CN115338644B - 一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置，包括刀架，所述刀架中间设有圆形孔，所述刀架的一个端面上均布多个轴向驱动单元，每个所述轴向驱动单元通过轴向移动装置与径向驱动单元垂直连接，所述径向驱动单元通过径向移动装置与位置补偿机构连接，所述位置补偿机构上靠近刀架圆形孔处设有刀具，所述刀具的一端通过柔性运动单元与压电陶瓷驱动器接触，所述柔性运动单元与电容位移传感器测量基准板连接，电容位移传感器用于测量电容位移传感器基准板位移；相邻两个径向驱动单元之间设有磨具模组，所述磨具模组安装在刀架上。其优点在于，通过改变刀具的空间布局，优化工件在切削过程中的受力状态，减小工件的加工变形，提高工件的加工精度。

Description

一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置

技术领域

本申请属于车削与磨削一体化加工系统，具体涉及一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置。

背景技术

传统车床加工大长径比轴类工件过程中，由于工件两端跨度大，工件的加工刚度较差，易发生弯曲变形，严重降低工件加工精度；同时，在工件车削过程中，当工件的加工量较大时，需对工件进行多次往复加工，降低工件的加工效率；此外，传统车床加工工件之后，需将工件转移至磨床，实现对工件的磨削，严重制约工件加工效率。

发明内容

针对上述问题，本专利提出一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置，本发明将三组刀具采用相对于工件周向均匀分布的布置方式，通过改变刀具的空间布局，优化工件在切削过程中的受力状态，减小工件的加工变形，提高工件的加工精度。其技术方案为，

一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置，包括刀架，所述刀架中间设有圆形孔，所述刀架的一个端面上均布多个轴向驱动单元，每个所述轴向驱动单元通过轴向移动装置与径向驱动单元垂直连接，所述径向驱动单元通过径向移动装置与位置补偿机构连接，所述位置补偿机构上靠近刀架圆形孔处设有刀具，所述刀具的一端通过柔性运动单元与压电陶瓷驱动器接触，所述柔性运动单元与电容位移传感器测量基准板连接，电容位移传感器用于测量电容位移传感器基准板位移；相邻两个径向驱动单元之间设有磨具模组，所述磨具模组安装在刀架上。

优选的，所述刀架为规则的多边体结构，成阶梯形状，包括第一阶梯和第二阶梯，所述第二阶梯设有轴向驱动单元安装槽，所述第一阶梯对应轴向驱动单元安装槽的位置上设有径向驱动单元安装槽，相邻两个所述径向驱动单元安装槽之间设有磨具模组安装槽。

优选的，所述轴向驱动单元包括轴向驱动伺服电机，所述轴向驱动伺服电机与轴向减速器连接，所述轴向减速器通过轴向驱动单元安装底座与刀架固定连接，所述轴向移动装置包括轴向梯形丝杆，所述轴向梯形丝杆一端与轴向梯形丝杆轴承连接，另一端与径向驱动单元安装底座连接，所述径向驱动单元安装底座与刀架滑动连接。

优选的，所述径向驱动单元包括径向伺服电机，所述径向伺服电机与径向减速器连接，所述径向减速器通过径向驱动伺服电机安装基座固定在刀架上，所述径向移动装置包括径向梯形丝杆和径向梯形丝杆螺母，径向减速器的输出轴通过键与径向梯形丝杆连接，所述径向梯形丝杆穿套在径向梯形丝杆螺母上，其两端与径向梯形丝杆轴承连接，径向梯形丝杆轴承外圈与径向驱动单元壳体固定连接，径向驱动单元壳体分为上下两部分，其中径向驱动单元壳体上部壳体与径向驱动单元壳体下部壳体之间设有燕尾滑槽，用于径向驱动单元上部壳体的径向位置调整，径向梯形丝杆螺母通过连接螺栓与径向驱动单元上部壳体连接。

优选的，位置补偿机构包括位置补偿机构壳体、电容位移传感器、柔性运动单元、压电驱动器和压电驱动器底座；

所述位置补偿机构壳体主体为矩形结构，其内部开设有圆形通孔和凸台以及用于连接预紧环形螺母的连接螺纹，位置补偿机构壳体的一侧设有用于安装电容位移传感器的圆形盲孔，同时圆形盲孔侧面开设有用于紧定电容位移传感器的螺纹孔，位置补偿机构壳体通过连接螺栓与径向驱动单元上部壳体连接，压电驱动器底座主体为矩形结构，其中心处设有凸台，同时其中部设有用于紧定压电陶瓷驱动器的螺纹孔，压电陶瓷驱动器底座两侧设有用于连接的通孔，压电驱动器底座通过连接螺栓与位置补偿机构壳体相连，预紧螺母通过压电驱动器底座的螺纹孔安装在压电驱动器底座上，用于预紧压电陶瓷驱动器；柔性运动单元主体为圆柱形结构，其外侧设有两个尺寸不一的环形台肩，柔性运动单元远离压电陶瓷驱动器的一端设有用于安装刀具的矩形结构，柔性运动单元的另一端与压电陶瓷驱动器接触，柔性运动单元较大的环形凸台与位置补偿机构壳体内部的凸台接触，预紧环形螺母外缘设有螺纹，其抵在柔性运动单元环形凸台上，实现对柔性运动单元预紧作用，柔性运动单元前端安装有刀具，刀具通过刀具压板压在柔性运动单元上，柔性运动单元通过螺栓与电容位移传感器测量基准板连接，电容位移传感器安装在位置补偿机构壳体的圆形盲孔内，并通过电容位移传感器紧定螺栓固定。

