CN111761359A - 一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置，属于超精密切削加工技术领域。主要包括椭圆振动辅助切削装置、精密转台和固定底座三部分。椭圆振动辅助切削装置与精密转台通过紧固螺栓连接，通过精密转台进行角度调整。精密转台与固定底座通过紧固螺栓连接，固定底座与椭圆振动辅助切削装置通过一个圆弧型凸台以面接触方式对装置进行辅助支撑。本发明的优点在于能通过360度的角度调整使刀尖处的椭圆轨迹实现空间可调；支链采用梯形薄板、X型铰链和直圆型柔性铰链串联的方式，四个支链成90°角与末端运动刀座并联连接构建柔顺机构，有利于实现高带宽和各轴运动解耦。本发明结构紧凑，可广泛应用于多种不同构型的加工机床和设备。

Description

一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置

技术领域

本发明涉及超精密切削加工技术领域，特别是涉及一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置。

背景技术

近年来随着科技水平的不断进步，各种难加工材料开始受到了广泛的应用。然而，传统的加工方式在加工难加工材料时无法得到较好的效果，切削过程中往往伴随着严重的刀具磨损、加工表面质量恶化等问题。为了解决这些问题，上世纪九十年代日本学者提出了椭圆振动切削理论。该方法不仅能够克服传统连续切削中刀具磨损、加工表面质量难以保证等问题，同时还可以改善部分难加工材料的可加工性，其在微纳结构功能表面创成方面也具有特殊的优势。因此，近年来引起了国际上众多学者的关注和研究。

椭圆振动切削是使刀具在切削过程中的特定平面内以椭圆形轨迹运动，刀具的椭圆运动轨迹依赖于椭圆振动辅助切削装置的驱动来实现。椭圆振动辅助切削装置根据其振动产生机理分为共振型和非共振型。共振型装置通常依赖于结构的特定振型和其对应的固有频率，借助外部驱动器的激励使结构在特定方向形成共振，利用不同振型的耦合形成椭圆振动，该种类型装置容易获得较高的振动频率，但是工作带宽很难进行大范围调节，且刀杆的设计难度相对较大。而非共振型装置通常利用外部驱动器激励柔性运动机构来实现椭圆振动，该种类型装置的工作频率理论上在一阶固有频率范围内可调，且更容易实现精确控制，在微纳结构柔性加工方面具有优势，近年来发展迅速。目前非共振椭圆振动辅助切削装置专利可查的有：专利CN106041133A提及的一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置，该装置利用两平行压电叠堆进行驱动，使刀尖实现椭圆运动，但该装置的角度调节范围有限，且只能以5度为单位进行调整，其次该装置无法实现刀尖任意空间三维椭圆振动的调节；专利CN105149626A、CN103611947B、CN104117697A提及的椭圆振动辅助切削装置均为二维椭圆振动辅助切削装置，且只能实现正交椭圆振动切削，并且适用于特定构型的机床；专利CN102059575B、CN102371359B、CN104942377B、CN103611988B和CN109550982A提及的椭圆振动辅助切削装置，均为三维椭圆振动辅助切削装置，上述装置只能实现特定空间的刀具椭圆振动轨迹，且装置的结构特点使其无法实现正交和斜角的切换，对不同构型的加工机床和设备适用性较差。

发明内容

本发明提供一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置，其目的在于实现刀具运动轨迹调整更灵活、工作带宽更高，能够实现不同切削方式的切换，提高装置对不同构型加工机床和设备的适用性，以解决现有椭圆振动辅助切削装置存在的不足。

