CN106239275A - 一种用于超声加工平台的简易快速自动调平装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超声加工平台的简易快速自动调平装置及方法。该装置包括一可调工作台、一固定底座、一中心支杆、至少三个外围支杆、一夹紧机构以及一驱动机构。其中，中心支杆的上端通过万向节与可调工作台的底部连接，下端穿过固定底座上对应的通孔并与驱动机构连接，通过驱动机构实现中心支杆的上下运动；外围支杆的上端与可调工作台的底部接触，下端穿过固定底座上对应的通孔，在可调工作台以万向节为支点进行摆动时，外围支杆能够随可调工作台的摆动而向上或向下运动；夹紧机构实现对外围支杆的夹紧或松开。本发明的简易自动调平装置及方法，能够实现超声加工工作台和工具头的快速、简便、廉价、高精度地调平。

Description

一种用于超声加工平台的简易快速自动调平装置及方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种用于超声加工平台的简易快速自动调平装置及方法。

背景技术

微细超声加工技术是通过工具头的超声振动带动研磨液中的微小磨粒冲击工件表面而加工出所需要微结构的一种特种加工方法。工具头对工件的宏观作用力和热影响小、且工件不受材料是否导电的限制，该技术可广泛应用于各种硬脆材料的加工。实际生产中，为了提高加工效率，超声加工工具头的尺寸逐渐增大，对加工中保持工具头和工作台平行度的要求也越来越严格。如果平行度差，将严重影响工件表面的加工精度。有文献表明，当工具头和工件之间的间隙超过磨粒尺寸时(一般为3-5μm)，将出现无法加工的情况。

现有的调平方式是通过多次压敏纸试压实验，微调工作台的高度来实现工具头和工件之间平行度的逐渐减小，调平过程耗时、精度低，严重影响了超声加工工艺的效率。采用商业化的传感器(如线扫描激光和接触式传感器)，配合自动电动调平工作台，实现精度在3μm以下的调平精度时，设备非常复杂，价格非常昂贵。

为了实现微细超声加工技术的产业化，探索一种快速、简便、廉价、高精度(<3μm)的调平装置及方法具有重要意义。

发明内容

为了实现快速、简便、廉价、高精度的调平，本发明提供一种用于超声加工的简易自动调平装置及方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于超声加工平台的简易自动调平装置，包括一可调工作台、一固定底座、一中心支杆、至少三个外围支杆、一夹紧机构以及一驱动机构；其中：

所述中心支杆和所述外围支杆位于所述可调工作台下方，所述中心支杆位于中心位置，所述外围支杆均匀分布于所述中心支杆的周围；

所述固定底座位于所述可调工作台下方，其上设有与所述中心支杆和所述外围支杆对应的通孔；

所述中心支杆的上端通过万向节与所述可调工作台的底部连接，所述中心支杆的下端穿过所述固定底座上对应的通孔并与所述驱动机构连接，通过所述驱动机构实现所述中心支杆的上下运动；

所述外围支杆的上端与所述可调工作台的底部接触，所述外围支杆的下端穿过所述固定底座上对应的通孔；在所述可调工作台以所述万向节为支点进行摆动时，所述外围支杆能够随所述可调工作台的摆动而向上或向下运动；

所述夹紧机构实现对所述外围支杆的夹紧或松开。

进一步地，所述外围支杆含有弹簧，所述弹簧位于所述可调工作台和所述固定底座之间；所述外围支杆通过所述弹簧实现随所述可调工作台的摆动而向上或向下运动。

进一步地，所述外围支杆的下端连接一驱动装置，通过该驱动装置实现所述外围支杆随所述可调工作台的摆动而向上或向下运动。

进一步地，所述可调工作台的底部固定有转接板，其下表面和外围支杆的顶端接触，所述转接板采用高硬度和高耐磨性的材料。

一种采用上述装置的超声加工平台自动调平方法，包括以下步骤：

1)通过驱动机构使中心支杆沿轴向向上移动至顶端，限制其轴向向下的位移；

2)将位于可调工作台中心附近的工具头向下移动，至接触可调工作台，并通过自适应实现工具头下端面和可调工作台表面的贴合，实现调平；

3)通过夹紧机构将外围支杆夹紧，使其轴向固定，以限制可调工作台的轴向向下的位移；

4)通过驱动机构对中心支杆施加一足够大的轴向向下的力，以限制可调工作台的轴向向上的位移。

本发明的有益效果如下：

本发明的简易自动调平装置及方法，能够实现超声加工工作台和工具头的快速、简便、廉价、高精度地调平。

附图说明

图1是本发明的简易自动调平装置的结构示意图。

图2是实施例中调平装置的整体装配图。

图3是可调工作台三维图。

图4A是转接板三维图，图4B是转接板在可调工作台上的放置方式示意图。

图5是固定底座三维图。

图6是球头支杆三维图。

图7是夹紧机构三维图。

图8是中心支杆三维图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本发明的用于超声加工平台的简易自动调平装置的结构如图1所示，其包含三个球头支杆7(球头支杆属于本发明的“外围支杆”的一种实现形式)，成120°分布于工作台3的下方，其穿过固定底座5上的通孔，并通过弹簧4与固定底座5相连，在弹簧弹力的作用下处于悬空的状态。夹紧机构6通过螺钉与固定底座5相连，可以通过紧固旋钮(图中未画出)夹紧球头支柱7，实现其垂直方向的固定。中心支杆8的上端通过万向节2和工作台3的底端连接，保证工作台可以绕着中心点任意方向转动，下端通过浮动接头9和底端的气缸10相连，通过气缸10实现中心支杆8的上下运动。

