CN108436490B - 一种多功能超声振动辅助加工机床及其控制方法 - Google Patents

一种多功能超声振动辅助加工机床及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明所涉及一种多功能超声振动辅助加工机床及其控制方法，与普通加工相比，超声振动辅助加工可以有效地降低切削力、减少刀具磨损、提高工件的表面加工精度和提高加工效率等优点。传统的超声振动大多是单一振动模式，随着超声振动辅助加工技术的应用领域不断扩大，传统的超声振动辅助加工机床已经不能满足实际生产需要，为了解决这以问题，本发明专利发明了一种多功能超声振动辅助加工机床及其控制方法，其可以同时实现轴向振动、周向振动以及圆锥摆振动以及工具旋转速度波动，为进一步利用超声振动辅助加工减小切削过程中的切削力、提高加工效率提供了便利，具有较高的应用价值。

Description

一种多功能超声振动辅助加工机床及其控制方法
技术领域
本发明属于机械制造领域。
背景技术
超声振动辅助加工属于高频断续切削，其属于先进加工制造技术，广泛应用于各个制造领域。与普通加工相比，超声振动辅助加工可以有效地降低切削力、减少刀具磨损、提高工件的表面加工精度和提高加工效率等优点。传统的超声振动大多是单一振动模式，随着超声振动辅助加工技术的应用领域不断扩大，传统的超声振动辅助加工机床已经不能满足实际生产需要，为了解决这以问题，本发明专利发明了一种多功能超声振动辅助加工机床及其控制方法，其可以同时实现轴向振动、周向振动以及圆锥摆振动以及工具旋转速度波动，为进一步利用超声振动辅助加工减小切削过程中的切削力、提高加工效率提供了便利，具有较高的应用价值。
发明内容
从现有的超声振动辅助加工机床的技术分析发现，当前的超声振动辅助加工通常采用单一的振动模式，不能满足日益增长的超声振动辅助加工的需要。本发明专利发明了一种多功能超声振动辅助加工机床及其控制方法，其可以同时实现轴向振动、周向振动以及圆锥摆振动。
本发明主要采用如下技术方案实现：
1.本机床主要本机床主要由床身1、X轴运动组件2、Y轴运动组件3、Z轴运动组件4、工具系统5组成。
2.该机床主要由X轴电机201、X轴基体202、X轴联轴器203、X轴轴承座Ⅰ204、X轴导轨205、X轴滚珠丝杠206、X轴滑块207、X轴轴承座Ⅱ208、X轴风琴式防护罩209、Y轴电机301、Y轴基体302、Y轴联轴器303、Y轴轴承座Ⅰ304、Y轴导轨305、Y轴滑块306、Y轴滚珠丝杠307、Y轴轴承座Ⅱ308、Y轴风琴式防护罩309、Z轴电机401、Z轴基体402、Z轴联轴器403、Z轴轴承座Ⅰ404、Z轴导轨405、Z轴滚珠丝杠406、Z轴滑块407、Z轴轴承座Ⅱ408、Z轴风琴式防护罩409、工具系统5组成，X轴电机201固定在X轴基体202上，X轴基体202固定在Y轴滑块306上，X轴联轴器203一端连接X轴电机201的输出轴上，X轴联轴器203另一端连接X轴滚珠丝杠206的动力输入端，X轴轴承座Ⅰ204固定在X轴基体202上，X轴轴承座Ⅱ208固定在X轴基体202上，X轴滚珠丝杠206的两端分别支承在X轴轴承座Ⅰ204、X轴轴承座Ⅱ208的座孔内，X轴滚珠丝杠206的螺母连接在X轴滑块207上，X轴导轨205固定在X轴基体202上，X轴导轨205的滑块固定在X轴滑块207，X轴风琴式防护罩209一端安装在X轴滑块207上，另一端安装在X轴基体202上，Y轴电机301固定在Y轴基体302上，Y轴基体302固定在床身1上，Y轴联轴器303一端连接Y轴电机301的输出轴上，Y轴联轴器303另一端连接Y轴滚珠丝杠307的动力输入端，Y轴轴承座Ⅰ304固定在Y轴基