优选的，刀具的初级位置调节方法如下；

轴向驱动伺服电机开始转动，轴向驱动伺服电机的输出轴将旋转运动传递至轴向减速器，轴向减速器将旋转运动减速后传递至轴向梯形丝杆，随着轴向梯形丝杆的转动不断推动径向驱动单元安装底座，当径向驱动单元安装底座运动至预定位置，轴向驱动伺服电机停止转动，并处于锁止状态，完成径向驱动单元的轴向位置调整；

径向驱动伺服电机开始转动，径向驱动伺服电机的输出轴将旋转运动传递至径向减速器，径向减速器将旋转运动减速后传递至径向梯形丝杆，随着径向梯形丝杆的转动不断推动径向梯形丝杆螺母，径向梯形丝杆螺母带动径向驱动单元壳体的上部分沿滑槽运动，当径向驱动单元运动上部壳体运动定位置，径向驱动伺服电机停止转动，并处于锁止状态，完成径向驱动单元的径向位置调整。

优选的，刀具的超快伺服补偿控制方法如下；

电容位移传感器测量电容位移传感器测量基准板的位移，根据电容位移传感器测量数据，调整压电陶瓷驱动器的输入电压，压电陶瓷驱动器在输入电压的作用下发生变形，压电陶瓷驱动器通过与柔性运动单元的接触作用，将运动传递至柔性运动单元，柔性运动单元的环形台肩在压电陶瓷驱动器的作用下发生弹性变形，柔性运动单元的运动带动刀具的运动，当电容位移传感器检测刀具运动至预设位置，保持压电陶瓷驱动器输入稳定的电压，实现刀具在轴向位置的超快伺服补偿位置调节。

优选的，轴对称磨削的力控制过程如下；

根据磨刀刀具的特性以及加工工件的材料属性，选择不同的磨削力，通过调整磨具模组内部驱动气缸的输入气压，改变驱动气缸的输出力，驱动气缸的活塞杆带动导向单元一同运动，导向单元沿刀架内部的导向槽运动，导向单元将力和运动传递至磨刀刀具；磨刀刀具在对应驱动气缸的作用下开始对已车削的表面进行磨削，实现轴对称磨削的力控制功能。

优选的，包括上位机、信号发生器和编码器；

上位机将控制信号传递至脉冲信号发生器，脉冲信号发生器将对应的脉冲信号传递至径向驱动单元和轴向驱动单元，径向驱动单元和轴向驱动单元用于刀具的轴向和径向的位置调整，编码器将径向驱动单元和轴向驱动单元的输出运动转化为位移信号并传递至上位机，经编码器传递至上位机的位移信号，作为反馈信号用于上位机调整输出至脉冲信号发生器的控制信号，实现刀具初级位置调整的闭环控制；

上位机将控制信号传递至压电陶瓷驱动电源，压电陶瓷驱动电源通过压电陶瓷驱动器驱动柔性运动单元，实现刀具的高精度快速位置补偿，电容位移传感器输出的位移信号经信号放大器后传递至上位机，信号放大器传递至上位机的位移信号作为反馈信号，用于上位机调整输出至压电陶瓷驱动电源的控制信号，实现刀具的高精度快速调节；

上位机将控制信号传递至气体压力控制器，气体压力控制器用于控制驱动气缸内部的气体压力，气缸内置的气体压力传感器将其压力信号经总线传递至上位机，传递至上位机的气体压力信号，作为反馈信号用于上位机调整输出至气体压力控制器的控制信号，实现模具模组输出力的闭环控制。

有益效果

针对上述问题，本专利提出一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置，本发明将三组刀具采用相对于工件周向均匀分布的布置方式，通过改变刀具的空间分布，优化工件在切削过程中的受力状态，减小工件的加工变形，提高工件的加工精度；同时通过对三组位置驱动单元进行独立控制，实现刀具快速、高精度的独立位置调节；其中，每组位置驱动单元包括轴向位置控制单元、径向位置控制单元和位置补偿机构，轴向位置控制单元和径向位置控制单元通过电机+丝杆传动对刀具进行初级位置调整，位置补偿机构通过压电陶瓷驱动器驱动柔性机构，对刀具实际的背吃刀量进行在线快速调整，并基于内置的电容位移传感器，实现刀具背吃刀量的闭环位置控制，进一步提高加工精度；此外，本发明创新性提出车磨一体化加工方法，通过气缸推动磨具对前方车刀已加工的表面进行磨削，节省工件加工时间，提高整体生产效率。