利用上述装置实现的整个调平过程分四步：首先，通过气缸10顶起中心支杆8，并将其底部沿轴向固定；然后，下移位于工作台中心附近的超声工具头1直至接触，实现工具头1的底端和工作台3的上表面自动贴合实现调平；接下来，通过拧旋钮实现夹紧机构6对球头支柱7的轴向固定，通过三个球头支柱7的轴向固定限制了工作台3的轴向向下的位移；最后，通过气缸10给中心支杆一足够大的轴向向下的力，限制了工作台3的轴向向上的位移，实现工作台的调平。该装置结构简单、操作便捷、调平精度高。

图2为一个具体实例的调平装置整体装配图。该装置包括一个可调工作台3、三个转接板11、一个固定底座5、三个球头支杆7、夹紧机构6、一个中心支杆8和气缸10，中心支杆的上端和可调工作台通过万向节连接，中心支杆的下端通过浮动接头与气缸的输出轴连接。

1)可调工作台

可调工作台3如图3所示(底部朝上)，包含：工作台本体；设置在工作台底部的若干盲孔，用于固定转接板；工作台底部中心设置有正方形凹槽，用于安装万向节。

2)转接板

可调工作台的下表面设有转接板11。图4A为单个转接板的示意图，其包含若干通孔，通过螺钉和上面可调工作台紧固，在调平过程中，其下表面保持和球头支杆的顶端接触。

图4B为转接板11在可调工作台3上的放置方式示意图，三个转接板成120°分布于可调工作台的下表面。具体实施例中，可调工作台可以采用铝合金，加装转接板能够提高其和球头支杆接触部位的硬度和耐磨性。另外转接板采用金属材料(如钢铁材料)，并通过淬火处理能够提高其硬度、刚度和耐磨性，减少调平过程中的变形。

需要说明的是，转接板并非本发明必需的部件，也可以不设置转接板，使球头支杆与可调工作台的下表面接触。

3)固定底座

如图5所示，固定底座5包含：固定底座本体；设置在底座上的若干通孔，用于插入中心支杆和球头支杆，及与球头支杆相配合的直线轴承；设置在底座上的若干盲孔，用于固定球头支杆的夹持块。

4)球头支杆

如图6所示，球头支杆7包括：

球头支柱71，与导向立柱螺纹链接，上表面为球形，保证与不同角度的平台面之间能够一直紧密贴合；

导向立柱72，与直线轴承装配，保证球头支柱不能径向移，只能轴向运动；

直线轴承73，固定在固定底座上的通孔处，并与导向立柱装配，保证球头支柱不能径向偏移，只能轴向运动；

压缩弹簧74，套在导向立柱外部，球头支柱与直线轴承之间，对导向立柱的轴向移动施加向上的驱动力；

垫圈75，安装在弹簧上下两个端面，为弹簧提供受力支持。

5)夹紧机构

如图7所示，夹紧机构6包括：

夹持块61，其一端开有两个通孔，并通过螺钉固定在上面的固定底座下；夹持块的另一端沿着垂直方向开有2-4mm宽的平面沟槽，并在其沟槽中钻有通孔，以实现球形支柱的插入；夹持块在垂直于沟槽平面方向开有螺纹通孔；