体302上，Y轴轴承座Ⅱ308固定在Y轴基体302上，Y轴滚珠丝杠307的两端分别支承在Y轴轴承座Ⅰ304、Y轴轴承座Ⅱ308的座孔内，Y轴轴承座Ⅱ308的螺母连接在Y轴滑块306上，Y轴导轨305固定在Y轴基体302上，Y轴导轨305的滑块固定在Y轴滑块306，Y轴风琴式防护罩309一端安装在Y轴滑块306上，另一端安装在Y轴基体302上，Z轴电机401固定在Z轴基体402上，Z轴基体402固定在床身1上，Z轴联轴器403一端连接Z轴电机401的输出轴上，Z轴联轴器403另一端连接Z轴滚珠丝杠406的动力输入端，Z轴轴承座Ⅰ404固定在Z轴基体402上，Z轴轴承座Ⅱ408固定在Z轴基体402上，Z轴滚珠丝杠406的两端分别支承在Z轴轴承座Ⅰ404、Z轴轴承座Ⅱ408的座孔内，Z轴滚珠丝杠406的螺母连接在Z轴滑块407上，Z轴导轨405固定在Z轴基体402上，Z轴导轨405的滑块固定在Z轴滑块407，Z轴风琴式防护罩409一端安装在Z轴滑块407上，另一端安装在Z轴基体402上，工具系统5安装在Z轴滑块407上。
3.该机床主要由固定板501、超声振子502、主轴电机503、球端504、连接架505、球端螺母506、紧定螺母507、工具508、联轴器509、工具轴510、棘轮组件511、棘爪5111、弹簧5112、上盖5113、棘轮基体5114、压电叠堆512、棘轮513、十字轴514、键515、上端盖516、轴承Ⅰ517、毡圈518、下端盖519组成，固定板501通过螺栓固定在Z轴滑块407上，超声振子502与主轴电机503通过螺栓固定在固定板501上，超声振子502与球端504通过螺纹连接在一起，球端504与连接架505通过球端螺母506连接在一起，主轴电机503动力输出轴安装在联轴器509内，联轴器509的另一端安装十字轴514，十字轴514的十字端与工具轴510的十字凹槽端相互接触，压电叠堆512安装在连接架505上，轴承Ⅰ517安装在连接架505的通孔内，上端盖516与下端盖519分别通过螺栓固定在连接架505上，并分别与轴承Ⅰ517的外圈接触，工具轴510安装在轴承Ⅰ517的内圈中，工具508安装在工具轴510的孔内，紧定螺母507通过螺纹连接在工具轴510上，棘轮513通过键515连接在工具轴510上，毡圈518安装在下端盖519的环形槽内，棘轮基体5114通过螺栓固定在连接架505的柔性铰链上，弹簧5112安装在棘轮基体5114上，另一端安装在棘爪5111上，棘爪5111的旋转轴与棘轮基体5114通过上盖5113安装在一起。本发明优点：
1.本发明可以同时实现轴向振动、周向振动以及圆锥摆振动，为研究人员研究复杂振动形式，对生产效率的提高提供了方便；
2.本发明采用新的轨迹规划算法，可以使在满足加工精度的条件下，使加工点尽可能的少，提高生产效率；
3.在加工过程中恒力加工，减小加工过程中的工件受力变形的变化，提高表面粗糙度。
附图说明
图1是机床的整体图；
图2是XY运动组件图；
图3是Z运动组件图；
图4是XYZ运动组件图；
图5是工具系统整体图；
图6是工具系统局部图Ⅰ；
图7是工具系统局部图Ⅱ；
图8是十字轴图；
图9是棘轮组件图；
图10是棘轮组件局部图；
图11是工具轴末端装配图；
图12是工具轴轴测图Ⅰ；
图13是工具轴轴测图Ⅱ；
图14是加工路径轨迹规划1的示意图；
图15是加工路径轨迹规划2的示意图；
图16是坐标系示意图；
图17(A)是振动轨迹示意图一；
图17(B)是振动轨迹示意图二；
图17(C)是振动轨迹示意图三；
图17(D)是振动轨迹示意图四；
图18是速度波动示意图；
图19是加工流程图。
图中：
