CN202317030U - 一种三维椭圆振动切削装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种三维椭圆振动切削装置，属于难加工材料切削和超精密切削加工领域。金刚石刀具由分别沿X向、Y向和Z向的柔性铰链机构进行导向，并由分别沿X向、Y向和Z向的三个压电叠堆驱动，X向与Z向压电叠堆由沿各自轴线方向的预紧螺栓进行预紧，Y向压电叠堆通过螺栓旋紧楔块预紧，三个方向的预紧过程相互独立；通过调整和匹配三个压电叠堆驱动信号的初始相位和幅值，使金刚石刀具的刀位点运动在X-Y平面和Y-Z平面的投影分别为椭圆运动、在X-Z平面的投影为往复椭圆运动或直线运动。本实用新型结构新颖简单、易于实施，有利于获得金刚石刀具的最佳切削加工性。

Description

一种三维椭圆振动切削装置

技术领域

本实用新型属于难加工材料切削和超精密切削加工领域，特别是涉及一种三维椭圆振动切削装置。

背景技术

金刚石刀具具有许多无可比拟的优点，但是可切削的工件材料种类却十分受限制。对于硬化钢等黑色金属材料、以及碳化硅等硬脆材料，在切削过程中会导致严重的金刚石刀具磨损，恶化加工表面质量并降低加工精度。为了扩展金刚石可切削材料的范围，已提出了一些改进的切削加工方法，例如低温切削、碳饱和切削和椭圆振动切削等。迄今为止的研究表明，三维椭圆振动切削是最有发展前途的一种切削方法，具有抑制刀具磨损、改善加工表面质量等诸多优点。

为了实施三维椭圆振动切削，其关键在于高性能的三维椭圆振动切削装置。现有的三维椭圆振动切削装置主要有以下两种技术方案：

1、共振型驱动的三维椭圆振动切削装置，即在刀杆的侧面分别贴附三对PZT陶瓷材料，通过信号发生器驱动每一对PZT致动器，分别产生刀杆的弯曲、伸缩和扭转等三个微位移。当这三对PZT致动器的驱动信号频率之整数倍与刀杆的高阶模态固有频率接近时将产生超谐共振，形成刀刃处的三维椭圆振动切削运动。这种装置存在的问题是：①.刀杆设计困难，难以获得所需的高阶模态；②.三维椭圆振动切削运动的频率和其它椭圆运动参数依赖于刀杆的非线性结构动力学参数，难以自主控制，缺乏柔性；③.采用开环控制，无法获得不失真的三维椭圆振动切削运动。④两个横向弯曲振动与一个纵向振动之间存在动力耦合。

2、非共振型驱动的三维椭圆振动切削装置，即金刚石刀具由三对相互垂直的压电叠堆直接驱动，三对压电叠堆通过沿对角线方向上的同一个预紧螺栓同时预紧，通过匹配三对压电叠堆驱动信号的幅值和相位，可在刀位点处产生三维椭圆振动切削运动。这种装置的问题在于：①.采用沿压电叠堆对角线方向的预紧螺栓对三个压电叠堆预紧的方法可能导致每个压电叠堆获得的预紧力不均匀；②.由于共用同一个预紧螺栓，当压电叠堆驱动刀具沿各自轴线运动时，系统中存在运动耦合和力耦合，难以对系统进行建模和控制。

发明内容

本实用新型提供一种三维椭圆振动切削装置，用以实现难加工材料的超精密切削加工。

本实用新型采取的技术方案是：

前挡板通过螺钉与基体固定连接，上挡板与基体固定连接，金刚石刀具与基体上的刀座通过紧定螺钉一固定连接，X向支撑梁通过紧定螺钉二与基体右侧固定连接，X向压电叠堆固定端与X向压电叠堆座固定连接，X向压电叠堆座通过X向预紧螺栓与X向支撑梁固定连接，X向不锈钢球冠体与X向压电叠堆自由端固定连接，该X向不锈钢球冠体前端与X向右导向动臂顶接；

