控制抑制，利用它较高的响应频率，极大提高了振动控制中执行机构的响应速度。同时可通过计算机加载电信号来控制压电材料的动态特性，迅速地改变被控系统对外界的干扰，从而达到抑制颤振的效果。因此，可以设想，基于压电陶瓷驱动等智能材料驱动的快速伺服刀架可以提高加工过程的高频定位精度，同时增强车床装备在刀柄部位的局部刚度以达到抑制精密或超精密加工时的颤振发生的目的。

此外，快速伺服刀架用柔性铰链有如运动平稳、无需润滑、无回退空程、无摩擦、自回复和高精度等特点。因此，利用柔性机构是传递与转化压电驱动器输出力和位移的最适宜的方法。然而，传统的柔性铰链大多是双柔性平行四杆机构，这种机构并不能应用于车削难加工零件加工中。这是因为在进行车削时，刀具受到很大的切削力，切削力分解为三个方向，这就必须要求刀具在每个方向上都要具有较大的刚度，同时整体刀架还需要有较大的一阶自然频率。因此，对于基于压电陶瓷驱动等智能材料驱动的快速伺服刀架，需要配套开发出一种具有很高的结构刚度和一阶自然频率的新型柔性铰链传动机构。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，包括刀架、压电陶瓷驱动器、法兰盘、柔性连接头、振动传感器和控制器；刀架包括外围框架、柔性铰链、设置于柔性铰链中间的传动块；外围框架包括上安装座、下安装座和后安装座；法兰盘包括前置法兰盘和后置法兰盘；压电陶瓷驱动器的前端通过柔性连接头与前置法兰盘的后端连接，前置法兰盘的前端与刀架的前端连接；压电陶瓷驱动器的后端通过后置法兰盘与刀架的后端连接；控制器与振动传感器和压电陶瓷驱动器电连接；柔性铰链的上部分和下部分分别具有一个弹性弯曲薄板。

进一步地，传动块的前端设置有定位凸台，定位凸台用于通过刀具转接头安装刀具，从而保证所装刀具的水平度。

进一步地，刀架上还设置有用于固定传动块的固定块，上安装座和下安装座分别设置有用于连接固定块的螺纹孔，固定块通过螺钉选择性地与刀架固定或松开；当固定块与刀架固定，固定块与柔性铰链的传动块固定；当固定块与刀架松开，固定块与柔性铰链的传动块松开。

优选地，固定块根据控制器通过振动传感器接收到颤振信号的有无，选择性地与刀架固定或松开；当控制器通过振动传感器接收到颤振信号，固定块与刀架松开；当控制器通过振动传感器没有接收到颤振信号，固定块与刀架固定。

进一步地，本装置还包括两块挡板，上安装座和下安装座的两侧边分别设置有螺纹孔，通过螺钉固定两侧的挡板。

挡板用于保护系统内部驱动结构，防止切屑及冷却液进入刀架内部。

进一步地，柔性铰链连接在上安装座和下安装座之间，后安装座连接在上安装座和下安装座之间，后安装座包括两个加强筋，后安装座分别通过两个加强筋与上安装座和下安装座相连。

加强筋用来增加刀架后安装座的轴向刚度。

进一步地，挡板的两侧设置通孔，振动传感器和压电陶瓷驱动器的排线通过通孔被接出以与控制器连接。

进一步地，前置法兰盘还设置第一定位空心圆柱套筒，第一定位空心圆柱套筒的前端柱面与刀架的前端的安装孔配合固定，第一定位空心圆柱套筒的后端柱面与柔性连接头固定连接。

进一步地，后置法兰盘还设置第二定位空心圆柱套筒，第二定位空心圆柱套筒的后端柱面与刀架的后端的安装孔配合固定，第二定位空心圆柱套筒的前端柱面与压电陶瓷驱动器的后端固定连接。

