一种非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置

摘要

本发明涉及一种非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置，属于超精密切削加工以及难加工材料复杂光学零件加工技术领域。上柔性铰链与下柔性铰链垂直装配，其中上柔性铰链通过上柔性铰链连孔一和上柔性铰链连孔二分别由螺钉连接在下柔性铰链的下柔性铰链连孔一和下柔性铰链连孔二上，压电叠堆一和压电叠堆二分别由螺栓通过预紧螺纹孔一和预紧螺纹二预紧安装在下柔性铰链上，压电叠堆三由螺栓通过预紧螺纹孔三预紧安装在上柔性铰链上，金刚石刀具通过螺栓安装在上柔性铰链的螺纹孔上。优点是可以精确实现金刚石刀尖在空间任意平面的椭圆轨迹，且参数调整范围较大，柔性装置可以安装在任意机床上，具有一定的普遍性。

权利要求

1.一种非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置，其特征在于：上柔性铰链与下柔性铰链垂直装配，其中上柔性铰链通过上柔性铰链连孔一和上柔性铰链连孔二分别由螺钉连接在下柔性铰链的下柔性铰链连孔一和下柔性铰链连孔二上，压电叠堆一和压电叠堆二分别由螺栓通过预紧螺纹孔一和预紧螺纹孔二预紧安装在下柔性铰链上，压电叠堆三由螺栓通过预紧螺纹孔三预紧安装在上柔性铰链上，金刚石刀具通过螺栓安装在上柔性铰链的螺纹孔上。

2.根据权利要求1所述的非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置，其特征在于：所述上柔性铰链中的单个铰链全部为直圆形铰链，且铰链间成平行四边形排列。

3.根据权利要求2所述的非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置，其特征在于：所述上柔性铰链中包含了独立的上柔性铰链动部件。

4.根据权利要求1所述的非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置，其特征在于：所述下柔性铰链中的单个铰链全部为直圆形铰链，且铰链间成平行四边形排列。

5.根据权利要求4所述的非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置，其特征在于：所述下柔性铰链中包含了独立的下柔性铰链动部件一和独立的下柔性铰链动部件二。

6.根据权利要求1所述的非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置，其特征在于：所述下柔性铰链上设有与机床连接的连接孔。

说明书

一种非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置

技术领域

[0001] 本发明属于超精密切削加工以及难加工材料复杂光学零件加工技术领域，特别是涉及一种非共振三维椭圆振动切削柔性装置。

背景技术

[0002] 随着科技的快速发展，近年来在一些高精零件加工领域对于加工精度的要求也越来越高，金刚石刀具对于高精密零件的加工作出了重要的贡献，但是由于传统加工工艺的限制，对于难加工材料的精密加工亟需在加工方法上进行突破，振动切削正是基于此需要而产生，振动切削将加工过程中的振动加以利用，有效避免了金刚石刀具的快速磨损，延长了刀具寿命，提高了加工精度。

[0003] 就目前的振动切削发展状况而言，振动切削经历了三个阶段：

[0004] （1）一维振动切削。一维振动切削自1966年成功应用与难加工材料的切削而受到全世界学者的广泛关注，但是由于刀具后刀面的熨压特性，在刀具寿命延长方面无法做出更大的贡献。

[0005] （2）二维振动切削（也称椭圆振动切削Elliptical Vibration Cutting，以下简称EVC）。二维振动切削于1993年被名古屋大学的社本英二教授等人首次提出，并通过相关的实验研究，研究结果表明，二维振动切削可以抑制颤振、减少切削力、改善加工精度和表面质量、减少刀具磨损、提高刀具使用寿命、实现脆性材料延性切削等。但是椭圆振动切削也存在了一些本质上的缺陷，例如：椭圆产生平面固定，无法满足加工复杂曲面的要求，共振型的EVC装置频率不可调整等。

[0006] （3）三维振动切削（也称三维椭圆振动切削3D Elliptical Vibration Cutting，以下简称3D EVC）。3D EVC是在EVC的基础上发展而来，吸取了EVC所具有的的优点，克服了EVC存在的缺陷，被认为是当前最具发展潜力的一种超精密加工方法。