Y向压电叠堆固定端通过下方的楔块组与Y向支撑梁连接，楔块组通过Y向预紧螺栓与Y向支撑梁固定连接，支撑梁通过紧定螺钉四与基体连接，Y向不锈钢球冠体与Y向压电叠堆自由端固定连接，该Y向不锈钢球冠体前端与刀座顶接；

Z向压电叠堆固定端与Z向压电叠堆座固定连接，Z向压电叠堆座通过Z向预紧螺栓与Z向支撑梁固定连接，Z向支撑梁通过紧定螺钉三与基体的X向右导向动臂和Y向左导向动臂连接，Z向不锈钢球冠体与Z向压电叠堆自由端固定连接，该Z向不锈钢球冠体前端与刀座顶接；

X向电容位移传感器与X向电容位移传感器夹紧装置固定连接，X向电容位移传感器夹紧装置通过X向电容位移传感器紧定螺钉与基体左立柱固定连接；

Y向电容位移传感器与Y向电容位移传感器夹紧装置通过Y向电容位移传感器紧定螺钉固定连接，Y向电容位移传感器夹紧装置与基体固定连接；

Z向电容位移传感器与Z向电容位移传感器夹紧装置固定连接，Z向电容位移传感器夹紧装置通过Z向电容位移传感器紧定螺钉与基体固定连接；

基体是一个由线切割加工而成的整体机构，分为左、中、右三部分：

所述基体的左侧部分包括左立柱和X向左导向动臂，该X向左导向动臂采用单轴铰链，左立柱上开有通孔用于安装电容位移传感器，以及固定电容位移传感器夹紧装置的螺孔；

所述基体的中间部分是刀座部分，刀座向外突出，刀座与能实现Y和Z两个方向的运动四组对称的双轴柔性铰链铰接，该四组对称的双轴柔性铰链分别是左前下双轴柔性铰链、左前上双轴柔性铰链、左后下双轴柔性铰链、左后上双轴柔性铰链、右前下双轴柔性铰链、右前上双轴柔性铰链、右后下双轴柔性铰链、右后上双轴柔性铰链；

所述基体的右侧部分有X向右导向动臂，该X向右导向动臂采用单轴铰链。

本实用新型的优点在于：

(1)通过直接驱动方式，使金刚石刀具的三维椭圆振动切削运动的参数：频率、幅值、相位等，皆可主动调整，对难加工材料可获得最佳的切削加工性。

(2)在X向采用铰链平行四杆机构，在Y向和Z向上分别采用双轴柔性铰链，以使金刚石刀具沿X向、Y向和Z向的三个运动无动力耦合，简化了被控对象的建模和控制。

(3)在X和Z两个方向的压电叠堆分别由沿各自轴线方向的预紧螺栓进行预紧，在Y向的压电叠堆由楔块预紧，各压电叠堆的预紧过程互不影响，预紧方法简单可靠，可使三个方向上压电叠堆均匀预紧。