床身1、X轴运动组件2、Y轴运动组件3、Z轴运动组件4、工具系统5、X轴电机201、X轴基体202、X轴联轴器203、X轴轴承座Ⅰ204、X轴导轨205、X轴滚珠丝杠206、X轴滑块207、X轴轴承座Ⅱ208、X轴风琴式防护罩209、Y轴电机301、Y轴基体302、Y轴联轴器303、Y轴轴承座Ⅰ304、Y轴导轨305、Y轴滑块306、Y轴滚珠丝杠307、Y轴轴承座Ⅱ308、Y轴风琴式防护罩309、Z轴电机401、Z轴基体402、Z轴联轴器403、Z轴轴承座Ⅰ404、Z轴导轨405、Z轴滚珠丝杠406、Z轴滑块407、Z轴轴承座Ⅱ408、Z轴风琴式防护罩409、固定板501、超声振子502、主轴电机503、球端504、连接架505、球端螺母506、紧定螺母507、工具508、联轴器509、工具轴510、棘轮组件511、棘爪5111、弹簧5112、上盖5113、棘轮基体5114、压电叠堆512、棘轮513、十字轴514、键515、上端盖516、轴承Ⅰ517、毡圈518、下端盖519。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案和工作过程。
机床的整体布局如图1所示。
如图11所示，十字轴514的旋转运动通过工具轴510的十字凹槽端传递给工具508使其可以旋转运动，4个超声振子502分别进行控制，使刀具末端具有不同的振动形式，4个压电叠堆512使用相同的控制规律进行控制，当其突然伸长时，其通过棘爪5111冲击使棘轮513瞬间加速转动，从而使其可以周向振动。
加工路径规划流程1：
如图14所示，设工件的长d1、宽d2、两条相邻轨迹之间的最小距离d，相邻刀位点之间的最大距离为λ，两个相邻的刀位点分别是Xi与Xi+1，其坐标分别为(xi,yi,C(xi,yi))、(xi+1,yi+1，C(xi+1,yi+1))，自由曲面的曲面表达式为C(x,y)，最大允许误差为ε，误差安全系数S，刀具圆弧半径为R，刀具圆弧中心点(x'i,y'i,z'i)
(1)根据工件的长d1、宽d2、两条相邻轨迹之间的最小距离d，相邻刀位点之间的最大距离为λ，计算刀具运动过程中各个刀位点Xi；
(2)
1)当xi＝xi+1时，e(δ)＝[C(xi,yi+δλ)-δC(xi+1,yi+1)-(1-δ)C(xi,yi)]2δ∈[0 1]
令δ0＝0.5,利用下式进行迭代,为自然数
直到|e(δk+1)-e(δk)|<ε/S或者k大于某一自然数n时停止迭代，最后求得当δ＝δ*时e(δ)取得最大值，比较e(δ*)与ε的值，若e(δ*)≥ε，在刀位点中间插入新的刀位点(xi,yi+δ*λ)，在(xi,yi)、(xi,yi+δ*λ)间重复步骤(2)；若e(δ*)＜ε，重复步骤(2)进行下一相邻刀位点的比较；
2)当yi＝yi+1时，e(δ)＝[C(xi+δλ,yi)-δC(xi+1,yi+1)-(1-δ)C(xi,yi)]2δ∈[0 1],δ0＝0.5利用下式进行迭代为自然数直到|e(δk+1)-e(δk)|<ε/S或者k大于某一自然数n时停止迭代，最后求得当δ＝δ*时e(δ)取得最大值，比较e(δ*)与ε的值，若e(δ*)≥ε，在刀位点中间插入新的刀位点(xi+δ*λ,yi)，在(xi,yi)、(xi+δ*λ,yi)间重复步骤(2)；若e(δ*)＜ε，重复步骤(2)进行下一相邻刀位点的比较；
(3)结束刀位点的计算，根据
计算刀具圆弧中心点位置(xi,,yi,,zi,)
(4)根据各刀具中心点位置，控制机床运动。
加工路径规划流程2：