本发明采取的技术方案是：由椭圆振动辅助切削装置、精密转台和固定底座三部分组成可转位的三自由度解耦高带宽振动辅助切削装置；固定底座上的四个对称分布的通孔与精密转台后部的四个对称分布的通孔配合，通过四组螺栓、螺母进行连接，椭圆振动辅助切削装置通过椭圆振动辅助切削装置基座上的三个通孔与精密转台上的螺纹孔配合，通过三个紧固螺栓进行连接，椭圆振动辅助切削装置与固定底座上的圆弧型凸台以面接触方式配合，对椭圆振动辅助切削装置进行辅助支撑；该装置通过固定底座底部的四个通孔或精密转台上的四个通孔固定在机床或其他设备上，椭圆振动辅助切削装置通过精密转台实现360度转位，使得刀具前刀面与切削方向角度可任意调整，实现刀尖处的椭圆轨迹空间可调，同时也可实现正交和斜角切削的变换。

本发明所述椭圆振动辅助切削装置的结构是：椭圆振动辅助切削装置包括椭圆振动辅助切削装置基座、前盖板、柔顺机构、两个预紧支架、三个压电驱动器及对应的位移传感器；椭圆振动辅助切削装置基座后部的三个通孔用于将椭圆振动辅助切削装置与精密转台固紧连接在一起，椭圆振动辅助切削装置基座前部凹槽内的四个对称分布的螺纹孔、柔顺机构四个支撑脚上的通孔和前盖板四个对称分布的沉头孔配合，通过四个紧固螺栓将十字形的柔顺机构以X形装配到椭圆振动辅助切削装置基座和前盖板的凹槽内，并固紧在一起，椭圆振动辅助切削装置基座左方的两个螺纹孔和下方的两个螺纹孔分别与结构完全一致的预紧支架上的两个通孔配合，通过紧固螺栓连接在一起，椭圆振动辅助切削装置基座左方、下方和后方各有一个驱动器放置槽，用于放置和定位压电驱动器，三个方向压电驱动器与柔顺机构以点接触方式配合，分别驱动柔顺机构在X、Y、Z方向运动，实现三自由度控制，左方和下方的两个通孔预留出凹槽，与预紧支架上两矩形通孔配合用于将X、Y方向上的压电驱动器的导线引出装置外，椭圆振动辅助切削装置基座左右两侧还各有一个矩形通孔，用于将Z方向上的压电驱动器的导线引出装置外。椭圆振动辅助切削装置基座上方、右方和后方的通孔用于放置位移传感器探头来测量柔顺机构在X、Y、Z方向上的位移量，实现较高的控制精度，椭圆振动辅助切削装置基座前方和上方共有三个较小的螺纹孔，与前盖板上对应的通孔配合，通过螺栓对位移传感器探头进行紧固。

本发明所述柔顺机构的结构是：柔顺机构整体呈标准的十字型结构，中间的末端运动刀座为八边形结构，末端运动刀座八边形的一边与直圆型柔性铰链、X型柔性铰链、梯形薄板和支撑脚依次串联连接形成一个支链，四个完全相同的支链分别与末端运动刀座八边形相互间隔的四条边连接使柔顺机构整体呈现十字形结构，末端运动刀座的上下两边分别对称设计有方便测量刀座Z向位移的测量挡板，用于辅助位移传感器测量末端运动刀座在Z方向的位移量。柔顺机构为一个独立的整体，通过线切割和传统机械加工实现一次加工成型，避免因零部件装配产生的装配误差；所述X型铰链不仅可以实现拉伸变形，还可以实现弯曲变形，梯形薄板只能实现沿Z向的弯曲变形，利用直圆型柔性铰链的弯曲特性来实现运动解耦，对称的十字形设计可以保证在驱动力作用下，末端运动刀座沿X、Y、Z三个方向的运动具有更好的单向性，其次运动部分的质量较小，容易获得更高的工作带宽。

本发明所述精密转台的结构是：精密转台后部四个左右对称的通孔用于将精密转台和固定底座或其他设备连接在一起，精密转台与椭圆振动辅助切削装置的旋转中心重合，且具有锁紧功能，可以实现手动或自动调整椭圆振动辅助切削装置的旋转角度，进而调整刀具的加工角度，所述精密转台可实现分辨率为1度的360度转位。

