CN105127818B - 一种铰链串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串联式椭圆振动切削柔性装置，属于超精密切削加工以及难加工材料复杂光学零件加工技术领域。金刚石刀具安装在串联柔性铰链中，Y向压电叠堆与串联柔性铰链连接，Z向压电叠堆与装置底座连接，位移测量挡板安装在串联柔性铰链上，位移传感器夹座与串联柔性铰链联接，压电叠堆顶板通过紧固螺钉与串联柔性铰链联接，串联柔性铰链由紧固螺钉分别与装置底座联接，电容式位移传感器一安装在位移传感器夹座上，电容式位移传感器二安装在装置底座的孔七上。优点是结构新颖，采用铰链串联的方式，两个压电叠堆驱动之间不存在耦合现象，能够实现椭圆振动切削的精确控制，且铰链设计采用平行式对称方式，计算简单，易于建模。
Description
技术领域
本发明属于微纳与超精密制造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串联式椭圆振动切削柔性装置。
背景技术
随着科技发展，近年来一些精密器械应用中对于精密零件的精度要求也逐渐提高，但是传统的机械加工方式的局限，导致了零件的精度无法发生质的变化，金刚石刀具的出现在一定程度上缓解了这种困境，但是金刚石刀具对于一些含铁金属的加工，其优势不能得到很好的体现，一些特殊的机械加工方式应运而生，振动切削有效利用了机械加工过程中振动的特点，将缺陷加以利用，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，增大了难加工材料的临界切削深度，提高了材料加工效率和零件加工精度。
振动切削于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，后称为一维振动切削，因为其刀具只在一个方向上往复运动，从而导致了一维振动切削中刀具后刀面对已加工工件表面形成熨压，加速了刀具的磨损，古屋大学的社本英二教授等人于1993年首次提出椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting)的概念，也称二维振动切削，刀具的刀尖形成高频的椭圆运动，其间歇的运动方式和摩擦力逆转特点可以很大程度上延长刀具寿命，社本英二教授对一些难加工材料进行了相关试验，例如硬质合金等，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，对于脆性材料可以实现延展性切削等。
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，因此必须针对这些不足之处，研究并提出一种新的椭圆振动切削装置，以实现金刚石切削各种难加工材料及不同面型的需求，获得切削加工最佳的性能。
发明内容
本发明提供一种铰链串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：金刚石刀具安装在采用一体式加工的串联柔性铰链中孔一处，Y向压电叠堆由串联柔性铰链中孔十一内的预紧螺钉连接，Z向压电叠堆由装置底座中孔六内的预紧螺钉连接，位移测量挡板通过紧固螺钉安装在串联柔性铰链中孔二上，位移传感器夹座通过紧固螺钉与串联柔性铰链中孔五A和孔五B联接，压电叠堆顶板通过紧固螺钉与串联柔性铰链中孔四A,孔四B,孔四C,孔四D联接，串联柔性铰链由紧固螺钉通过孔三A,孔三B,孔三C,孔三D分别与装置底座上的孔十A,孔十B,孔十C,孔十D联接，电容式位移传感器一安装在位移传感器夹座上，电容式位移传感器二安装在装置底座的孔七上，并由紧固螺钉通过孔八进行固定。
本发明的串联柔性铰链上的Y向柔性铰链与Z向柔性铰链一和Z向柔性铰链二采取串联的配置方式，每一部分柔性铰链包含的四个小分支间成平行四边形排列。
本发明的装置底座上有四个用于与机床连接的孔九。
本发明的优点的是结新颖，串联式椭圆振动切削柔性装置的串联柔性铰链由线切割一次加工成型，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；串联柔性铰链中的柔性铰链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，柔性装置可以通过装置底座上四个孔安装在任一机床上，适用性较强；由Z向和Y向压电叠堆驱动，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，该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是本发明的结构示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明串联柔性铰链的结构示意图；
图4是本发明装置底座的结构示意图；
图5是本发明压电叠堆顶板的结构示意图；
图6是本发明椭圆运动轨迹参数调整图；
图7是本发明的控制原理框图。
具体实施方式
