CN109693145B - 一种改善刀具旋转偏差的对刀装置及其对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改善刀具旋转偏差的对刀装置，包括刀座、粗调装置、微调装置、以及驱动装置，驱动装置用于驱动粗调装置带动刀具在竖直方向上进行移动，微调装置用于驱动刀具进行旋转，微调装置包括底座、至少两个传动模组和刀架，刀架用于安装刀具，传动模组的一端与底座相连接，另一端与刀架相连接，至少两个传动模组用于驱动刀具进行旋转。通过至少两个传动模组驱动刀具进行旋转，消除刀具存在的旋转偏差，最终实现刀具的对准。本发明提供的对刀装置，可准确地将刀具进行对准，有效地消除刀具存在的旋转偏差。本发明还提供了车削加工中刀具的对准方法，通过采用本发明提供的对刀装置，可准确地将刀具进行对准，有效地消除刀具存在的旋转偏差。

Description

一种改善刀具旋转偏差的对刀装置及其对准方法

技术领域

本发明属于超精密加工技术领域，具体涉及一种改善刀具旋转偏差的对刀装置及其对准方法。

背景技术

在目前的工程技术领域中，由于超精密加工可加工出超高质量的工件表面，现已广泛应用于国防、航空航天等重要领域。但又由于超精密加工对加工精度和加工效率有着极高的要求，因此使得超精密加工的发展遇到许多的阻碍。

目前，在实际加工过程中，刀具能否对准安装工件的机床的主轴中心是决定加工精度和加工效率的一个重要指标。刀具安装产生的误差极大影响了加工精度以及表面质量。在超精密加工中，即便是几微米的误差，也会使得预期的结果产生严重的偏差，造成巨大损失。现有刀具的对准方法和对刀装置只能将刀具在刀具的进给方向、刀具的切削深度方向和刀具的高度方向上的线性偏差进行对准，而刀具在安装过程中也会在上述方向发生旋转，从而产生旋转偏差。但对于上述方向的旋转偏差目前并没有任何对准办法和对刀装置可以实现。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种改善刀具旋转偏差的对刀装置及其对准方法，通过微调装置中的至少两个传动模组驱动刀具进行旋转，消除刀具存在的旋转偏差，最终实现刀具的对准。

本发明第一方面提供了一种改善刀具旋转偏差的对刀装置，包括刀座、粗调装置、微调装置、以及驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述粗调装置带动刀具在竖直方向上进行移动，所述微调装置用于驱动所述刀具进行旋转，所述微调装置包括底座、至少两个传动模组和刀架，所述刀架用于安装所述刀具，所述传动模组的一端与所述底座相连接，另一端与所述刀架相连接，所述至少两个传动模组用于驱动所述刀具进行旋转。

本发明第一方面提供的一种改善刀具旋转偏差的对刀装置，通过微调装置中的至少两个传动模组驱动刀具进行旋转，消除刀具存在的旋转偏差，最终实现刀具的对准。本发明提供的对刀装置，结构简单，可准确地将刀具进行对准，有效地消除刀具存在的旋转偏差。

其中，所述三个传动模组分别与所述刀架的不同表面连接，且所述三个传动模组使所述刀具受到刀具的进给方向、刀具的切削深度方向和所述竖直方向上的推力和，以驱动所述刀具进行旋转。

其中，所述传动模组包括至少一个传动模块，所述传动模块包括驱动件和柔性件，所述驱动件固定于所述底座上，用于控制所述柔性件进行移动，所述驱动件和所述刀架通过所述柔性件相连接。