(4)在X、Y和Z三个方向上均采用电容式位移传感器检测位移，并通过主轴转角信号进行触发采样，可实现刀位点运动的精确跟踪控制。

(5)所述的三维椭圆振动切削装置，无论是结构还是控制，皆非常简单，易于实施。

附图说明

图1是本实用新型的装配轴测图；

图2是本实用新型去掉挡板从前面看的装配轴测图；

图3是本实用新型去掉挡板从后面看的装配轴测图；

图4是本实用新型去掉挡板从后面仰视的装配轴测图；

图5是本实用新型在Y向和Z向的压电叠堆与刀座的球-平面连接示意图；

图6是本实用新型基体的一种轴测图；

图7是本实用新型基体的另一种轴测图；

图8是本实用新型基体的另一种轴测图；

图9是本实用新型Y向楔块组的上楔块轴测图；

图10是本实用新型Y向楔块组的下楔块轴测图；

图11是本实用新型的运动原理图；

图12是本实用新型在X向的压电叠堆的球头与X向右导向动臂的圆锥面连接示意图；

图13a是所合成的椭圆振动切削运动在X-Y平面内的投影；

图13b是所合成的椭圆振动切削运动在Y-Z平面内的投影；

图13c是所合成的椭圆振动切削运动在X-Z平面内的投影。

具体实施方式

前挡板1通过螺钉3与基体5固定连接，上挡板4与基体固定连接，金刚石刀具2与基体上的刀座通过紧定螺钉一6固定连接，X向支撑梁14通过紧定螺钉二13与基体右侧固定连接，X向压电叠堆17a固定端与X向压电叠堆座16a固定连接，X向压电叠堆座16a通过X向预紧螺栓15a与X向支撑梁14固定连接，X向不锈钢球冠体11a与X向压电叠堆17a自由端固定连接，该X向不锈钢球冠体12a前端与X向右导向动臂511顶接；

Y向压电叠堆17b固定端通过下方的楔块组20与Y向支撑梁18连接，楔块组20通过Y向预紧螺栓19与Y向支撑梁固定连接，支撑梁18通过紧定螺钉四24与基体连接，Y向不锈钢球冠体11b与Y向压电叠堆17b自由端固定连接，该Y向不锈钢球冠体12b前端与刀座512顶接，该楔块组由上楔块2001和下楔块2002组成；

Z向压电叠堆17c固定端与Z向压电叠堆座16c固定连接，Z向压电叠堆座16c通过Z向预紧螺栓15c与Z向支撑梁22固定连接，Z向支撑梁22通过紧定螺钉三21与基体的X向右导向动臂511和Y向左导向动臂502连接，Z向不锈钢球冠体12c与Z向压电叠堆17c自由端固定连接，该Z向不锈钢球冠体11c前端与刀座512顶接；

X向电容位移传感器10a与X向电容位移传感器夹紧装置7固定连接，X向电容位移传感器夹紧装置7通过X向电容位移传感器紧定螺钉9a与基体左立柱501固定连接；

Y向电容位移传感器10b与Y向电容位移传感器夹紧装置8通过Y向电容位移传感器紧定螺钉9b固定连接，Y向电容位移传感器夹紧装置8与基体固定连接；

Z向电容位移传感器10c与Z向电容位移传感器夹紧装置23固定连接，Z向电容位移传感器夹紧装置23通过Z向电容位移传感器紧定螺钉12与基体固定连接；

基体5是一个由线切割加工而成的整体机构，可分为左、中、右三部分：

所述基体的左侧部分包括左立柱501和X向左导向动臂502，该X向左导向动臂采用单轴铰链，左立柱501上开有通孔用于安装电容位移传感器，以及固定电容位移传感器夹紧装置的螺孔；

所述基体的中间部分是刀座部分，刀座512向外突出，刀座与能实现Y和Z两个方向的运动四组对称的双轴柔性铰链铰接，该四组对称的双轴柔性铰链分别是左前下双轴柔性铰链503、左前上双轴柔性铰链504、左后下双轴柔性铰链505、左后上双轴柔性铰链506、右前下双轴柔性铰链507、右前上双轴柔性铰链508、右后下双轴柔性铰链509、右后上双轴柔性铰链510；

所述基体的右侧部分有X向右导向动臂511，该X向右导向动臂采用单轴铰链。

在一台“T”型配置的精密或超精密车床上，将本实用新型所述的装置安装在车床的Z轴溜板上，工件装夹在主轴上作匀速回转，金刚石刀具沿车床的X轴和Z轴作进给运动。通过三个压电叠堆的驱动，在金刚石刀具的刀位点上叠加一个三维的椭圆振动切削运动。