附图说明

图1为本申请主视图。

图2为本申请结构示意图（省略刀架壳体）。

图3为第一轴向驱动单元结构示意图。

图4为第二轴向驱动单元结构示意图。

图5为第三轴向驱动单元结构示意图。

图6为第一磨具模组结构示意图。

图7为第二磨具模组结构示意图。

图8为第三磨具模组结构示意图。

图9为第一径向驱动单元结构示意图。

图10为第二径向驱动单元结构示意图。

图11为第三径向驱动单元结构示意图。

图12为第一位置补偿机构示意图。

图13为第二位置补偿机构示意图。

图14为第三位置补偿机构示意图。

图15为工件磨削受力示意图。

图16为工件车削受力分析图。

图17为本申请安装在车床上的示意图。

图18为磨具磨组分布示意图。

图19为上位机控制原理图。

图中1-车床主轴箱，2-车床尾架，3-车床床身，4-刀架，5-加工工件，6-第一轴向驱动单元，61-第一轴向驱动伺服电机，62-第一轴向减速器，63-第一轴向梯形丝杆轴承，64-第一轴向梯形丝杆，65-第三径向驱动单元安装底座，66-第一轴向驱动单元安装底座，7-第二轴向驱动单元，71-第二轴向驱动伺服电机，72-第二轴向减速器，73-第二轴向梯形丝杆轴承，74-第二轴向梯形丝杆，75-第一径向驱动单元安装底座，76-第二轴向驱动单元安装底座，8-第三轴向驱动单元，81-第三轴向驱动伺服电机，82-第三轴向减速器，83-第三轴向梯形丝杆轴承，84-第三轴向梯形丝杆，85-第二径向驱动单元安装底座，86-第三轴向驱动单元安装底座，9-第一径向驱动单元，91-第一径向驱动伺服电机，92-第一径向减速器，93-第一径向梯形丝杆螺母，94-第一径向梯形丝杆，95-第一径向梯形丝杆轴承，96-第一径向驱动单元壳体，97-第一连接用螺纹，98-第一径向驱动伺服电机安装基座，10-第二径向驱动单元，101-第二径向驱动伺服电机，102-第二径向减速器，103-第二径向梯形丝杆螺母，104-第二径向梯形丝杆，105-第二径向梯形丝杆轴承，106-第二径向驱动单元壳体，107-第二连接用螺纹，108-第二径向驱动伺服电机安装基座，11-第三径向驱动单元，111-第三径向驱动伺服电机，112-第三径向减速器，113-第三径向梯形丝杆螺母，114-第三径向梯形丝杆，115-第三径向梯形丝杆轴承，116-第三径向驱动单元壳体，117-第三连接用螺纹，118-第三径向驱动伺服电机安装基座，12-第一位置补偿机构，121-第一预紧螺母，122-第一压电驱动器底座，123-第一位置补偿机构壳体，124-第一柔性运动单元，125-第一预紧环形螺母，126-第一刀具预紧螺栓，127-第一刀具，128-第一刀具压板，129-第一电容位移传感器紧定螺栓，1210-第一电容位移传感器，1211-第一电容位移传感器测量基准板，1212-第一电容位移传感器测量基准板连接螺栓，1213-第一压电陶瓷驱动器，1214-第一刀具垫片，13-第二位置补偿机构，131-第二预紧螺母，132-第二压电驱动器底座，133-第二位置补偿机构壳体，134-第二柔性运动单元，135-第二预紧环形螺母，136-第二刀具预紧螺栓，137-第二刀具，138-第二刀具压板，139-第二电容位移传感器紧定螺栓，1310-第二电容位移传感器，1311-第二电容位移传感器测量基准板，1312-第二电容位移传感器测量基准板连接螺栓，1313-第二压电陶瓷驱动器，1314-第二刀具垫片，14-第三位置补偿机构，141-第三预紧螺母，142-第三压电驱动器底座，143-第三位置补偿机构壳体，144-第三柔性运动单元，145-第三预紧环形螺母，146-第三刀具预紧螺栓，147-第三刀具，148-第三刀具压板，149-第三电容位移传感器紧定螺栓，1410-第三电容位移传感器，1411-第三电容位移传感器测量基准板，1412-第三电容位移传感器测量基准板连接螺栓，1413-第三压电陶瓷驱动器，1414-第三刀具垫片，15-第一磨具模组，151-第一驱动气缸，152-第一导向单元，153-第一磨刀刀具，154-第一模具螺栓孔，16-第二磨具模组，161-第二驱动气缸，162-第二导向单元，163-第二磨刀刀具，164-第二模具螺栓孔，17-第三磨具模组，171-第三驱动气缸，172-第三导向单元，173-第三磨刀刀具，174-第三模具螺栓孔。

具体实施方式

以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

系统机械结构：车床主轴箱1通过连接螺栓与车床床身3连接；车床尾架2通过形状配合安装在车床床身3上的导轨上，车床尾架2自身带有锁紧装置；刀架4通过连接螺栓与车床溜板连接，刀架4的中心与加工工件5的轴线重合，并且刀架4可随着车床溜板一同沿车床床身3上的滑轨运动；加工工件5的一端与车床主轴箱1处的三爪卡盘连接，另一端与车床尾架2处的三爪卡盘连接。

