CN105195766A - 压电陶瓷驱动微进给刀架 - Google Patents

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Abstract

一种压电陶瓷驱动微进给刀架，包括刀架基体前端刀具基座内紧固的金刚石刀具，刀架基体中部设有空腔，压电陶瓷驱动器置于该空腔中并在刀架基体尾部被紧固。刀架基体两侧边设有对称布置的安装孔。刀架基体前部还设有工字形通孔与L形通孔。刀架基体前侧边设有对称的凹进与工字形通孔四角上凸边i以及与L形通孔的长边两端上设有的凸边ii形成对称平行布置的柔性铰链。其特征在于：压电陶瓷驱动器的前端顶紧对称式位移缩小机构。这种技术方案的应用，能够缩小输出位移，使刀具具备高分辨率、高定位精度、高刚度、高固有频率的特点，切削加工效果显著，结构简单，制造成本低廉，适合在超精密加工领域推广。还可用于误差在线补偿和加工复杂曲面等其他用途。

Description

压电陶瓷驱动微进给刀架
技术领域
本发明专利涉及一种压电陶瓷驱动刀架。
背景技术
近年来，随着国防工业、航空航天技术、微电子技术、信息技术、计算机技术、机器人技术、光学技术、生物医学技术等高新技术的快速发展和广泛应用，各个领域对产品的加工精度和表面质量以及加工效率都提出了更高的要求，精密、超精密加工已经成为了发展和生产高新技术产品必不可少的关键技术，更是一个国家综合国力和科学技术发展水平的重要标志。与普通车削相比，微进给刀架机构具有切削力减小、切削热降低、工件表面质量提高、精度提高、加工稳定、生产率高等优点，解决了工件加工精度和表面质量问题。
现有技术中的微进给刀架，多为直接驱动式微进给刀架，它采用压电陶瓷驱动器作为激励源，直接驱动微进给刀架的刀具基座进行微进给，从而带动固定在刀具基座前端的金刚石刀具实现往复进给运动。但是压电陶瓷驱动器存在着迟滞、蠕变、非线性等缺点，降低了其定位和跟踪精度。而且微进给刀架机构必须具备很高的系统刚度以及固有频率，以减小机床震动、切削过程中刀具和材料属性的变化以及由切削力引起的静态和动态变形等因素对其加工精度的影响，否则，工件与刀具之间的相对位置发生了微幅变动，最终使工件表面粗糙度增大、表面质量降低。
发明内容
为克服现有技术中所存在的缺陷，本发明提出以下技术解决方案：一种压电陶瓷驱动微进给刀架，包括刀架基体前端刀具基座内紧固的金刚石刀具，刀架基体中部设有空腔，压电陶瓷驱动器置于该空腔中并在刀架基体尾部被紧固。刀架基体两侧边设有对称布置的安装孔。刀架基体前部还设有工字形通孔与L形通孔。刀架基体前侧边设有对称的凹进与工字形通孔四角上凸边i以及与L形通孔的长边两端上设有的凸边ii形成对称平行布置的柔性铰链。其特征在于：压电陶瓷驱动器的前端顶紧对称式位移缩小机构。该机构的结构为：L形通孔短边两端各自设有凸边iii与凸边iv。对称的两个L形通孔之间还设有相互对称的U形窄通孔，该U形窄通孔短的一边端头设有与凸边iv方向相对的凸边v而长的一边端头设有与凸边v方向相同的凸边vi与凸边vii。空腔的前部与对称分布的J形窄通孔相连，该J形窄通孔下勾头端设有与凸边iii方向相反的凸边viii而J形窄通孔横边端头设有与凸边vi以及凸边vii相对应而方向相反的凸边ix与凸边x。凸边iii、凸边iv、凸边v、凸边vi、凸边viii、凸边ix的中心均与垂直线M-N相重合。金刚石刀具被两只螺栓紧固在刀架基体前端刀具基座内。金刚石刀具为内嵌式安装。压电陶瓷驱动器被设在刀架基体后端的螺钉紧固。刀架基体两侧边设有对称布置的安装孔为每侧各4个。压电陶瓷驱动器为球头式自感知压电陶瓷驱动器。所有凸边均设为圆弧形，或者方形、梯形、椭圆形。
采用上述技术方案的本发明压电陶瓷微进给刀架，通过一种简单的对称式位移缩小结构的应用，能够缩小输出位移，使刀具具备高分辨率、高定位精度、高刚度、高固有频率的特点，切削加工效果显著，结构简单，制造成本低廉，适合在超精密加工领域推广。还可用于误差在线补偿和加工复杂曲面等其他用途。
附图说明
图1为本发明一种压电陶瓷驱动微进给刀架的立体图；
图2为本发明一种压电陶瓷微进给刀架机构的主视图；
图3为图7的E—E剖面视图；
图4为图2的B-B半剖面视图；
图5为图2的C-C剖面视图；
图6为图2的D-D半剖面视图；
图7为图2的A-A剖面视图；
图8为图2中的Ⅰ部放大视图。
具体实施方式
从附图可以看出本发明的采用的结构是球头式自感知压电陶瓷驱动器提供输出位移，通过对称式位移缩小机构传递位移的方式而实现超精密切削加工。压电陶瓷驱动器可以提供不同要求的位移输出。这种压电陶瓷微进给刀架，包括刀架基体6前端刀具基座3内紧固的金刚石刀具2，本案例中金刚石刀具2被两只螺栓1紧固在刀架基体6前端刀具基座3内。金刚石刀具2为内嵌式安装，以减小运动部分质量，提高系统动态性能。刀架基体6中部设有空腔9。压电陶瓷驱动器8置于该空腔9中并在刀架基体6尾部被紧固，本案例中压电陶瓷驱动器8被设在刀架基体6后端的螺钉5紧固。刀架基体6两侧边设有对称布置的安装孔7，本案例中刀架基体6两侧边设有对称布置的安装孔7为每侧各4个。本案例中压电陶瓷驱动器8为球头式自感知压电陶瓷驱动器。驱动器类型可根据需要改变。刀架基体6前部还设有工字形通孔10与L形通孔11。刀架基体6前侧边设有对称的凹进12与工字形通孔10四角上的凸边i-13以及与L形通孔11的长边两端上设有的凸边ii-14形成对称平行布置的柔性铰链4。它的特点是：压电陶瓷驱动器8的前端顶紧对称式位移缩小机构，该机构的结构为：L形通孔11短边两端各自设有凸边iii-15与凸边iv-16。对称的两个L形通孔11之间还设有相互对称的U形窄通孔17，该U形窄通孔17短的一边端头设有与凸边iv-16方向相对的凸边v-18而长的一边端头设有与凸边v-18方向相同的凸边vi-19与凸边vii-20。空腔9的前部与对称分布的J形窄通孔21相连，该J形窄通孔21下勾头端设有与凸边iii-15方向相反的凸边viii-22而J形窄通孔21横边端头设有与凸边vi-19以及凸边vii-20相对应而方向相反的凸边ix-23与凸边x-24。凸边iii-15、凸边iv-16、凸边v-18、凸边vi-19、凸边viii-22、凸边ix-23的中心均与垂直线M-N相重合。这种方法可以有效降低运动过程中能量的损失。成对布置的而方向相反的凸边vi-19、凸边vii-20与凸边ix-23、凸边x-24的目的是减小缩小机构的结构反力，同样有效降低运动过程中能量损失。U形窄通孔17、J形窄通孔21的形状和尺寸可根据需要适当更改。本案例中所有凸边均为圆弧形，可以根据需要将其设计成方形、梯形、椭圆形等形式。
本案例中位移缩小机构为对称式位移缩小机构，其对称轴与直线F-H重合，以使输入位移可以通过两边的运动链同时进行传递，这使得该位移缩小机构不仅具有较高的刚度而且在理论上可以完全消除附加位移，以保证输出位移的精确性。图2中的I部表示对称式位移缩小机构在刀架基体6上的位置，而图8是这个部份的放大图。刀具基座3通过一对对称式平行柔性铰链4与刀架基体6相连，可以使刀具基座3受到对称式位移缩小机构传递位移时，缩小输入位移以实现高精度、高分辨率的直线位移，从而带动刀具2实现高精度、高分辨率的微进给运动。对称式位移缩小机构与压电陶瓷驱动器8相连接，接收压电陶瓷驱动器8的输出位移，通过提高输出位移的分辨率、定位精度以及刀具的系统的刚度，从而获得良好的加工效果，特别是在微细加工中可有效提高工件的加工质量。
综上所述，本发明的压电陶瓷微进给刀架机构，利用了压电陶瓷驱动器的逆压电效应。球头式自感知压电陶瓷驱动器通过对称式位移缩小机构与刀具基座相连接，在其进行微进给时，准确带动金刚石刀具进行微进给，从而实现超精密切削加工。