其中，每个所述传动模组包括两个所述传动模块，两个所述传动模块分别设于所述刀架表面的相对两侧。

其中，所述驱动件包括压电陶瓷,所述柔性件包括柔性铰链和刚性连接体。

其中，所述柔性铰链的数量为两个，且所述两个柔性铰链设于所述刚性连接体的相对两端，所述柔性铰链为球铰。

其中，所述三个传动模组还用于驱动所述刀具进行线性移动。

本发明第二方面提供了一种对准方法，包括：

提供刀具和工件，将所述工件安装至机床的主轴中心上，所述刀具安装至对刀装置上，再将所述刀具和所述机床的主轴中心进行预对准，然后进行预切削；

判断所述刀具相对于所述主轴中心是否存在旋转偏差；

若所述刀具相对于所述主轴中心存在旋转偏差，则通过所述对刀装置将所述刀具进行对准；

所述对刀装置包括刀座、粗调装置、微调装置、以及驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述粗调装置带动刀具在竖直方向上进行移动，所述微调装置用于驱动所述刀具进行旋转，所述微调装置包括底座、至少两个传动模组和刀架，所述刀架用于安装所述刀具，所述传动模组的一端与所述底座相连接，另一端与所述刀架相连接，所述至少两个传动模组用于驱动所述刀具进行旋转。

本发明第二方面提供的对准方法，通过采用本发明第一方面提供的对刀装置，可准确地将刀具进行对准，有效地消除刀具存在的旋转偏差。

其中，所述对准方法还包括：

判断所述刀具相对于所述主轴中心是否存在线性偏差；

若所述刀具相对于所述主轴中心存在线性偏差，则通过所述微调装置驱动所述刀具进行线性移动以将所述刀具进行对准。

其中，所述刀具的线性移动的范围为0.1-20μm，所述刀具的旋转的范围为0.1-1mrad。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图进行说明。

图1为本发明实施例中对刀装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中对刀装置的爆炸图；

图3为本发明实施例中微调装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中刀台，驱动装置和粗调装置的结构示意图；

图5为本发明实施例中刀台的结构示意图；

图6为本发明实施例中对准方法的工艺流程图。

附图标记：

刀座-1，粗调装置-2，微调装置-3，驱动装置-4，刀台-5，联轴器-21，滑块-22，滑轨-23，丝杆-24，底座-31，传动模组-32，刀架-33，传动模块-321，驱动件-3211，柔性件-3212,柔性铰链-32121，刚性连接体-32122，制动装置-51。

具体实施方式

以下是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结果或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参考图1-图2，图1为本发明实施例中对刀装置的结构示意图，图2为本发明实施例中对刀装置的爆炸图。本发明实施例提供的一种改善刀具旋转偏差的对刀装置，包括刀座1、粗调装置2、微调装置3、以及驱动装置4，所述驱动装置4用于驱动所述粗调装置2带动刀具在竖直方向上进行移动，所述微调装置3用于驱动所述刀具进行旋转，所述微调装置3包括底座31、至少两个传动模组32和刀架33，所述刀架33用于安装所述刀具，所述传动模组32的一端与所述底座31相连接，另一端与所述刀架33相连接，所述至少两个传动模组32用于驱动所述刀具进行旋转。

目前，由于刀具的制备过程中或者将刀具安装在对刀装置的过程中都有可能会使刀具产生旋转偏差。以机床的主轴中心建立的主轴坐标系o-xyz为例。o为主轴中心，x轴为刀具的进给方向，z轴为刀具的切削深度方向，y轴为竖直方向，且x轴，y轴，和z轴两两互相垂直。举例来说，刀具产生的旋转偏差使刀具存在倾斜角，俯仰角或偏转角等等。其中，倾斜角(以xoy平面看)则会改变加工刀路半径，从而影响表面粗糙度，降低表面质量；俯仰角(以yoz平面看)会使得刀具的前后面与工件加工面的夹角发生改变变化，影响加工性能，对于脆性材料还会造成亚表面损伤；偏转角(以xoz平面看)会影响刀具在加工过程中所利用的切削刃位置，可能会利用到崩刃位置加工。因此上述旋转偏差的存在极大地影响了工件表面的质量。