所述刀架为规则的多边体结构，成阶梯形状，包括第一阶梯和第二阶梯，刀架为二级六棱柱，中间开有圆形孔，用于容纳加工工件5；刀架4较大的一端为第一阶梯，开设有六个矩形凹槽，其中三个矩形凹槽间隔设置第一磨具模组15、第二磨具模组16和第三磨具模组17，另外三个矩形凹槽分别安装第一径向驱动单元9、第二径向驱动单元10和第三径向驱动单元11，并开设有燕尾槽用于径向驱动单元的轴向导向，刀架4较小的一端为第二阶梯，开设有六个矩形凹槽，其中三个矩形凹槽间隔安装轴向驱动单元，另外三个矩形凹槽用于连接三个磨具模组。

第三径向驱动单元11与第一轴向驱动单元6对应安装，第三径向驱动单元11与第三位置补偿机构14连接；第一径向驱动单元9与第二轴向驱动单元7对应安装，第一径向驱动单元9与第二位置补偿机构13连接；第二径向驱动单元10与第三轴向驱动单元8对应安装，第二径向驱动单元10与第一位置补偿机构12连接。

三组轴向驱动单元安装方式相同（此处仅以第一轴向驱动单元为例说明），第一轴向驱动伺服电机61通过连接螺栓与第一轴向减速器62连接，第一轴向减速器62通过键与第一轴向梯形丝杆64连接，第一轴向梯形丝杆轴承63固定安装在刀架4内部，第一轴向梯形丝杆64一端与第一轴向梯形丝杆轴承63连接，另一端与第三径向驱动单元安装底座65连接，用于调整第三径向驱动单元11的轴向位置，所述第一轴向驱动单元安装底座66固定在刀架4上。

三组径向驱动单元安装方式相同（此处仅以第三径向驱动单元11为例说明），第三径向驱动伺服电机111通过连接螺栓与第三径向减速器112连接，第三径向减速器112通过连接螺栓与第三径向驱动伺服电机安装基座118连接，第三径向减速器112的输出轴通过键与第三径向梯形丝杆114连接，第三径向梯形丝杆轴承115外圈与第三径向驱动单元壳体116固定连接，第三径向驱动单元壳体116分为上下两部分，其中第三径向驱动单元壳体上部壳体与第三径向驱动单元壳体下部壳体之间设有燕尾滑槽，用于第三径向驱动单元上部壳体的径向位置调整，第三径向梯形丝杆螺母113通过第三连接螺栓与第三径向驱动单元上部壳体连接。

三组位置补偿机构相同（此处仅以第三位置补偿机构14为例说明），第三位置补偿机构壳体143主体为矩形结构，其内部开设有圆形通孔和环形凸台以及用于连接第三预紧环形螺母145的连接螺纹，第三位置补偿机构壳体143的一侧设有用于安装第三电容位移传感器1410的圆形盲孔，同时圆形盲孔侧面开设有用于紧定第三电容位移传感器1410的螺纹孔，第三位置补偿机构壳体143通过连接螺栓与第三径向驱动单元上部壳体连接，第三压电陶瓷驱动器底座142主体为矩形结构，其中心处设有凸台，同时其中部设有用于紧定压电陶瓷驱动器的螺纹孔，第三压电陶瓷驱动器底座142两侧设有用于连接的通孔，压电陶瓷驱动器底座142通过连接螺栓与第三位置补偿机构壳体143相连，第三预紧螺母141通过压电陶瓷驱动器底座142的螺纹孔安装在压电陶瓷驱动器底座142上，用于预紧压电陶瓷驱动器1413；第三柔性运动单元144主体为圆柱体结构，圆柱体外侧设有两个尺寸不一的环形台肩，第三柔性运动单元144远离第三压电陶瓷驱动器1413的一端设有用于安装第三刀具147的矩形结构，第三柔性运动单元144的一端与第三压电陶瓷驱动器1413接触，第三柔性运动单元144较大的环形凸台与第三位置补偿机构壳体143内部的环形凸台接触，第三预紧环形螺母145外缘设有螺纹，其不断旋入直至抵住第三柔性运动单元144，实现对第三柔性运动单元144的预紧作用，第三刀具147安装于第三柔性运动单元144前端，其底部放置有第三刀具垫片1414，第三刀具147通过第三刀具压板148压在第三柔性运动单元144上，并通过第三刀具预紧螺栓146预紧，第三电容位移传感器测量基准板1411通过第三电容位移传感器测量基准板连接螺栓1412安装在第三柔性运动单元144上，第三电容位移传感器1410安装于第三位置补偿机构壳体143的圆形盲孔内，并通过第三电容位移传感器紧定螺栓149固定。

