CN103611947A - 一种铰链并联式椭圆振动切削柔性装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铰链并联式椭圆振动切削柔性装置，属于超精密切削加工以及难切削材料复杂光学零件加工技术领域。压电叠堆一和压电叠堆二分别通过预紧螺钉安装在一体式柔性铰链上的孔一和孔二中，位移测量挡板一和位移测量挡板二分别通过紧固螺钉与一体式柔性铰链的两个位移测量挡板安装孔固定连接，电容式位移传感器一和电容式位移传感器二分别对应安装在位移传感器夹座一和位移传感器夹座二上，金刚石刀具与一体式柔性铰链前端的凹槽固定连接。优点是可以精确实现金刚石刀尖在空间的椭圆轨迹，且参数调整范围较大，柔性装置可以安装在任意机床上，具有一定的普遍性。

Description

一种铰链并联式椭圆振动切削柔性装置
技术领域
本发明属于超精密切削加工以及难切削材料复杂光学零件加工技术领域，特别是涉及一种铰链并联式椭圆振动切削柔性装置。
背景技术
近年来随着科技快速发展，一些精密零件应用领域对于零件的加工精度要求也越来越高，金刚石刀具的应用对于提高高精密零件加工精度起到重要作用，但传统加工工艺限制，在加工含铁金属材料的时候，刀具磨损过快导致了零件加工精度难以有很大的提高，对于难加工材料的精密加工亟需在加工方法上有所突破，振动切削正是基于此需要而产生，振动切削将加工过程中的振动加以利用，其独特的间歇性切削方式有效避免了金刚石刀具的快速磨损，延长了刀具的使用寿命，提高了零件加工精度。
振动切削自1966年成功应用在难加工材料的切削而受到全世界学者的广泛关注，但是在加工过程中刀具后刀面具有的熨压特性，无法在延长刀具寿命方面有很大的提高，1993年名古屋大学的社本英二教授等人首次提出椭圆振动切削（EllipticalVibration Cutting）的概念，同时对于一些难加工材料例如硬质合金等，进行了相关试验，研究的结果表明，椭圆振动切削可以抑制加工过程中的颤振，很大程度上减小了切削力，减少刀具磨损，延长刀具寿命，提高零件的表面加工质量，对于脆性材料可以试验延展性切削等。
国内外目前针对椭圆振动切削的研究主要有日本的神户大学和名古屋大学，德国的Bremen大学，美国North Carolina大学和西北大学，新加坡国立大学，国内的吉林大学，北京航空航天大学，香港理工大学，厦门大学，河南理工大学等。研究涉及到的主要有椭圆振动切削装置，椭圆振动切削路径，椭圆振动切削控制，椭圆振动切削难加工材料塑脆转变性能，椭圆振动切削微沟槽加工性能等。
椭圆振动切削装置的研究主要分为压电片换能器超声振动型装置和压电驱动柔性铰链型非共振型装置。前者属于共振型装置，其主要的特点是在加工的过程中能够实现较高的频率，根据目前资料统计，椭圆振动切削加工频率最高可达到60KHZ，但是共振型的椭圆振动切削装置也存在一些内在的缺陷，例如在加工过程中需要根据装置本身的固有频率实现共振，进而进行切削加工，这样一来，加工的频率就不可调整，同时各阶振型之间容易产生耦合，控制的难度较大，所以在装置的设计方面，非共振型椭圆振动切削装置逐渐受到研究人员的关注，非共振型椭圆振动切削装置一般是由压电叠堆驱动柔性铰链而成，柔性铰链的形状、尺寸大小以及分配方式都对椭圆振动切削的效果有所影响。根据柔性铰链的分配方式来合成金刚石刀尖的椭圆轨迹，目前设计的椭圆振动切削装置可以生成二维的椭圆运动轨迹和三维的椭圆运动轨迹，不同的轨迹可以加工的范围不同，椭圆振动切削非共振型装置根据目前的文献记载，由柔性铰链并联式和柔性铰链串联式两种。
目前已有的非共振椭圆振动切削装置专利可查的有：专利（CN102078967A）提及的一种混频三维椭圆振动切削方法，采用的是并联式的柔性铰链，采用压电叠堆进行驱动，该并联式装置由于其各个运动轴之间呈直角分布，容易产生运动耦合，控制起来很困难。专利（CN102059575A）提及的椭圆切削装置，采用的是串联式的柔性铰链，但是在设计过程中，动部件的质量较大，难以实现高频切削，参数调整的范围有限，对于可匹配加工的机床要求较高，不具有普遍性。专利（CN102371359A）提及的一种三维椭圆振动切削装置也同样具有上述局限。
综上所述，现有的非共振椭圆振动切削装置还存在着一些不足。
发明内容
本发明提供一种铰链并联式椭圆振动切削柔性装置，从而实现难加工材料的超精密切削加工。
本发明采取的技术方案是：
压电叠堆一和压电叠堆二分别通过预紧螺钉安装在一体式柔性铰链上的孔一和孔二中，位移测量挡板一和位移测量挡板二分别通过紧固螺钉与一体式柔性铰链的两个位移测量挡板安装孔固定连接，电容式位移传感器一和电容式位移传感器二分别对应安装在位移传感器夹座一和位移传感器夹座二上，该位移传感器夹座一和位移传感器夹座二分别与一体式柔性铰链外侧固定连接，金刚石刀具与一体式柔性铰链前端的凹槽固定连接。