如图15所示，设工件的长d1、宽d2、相邻刀位点之间的最大距离为λ，两个相邻的刀位点分别是Xi与Xi+1，其坐标分别为(xi,yi,C(xi,yi))、(xi+1,yi+1，C(xi+1,yi+1))，自由曲面的曲面表达式为C(x,y)，最大允许误差为ε，误差安全系数S，刀具圆弧半径为R，刀具圆弧中心点(xi,,yi,,zi,)，x轴的运动规律为x＝d1sin(pt)，y轴的运动规律为y＝d2sin(qt)，p,q互质。
(1)根据工件的长d1、宽d2，以及需要的加工精度设置p,q参数，相邻刀位点之间的最大距离为λ，并计算刀具运动过程中各个刀位点Xi；
(2)e(δ)＝[C(δxi+1+(1-δ)xi,δyi+1+(1-δ)yi)-δC(xi+1,yi+1)-(1-δ)C(xi,yi)]2δ∈[01]
令δ0＝0.5利用下式进行迭代
为自然数
直到|e(δk+1)-e(δk)|<ε/S或者k大于某一自然数n时停止迭代，最后求得当δ＝δ*时e(δ)取得最大值，比较e(δ*)与ε的值，
若e(δ*)≥ε，在刀位点中间插入新的刀位点(δ*xi+1+(1-δ*)xi,δ*yi+1+(1-δ*)yi,C(δ*xi+1+(1-δ*)xi,δ*yi+1+(1-δ*)yi))，在(xi,yi,C(xi,yi))与、(δ*xi+1+(1-δ*)xi,δ*yi+1+(1-δ*)yi,C(δ*xi+1+(1-δ*)xi,δ*yi+1+(1-δ*)yi))间重复步骤(2)；若e(δ*)＜ε，重复步骤(2)进行下一相邻刀位点的比较；
(3)结束刀位点的计算，根据
计算刀具圆弧中心点位置(x'i,y'i,z'i)
(4)根据各刀具中心点位置，控制机床运动。
刀具中心点振动轨迹控制：
建立如图16所示的坐标系，设OA＝OB＝OC＝OD＝d，刀具的中心点为M,M点的坐标为(x,y,z)，O'M＝L,O'M⊥平面A'B'C'D'，A'A＝Z1，B'B＝Z2，C'C＝Z3，D'D＝Z4，O(0,0,0)、A(d,0,0)、B(0,d,0)、C(-d,0,0)、D(0,-d,0)、A'(d,0,Z1)、B'(0,d,Z2)、变幅杆做圆周摆振动时设变幅杆的原长为L0，其中一对对角线上的两变幅杆振幅为A,频率为ω，另一对角线上的两变幅杆振幅为B,频率为ω
根据向量定义可得：
因为O'M＝L
所以
因为O'M⊥平面A'B'C'D'，所以
即
化简得：
因为O'M⊥平面A'B'C'D'，所以
即
化简得：
联立(1)、(2)、(3)可得：
1)当需要变幅杆做圆周摆振动时：
因为4根相同的变幅杆的原长为L0，其振幅分别为A与B,频率为ω，
所以：
Z1＝L0+Asin(ωt+θ1)，Z2＝L0+Bsin(ωt+θ2)，
Z3＝L0+Asin(ωt+θ3)，Z4＝L0+Bsin(ωt+θ4)，
下面进行证明当θ1＝0，θ3＝π，/>A＝B时M点的轨迹为一个圆。
Z1＝L0+Asin(ωt+0)＝L0+Asin(ωt) (7)
Z3＝L0+Asin(ωt+π)＝L0-Asin(ωt) (9)
将(7)、(8)、(9)带入(4)、(5)、(6)中得：
因为为常数，且/>也是常数，
所以M点的轨迹为一个圆。
因为D'在平面A'B'C'上且点D'与B'的中心为O'，
所以
综上所述：
当满足
Z1＝L0+Asin(ωt)、
Z3＝L0+Asin(ωt+π)、
时，变幅杆做圆周摆振动,如图17(A)所示。
2)当需要轴向振动时：
下面进行证明当θ1＝0，θ2＝0，θ3＝0，θ4＝0，A＝B时M做轴向振动。
因为θ1＝0，θ2＝0，θ3＝0，θ4＝0，A＝B，4根相同的变幅杆的原长为L0，其振幅为B,频率为ω，所以：
Z1＝Z2＝Z3＝Z4＝L0+Bsin(ωt)，
将其带入到(4)、(5)、(6)中得：
x＝0
y＝0
所以点M做轴向振动,如图17(B)所示。
3)当需要摆动振动时：
下面进行证明当θ1＝0，θ2＝0，θ3＝π，θ4＝π时M做摆动振动