优选地，前置法兰盘和后置法兰盘还分别设置若干个均布螺纹孔，前置法兰盘通过螺钉与柔性连接头、刀架固定连接；后置法兰盘通过螺钉与压电陶瓷驱动器、刀架固定连接。

在本发明的较佳实施方式中，一种基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，包括刀架、压电陶瓷驱动器、前置法兰盘、后置法兰盘、柔性连接头、振动传感器和控制器；刀架包括外围框架、柔性铰链、设置于柔性铰链中间的传动块；压电陶瓷驱动器的前端通过柔性连接头与前置法兰盘的后端连接，前置法兰盘的前端与刀架的前端固定连接；压电陶瓷驱动器的后端通过后置法兰盘与刀架的后端固定连接。前置法兰盘和后置法兰盘还分别设置一定位空心圆柱套筒，用于和柔性连接头、压电陶瓷驱动器保证同心度，从而保证装置整个轴系的同心度。装置的控制器与振动传感器和压电陶瓷驱动器电连接。柔性铰链的上部分和下部分分别具有弹性弯曲薄板，传动块的前端设置有安装刀具的定位凸台。刀架还包括通过外围框架螺钉固定的固定块，该固定块根据控制器通过振动传感器接收到颤振信号的有无，选择性地固定刀架或松开刀架。本装置还设置通过螺钉分别固定与外围框架两侧的挡板，外围框架的后安装座包括两个加强筋，后安装座分别通过两个加强筋与上安装座和下安装座相连。

由此可见，本发明的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，利用压电陶瓷材料的高响应频率，极大提高了振动控制中压电陶瓷驱动器的响应速度。同时通过控制器加载电信号来控制压电陶瓷材料的动态特性，根据压电陶瓷材料因电场作用产生机械变形、并且频率响应很高的原理，将其应用于刀架上，在精密车削时，通过对刀具进行实时在线的位置调节，从而有效地抑制车削颤振的发生。结构简单、刚度大、位移控制精度高、响应速度快、较大的输出力以及功耗低等优点，满足在车削加工系统中进行车削加工颤振抑制的需要。

进一步，本发明还提供了一种应用于该装置的新型柔性铰链结构，通过在柔性铰链的上部分和下部分分别具有弹性弯曲薄板，保证柔性铰链在纵向两个方向上均具有较大的刚度，用于抵抗在车削加工过程中因为切削力的高强度而引起的变形；同时柔性铰链在轴向上具有一定的柔性，使得整体刀架具有较高的一阶自然频率，能够进行高频的驱动。

进一步，本发明为了保证压电陶瓷驱动器的正常和高效的工作状态，设计两块挡板置于刀架两侧，通过螺钉和刀架固定连接，用于保护系统内部驱动结构，特别是压电陶瓷驱动器，防止切屑及冷却液进入刀架内部、保证干燥和洁净的使用环境。为了保证压电陶瓷驱动器在刀削过程中不受到扭矩，一是通过在连接件上加入套筒结构，保证了安装和使用过程中整个轴系的同轴，二是在前置法兰盘和压电驱动器间加入柔性连接头，即使前端受到弯矩或者扭矩，也会被柔性连接头吸收掉，从而保护了压电驱动器。

此外，本发明还增设了固定块，根据控制器通过振动传感器接收到颤振信号的有无，选择性地固定刀架或松开刀架，从而实现：当检测到颤振信号时，固定块松开刀架，控制器控制压电陶瓷驱动器带动刀具进行高频响、微进给的运动，以抑制由于颤振带来的加工误差；当没有检测到颤振信号时，固定块固定刀架，从而固定柔性铰链的传动块，使得刀具不再受到压电驱动器的驱动，从而变成普通刀架，在不同的车削条件下，均能达到良好的车削效果，同时有效提高压电陶瓷驱动器的使用寿命。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置的一个较佳实施例的主视图；

图2是图1中的刀架的三维结构示意图；

图3是应用了挡板的图1所示的本发明的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置的三维结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，包括刀架101、压电陶瓷驱动器102、前置法兰盘103、后置法兰盘104、柔性连接头105、刀具转接头106、刀具107、振动传感器和控制器。其中，刀架101包括外围框架。压电陶瓷驱动器102的前端通过柔性连接头105与前置法兰盘103的后端连接，前置法兰盘103的前端与刀架101的前端固定连接；压电陶瓷驱动器102的后端通过后置法兰盘104与刀架101的后端固定连接。

前置法兰盘103还设置第一定位空心圆柱套筒，所述第一定位空心圆柱套筒的前端柱面与刀架101的前端的安装孔配合固定，所述第一定位空心圆柱套筒的后端柱面与柔性连接头105固定连接，从而保证刀架101、前置法兰盘103和柔性连接头105同轴。

后置法兰盘104还设置第二定位空心圆柱套筒，所述第二定位空心圆柱套筒的后端柱面与刀架101的后端的安装孔配合固定，所述第二定位空心圆柱套筒的前端柱面与压电陶瓷驱动器102的后端固定连接，从而保证刀架101、后置法兰盘104和压电陶瓷驱动器102的同轴。