三个压电叠堆的驱动信号可分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_x\left(t\right)=V_x\sin (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\φ}}_x)\\ u_y\left(t\right)=V_y\sin (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\φ}}_y)\\ u_z\left(t\right)=V_z\sin (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\φ}}_z)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，V_x，V_y，V_z分别是驱动信号u_x(t)、u_y(t)和u_z(t)的幅值；φx，φy和φz分别是驱动信号的初相位；f是驱动信号的频率。在三个压电叠堆的直接驱动下，刀位点的位移在笛卡尔坐标系中可分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=A_x\sin (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\ψ}}_x)\\ y\left(t\right)=A_y\sin (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\ψ}}_y)\\ z\left(t\right)=A_z\sin (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\ψ}}_z)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，A_x，A_y和A_z分别是刀位点位移的幅值；ψx，ψy和ψz分别是刀位点位移的相位。通过主动调整三个压电叠堆的驱动信号的初相位，φx，φy和φz，以使

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_y-{\mathrm{\ψ}}_x=\mathrm{\π}/2\\ {\mathrm{\ψ}}_z-{\mathrm{\ψ}}_y=\mathrm{\π}/2\end{array}\right.$

由式(2)，即可得到刀位点的期望位移为：

$\left\{\begin{array}{c}x\left(t\right)=A_x\sin (2\mathrm{\πft}+{\mathrm{\ψ}}_x)\\ y\left(t\right)=A_y\sin (2\mathrm{\πft}+\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\ψ}}_x)\\ z\left(t\right)=A_z\sin (2\mathrm{\πft}+\mathrm{\π}+{\mathrm{\ψ}}_x)\end{array}\right.---\left(3\right)$

由式(3)可知，三个方向的运动合成可形成空间的椭圆运动，在X-Y平面和Y-Z平面的椭圆运动方程，以及在X-Z平面的直线运动方程表达如下：

$\left\{\begin{array}{c}{[x\left(t\right)/A_x]}^2+{[y\left(t\right)/A_y]}^2=1\\ {[y\left(t\right)/A_y]}^2+{[z\left(t\right)/A_z]}^2=1\\ x\left(t\right)=-(A_x/A_z)z\left(t\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

需要说明的是：当金刚石刀具前角及刃倾角非零时，金刚石刀具在X-Z平面内也具有切削能力，此时只需调整通入三个压电叠堆正弦波驱动信号的相位(ψx，ψy，ψz)，使三者之间均保持一定的相位差，即

Δψ_xy≠kπ，Δψ_yz≠kπ，Δψ_zx≠kπ，k＝0，1，2…(5)

则金刚石刀具在X-Y平面、Y-Z平面和Z-X平面内均作椭圆切削运动。

根据式(1)-(5)，通过主动调整这三个压电叠堆驱动信号u_x(t)、u_y(t)和u_z(t)的初始相位φz，φy和φz，使得金刚石刀具的刀位点在X向位移与Y向位移之间的相位差Dy_xy、以及在Y向位移与Z向位移之间的相位差Dy_yz皆保持一个相同的相位差a，由此形成金刚石刀具在刀位点处的三维椭圆振动切削运动。

金刚石刀具安装在刀座上，刀座由分别沿X向、Y向和Z向的柔性铰链机构进行导向，并由分别沿X向、Y向和Z向的三个压电叠堆驱动；在金刚石刀具的刀位点触实现空间内的任意椭圆运动，投影于三个平面可为三个平面椭圆运动或者两个平面椭圆运动和一条直线。

所述的三维椭圆振动切削装置，X向压电叠堆与Z向压电叠堆由沿各自轴线方向的预紧螺栓进行预紧，Y向压电叠堆通过螺栓旋紧楔块预紧；由于各压电叠堆的运动之间不存在动力耦合，可依次对三个压电叠堆进行单独预紧，各预紧过程是相互独立的。

所述的三维椭圆振动切削装置，三个方向压电叠堆的自由端固定一个不锈钢球冠体，其中Y向与Z向的压电叠堆与刀座之间“球-平面”接触，使刀座部分在随压电叠堆运动的同时可相对压电叠堆作微小的平动和摆动，这两个压电叠堆的固定端放置在各自的支撑梁上，Y向压电叠堆通过预紧螺栓旋紧楔块组预紧，楔块设计满足不自锁条件，Z向压电叠堆通过预紧螺栓推动压电座实现对压电叠堆的预紧；X向的压电叠堆实现球头与圆锥面的接触，通过双向单轴铰链导向推动运动部分整体的X向运动，X向压电叠堆固定端放置在支撑梁上，预紧螺栓通过压电座实现预紧。