Z1＝L0+Asin(ωt)、
Z2＝L0+Bsin(ωt)、
Z3＝L0+Asin(ωt+π)、
Z4＝L0+Bsin(ωt+π)
将其带入到(4)、(5)、(6)中得
因为(13)(14)(15)正好是平面Bx+Ay＝0与球面x2+y2+(z-L0)2＝L2的交线，所以工具末端作摆动振动,如图17(C)所示。
4)当需要马鞍面振动时：
下面证明θ1＝0，θ3＝π，/>A≠B时，点M做马鞍面振动。
Z1＝L0+Asin(ωt+0)＝L0+Asin(ωt) (16)
Z3＝L0+Asin(ωt+π)＝L0-Asin(ωt) (18)
将(16)、(17)、(18)带入(4)、(5)、(6)中得：
点M在x-y平面内绕z轴匀速转动，在z方向上周期性震荡，如图17(D)所示。
工具508转速波动的控制：当4个相同的压电叠堆512同时伸长时，棘轮组件511随之运动，从而带动棘轮513获得更快的旋转速度，工具508获得更快的旋转速度，当4个相同的压电叠堆512同时收缩时，棘轮513的旋转速度逐渐恢复正常，工具508的旋转速度也逐渐恢复正常，最终实现工具508旋转速度的波动，如图18所示，当4个相同的压电叠堆(512)同时伸长时，工棘轮组件(511)末端获得绕主轴轴线的旋转速度为ω1，工具头原本的旋转速度为ω2，最终工具头的旋转速度为ω＝max(ω1,ω2)。
其加工流程图如图19所示，其加工流程如下：
(1)开始加工前，进行机床的初始化，并进行相应的安全检查，确认机床各部分正常运行后，根据加工需要选择相应的工具头，安装相应的工具头后，重新标定机床的工具坐标系零点；
(2)载入工件的三维理论模型，输入工件毛坯的模型，根据时间最少的原则，设置起始加工位点，设置为下一工序预留的加工余量，并生成去除区域模型；
(3)根据工件的精度误差，选择相应精度的机床，设置合适的工艺参数，并且尽可能使得不合格产品处于可修复范围内；
(4)选择第一种或者第二种轨迹规划方式，规划工件的加工轨迹计算每一刀位点工件的Z方向去除量，并根据Preston方程估算加工时间，便于工程人员合理安排加工时间；
(5)根据实际加工需要以及相应的超声振动辅助加工的理论，选择相应的刀具末端的振动形式，生成相应的机床可执行的数控代码，并传递给机床的控制中心；
(6)机床执行相关的数控代码，并且实时检测刀具的磨损量，当刀具的磨损量即将超出允许范围，机床停止运行，待工程人员更换相应的刀具并且检测刀具的姿态合格后，继续执行相关的数控代码；
(7)加工完成后，原位检测被加工工件的表面高度信息避免重新装夹所带来的误差，采用分段NURBS曲面拼接技术进行曲面重构，与理论模型进行分析比较，得出加工后的误差信息，将可修复的工件的精度不满足的部分进行区域分割，在每个区域重新进行加工轨迹的规划，然后执行步骤6，直到被加工工件的精度满足误差要求，将不可修复的工件的所有加工情况传递给相应的技术人员分析，尽可能避免因为加工参数设置不合理而造成工件加工不合格。

Claims (6)

1.一种多功能超声振动辅助加工机床，其特征在于：本机床主要由床身(1)、X轴运动组件(2)、Y轴运动组件(3)、Z轴运动组件(4)、工具系统(5)组成；X轴运动组件(2)包括X轴电机(201)、X轴基体(202)、X轴联轴器(203)、X轴轴承座Ⅰ(204)、X轴导轨(205)、X轴滚珠丝杠(206)、X轴滑块(207)、X轴轴承座Ⅱ(208)、X轴风琴式防护罩(209)，Y轴运动组件(3)包括Y轴电机(301)、Y轴基体(302)、Y轴联轴器(303)、Y轴轴承座Ⅰ(304)、Y轴导轨(305)、Y轴滑块(306)、Y轴滚珠丝杠(307)、Y轴轴承座Ⅱ(308)、Y轴风琴式防护罩(309)，Z轴运