本发明中对刀装置是与机床配套使用的，而机床可沿主轴坐标系中的x轴方向移动，对刀装置可整体沿z轴的方向移动，也就相当于刀具可沿x轴和z轴方向进行移动，但无法沿y轴方向进行移动。因此本发明的对刀装置通过驱动装置4驱动所述粗调装置2在竖直方向(即y轴)上进行移动，进而带动刀具在竖直方向上进行移动。优选地，本发明的的驱动装置4为伺服电机。本发明的粗调装置2设于所述刀座1的内部，所述粗调装置2与所述刀台5相连接，所述微调装置3与所述刀台5相连接。

请参考图3，图3为本发明实施例中微调装置3的结构示意图。本发明中微调装置3包括底座31、至少两个传动模组32和刀架33，所述底座31与刀台5相连接，所述刀架33用于安装所述刀具，所述传动模组32的一端与所述底座31相连接，另一端与所述刀架33相连接。因此当所述传动模组32进行移动时，可驱动所述刀具进行旋转。下面来举例说明：当刀具在一个坐标轴中存在旋转偏差时，可通过一个传动模组32或两个传动模组32的配合使刀具发生旋转以对准所述刀具。当刀具在两个坐标轴中存在旋转偏差时，可通过两个传动模组32的配合使刀具发生旋转以对准所述刀具。优选地，当刀具在三个坐标轴均存在旋转偏差时，可通过三个传动模组32的配合使刀具发生旋转以对准所述刀具。通过微调装置3中的至少两个传动模组32的互相配合，驱动刀具进行旋转，将刀具存在的旋转偏差消除，最终将刀具进行对准。本发明提供的对刀装置，结构简单，可准确地将刀具进行对准，有效地消除刀具存在的旋转偏差。

本发明优选实施方式中，所述三个传动模组32分别与所述刀架33的不同表面连接，且所述三个传动模组32使所述刀具受到刀具的进给方向、刀具的切削深度方向和所述竖直方向上的推力和/或拉力，以驱动所述刀具进行旋转。本发明中每一个传动模组32分别与所述刀架33的每一个表面连接，并且传动模组32的设置需使得刀具可受到x轴，y轴和z轴方向上的推力和/或拉力。

优选地，传动模组32的设置可与x轴，y轴和z轴产生一定夹角，使得刀具在x轴，y轴和z轴方向受到的力为x轴，y轴和z轴方向的分力。

优选地，传动模组32连接在除刀架33表面的中心的位置，可使得刀具更好地进行旋转。

优选地，刀架33为正方体，该正方体具有六个表面，即为上表面，下表面，左侧面，右侧面，前表面和后表面，当所述传动模组32的数量为三个时，三个传动模块32可分别连接在刀架33的后表面，左表面和下表面的中心，使得刀具可受到x轴，y轴和z轴方向上的推力和/或拉力。

本发明优选实施方式中，所述传动模组32包括至少一个传动模块321，所述传动模块321包括驱动件3211和柔性件3212，所述驱动件3211固定于所述底座31上，用于控制所述柔性件3212进行移动，所述驱动件3211和所述刀架33通过所述柔性件3212相连接。本发明传动模组32包括至少一个传动模块321，即表示刀架33的每一个表面上至少连接一个传动模块321。所述驱动件3211用于进行移动以控制所述柔性件3212进行移动。本发明中驱动件3211的移动是由于驱动件3211本身的移动形成的位置差别或者驱动件3211本身进行了伸缩形成的位置差别。优选地本发明中移动件可进行伸缩以控制所述柔性件3212进行移动。本发明中的柔性件3212是具有弹性的。至少两个传动模组32中当有一个传动模组32带动刀具和刀架33进行旋转时，其他传动模组32也会随着发生旋转，因此柔性件3212可保证微调装置3的稳定性，使其不被破坏。

本发明优选实施方式中，每个所述传动模组32包括两个所述传动模块321，两个所述传动模块321分别设于所述刀架33表面的相对两侧。本发明中，传动模组32包括两个所述传动模块321即代表刀架33的表面设有两个传动模块321，并且分别设置在表面的相对两侧。可使刀具在更多的方向上进行旋转，使对刀装置的难度下降，对刀装置的精度提高。