前置法兰盘103和后置法兰盘104还分别设置若干个均布螺纹孔，所述前置法兰盘103通过螺钉与柔性连接头105、刀架101固定连接；所述后置法兰盘104通过螺钉与压电陶瓷驱动器102、刀架101固定连接。

通过上述刀架101、压电陶瓷驱动器102、前置法兰盘103、后置法兰盘104、柔性连接头105以及第一定位空心圆柱套筒、第二定位空心圆柱套筒的配合，保证本装置的安装和使用过程中整个轴系的同轴。此外，通过在压电陶瓷驱动器102和前置法兰盘103间加入柔性连接头105，即使前端受到弯矩或者扭矩，也会被柔性连接头105吸收掉，从而保护了压电陶瓷驱动器102。其中，柔性连接头可以为柔性材料制得的连接头，也可以为具有柔性结构的连接头。

进一步地，如图2所示，给出了本发明的刀架的三维结构示意图，可以看出，刀架101还包括柔性铰链201，柔性铰链201的上部分和下部分还分别具有第一弹性弯曲薄板202和第二弹性弯曲薄板203，中间为传动块204，传动块204与刀架的上安装座205或下安装座206大致平行。柔性铰链201的上部分和下部分以传动块为分界，上下对称设置。以柔性铰链201的上部分为例，第一弹性弯曲薄板202的一端与柔性铰链201的前端连接，第一弹性弯曲薄板202的另一端与柔性铰链201的后端连接；第一弹性弯曲壁板202与柔性铰链201的前端的连接处靠近传动块204与柔性铰链201的前端的结合点，第一弹性弯曲壁板202与柔性铰链201的后端连接处远离传动块204与柔性铰链201的后端的结合点。第一弹性弯曲薄板呈圆弧形，圆弧形的弯曲方向朝向柔性铰链的前端。第二弹性弯曲薄板203与第一弹性弯曲薄板202以传动块204对称上下设置。该结构保证柔性铰链201在垂直于轴向的两个方向上均具有较大的刚度，用于抵抗在车削加工过程中因为切削力的高强度而引起的变形。同时由于第一弹性弯曲薄板202、第二弹性弯曲薄板203的设置，柔性铰链201在轴向上具有一定的柔性，使得整体刀架101具有较高的一阶自然频率，能够满足压电陶瓷驱动器102的高频驱动。

传动块204的前端设置有定位凸台207，定位凸台207用于通过刀具转接头106安装刀具107，从而保证所装刀具107的水平度。刀架101的外围框架的后安装座208还包括两个加强筋209，后安装座208分别通过两个加强筋209与上安装座205和下安装座206相连，用来增加刀架后安装座208的轴向刚度。

本发明的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，利用压电陶瓷材料的高响应频率，极大提高了振动控制中压电陶瓷驱动器的响应速度。同时通过控制器加载电信号来控制压电陶瓷材料的动态特性，根据压电陶瓷材料因电场作用产生机械变形、并且频率响应很高的原理，将其应用于刀架上，在精密车削时，通过对刀具进行实时在线的位置调节，从而有效地抑制车削颤振的发生。此外，本发明还配合弹性弯曲薄板结构的柔性铰链，具有很高的结构刚度和一阶自然频率，具有结构简单、刚度大、位移控制精度高、响应速度快、较大的输出力以及功耗低等优点，满足在车削加工系统中进行车削加工颤振抑制的需要。

进一步，结合图1，本发明还具有两个固定块108，对称设置在柔性铰链201的两侧，刀架101的外围框架的上安装座205和下安装座206分别设置用于连接固定块108的螺纹孔，固定块108通过螺钉选择性地与刀架101固定或松开；当固定块108与刀架101固定，固定块108与柔性铰链201的传动块204固定；当固定块108与刀架101松开，固定块108与柔性铰链201的传动块204松开。

当然，上述固定块108与刀架101之间的螺钉固定可以人为任意设置，优选地，也可以根据控制器通过振动传感器接收到颤振信号的有无，固定块108选择性地与刀架101固定或松开。当控制器通过振动传感器接收到颤振信号，固定块108与刀架101松开；当控制器通过振动传感器没有接收到颤振信号，固定块108与刀架101固定。

如图3所示，给出了本发明的三维结构示意图，可以看出，本发明还包括两块挡板301，外围框架的上安装座205和下安装座206的两侧边设置螺纹孔，通过螺钉用于固定两侧的挡板301。挡板301用于保护系统内部驱动结构，特别是压电陶瓷驱动器102，防止切屑及冷却液进入刀架内部，保证干燥和洁净的使用环境。