动组件(4)包括Z轴电机(401)、Z轴基体(402)、Z轴联轴器(403)、Z轴轴承座Ⅰ(404)、Z轴导轨(405)、Z轴滚珠丝杠(406)、Z轴滑块(407)、Z轴轴承座Ⅱ(408)、Z轴风琴式防护罩(409)，Y轴电机(301)固定在Y轴基体(302)上，X轴电机(201)固定在X轴基体(202)上，X轴基体(202)固定在Y轴滑块(306)上，X轴联轴器(203)一端连接X轴电机(201)的输出轴上，X轴联轴器(203)另一端连接X轴滚珠丝杠(206)的动力输入端，X轴轴承座Ⅰ(204)固定在X轴基体(202)上，X轴轴承座Ⅱ(208)固定在X轴基体(202)上，X轴滚珠丝杠(206)的两端分别支承在X轴轴承座Ⅰ(204)、X轴轴承座Ⅱ(208)的座孔内，X轴滚珠丝杠(206)的螺母连接在X轴滑块(207)上，X轴导轨(205)固定在X轴基体(202)上，X轴导轨(205)的滑块固定在X轴滑块(207)，X轴风琴式防护罩(209)一端安装在X轴滑块(207)上，另一端安装在X轴基体(202)上，Y轴基体(302)固定在床身(1)上，Y轴联轴器(303)一端连接Y轴电机(301)的输出轴上，Y轴联轴器(303)另一端连接Y轴滚珠丝杠(307)的动力输入端，Y轴轴承座Ⅰ(304)固定在Y轴基体(302)上，Y轴轴承座Ⅱ(308)固定在Y轴基体(302)上，Y轴滚珠丝杠(307)的两端分别支承在Y轴轴承座Ⅰ(304)、Y轴轴承座Ⅱ(308)的座孔内，Y轴滚珠丝杠(307)的螺母连接在Y轴滑块上，Y轴导轨(305)固定在Y轴基体(302)上，Y轴导轨(305)的滑块固定在Y轴滑块(306)，Y轴风琴式防护罩(309)一端安装在Y轴滑块(306)上，另一端安装在Y轴基体(302)上，Z轴电机(401)固定在Z轴基体(402)上，Z轴基体(402)固定在床身(1)上，Z轴联轴器(403)一端连接Z轴电机(401)的输出轴上，Z轴联轴器(403)另一端连接Z轴滚珠丝杠(406)的动力输入端，Z轴轴承座Ⅰ(404)固定在Z轴基体(402)上，Z轴轴承座Ⅱ(408)固定在Z轴基体(402)上，Z轴滚珠丝杠(406)的两端分别支承在Z轴轴承座Ⅰ(404)、Z轴轴承座Ⅱ(408)的座孔内，Z轴滚珠丝杠(406)的螺母连接在Z轴滑块(407)上，Z轴导轨(405)固定在Z轴基体(402)上，Z轴导轨(405)的滑块固定在Z轴滑块(407)，Z轴风琴式防护罩(409)一端安装在Z轴滑块(407)上，另一端安装在Z轴基体(402)上，工具系统(5)通过螺栓固定在Z轴滑块(407)上；工具系统(5)主要由固定板(501)、超声振子(502)、主轴电机(503)、球端(504)、连接架(505)、球端螺母(506)、紧定螺母(507)、工具(508)、联轴器(509)、工具轴(510)、工棘轮组件(511)、棘爪(5111)、弹簧(5112)、上盖(5113)、棘轮基体(5114)、压电叠堆(512)、棘轮(513)、十字轴(514)、键(515)、上端盖(516)、轴承Ⅰ(517)、毡圈(518)、下端盖(519)组成，固定板(501)通过螺栓固定在Z轴滑块(407)上，超声振子(502)与主轴电机(503)通过螺栓固定在固定板(501)上，超声振子(502)与球端(504)通过螺纹连接在一起，球端(504)与连接架(505)通过球端螺母(506)连接在一起，主轴电机(503)动力输出轴安装在联轴器(509)内，联轴器(509)的另一端安装十字轴(514)，十字轴(514)的十字端与工具轴(510)的十字凹槽端相互接触，压电叠堆(512)安装在连接架(505)上，轴承Ⅰ(517)安装在连接架(505)的通孔内，上端