金刚石刀具3安装在采用一体式加工的串联柔性铰链2中孔一201处，Y向压电叠堆5由串联柔性铰链2中孔十一208内的预紧螺钉连接，Z向压电叠堆4由装置底座1中孔六101内的预紧螺钉连接，位移测量挡板6通过紧固螺钉安装在串联柔性铰链2中孔二202上，位移传感器夹座8通过紧固螺钉与串联柔性铰链2中孔五A207a和孔五B207b联接，压电叠堆顶板9通过紧固螺钉与串联柔性铰链2中孔四A206a,孔四B206b,孔四C206c,孔四D206d联接，串联柔性铰链2由紧固螺钉通过孔三A205a,孔三B205b,孔三C205c,孔三D205d分别与装置底座1上的孔十A105a,孔十B105b,孔十C105c,孔十D105d联接，电容式位移传感器一7安装在位移传感器夹座8上，电容式位移传感器二10安装在装置底座1的孔七102上，并由紧固螺钉通过孔八103进行固定。
本发明的串联柔性铰链2上的Y向柔性铰链203与Z向柔性铰链一204a和Z向柔性铰链二204b采取串联的配置方式，每一部分柔性铰链包含的四个小分支间成平行四边形排列，充分保证了运动的单向性，电容式位移传感器一7,电容式位移传感器二10通过检测位移测量挡板6和压电叠堆顶板9的位移来闭环控制压电叠堆驱动。
本发明的装置底座1上有四个用于与机床连接的孔九104。
下面结合附图进一步说明本发明。
如图1和图2所示，将金刚石刀具3安装在串联柔性铰链2中孔一201处，Y向压电叠堆5由串联柔性铰链2中孔十一208上的预紧螺钉进行预紧，Z向压电叠堆4由装置底座1中孔六101上的预紧螺钉进行预紧，位移测量挡板6通过紧固螺钉安装在串联柔性铰链2中孔二202上，位移传感器夹座8通过紧固螺钉与串联柔性铰链2中孔五A207a和孔五B207b联接，压电叠堆顶板9通过紧固螺钉与串联柔性铰链2中孔四A206a,孔四B206b,孔四C206c,孔四D206d联接，串联柔性铰链2由紧固螺钉通过孔三A205a,孔三B205b,孔三C205c,孔三D205d与装置底座1的孔十A105a,孔十B105b,孔十C105c,孔十D105d联接，电容式位移传感器7一安装在位移传感器夹座8上，电容式位移传感器二10安装在装置底座1的孔七102上，并由紧固螺钉通过孔八103进行固定，完成整个串联式椭圆振动切削柔性装置的装配，串联式椭圆振动切削柔性装置由紧固螺钉通过四个孔九104联接在机床导轨上；给Z向压电叠堆4,Y向压电叠堆5施加驱动信号，给压电叠堆施加的控制信号如下：
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。
压电叠堆的两个驱动信号之间存在一定的相位差，其相位差表示为：
如图6所示，通过调整两个压电叠堆驱动信号间相位差的大小，来调整椭圆的形状和大小，图6中分别给出了时的椭圆运动轨迹。
图7给出了本发明采用的控制系统原理框图，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7，本发明所述装置的具体工作方式如下：
1.将本发明用紧固螺钉安装在数控车床的导轨上，给Z向压电叠堆4,Y向压电叠堆5施加驱动控制信号，通过调整压电叠堆驱动信号的参数(幅值，频率和相位角)，来得到金刚石刀尖理想椭圆轨迹，从而生成椭圆振动切削的主切削运动；
2，将需要加工的工件装夹在机床的主轴上，通过主轴的回转和导轨的运动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；
3.通过超精密的电容式位移传感器一7，检测串联式椭圆振动切削柔性装置上位移测量挡板6的位移，即得到Y向压电叠堆5的实际位移，通过超精密的电容式位移传感器二10，检测串联式椭圆振动切削柔性装置上压电叠堆顶板9的位移，即得到Z向压电叠堆4的实际位移，将采集到的数据反馈到高性能控制器中，通过补偿来修正实际输出位移；
4.通过一个控制器，以实现对主轴转角检测、2个压电叠堆的瞬态位移检测以及椭圆运动轨迹的跟踪控制。
Claims (2)
1.一种铰链串联式椭圆振动切削柔性装置，其特征在于：金刚石刀具安装在采用一体式加工的串联柔性铰链中孔一处，Y向压电叠堆由串联柔性铰链中孔十一内的预紧螺钉连接，Z向压电叠堆由装置底座中孔六内的预紧螺钉连接，位移测量挡板通过紧固螺钉安装在串联柔性铰链中孔二上，位移传感器夹座通过紧固螺钉与串联柔性铰链中孔五A和孔五B联接，压电叠堆顶板通过紧固螺钉与串联柔性铰链中孔四A,孔四B,孔四C,孔四D联接，串联柔性铰链由紧固螺钉通过孔三A,孔三B,孔三C,孔三D分别与装置底座上的孔十A,孔十B,孔十C,孔十D联接，电容式位移传感器一安装在位移传感器夹座上，电容式位移传感器二安装在装置底座的孔七上，并由紧固螺钉通过孔八进行固定；所述串联柔性铰链上的Y向柔性铰链与Z向柔性铰链一和Z向柔性铰链二采取串联的配置方式，每一部分柔性铰链包含的四个小分支间成平行四边形排列。
2.根据权利要求1所述的一种铰链串联式椭圆振动切削柔性装置，其特征在于：所述装置底座上有四个用于与机床连接的孔九。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| OL01 | Intention to license declared | ||
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