刀具初级位置调节：需要车削细长轴类零件时，调整车床尾座2，使其远离车床主轴箱1，当车床尾座2与车床主轴箱1之间的距离可以容纳加工工件5时，将加工工件5放入车床尾座2与车床主轴箱1之间，加工工件5的一端由车床主轴箱1处的三爪卡盘固定，加工工件5的另一端由车床尾座2处的三爪卡盘固定，在车床主轴箱1的驱动下加工工件5开始转动，通过独立调整第一轴向驱动单元6、第二轴向驱动单元7和第三轴向驱动单元8，实现三个轴对称分布的刀具的轴向位置调整，具体实现方式如下所述，第一轴向驱动单元6的第一轴向驱动伺服电机61开始转动，第一轴向驱动伺服电机61的输出轴将旋转运动传递至第一轴向减速器62，第一轴向减速器62将旋转运动减速后传递至其输出端，第一轴向减速器62的输出端通过键连接将旋转运动传递至第一轴向梯形丝杆64，第一轴向梯形丝杆64不断推动第三径向驱动单元安装底座65，当检测到第三径向驱动单元安装底座65运动至预定位置，第一轴向驱动伺服电机61停止转动，并处于锁止状态，完成第三径向驱动单元11的轴向位置调整；

第二轴向驱动单元7的第二轴向驱动伺服电机71开始转动，第二轴向驱动伺服电机71的输出轴将旋转运动传递至第二轴向减速器72，第二轴向减速器72将旋转运动减速后传递至其输出端，第二轴向减速器72的输出端通过键连接将旋转运动传递至第二轴向梯形丝杆74，第二轴向梯形丝杆74不断推动第一径向驱动单元安装底座75，当检测到第一径向驱动单元安装底座75运动至预定位置，第二轴向驱动伺服电机71停止转动，并处于锁止状态，完成第一径向驱动单元9的轴向位置调整；

第三轴向驱动单元8的第三轴向驱动伺服电机81开始转动，第三轴向驱动伺服电机81的输出轴将旋转运动传递至第三轴向减速器82，第三轴向减速器82将运动减速后传递至其输出端，第三轴向减速器82的输出端通过键连接将旋转运动传递至第三轴向梯形丝杆84，第三轴向梯形丝杆84不断推动第二径向驱动单元安装底座85，当检测到第二径向驱动单元安装底座85运动至预定位置，第二轴向驱动伺服电机81停止转动，并处于锁止状态，完成第二径向驱动单元10的轴向位置调整，通过独立调节不同的轴向驱动单元，实现对第一径向驱动单元9、第二径向驱动单元10和第三径向驱动单元11的轴向位置调整；

通过独立调整第一径向驱动单元9、第二径向驱动单元10和第三径向驱动单元11，实现三个刀具背吃刀量的独立调整，具体实现方式如下所述，第一径向驱动单元9的第一径向驱动伺服电机91开始转动，第一径向驱动伺服电机91的输出轴将旋转运动传递至第一径向减速器92，第一径向减速器92将旋转运动减速后传递至其输出端，第一径向减速器92的输出端通过键连接将旋转运动传递至第一径向梯形丝杆94，随着第一径向梯形丝杆94的转动不断推动第一径向梯形丝杆螺母93，第一径向梯形丝杆螺母93带动第一径向驱动单元壳体96的上部分沿滑槽运动，当第一径向驱动单元9运动至预定位置，径向驱动伺服电机91停止转动，并处于锁止状态，完成第一径向驱动单元9的径向位置调整；第二径向驱动单元10的第二径向驱动伺服电机101开始转动，第二径向驱动伺服电机101的输出轴将旋转运动传递至第二径向减速器102，第二径向减速器102将旋转运动减速后传递至其输出端，第二径向减速器102的输出端通过键连接将旋转运动传递至第二径向梯形丝杆104，随着第二径向梯形丝杆104的转动不断推动第二径向梯形丝杆螺母103，第二径向梯形丝杆螺母103带动径向驱动单元壳体106的上部分沿滑槽运动，当第二径向驱动单元10运动至预定位置，第二径向驱动伺服电机101停止转动，并处于锁止状态，完成第二径向驱动单元10的径向位置调整；第三径向驱动单元11的第三径向驱动伺服电机111开始转动，第三径向驱动伺服电机111的输出轴将旋转运动传递至第三径向减速器112，第三径向减速器112将旋转运动减速后传递至其输出端，第三径向减速器112的输出端通过键连接将运动传递至第三径向梯形丝杆114，随着第三径向梯形丝杆114的转动不断推动第三径向梯形丝杆螺母113，第三径向梯形丝杆螺母113带动第三径向驱动单元壳体116的上部分沿滑槽运动，当第三径向驱动单元11运动至预定位置，第三径向驱动伺服电机111停止转动，并处于锁止状态，完成第三径向驱动单元11的径向位置调整；通过独立调整径向驱动单元与轴向驱动单元，完成三个轴对称分布的刀具的初级位置调节。