本发明所述固定底座的结构是：固定底座上的左右对称的四个通孔与精密转台的四个左右对称的通孔配合，通过四组紧固螺栓、螺母将固定底座与精密转台连接在一起，固定底座底部的左右对称的四个通孔用于将固定底座固定在各种加工机床上，固定底座前部有一圆弧型凸台用于对椭圆振动辅助切削装置进行辅助支撑。

本发明有如下优点：本装置结构紧凑，设计合理，梯形薄板、X型铰链和直圆型柔性铰链串联的设计容易同时获得较高的刚度和位移输出，此外末端运动刀座质量小，装置整体容易获得较高的工作带宽；精密转台的设计，可以使椭圆振动辅助切削装置进行360度的转位调整，且转位分辨率达到1度，大大提高装置的适用性，同时可以使刀尖处的椭圆轨迹实现空间可调，可灵活地安装在各种加工机床或其他加工设备上进行正交或斜角切削；柔顺机构的四个完全一致的支链均采用直圆型柔性铰链和X型柔性铰链串联的结构，四个支链共同组成十字型柔顺机构，可有效改善耦合现象；三压电驱动器使得该装置可实现三自由度控制，根据需要对三压电驱动器通以不同的信号可使刀具实现多种加工轨迹的调制，有效提高装置面向不同加工对象的加工柔性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的固定底座的结构示意图。

图3是本发明的椭圆振动辅助切削装置的爆炸视图。

图4a是本发明的椭圆振动辅助切削装置基座的前侧视图结构示意图。

图4b是本发明的椭圆振动辅助切削装置基座的后侧视图结构示意图。

图5是本发明的柔顺机构的结构示意图。

图6是本发明在机器人手臂上的安装示意图。

图7是本发明在卧式车床上的安装示意图。

图中，1是固定底座，2是精密转台，3是椭圆振动辅助切削装置，4是前盖板，5是刀具，6是柔顺机构，7是位移传感器探头，8是椭圆振动辅助切削装置基座，9是预紧支架，10是压电驱动器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。

如图1、图2和图4所示，一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置由椭圆振动辅助切削装置3、精密转台2和固定底座1三部分组成，固定底座1上的四个对称分布的通孔101与精密转台后部的四个对称分布的通孔配合，通过四组螺栓、螺母进行连接，椭圆振动辅助切削装置3通过椭圆振动辅助切削装置基座8上的三个通孔801与精密转台上的螺纹孔配合，通过三个紧固螺栓进行连接，椭圆振动辅助切削装置3与固定底座1上的圆弧型凸台103接触，接触方式为面接触。椭圆振动辅助切削装置3与精密转台2固紧连接后，通过精密转台2实现360度转位，使得刀具前刀面与切削方向角度可任意调整，实现刀尖处的椭圆轨迹空间可调，同时也可实现正交和斜角切削的变换。