本发明优选实施方式中，所述驱动件3211包括压电陶瓷,所述柔性件3212包括柔性铰链32121和刚性连接体32122。本发明的压电陶瓷可进行伸长或缩短以控制柔性铰链32121的移动。本发明提供更多柔性铰链32121具有极佳的弹性，弹性模量较大，可有效地保证微调装置3的完整性，并且在对准，加工完成后还可恢复初始形态，待下次继续使用。

本发明优选实施方式中，所述柔性铰链32121的数量为两个，且所述两个柔性铰链32121设于所述刚性连接体32122的相对两端，所述柔性铰链32121为球铰，使得所述柔性铰链32121处能产生旋转和偏移的变形。球铰的设置可使得传动部分更好地进行旋转。优选地，本发明中柔性铰链32121设有两个球铰，所述两个球铰别设于柔性铰链32121的两端。优选地，本发明实施例中靠近底座31处的球铰的相对两侧与所述底座31通过移动副柔性铰链连接，以使柔性件3212进行更好地平动。

具体地，请参考图3，本发明优选实施方式中，微调装置3中的刀架33为正方体，并且刀架33具有空心结构，刀具安装于所述刀架33的一端。微调装置3包括三个传动模组32，每个传模组32包括两个传动模块321，并且三个传动模组32分别设于刀架33的后表面，左侧面和下表面。而两个传动模块321分别设于刀架33表面的相对两侧。上述设置可使刀具受到所述刀具的进给方向、所述刀具的切削深度方向和所述刀具的高度方向上的推力，以使所述刀具进行旋转，将刀具存在的旋转偏差调正，最终实现刀具的对准。

本发明优选实施方式中，本发明提供的对刀装置还可用于使刀具进行线性移动，将刀具的线性偏差调准。优选地，如图3所示，设在刀架33表面相对两侧的传动模块321如果同时对刀架33施加大小，方向相同的力，则刀架33不会发生旋转，而只会发生线性移动。因此通过三个传动模组32的相互配合，则可简单，快捷，准确地调整刀具的线性偏差。本发明提供的对刀装置既可以修正线性偏差，又可以修正旋转偏差，一个装置具有两种用途，具有极大的实用性。

本发明优选实施方式中，本发明的粗调装置2包括联轴器21，丝杆24，滑轨23、滑块22和固定板。驱动装置4与联轴器21相连接，联轴器21与丝杆24相连接，所述丝杆24通过丝杆24螺母与所述滑块22连接，以使所述滑块22在滑轨23上进行移动，所述滑轨23固定于固定板上。驱动装置4用于驱动联轴器21转动，联轴器21转动进而带动丝杆24在竖直方向上进行移动，由于丝杆24与滑块22连接，因此滑块22可在滑轨23上沿竖直方向进行移动。优选地，丝杆24为滚珠丝杆24。

本发明优选实施方式中，刀台5与粗调装置2连接，并且刀台5的相对两侧设有制动装置51，所述制动装置51用于将刀台5抱死与粗调装置2上，使刀台5与粗调装置2紧密连接。优选地，制动装置51包括电磁铁。对刀装置通电后电磁铁由于磁力的作用可使刀台5与粗调装置2紧密连接。

请参考图6，本发明实施例提供的一种对准方法，包括：

步骤1：提供刀具和工件，将所述工件安装至机床的主轴中心上，所述刀具安装至对刀装置上，再将所述刀具和所述机床的主轴中心进行预对准，然后进行预切削；

步骤2：判断所述刀具相对于所述主轴中心是否存在旋转偏差；

步骤3：若所述刀具相对于所述主轴中心存在旋转偏差，则通过所述对刀装置将所述刀具进行对准；

所述对刀装置包括刀座1、粗调装置2、微调装置3、以及驱动装置4，所述驱动装置4用于驱动所述粗调装置2带动刀具在竖直方向上进行移动，所述微调装置3用于驱动所述刀具进行旋转，所述微调装置3包括底座31、至少两个传动模组32和刀架33，所述刀架33用于安装所述刀具，所述传动模组32的一端与所述底座31相连接，另一端与所述刀架33相连接，所述至少两个传动模组32用于驱动所述刀具进行旋转。