旋钮62，其端部的螺纹插入夹持块的螺纹孔中，并通过旋转旋钮实现对球头支杆的夹紧；

6)中心支杆

如图8所示，中心支杆8包括：

导向立柱81，其上端与万向节连接，并与直线轴承装配，保证中心支杆不能径向偏移，只能轴向运动；

直线轴承82，固定在固定底座上的中心通孔处，并与导向立柱装配，保证中心支杆不能法向偏移，只能轴向运动。

7)万向节、浮动接头与气缸

所述万向节采用标准件，分别与工作台下端和中心支杆上段相连，实现调平过程中工作台可任意角度的转动。

所述浮动接头采用标准件，分别与中心支杆下端和气缸输出轴端相连，防止气缸将上推动中心杆时因轴向偏差而产生卡死现象。

所述气缸采用标准件，在调平过程中限制中心杆的轴向位移，在调平后限制中心杆向上的位移。

通过上述装置进行快速调平的方法主要包含以下四个步骤：

1)气缸通气，使得中心支杆沿轴向向上移动至顶端，限制其轴向向下的位移；

2)位于中心附近的工具头向下移动，至接触工作台，并通过自适应实现工具头下端面和工作台平面的贴合，实现调平过程；

3)拧动旋钮，通过夹紧块凹槽两侧面距离之间的减小来实现球头支杆的夹紧，从而保证其轴向固定，三个球头支杆的固定最后限定住工作台平面的位置；

4)抬起工具头，气缸通气使得中心支杆承受一个足够大的轴向向下拉力，从而限制工作台在加工过程中可能存在轴向向上的微小位移，最终实现工作台的调平。

本发明中的驱动机构，除采用上述的气缸外，也可采用其它驱动形式，只要驱动机构能实现在调平时限制住中心支杆的竖直向下的位移，在调平后对中心支杆有一个竖直向下的预紧拉力即可。可以实现的机构还包含电机驱动和液压驱动等。但是，从价格和复杂程度上考虑，上述实施例中提出的气缸驱动更优。

本发明中的夹紧机构，除采用上述形式外，也可以采用其它方式，只要能实现在调平后固定三个球头支杆的竖直位移即可。如采用螺钉直接紧固的方式，在拧紧螺钉中，其端部直接抵住球头支杆的导向立柱部分来实现夹紧。但上述实施例中所提出的方式可以有效降低拧紧过程中对球头支杆竖直位置的影响。

本发明中的外围支杆除采用上述实施例中的球头支杆外，还可以是其它结构形式，只要能在调平后保证支杆和工作台下端面接触即可，从而在后续步骤中夹紧球头支柱即可实现工作台固定。比如外围支杆的下端可以连接一驱动装置，通过该驱动装置实现所述外围支杆随所述可调工作台的摆动而向上或向下运动。如通过电机驱动支杆，在支杆和工作台底端刚接触时停止。但是，从价格和复杂程度上考虑，上述实施例中提出的弹簧自预紧方式更优。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种用于超声加工平台的简易自动调平装置，其特征在于，包括一可调工作台、一固定底座、一中心支杆、至少三个外围支杆、一夹紧机构以及一驱动机构；其中：

所述中心支杆和所述外围支杆位于所述可调工作台下方，所述中心支杆位于中心位置，所述外围支杆均匀分布于所述中心支杆的周围；

所述固定底座位于所述可调工作台下方，其上设有与所述中心支杆和所述外围支杆对应的通孔；

所述中心支杆的上端通过万向节与所述可调工作台的底部连接，所述中心支杆的下端穿过所述固定底座上对应的通孔并与所述驱动机构连接，通过所述驱动机构实现所述中心支杆的上下运动；

所述外围支杆的上端与所述可调工作台的底部接触，所述外围支杆的下端穿过所述固定底座上对应的通孔；在所述可调工作台以所述万向节为支点进行摆动时，所述外围支杆能够随所述可调工作台的摆动而向上或向下运动；

所述夹紧机构实现对所述外围支杆的夹紧或松开。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外围支杆含有弹簧，所述弹簧位于所述可调工作台和所述固定底座之间；所述外围支杆通过所述弹簧实现随所述可调工作台的摆动而向上或向下运动。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所示外围支杆为球头支杆，其包括：

球头支柱，其上表面为球形；

导向立柱，与所述球头支柱连接；

直线轴承，与所述导向立柱装配，保证球头支柱只能轴向运动；

压缩弹簧，套在所述导向立柱外部，球头支柱与直线轴承之间，对导向立柱的轴向移动施加向上的驱动力；

垫圈，安装在压缩弹簧的上下两个端面，为弹簧提供受力支持。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外围支杆的下端连接一驱动装置，通过该驱动装置实现所述外围支杆随所述可调工作台的摆动而向上或向下运动。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动机构为气缸，所述中心支杆的下端通过浮动接头与所述气缸的输出轴连接。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可调工作台的底部固定有转接板，其下表面和外围支杆的顶端接触，所述转接板采用高硬度和高耐磨性的材料。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中心支杆包括：

导向立柱，其上端与所述万向节连接；

直线轴承，与所述导向立柱装配，保证中心支杆只能轴向运动。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹紧机构包括：

夹持块，固定在所述固定底座的底部，其沿着垂直方向开有沟槽，并在其沟槽中钻有通孔，以实现所述外围支杆的插入；所述夹持块在垂直于沟槽平面的方向开有螺纹通孔；

旋钮，其插入所述夹持块的垂直于沟槽平面的螺纹通孔中，通过旋转该旋钮实现对所述外围支杆的夹紧或松开。

9.一种采用权利要求1所述装置的超声加工平台自动调平方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过驱动机构使中心支杆沿轴向向上移动至顶端，限制其轴向向下的位移；

2)将位于可调工作台中心附近的工具头向下移动，至接触可调工作台，并通过自适应实现工具头下端面和可调工作台表面的贴合，实现调平；

3)通过夹紧机构将外围支杆夹紧，使其轴向固定，以限制可调工作台的轴向向下的位移；

4)通过驱动机构对中心支杆施加一足够大的轴向向下的力，以限制可调工作台的轴向向上的位移。