盖(516)与下端盖(519)分别通过螺栓固定在连接架(505)上，并分别与轴承Ⅰ(517)的外圈接触，工具轴(510)安装在轴承Ⅰ(517)的内圈中，工具(508)安装在工具轴(510)的孔内，紧定螺母(507)通过螺纹连接在工具轴(510)上，棘轮(513)通过键(515)连接在工具轴(510)上，毡圈(518)安装在下端盖(519)的环形槽内，棘轮基体(5114)通过螺栓固定在连接架(505)的柔性铰链上，弹簧(5112)安装在棘轮基体(5114)上，另一端安装在棘爪(5111)上，棘爪(5111)的旋转轴与棘轮基体(5114)通过上盖(5113)安装在一起。
2.如权利要求1所述的一种多功能超声振动辅助加工机床的控制方法，其特征在于：加工流程如下：
(1)开始加工前，进行机床的初始化，并进行相应的安全检查，确认机床各部分正常运行后，根据加工需要选择相应的工具头，安装相应的工具头后，重新标定机床的工具坐标系零点；
(2)载入工件的三维理论模型，输入工件毛坯的模型，根据时间最少的原则，设置起始加工位点，设置为下一工序预留的加工余量，并生成去除区域模型；
(3)根据工件的精度误差，选择相应精度的机床，设置合适的工艺参数，并且尽可能使得不合格产品处于可修复范围内；
(4)选择第一种或者第二种轨迹规划方式，规划工件的加工轨迹计算每一刀位点工件的Z方向去除量，并根据Preston方程估算加工时间，便于工程人员合理安排加工时间；
(5)根据实际加工需要以及相应的超声振动辅助加工的理论，选择相应的刀具末端的振动形式，生成相应的机床可执行的数控代码，并传递给机床的控制中心；
(6)机床执行相关的数控代码，并且实时检测刀具的磨损量，当刀具的磨损量即将超出允许范围，机床停止运行，待工程人员更换相应的刀具并且检测刀具的姿态合格后，继续执行相关的数控代码；
(7)加工完成后，原位检测被加工工件的表面高度信息避免重新装夹所带来的误差，采用分段NURBS曲面拼接技术进行曲面重构，与理论模型进行分析比较，得出加工后的误差信息，将可修复的工件的精度不满足的部分进行区域分割，在每个区域重新进行加工轨迹的规划，然后执行步骤6，直到被加工工件的精度满足误差要求，将不可修复的工件的所有加工情况传递给相应的技术人员分析，尽可能避免因为加工参数设置不合理而造成工件加工不合格。
3.根据权利要求2所述的一种多功能超声振动辅助加工机床的控制方法，其特征在于：第一种轨迹规划方式包括：
(1)根据工件的长d1、宽d2、两条相邻轨迹之间的最小距离d，相邻刀位点之间的最大距离为λ，计算刀具运动过程中各个刀位点Xi；
(2)
1)当xi＝xi+1时，e(δ)＝[C(xi,yi+δλ)-δC(xi+1,yi+1)-(1-δ)C(xi,yi)]2δ∈[0 1]令δ0＝0.5,利用下式进行迭代,k为自然数
直到|e(δk+1)-e(δk)|<ε/S或者k大于某一自然数n时停止迭代，最后求得当δ＝δ*时e(δ)取得最大值，比较e(δ*)与ε的值，若e(δ*)≥ε，在刀位点中间插入新的刀位点(xi,yi+δ*λ)，在(xi,yi)、(xi,yi+δ*λ)间重复步骤(2)；若e(δ*)＜ε，重复步骤(2)进行下一相邻刀位点的比较；
2)当yi＝yi+1时，
e(δ)＝[C(xi+δλ,yi)-δC(xi+1,yi+1)-(1-δ)C(xi,yi)]2δ∈[0 1],δ0＝0.5利用下式进行迭代k为自然数直到|e(δk+1)-e(δk)|<ε/S或者k大于某一自然数n时停止迭代，最后求得当δ＝δ*时e(δ)取得最大值，比较e(δ*)与ε的值，若e(δ*)≥ε，在刀位点中间插入新的刀位点(xi+δ*λ,yi)，在(xi,yi)、(xi+δ*λ,yi)间重复步骤(2)；若e(δ*)＜ε，重复步骤(2)进行下一相邻刀位点的比较；