如图3、图4和图5所示，本发明所述椭圆振动辅助切削装置3的结构是：椭圆振动辅助切削装置3包括椭圆振动辅助切削装置基座8、前盖板4、刀具5、柔顺机构6、两个预紧支架9、三个压电驱动器10及对应的三个位移传感器探头7。椭圆振动辅助切削装置基座8后部的三通孔801用于将椭圆振动辅助切削装置3与精密转台2连接在一起，椭圆振动辅助切削装置基座8前部凹槽内的四个对称分布的螺纹孔806、柔顺机构6的四个支撑脚上的通孔604和前盖板4凹槽内四个对称分布的沉头孔402配合，将十字型的柔顺机构6装配在椭圆振动辅助切削装置基座8前部的X型凹槽805内，通过四个紧固螺栓将十字形的柔顺机构6以X形装配到椭圆振动辅助切削装置基座8和前盖板4的凹槽内，并固紧在一起；椭圆振动辅助切削装置基座8左方和下方的螺纹孔808分别与结构完全一致的预紧支架9上的两个通孔901配合，通过紧固螺栓连接在一起，椭圆振动辅助切削装置基座8左方、下方和后方各有一个驱动器放置槽807，用于放置和定位压电驱动器10，三个方向的压电驱动器10分别驱动柔顺机构6在X、Y、Z方向运动，实现三自由度控制，左方和下方的两个通孔预留出凹槽，与预紧支架9上两矩形通孔902配合用于将X、Y方向上的压电驱动器的导线引出装置外，椭圆振动辅助切削装置基座8左右两侧还各有一个矩形通孔802，用于将Z方向上的压电驱动器的导线引出装置外，预紧支架9上的螺纹孔903与预紧螺栓配合，用于对X、Y方向的压电驱动器10进行预紧，Z方向的压电驱动器10通过椭圆振动辅助切削装置基座8后方的驱动器放置槽807连接的沉头螺纹孔809进形预紧。椭圆振动辅助切削装置基座8上方、右方和后方的通孔803用于放置位移传感器探头7来测量柔顺机构6在X、Y、Z方向上的位移量，实现较高的控制精度，椭圆振动辅助切削装置基座8前方和上方共有三个较小的螺纹孔804，与前盖板4上相对应的通孔401配合，通过螺栓对位移传感器探头进行紧固。

如图5所示，本发明所述柔顺机构6的结构是：柔顺机构6整体呈十字型结构，中间的末端运动刀座602为八边形结构，末端运动刀座602八边形的一边与直圆型柔性铰链605、X型柔性铰链607、梯形薄板603和支撑脚601依次串联连接形成一个支链，四个完全相同的支链分别与末端运动刀座602八边形相互间隔的四条边连接使柔顺机构6整体呈现十字形结构，末端运动刀座602的上下两边分别对称设计有方便测量刀座Z向位移的测量挡板606，用于辅助位移传感器探头7测量末端运动刀座602在Z方向的位移量。柔顺机构6为一个独立的整体，通过线切割和传统机械加工实现一次加工成型，避免因零部件装配产生的装配误差。

本发明所述精密转台2的结构是：精密转台2后部四个左右对称的通孔用于将精密转台2和固定底座1或其他设备连接在一起，精密转台2与椭圆振动辅助切削装置3的旋转中心重合，且具有锁紧功能，可以实现手动或自动调整椭圆振动辅助切削装置3的旋转角度，进而调整刀具5的加工角度，所述精密转台2可实现分辨率为1度的360度转位。

如图2所示，本发明所述固定底座1的结构是：固定底座1上的左右对称的四个通孔101与精密转台的四个左右对称的通孔配合，通过四组紧固螺栓、螺母将固定底座1与精密转台2连接在一起，固定底座1底部的左右对称的四个通孔102用于将固定底座1固定在各种加工机床上，固定底座前部有一圆弧型凸台103用于对椭圆振动辅助切削装置3进行辅助支撑。

如图6所示，为本发明安装在机器人手臂上的示意图，此种情况是直接通过精密转台2的四个固定通孔与机器人手臂上的安装转接板进行连接固定。相同的道理，本发明还可以利用同样的原理安装在不同配置的立式机床主轴上进行加工作业。

如图7所示，为本发明安装在卧式车床上的示意图，此种情况是通过固定底座1上的安装通孔102与机床运动导轨进行直接连接固定。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置，其特征在于，由椭圆振动辅助切削装置、精密转台和固定底座三部分组成，固定底座与精密转台之间通过四个左右对称的紧固螺栓进行连接，椭圆振动辅助切削装置通过椭圆振动辅助切削装置基座上的通孔与精密转台上的螺纹孔配合，通过三个紧固螺栓进行连接，椭圆振动辅助切削装置与固定底座上的圆弧型凸台接触，接触方式为面接触，该装置通过固定底座底部的四个通孔或精密转台上的四个通孔固定在机床或其他设备上，椭圆振动辅助切削装置通过精密转台实现360度转位，使得刀具前刀面与切削方向角度可任意调整，实现刀尖处的椭圆轨迹空间可调，同时也可实现正交和斜角切削的变换。