所述的三维椭圆振动切削装置之基体，即一个三自由度的柔性铰链机构，是一个由线切割加工而成的整体机构，可分为左、中、右三部分；所述的左侧部分包括左立柱和X向左导向动臂，左立柱上开有通孔用于安装电容位移传感器，以及固定电容位移传感器夹紧装置的螺孔；所述的中间部分是刀座部分，为了便于检测，刀座突出一部分，刀座由四组对称的双轴柔性铰链导向，可实现Y、Z两向的运动；所述的右侧部分通过右立柱与基体的装配，可实现左侧部分与右侧部分关于中心对称，其中X向运动通过单轴铰链做导向。

挡板用来防止切屑进入装置内部、影响切削加工正常进行。

通过X向、Y向和Z向的三个电容位移传感器即可检测三个方向上的位移，通过主轴的转角信号进行触发采样，反馈给控制系统，实现刀位点运动轨迹的精确跟踪控制。

Claims (1)

1.一种三维椭圆振动切削装置，其特征在于：前挡板通过螺钉与基体固定连接，上挡板与基体固定连接，金刚石刀具与基体上的刀座通过紧定螺钉一固定连接，X向支撑梁通过紧定螺钉二与基体右侧固定连接，X向压电叠堆固定端与X向压电叠堆座固定连接，X向压电叠堆座通过X向预紧螺栓与X向支撑梁固定连接，X向不锈钢球冠体与X向压电叠堆自由端固定连接，该X向不锈钢球冠体前端与X向右导向动臂顶接；Y向压电叠堆固定端通过下方的楔块组与Y向支撑梁连接，楔块组通过Y向预紧螺栓与Y向支撑梁固定连接，支撑梁通过紧定螺钉四与基体连接，Y向不锈钢球冠体与Y向压电叠堆自由端固定连接，该Y向不锈钢球冠体前端与刀座顶接；Z向压电叠堆固定端与Z向压电叠堆座固定连接，Z向压电叠堆座通过Z向预紧螺栓与Z向支撑梁固定连接，Z向支撑梁通过紧定螺钉三与基体的X向右导向动臂和Y向左导向动臂连接，Z向不锈钢球冠体与Z向压电叠堆自由端固定连接，该Z向不锈钢球冠体前端与刀座顶接；X向电容位移传感器与X向电容位移传感器夹紧装置固定连接，X向电容位移传感器夹紧装置通过X向电容位移传感器紧定螺钉与基体左立柱固定连接；Y向电容位移传感器与Y向电容位移传感器夹紧装置通过Y向电容位移传感器紧定螺钉固定连接，Y向电容位移传感器夹紧装置与基体固定连接；Z向电容位移传感器与Z向电容位移传感器夹紧装置固定连接，Z向电容位移传感器夹紧装置通过Z向电容位移传感器紧定螺钉与基体固定连接；基体是一个由线切割加工而成的整体机构，分为左、中、右三部分：所述基体的左侧部分包括左立柱和X向左导向动臂，该X向左导向动臂采用单轴铰链，左立柱上开有通孔用于安装电容位移传感器，以及固定电容位移传感器夹紧装置的螺孔；所述基体的中间部分是刀座部分，刀座向外突出，刀座与能实现Y和Z两个方向的运动四组对称的双轴柔性铰链铰接，该四组对称的双轴柔性铰链分别是左前下双轴柔性铰链、左前上双轴柔性铰链、左后下双轴柔性铰链、左后上双轴柔性铰链、右前下双轴柔性铰链、右前上双轴柔性铰链、右后下双轴柔性铰链、右后上双轴柔性铰链；所述基体的右侧部分有X向右导向动臂，该X向右导向动臂采用单轴铰链。

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