本发明所述一体式柔性铰链上两个并联式柔性铰链一和柔性铰链二采用直圆形铰链，且单个柔性铰链中包含的四个小分支间成平行四边形排列，形成单自由度封闭系统。
本发明一体式柔性铰链上有与机床联接孔。
本发明采用并联式一体式柔性铰链，极大的减少了加工装配误差，可以精确实现金刚石刀尖在空间的椭圆轨迹，且参数调整范围较大，柔性装置可以安装在任意机床上，具有一定的普遍性。
本发明的优点是：
（1）本发明采取的柔性铰链一体式加工而成，整体结构相对简单，易于制造，且很大程度上减小了由于装配造成的误差，柔性装置的体积小，质量小，易于实现柔性装置的高频加工。
（2）本发明全部采用平行四边形柔性铰链，能够充分保证运动的单向性，柔性装置可以通过柔性铰链1中底座上的螺纹孔安装在任一机床上，适用性较强。
（3）本发明由两个压电叠堆驱动，采取的是非共振的方式，椭圆参数可以由压电叠堆驱动信号来进行调整空间椭圆的位置。
（4）本发明中两个压电叠堆驱动分别驱动独立的柔性铰链，相互之间不存在耦合，能够实现柔性装置较高的控制精度。
附图说明
图1是本发明整体装配右轴测图；
图2是本发明整体装配左轴测图；
图3是本发明一体式柔性铰链的轴测图；
图4是本发明运动轨迹生成图；
图5是本发明的控制框图。
具体实施方式
压电叠堆一3和压电叠堆二4分别通过预紧螺钉安装在一体式柔性铰链1上的孔一104和孔二105中，位移测量挡板一7和位移测量挡板二8分别通过紧固螺钉与一体式柔性铰链1的两个位移测量挡板安装孔103固定连接，电容式位移传感器一5和电容式位移传感器二6分别对应安装在位移传感器夹座一9和位移传感器夹座二10上，该位移传感器夹座一9和位移传感器夹座二10分别与一体式柔性铰链1外侧固定连接，金刚石刀具2与一体式柔性铰链1前端的凹槽固定连接。
本发明所述一体式柔性铰链1上两个并联式柔性铰链一101和柔性铰链二102采用直圆形铰链，且单个柔性铰链中包含的四个小分支间成平行四边形排列，形成单自由度封闭系统。
本发明一体式柔性铰链上有与机床联接孔106。
如图1和图2所示，将本发明通过紧固螺11钉联接在机床导轨上，给压电叠堆一和压电叠堆二施加驱动信号，使金刚石刀具2的刀尖产生高频的椭圆运动，压电叠堆时间的控制信号如下：
Figure BDA0000415869620000041
其中A1,A2为压电叠堆驱动信号的幅值，w为压电叠堆驱动信号的频率，为压电叠堆驱动信号的相位角。
如图4所示，两个压电叠堆驱动信号存在一定的相位差，在驱动的过程中，压电叠堆伸缩的长度存在差异，金刚石刀具的刀尖在压电叠堆驱动所在平面产生椭圆轨迹，
图5给出了本发明采用的控制系统框图，其中主要包括有：机床，工件，回转光栅，接口板，金刚石刀具，压电叠堆，功率放大器，高性能控制器以及电容式位移传感器。
根据图1-图5，本发明所述装置的具体实施方式如下：
1，将工件装夹在机床的主轴上，通过主轴的回转来实现工件圆周进给运动，通过回转光栅采集主轴的瞬态转角。
2.将本发明安装在数控车床的导轨上，给两个压电叠堆驱动施加控制信号，通过调整压电叠堆施加信号的参数（幅值，频率和相位角），使金刚石刀尖产生理想的椭圆轨迹，生成椭圆振动切削的主切削运动。
3.通过电容式位移传感器，检测压电叠堆的实际位移，通过反馈到高性能控制器，来修正实际输出位移。
4.通过控制器，以实现对主轴转角检测、2个驱动元件的瞬态位移检测以及椭圆运动轨迹的跟踪控制。

Claims (3)

1.一种铰链并联式椭圆振动切削柔性装置，其特征在于：压电叠堆一和压电叠堆二分别通过预紧螺钉安装在一体式柔性铰链上的孔一和孔二中，位移测量挡板一和位移测量挡板二分别通过紧固螺钉与一体式柔性铰链的两个位移测量挡板安装孔固定连接，电容式位移传感器一和电容式位移传感器二分别对应安装在位移传感器夹座一和位移传感器夹座二上，该位移传感器夹座一和位移传感器夹座二分别与一体式柔性铰链外侧固定连接，金刚石刀具与一体式柔性铰链前端的凹槽固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种铰链并联式椭圆振动切削柔性装置，其特征在于：所述一体式柔性铰链上两个并联式柔性铰链一和柔性铰链二采用直圆形铰链，且单个柔性铰链中包含的四个小分支间成平行四边形排列，形成单自由度封闭系统。
3.根据权利要求1所述的一种铰链并联式椭圆振动切削柔性装置，其特征在于：所述一体式柔性铰链上有与机床联接孔。
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