刀具超快伺服补偿位置调节：完成三个轴对称分布的刀具的初级位置调节后，由于在工件的加工过程中受到其他动态干扰力，工件仍会产生扰动，导致刀具与工件的相对位置发生偏移，降低工件的加工精度，为补偿不确定扰动引起的加工误差，拟采用超快切削位置补偿机构，此时需要根据每个刀具的实际背吃刀量对刀具进行高精度快速调整，具体实现方式如下所述，第一电容位移传感器1210测量第一电容位移传感器测量基准板1211的位移，根据第一电容位移传感器1210的测量数据，调整第一压电陶瓷驱动器1213的输入电压，第一压电陶瓷驱动器1213在输入电压的作用下发生变形，第一压电陶瓷驱动器1213通过与第一柔性运动单元124之间的接触作用，将运动传递至第一柔性运动单元124，第一柔性运动单元124的环形台肩在第一压电陶瓷驱动器1213的作用下发生弹性变形，第一柔性运动单元124的运动带动第一刀具127的运动，当第一电容位移传感器1210检测第一刀具127运动至预设位置，保持第一压电陶瓷驱动器1213输入稳定的电压，实现第一刀具127位移的超快伺服补偿控制；第二电容位移传感器1310测量第二电容位移传感器测量基准板1311的位移，根据第二电容位移传感器1310的测量数据，调整第二压电陶瓷驱动器1313的输入电压，第二压电陶瓷驱动器1313在输入电压的作用下发生变形，第二压电陶瓷驱动器1313通过与第二柔性运动单元134的接触作用，将运动传递至第二柔性运动单元134，第二柔性运动单元134的环形台肩在第二压电陶瓷驱动器1313的作用下发生弹性变形，第二柔性运动单元134的运动带动第二刀具137的运动，当第二电容位移传感器1310检测第二刀具137运动至预设位置，保持第二压电陶瓷驱动器1313输入稳定的电压，实现第二刀具137位移的超快伺服补偿控制；第三电容位移传感器1410测量第三电容位移传感器测量基准板1411的位移，根据第三电容位移传感器1410的测量数据，调整第三压电陶瓷驱动器1413的输入电压，第三压电陶瓷驱动器1413在输入电压的作用下发生变形，第三压电陶瓷驱动器1413通过与第三柔性运动单元144的接触作用，将运动传递至第三柔性运动单元144，第三柔性运动单元144的环形台肩在第三压电陶瓷驱动器1413的作用下发生弹性变形，第三柔性运动单元144的运动带动第三刀具147的运动，当第三电容位移传感器1410检测第三刀具147运动至预设位置，保持第三压电陶瓷驱动器1413输入稳定的电压，实现第三刀具147位移的超快伺服补偿控制，完成三个刀具位移的超快伺服补偿。

轴对称磨削的力控制功能：前方三个对称刀具完成对加工工件5的三次车削作用后，后方设置的第一磨具模组15、第二磨具模组16和第三磨具模组17同时对加工工件5进行磨削，根据磨刀刀具的特性以及加工工件5的材料属性，选择不同的磨削力，通过调整第一磨具模组15内部的驱动气缸151的输入气压，改变第一驱动气缸151的输出力，第一驱动气缸151的运动带动第一导向单元152，第一导向单元152沿刀架内部的导向槽运动，第一导向单元152将力和运动传递至前方的第一磨刀刀具153；通过调整第二磨具模组16内部的第二驱动气缸161的输入气压，改变第二驱动气缸161的输出力，第二驱动气缸161的运动带动第二导向单元162，第二导向单元162沿刀架内部的导向槽运动，第二导向单元162将力和运动传递至前方的第二磨刀刀具163；通过调整第三磨具模组17内部的第三驱动气缸171的输入气压，改变第三驱动气缸171的输出力，第三驱动气缸171的运动带动第三导向单元172，第三导向单元172沿刀架内部的导向槽运动，第三导向单元172将力和运动传递至前方的第三磨刀刀具173；第一磨刀刀具153、第二磨刀刀具163和第三磨刀刀具173在对应驱动气缸的作用下开始对已车削的表面进行磨削，实现轴对称磨削的力控制功能。

轴对称磨削与超快车削一体装置的总体控制过程：轴对称车磨一体化装置的控制逻辑如图19所示，上位机将控制信号通过总线传递至脉冲信号发生器，脉冲信号发生器将对应的脉冲信号通过对应的信号线分别传递至第一径向驱动单元9、第一轴向驱动单元6、第二径向驱动单元10、第二轴向驱动单元7、第三径向驱动单元11和第三轴向驱动单元8；

第二径向驱动单元10和第三轴向驱动单元8用于第一刀具127的径向和轴向的位置调整，第一径向驱动单元9和第二轴向驱动单元7用于第二刀具137的径向和轴向的位置调整，第三径向驱动单元11和第一轴向驱动单元6用于第三刀具147的径向和轴向的位置调整，编码器1将第三轴向驱动单元8的输出运动转化为位移信号并经总线传递至上位机，编码器2将第二径向驱动单元10的输出运动转化为位移信号并经总线传递至上位机，编码器3将第二轴向驱动单元7的输出运动转化为位移信号并经总线传递至上位机，编码器4将第一径向驱动单元9的输出运动转化为位移信号并经总线传递至上位机，编码器5将第一轴向驱动单元6的输出运动转化为位移信号并经总线传递至上位机，编码器6将第三径向驱动单元11的输出运动转化为位移信号并经总线传递至上位机，经各个编码器传递至上位机的位移信号，作为反馈信号用于上位机调整输出至脉冲信号发生器的控制信号，实现刀具初级位置调整的闭环控制；上位机将控制信号通过总线传递至压电陶瓷驱动电源，压电陶瓷驱动电源分别控制第一位置补偿机构12、第二位置补偿机构13、第三位置补偿机构14，实现第一刀具127、第二刀具137和第三刀具147位置的超快伺服补偿；