本发明实施例提供的对准方法，将刀具和机床的主轴中心进行预对准和预切削后，可根据切削力曲线图，样品表面的质量等条件判断刀具相对于所述主轴中心是否存在旋转偏差。若存在旋转偏差在，则通过本发明提供的对刀装置进行对准。通过采用本发明实施例提供的对刀装置，可准确地将刀具进行对准，有效地消除刀具存在的旋转偏差。

本发明优选实施方式中，所述对准方法还包括：

判断所述刀具相对于所述主轴中心是否存在线性偏差；

若所述刀具相对于所述主轴中心存在线性偏差，则通过所述微调装置3驱动所述刀具进行线性移动以将所述刀具进行对准。

本发明还可通过对刀装置将刀具进行线性移动，消除刀具存在的线性偏差，以将所述刀具进行对准。

本发明优选实施方式中，所述刀具的线性移动的范围为0.1-20μm，所述刀具的旋转的范围为0.1-1mrad。优选地，刀具刀具的线性移动的范围为1-15μm，所述刀具的旋转的范围为0.3-0.7mrad。更优选地，刀具刀具的线性移动的范围为5-10μm，所述刀具的旋转的范围为0.4-0.6mrad。

本发明优选实施方式中，对刀装置的运动解耦度为6-10％。

本发明优选实施方式中，对刀装置的运动分辨率不大于0.2μm。优选地，对刀装置的运动分辨率不大于0.1μm。

本发明优选实施方式中，对刀装置的重复精度不大于0.4μm。优选地，对刀装置的重复精度不大于0.2μm。

以上对本发明实施方式所提供的内容进行了详细介绍，本文对本发明的原理及实施方式进行了阐述与说明，以上说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种对准方法，其特征在于，包括：

提供刀具和工件，将所述工件安装至机床的主轴中心上，所述刀具安装至对刀装置上，再将所述刀具和所述机床的主轴中心进行预对准，然后进行预切削；

根据切削力曲线图或所述工件表面的质量判断所述刀具相对于所述主轴中心是否存在旋转偏差；

若所述刀具相对于所述主轴中心存在旋转偏差，则通过所述对刀装置将所述刀具进行对准；

所述对刀装置包括刀座、粗调装置、微调装置、以及驱动装置，所述驱动装置用于驱动所述粗调装置带动刀具在竖直方向上进行移动，所述微调装置用于驱动所述刀具进行旋转和线性运动，所述微调装置包括底座、三个传动模组和刀架，所述刀架用于安装所述刀具，所述传动模组的一端与所述底座相连接，另一端与所述刀架相连接，所述三个传动模组用于驱动所述刀具进行旋转和线性运动；

所述三个传动模组分别与所述刀架的不同表面连接，且所述三个传动模组使所述刀具受到刀具的进给方向、刀具的切削深度方向和所述竖直方向上的推力和/或拉力，以驱动所述刀具进行旋转；

所述传动模组包括两个传动模块，所述传动模块包括驱动件和柔性件，所述驱动件固定于所述底座上，用于控制所述柔性件进行移动，所述驱动件和所述刀架通过所述柔性件相连接；

每个所述传动模组包括两个所述传动模块，两个所述传动模块分别设于所述刀架表面的相对两侧；

所述驱动件包括压电陶瓷,所述柔性件包括柔性铰链和刚性连接体；

所述柔性铰链的数量为两个，且所述两个柔性铰链设于所述刚性连接体的相对两端，所述柔性铰链为球铰。

2.如权利要求1所述的对准方法，其特征在于，所述对准方法还包括：

判断所述刀具相对于所述主轴中心是否存在线性偏差；

若所述刀具相对于所述主轴中心存在线性偏差，则通过所述微调装置驱动所述刀具进行线性移动以将所述刀具进行对准。

3.如权利要求2所述的对准方法，其特征在于，所述刀具的线性移动的范围为0.1-20μm，所述刀具的旋转的范围为0.1-1mrad。

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