(3)结束刀位点的计算，根据
计算刀具圆弧中心点位置(x’i,y’i,z’i)
(4)根据各刀具中心点位置，控制机床运动。
4.根据权利要求2所述的一种多功能超声振动辅助加工机床的控制方法，其特征在于：第二种轨迹规划方式包括：
(1)根据工件的长d1、宽d2，以及需要的加工精度设置p,q参数，相邻刀位点之间的最大距离为λ，并计算刀具运动过程中各个刀位点Xi；
(2)e(δ)＝[C(δxi+1+(1-δ)xi,δyi+1+(1-δ)yi)-δC(xi+1,yi+1)-(1-δ)C(xi,yi)]2δ∈[0 1]
令δ0＝0.5
利用下式进行迭代k为自然数直到|e(δk+1)-e(δk)|<ε/S或者k大于某一自然数n时停止迭代，最后求得当δ＝δ*时e(δ)取得最大值，比较e(δ*)与ε的值，若e(δ*)≥ε，在刀位点中间插入新的刀位点(δ*xi+1+(1-δ*)xi,δ*yi+1+(1-δ*)yi,C(δ*xi+1+(1-δ*)xi,δ*yi+1+(1-δ*)yi))，在(xi,yi,C(xi,yi))与、(δ*xi+1+(1-δ*)xi,δ*yi+1+(1-δ*)yi,C(δ*xi+1+(1-δ*)xi,δ*yi+1+(1-δ*)yi))间重复步骤(2)；若e(δ*)＜ε，重复步骤(2)进行下一相邻刀位点的比较；
(3)结束刀位点的计算，根据
计算刀具圆弧中心点位置(x’i,y’i,z’i)
(4)根据各刀具中心点位置，控制机床运动。
5.根据权利要求2所述的一种多功能超声振动辅助加工机床的控制方法，其振动方式特征在于：
其中：OA＝OB＝OC＝OD＝d，刀具的中心点为M点,其坐标为(x,y,z)，O'M＝L,O'M⊥平面A'B'C'D'，A'A＝Z1，B'B＝Z2，C'C＝Z3，D'D＝Z4，O(0,0,0)、A(d,0,0)、B(0,d,0)、C(-d,0,0)、D(0,-d,0)、A'(d,0,Z1)、B'(0,d,Z2)、C'(-d,0,Z3)、D'(-d,0,Z4)、变幅杆做圆周摆振动时设变幅杆的原长为L0，其中一对对角线上的两变幅杆振幅为A,频率为ω，另一对角线上的两变幅杆振幅为B,频率为ω
(1)振动方式1：Z1＝L0+Asin(ωt+θ1)，Z2＝L0+Bsin(ωt+θ2)，Z3＝L0+Asin(ωt+θ3)，Z4＝L0+Bsin(ωt+θ4)，且θ1＝0，θ3＝π，/>A＝B，刀具做圆周摆振动；
(2)振动方式2：Z1＝L0+Asin(ωt+θ1)，Z2＝L0+Bsin(ωt+θ2)，Z3＝L0+Asin(ωt+θ3)，Z4＝L0+Bsin(ωt+θ4)，且θ1＝0，θ2＝0，θ3＝0，θ4＝0，A＝B，刀具做轴向振动；
(3)振动方式3：Z1＝L0+Asin(ωt+θ1)，Z2＝L0+Bsin(ωt+θ2)，Z3＝L0+Asin(ωt+θ3)，Z4＝L0+Bsin(ωt+θ4)，且θ1＝0，θ2＝0，θ3＝π，θ4＝π，刀具做摆动振动；
(4)振动方式4：Z1＝L0+Asin(ωt+θ1)，Z2＝L0+Bsin(ωt+θ2)，Z3＝L0+Asin(ωt+θ3)，Z4＝L0+Bsin(ωt+θ4)，θ1＝0，θ3＝π，/>A≠B时，刀具做马鞍面振动。
6.根据权利要求2所述的一种多功能超声振动辅助加工机床的控制方法，其振动方式特征在于：当4个相同的压电叠堆(512)同时伸长时，工棘轮组件(511)末端获得绕主轴轴线的旋转速度为ω1，工具头原本的旋转速度为ω2，最终工具头的旋转速度为ω＝max(ω1,ω2)。
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