此外，挡板301的两侧还设置通孔302，用于振动传感器和压电陶瓷驱动器102的排线接出以与控制器连接，实现控制器与振动传感器和压电陶瓷驱动器102的电连接。控制器与振动传感器图中未示，其工作模式与传统的车削加工的主动颤振抑制相同，在此不再赘述。

需要补充的是，在优选的状态下，本发明的固定块108工作过程为根据控制器通过振动传感器接收到颤振信号的有无，选择性地固定刀架101或松开刀架101，从而实现：当检测到颤振信号时，固定块108与刀架101和传动块204松开，控制器控制压电陶瓷驱动器102带动刀具107进行高频响、微进给的运动，以抑制由于颤振带来的加工误差；该频率响应高达1KHZ,微进给的位移可低至数十纳米。当没有检测到颤振信号时，固定块108固定刀架101和传动块204，使得刀具107不再受到压电陶瓷驱动器102的驱动，从而变成一普通刀架，在不同的车削条件下，均能达到良好的车削效果，同时有效提高压电陶瓷驱动器102的使用寿命。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，其特征在于，包括刀架、压电陶瓷驱动器、法兰盘、柔性连接头、振动传感器和控制器；

所述刀架包括外围框架、柔性铰链、设置于所述柔性铰链中间的传动块；

所述外围框架包括上安装座、下安装座和后安装座；

所述法兰盘包括前置法兰盘和后置法兰盘；

所述压电陶瓷驱动器的前端通过所述柔性连接头与所述前置法兰盘的后端连接，所述前置法兰盘的前端与所述刀架的前端连接；

所述压电陶瓷驱动器的后端通过所述后置法兰盘与所述刀架的后端连接；

所述控制器与所述振动传感器和所述压电陶瓷驱动器电连接；

所述柔性铰链的上部分和下部分分别具有一个弹性弯曲薄板；

所述刀架上还设置有用于固定所述传动块的固定块，所述上安装座和所述下安装座分别设置有用于连接所述固定块的螺纹孔，所述固定块通过螺钉选择性地与所述刀架固定或松开；当所述固定块与所述刀架固定，所述固定块与所述柔性铰链的所述传动块固定；当所述固定块与所述刀架松开，所述固定块与所述柔性铰链的所述传动块松开。

2.如权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，其中，所述传动块的前端设置有定位凸台，所述定位凸台用于通过刀具转接头安装刀具。

3.如权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，其中，所述固定块根据所述控制器通过所述振动传感器接收到颤振信号的有无，选择性地与所述刀架固定或松开；当所述控制器通过所述振动传感器接收到颤振信号，所述固定块与所述刀架松开；当所述控制器通过所述振动传感器没有接收到颤振信号，所述固定块与所述刀架固定。

4.如权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，其中，还包括两块挡板，所述上安装座和所述下安装座的两侧边分别设置有螺纹孔，通过螺钉固定两侧的所述挡板。

5.如权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，其中，所述柔性铰链连接在所述上安装座和所述下安装座之间，所述后安装座连接在所述上安装座和所述下安装座之间，所述后安装座包括两个加强筋，所述后安装座分别通过两个所述加强筋与所述上安装座和所述下安装座相连。

6.如权利要求4所述的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，其中，所述挡板的两侧设置有通孔，所述振动传感器和所述压电陶瓷驱动器的排线通过所述通孔被接出以与所述控制器连接。

7.如权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，其中，所述前置法兰盘还设置有第一定位空心圆柱套筒，所述第一定位空心圆柱套筒的前端柱面与所述刀架的前端的安装孔配合固定，所述第一定位空心圆柱套筒的后端柱面与所述柔性连接头固定连接。

8.如权利要求1所述的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，其中，所述后置法兰盘还设置有第二定位空心圆柱套筒，所述第二定位空心圆柱套筒的后端柱面与所述刀架的后端的安装孔配合固定，所述第二定位空心圆柱套筒的前端柱面与所述压电陶瓷驱动器的后端固定连接。

9.如权利要求7或8所述的基于压电陶瓷驱动的车削颤振抑制装置，其中，所述前置法兰盘和所述后置法兰盘还分别设置有若干个均布螺纹孔，所述前置法兰盘通过螺钉与所述柔性连接头、所述刀架固定连接；所述后置法兰盘通过螺钉与所述压电陶瓷驱动器、所述刀架固定连接。