第一电容位移传感器1210、第二电容位移传感器1310和第三电容位移传感器1410输出的位移信号经信号放大器后由总线传递至上位机，信号放大器传递至上位机的位移信号作为反馈信号，用于上位机调整输出至压电陶瓷驱动电源的控制信号，实现刀具位置超快伺服补偿的闭环控制；上位机经总线将控制信号分别传递至气体压力控制器1、气体压力控制器2和气体压力控制器3，对应控制第一驱动气缸151、第二驱动气缸161和第三驱动气缸171，同时气缸内置的气体压力传感器将其压力信号经总线传递至上位机，传递至上位机的气体压力信号，作为反馈信号用于上位机调整输出至气体压力控制器的控制信号，实现轴对称磨削输出力的闭环控制；完成三个刀具位置的在线高精度调整，以及轴对称磨削输出力的闭环控制。

弱刚性杆的受力分析：弱刚性杆截面处的受力状态如图所示，三个轴对称分布的刀具运动至指定工作位置，此时三个轴对称分布的刀具按照各自预设的背吃刀量对工件5进行车削，其中a向的切削力可分解为径向力FaN与切向力FaT，b向的切削力可分解为径向力FbN与切向力FbT，c向的切削力可分解为径向力FcN与切向力FcT，径向力FaN、FbN和FcN相互抵消，切向力FaT、FbT和FcT由车床主轴1输出的动力扭矩相抵消，周向均匀分布的三个刀具可有效降低工件5受到的偏置载荷，保证工件5在加工过程中的稳定性；后方的三个磨具磨组对前方刀具已加工的表面进行磨削，周向均布的磨具磨组在磨削的同时，施加给工件5三个支撑力F1、F2和F3，支撑力F1、F2和F3相互抵消，在不影响工件5受力状态的情况下，为工件5提供进一步的支撑，保证工件5的加工精度。

Claims (6)

1.一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置，其特征在于，包括刀架、上位机、信号发生器和编码器；所述刀架中间设有圆形孔，所述刀架的一个端面上均布多个轴向驱动单元，每个所述轴向驱动单元通过轴向移动装置与径向驱动单元垂直连接，所述径向驱动单元通过径向移动装置与位置补偿机构连接，所述位置补偿机构上靠近刀架圆形孔处设有刀具，所述刀具的一端通过柔性运动单元与压电陶瓷驱动器接触，所述柔性运动单元与电容位移传感器测量基准板连接，电容位移传感器用于测量电容位移传感器基准板位移；相邻两个径向驱动单元之间设有磨具模组，所述磨具模组安装在刀架上；

所述径向驱动单元包括径向伺服电机，所述径向伺服电机与径向减速器连接，所述径向减速器通过径向驱动伺服电机安装基座固定在刀架上，所述径向移动装置包括径向梯形丝杆和径向梯形丝杆螺母，径向减速器的输出轴通过键与径向梯形丝杆连接，所述径向梯形丝杆穿套在径向梯形丝杆螺母上，其两端与径向梯形丝杆轴承连接，径向梯形丝杆轴承外圈与径向驱动单元壳体固定连接，径向驱动单元壳体分为上下两部分，其中径向驱动单元壳体上部壳体与径向驱动单元壳体下部壳体之间设有燕尾滑槽，用于径向驱动单元壳体上部壳体的径向位置调整，径向梯形丝杆螺母通过连接螺栓与径向驱动单元壳体上部壳体连接；

位置补偿机构包括位置补偿机构壳体、电容位移传感器、柔性运动单元、压电驱动器和压电驱动器底座；

所述位置补偿机构壳体主体为矩形结构，其内部开设有圆形通孔和凸台以及用于连接预紧环形螺母的连接螺纹，位置补偿机构壳体的一侧设有用于安装电容位移传感器的圆形盲孔，同时圆形盲孔侧面开设有用于紧定电容位移传感器的螺纹孔，位置补偿机构壳体通过连接螺栓与径向驱动单元壳体上部壳体连接，压电驱动器底座主体为矩形结构，其中心处设有凸台，同时其中部设有用于紧定压电陶瓷驱动器的螺纹孔，压电陶瓷驱动器底座两侧设有用于连接的通孔，压电驱动器底座通过连接螺栓与位置补偿机构壳体相连，预紧螺母通过压电驱动器底座的螺纹孔安装在压电驱动器底座上，用于预紧压电陶瓷驱动器；柔性运动单元主体为圆柱形结构，其外侧设有两个尺寸不一的环形台肩，柔性运动单元远离压电陶瓷驱动器的一端设有用于安装刀具的矩形结构，柔性运动单元的另一端与压电陶瓷驱动器接触，柔性运动单元较大的环形台肩与位置补偿机构壳体内部的凸台接触，预紧环形螺母外缘设有螺纹，其抵在柔性运动单元环形台肩上，实现对柔性运动单元预紧作用，柔性运动单元前端安装有刀具，刀具通过刀具压板压在柔性运动单元上，柔性运动单元通过螺栓与电容位移传感器测量基准板连接，电容位移传感器安装在位置补偿机构壳体的圆形盲孔内，并通过电容位移传感器紧定螺栓固定；