Claims (10)

1.一种压电陶瓷驱动微进给刀架，包括刀架基体(6)前端刀具基座(3)内紧固的金刚石刀具(2)，所述刀架基体(6)中部设有空腔(9)，压电陶瓷驱动器(8)置于该空腔(9)中并在刀架基体(6)尾部被紧固，所述刀架基体(6)两侧边设有对称布置的安装孔(7)，所述刀架基体(6)前部还设有工字形通孔(10)与L形通孔(11)，所述刀架基体(6)前侧边设有对称的凹进(12)与所述工字形通孔(10)四角上凸边i(13)以及与L形通孔(11)的长边两端上设有的凸边ii(14)形成对称平行布置的柔性铰链(4)，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器(8)的前端顶紧对称式位移缩小机构，该机构的结构为：所述L形通孔(11)短边两端各自设有凸边iii(15)与凸边iv(16)，所述对称的两个L形通孔(11)之间还设有相互对称的U形窄通孔(17)，该U形窄通孔(17)短的一边端头设有与所述凸边iv(16)方向相对的凸边v(18)而长的一边端头设有与所述凸边v(18)方向相同的凸边vi(19)与凸边vii(20)，所述空腔(9)的前部与对称分布的J形窄通孔(21)相连，该J形窄通孔(21)下勾头端设有与所述凸边iii(15)方向相反的凸边viii(22)而所述J形窄通孔(21)横边端头设有与所述凸边vi(19)以及凸边vii(20)相对应而方向相反的凸边ix(23)与凸边x(24)；所述凸边iii(15)、凸边iv(16)、凸边v(18)、凸边vi(19)、凸边viii(22)、凸边ix(23)的中心均与垂直线M-N相重合。
2.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动微进给刀架，其特征在于：所述金刚石刀具(2)被两只螺栓(1)紧固在所述刀架基体(6)前端刀具基座(3)内。
3.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动微进给刀架，其特征在于：所述金刚石刀具(2)为内嵌式安装。
4.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动微进给刀架，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器(8)被设在刀架基体(6)后端的螺钉(5)紧固。
5.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动微进给刀架，其特征在于：所述刀架基体(6)两侧边设有对称布置的安装孔(7)为每侧各4个。
6.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动微进给刀架，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器(8)为球头式自感知压电陶瓷驱动器。
7.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动微进给刀架，其特征在于：所述凸边均为圆弧形。
8.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动微进给刀架，其特征在于：所述凸边均为方形。
9.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动微进给刀架，其特征在于：所述凸边均为梯形。
10.根据权利要求1所述的压电陶瓷驱动微进给刀架，其特征在于：所述凸边均为椭圆形。
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