2.根据权利要求1所述的一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置，其特征在于，所述椭圆振动辅助切削装置的结构是：椭圆振动辅助切削装置主要包括椭圆振动辅助切削装置基座、前盖板、柔顺机构、两个预紧支架、三个压电驱动器及对应的位移传感器；椭圆振动辅助切削装置基座后部的三个通孔用于将椭圆振动辅助切削装置与精密转台连接在一起，椭圆振动辅助切削装置基座前部凹槽内的四个对称分布的螺纹孔、柔顺机构四个支撑脚上的通孔和前盖板四个对称分布的沉头孔配合，通过四个紧固螺栓将十字形的柔顺机构以X形装配到椭圆振动辅助切削装置基座和前盖板的凹槽内，并固紧在一起，椭圆振动辅助切削装置基座左方的两个螺纹孔和下方的两个螺纹孔分别与结构完全一致的预紧支架上的两个通孔配合，通过紧固螺栓连接在一起，椭圆振动辅助切削装置基座左方、下方和后方各有一个驱动器放置槽，用于放置和定位压电驱动器，三个方向压电驱动器与柔顺机构以点接触方式配合，分别驱动柔顺机构在X、Y、Z方向运动，实现三自由度控制，左方和下方的两个通孔预留出凹槽，与预紧支架上两矩形通孔配合用于将X、Y方向上的压电驱动器的导线引出装置外，椭圆振动辅助切削装置基座左右两侧还各有一个矩形通孔，用于将Z方向上的压电驱动器的导线引出装置外，椭圆振动辅助切削装置基座上方、右方和后方的通孔用于放置位移传感器探头来测量柔顺机构在X、Y、Z方向上的位移量，实现较高的控制精度，椭圆振动辅助切削装置基座前方和上方共有三个较小的螺纹孔，与前盖板上对应的通孔配合，通过螺栓对位移传感器探头进行紧固。

3.根据权利要求1所述的一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置，其特征在于，所述柔顺机构的结构是：柔顺机构整体呈十字型结构，中间的末端运动刀座为八边形结构，末端运动刀座八边形的一边与直圆型柔性铰链、X型柔性铰链、梯形薄板和支撑脚依次串联连接形成一个支链，四个完全相同的支链分别与末端运动刀座八边形相互间隔的四条边连接使柔顺机构整体呈现十字形结构，末端运动刀座的上下两边分别对称设计有方便测量刀座Z向位移的测量挡板，用于辅助位移传感器探头测量末端运动刀座在Z方向的位移量；柔顺机构为一个独立的整体，通过线切割和传统机械加工实现一次加工成型，避免因零部件装配产生的装配误差；所述X型铰链不仅可以实现拉伸变形，同时也可以实现弯曲变形。

4.根据权利要求1所述的一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置，其特征在于，所述精密转台的结构是：精密转台后部四个左右对称的通孔用于将精密转台和固定底座或其他设备连接在一起，精密转台与椭圆振动辅助切削装置的旋转中心重合，且具有锁紧功能，可以实现手动或自动调整椭圆振动辅助切削装置的旋转角度，进而调整刀具的加工角度，所述精密转台可实现分辨率为1度的360度转位。

5.根据权利要求1所述的一种可转位的三自由度高带宽振动辅助切削装置，其特征在于，所述固定底座的结构是：固定底座上的左右对称的四个通孔与精密转台的四个左右对称的通孔配合，通过四组紧固螺栓、螺母将固定底座与精密转台连接在一起，固定底座底部的左右对称的四个通孔用于将固定底座固定在各种加工机床上，固定底座前部有一圆弧型凸台用于对椭圆振动辅助切削装置进行辅助支撑。

6.根据权利要求2所述的一种椭圆振动辅助切削装置，其特征在于可以通过控制信号实现X、Y、Z三个方向任意方向任意波形的振动位移输出，从而实现一维、二维或三维的特定轨迹的输出。

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