上位机将控制信号传递至脉冲信号发生器，脉冲信号发生器将对应的脉冲信号传递至径向驱动单元和轴向驱动单元，径向驱动单元和轴向驱动单元用于刀具的轴向和径向的位置调整，编码器将径向驱动单元和轴向驱动单元的输出运动转化为位移信号并传递至上位机，经编码器传递至上位机的位移信号，作为反馈信号用于上位机调整输出至脉冲信号发生器的控制信号，实现刀具初级位置调整的闭环控制；

上位机将控制信号传递至压电陶瓷驱动电源，压电陶瓷驱动电源通过压电陶瓷驱动器驱动柔性运动单元，实现刀具的高精度快速位置补偿，电容位移传感器输出的位移信号经信号放大器后传递至上位机，信号放大器传递至上位机的位移信号作为反馈信号，用于上位机调整输出至压电陶瓷驱动电源的控制信号，实现刀具的高精度快速调节；

上位机将控制信号传递至气体压力控制器，气体压力控制器用于控制磨具模组内部驱动气缸内的气体压力，气缸内置的气体压力传感器将其压力信号经总线传递至上位机，传递至上位机的气体压力信号，作为反馈信号用于上位机调整输出至气体压力控制器的控制信号，实现磨具模组输出力的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置，其特征在于，所述刀架为规则的多边体结构，成阶梯形状，包括第一阶梯和第二阶梯，所述第二阶梯设有轴向驱动单元安装槽，所述第一阶梯对应轴向驱动单元安装槽的位置上设有径向驱动单元安装槽，相邻两个所述径向驱动单元安装槽之间设有磨具模组安装槽。

3.根据权利要求1所述的一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置，其特征在于，所述轴向驱动单元包括轴向驱动伺服电机，所述轴向驱动伺服电机与轴向减速器连接，所述轴向减速器通过轴向驱动单元安装底座与刀架固定连接，所述轴向移动装置包括轴向梯形丝杆，所述轴向梯形丝杆一端与轴向梯形丝杆轴承连接，另一端与径向驱动单元安装底座连接，所述径向驱动单元安装底座与刀架滑动连接。

4.根据权利要求1所述的一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置，其特征在于，刀具的初级位置调节方法如下；

轴向驱动伺服电机开始转动，轴向驱动伺服电机的输出轴将旋转运动传递至轴向减速器，轴向减速器将旋转运动减速后传递至轴向梯形丝杆，随着轴向梯形丝杆的转动不断推动径向驱动单元安装底座，当径向驱动单元安装底座运动至预定位置，轴向驱动伺服电机停止转动，并处于锁止状态，完成径向驱动单元的轴向位置调整；

径向驱动伺服电机开始转动，径向驱动伺服电机的输出轴将旋转运动传递至径向减速器，径向减速器将旋转运动减速后传递至径向梯形丝杆，随着径向梯形丝杆的转动不断推动径向梯形丝杆螺母，径向梯形丝杆螺母带动径向驱动单元壳体的上部分沿滑槽运动，当径向驱动单元壳体上部壳体运动至预定位置，径向驱动伺服电机停止转动，并处于锁止状态，完成径向驱动单元的径向位置调整。

5.根据权利要求1所述的一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置，其特征在于，刀具的超快伺服补偿控制方法如下；

电容位移传感器测量电容位移传感器测量基准板的位移，根据电容位移传感器测量数据，调整压电陶瓷驱动器的输入电压，压电陶瓷驱动器在输入电压的作用下发生变形，压电陶瓷驱动器通过与柔性运动单元的接触作用，将运动传递至柔性运动单元，柔性运动单元的环形台肩在压电陶瓷驱动器的作用下发生弹性变形，柔性运动单元的运动带动刀具运动，当电容位移传感器检测刀具运动至预设位置，保持压电陶瓷驱动器输入稳定的电压，实现刀具在轴向位置的超快伺服补偿位置调节。

6.根据权利要求1所述的一种面向弱刚性杆的轴对称磨削与超快车削一体装置，其特征在于，轴对称磨削的力控制过程如下；

根据磨刀刀具的特性以及加工工件的材料属性，选择不同的磨削力，通过调整磨具模组内部驱动气缸的输入气压，改变驱动气缸的输出力，驱动气缸的活塞杆带动导向单元一同运动，导向单元沿刀架内部的导向槽运动，导向单元将力和运动传递至磨刀刀具；磨刀刀具在对应驱动气缸的作用下开始对已车削的表面进行磨削，实现轴对称磨削的力控制功能。