[0007] 国际上对于振动切削的研究主要有日本的神户大学和名古屋大学，德国的Bremen大学，美国North Carolina大学和西北大学，新加坡国立大学，国内关于振动切削的研究主要集中在吉林大学，北京航空航天大学，香港理工大学，厦门大学，河南理工大学等几所高校。对于振动切削装置的研究，目前主要集中的两种类型：共振型和非共振型。

[0008] 共振型振动切削装置最突出的特点是加工的频率较高，目前可查的文献记载，最高加工频率可达60KHZ，其最大的缺点是装置依靠自身的固有频率来进行共振加工，导致加工的频率不可调整，并且各个振型之间驱动易产生耦合，控制的难度加大，所以目前非共振型的加工装置逐渐受到研究人员的欢迎，EVC的非共振型装置目前可查的有两平行或者两垂直配置方式，其缺点是所生成的椭圆平面固定，对于复杂曲面的加工存在一定的局限性，在此基础上，非共振三维椭圆振动切削克服了以上的所有缺点，但是非共振三维椭圆切削装置的研究，还需要进行突破。

[0009] 目前已有的非共振三维椭圆切削装置专利可查的有：专利（CN102078967A）提及的一种混频三维椭圆振动切削方法，金刚石刀尖可以在空间生成三维椭圆运动轨迹，但是其压电叠堆位置的局限，导致其所生成的三维椭圆运动轨迹只能在金刚石刀具的一侧，存在一定的局限性。专利（CN102059575A）提及的三维椭圆切削装置三维椭圆运动轨迹同样只能在金刚石刀具的一侧，参数调整范围有限，对于可匹配加工的机床要求较高，不具有普遍性。专利（CN102371359A）提及的一种三维椭圆振动切削装置也同样具有上述局限。

[0010] 综上所述，现有的非共振三维椭圆振动切削装置还存在着一些不足。

发明内容

[0011] 本发明提供一种非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置，从而实现难加工材料的超精密切削加工。

[0012] 本发明采取的技术方案是：

[0013] 上柔性铰链与下柔性铰链垂直装配，其中上柔性铰链通过上柔性铰链连孔一和上柔性铰链连孔二分别由螺钉连接在下柔性铰链的下柔性铰链连孔一和下柔性铰链连孔二上，压电叠堆一和压电叠堆二分别由螺栓通过预紧螺纹孔一和预紧螺纹二预紧安装在下柔性铰链上，压电叠堆三由螺栓通过预紧螺纹孔三预紧安装在上柔性铰链上，金刚石刀具通过螺栓安装在上柔性铰链的螺纹孔上。

[0014] 本发明所述上柔性铰链中的单个铰链全部为直圆形铰链，且铰链间成平行四边形排列。

[0015] 本发明所述上柔性铰链中包含了独立的上柔性铰链动部件。

[0016] 本发明所述下柔性铰链中的单个铰链全部为直圆形铰链，且铰链间成平行四边形排列。

[0017] 本发明所述下柔性铰链中包含了两个独立的下柔性铰链动部件一和下柔性铰链动部件二。

[0018] 本发明所述下柔性铰链上有与机床连接孔。

[0019] 本发明采用柔性铰链组装而成，压电叠堆驱动采用两平行一垂直的配置方式，可以精确实现金刚石刀尖在空间任意平面的椭圆轨迹，且参数调整范围较大，柔性装置可以安装在任意机床上，具有一定的普遍性。

[0020] 本发明的优点是：

[0021] （1）整体柔性装置由两个主要的柔性铰链组合而成，整体结构相对简单，易于制造，柔性装置的体积小，质量小，易于实现柔性装置的高频加工。

[0022] （2）本发明的三维椭圆柔性装置全部采用平行四边形柔性铰链，能够充分保证运动的单向性，柔性装置可以通过柔性铰链3中底座上的螺纹孔安装在任意机床上，适用性较强。

[0023] （3）本发明的三维椭圆柔性装置由三个压电叠堆驱动，采取的是非共振的方式，三维椭圆可以由压电叠堆驱动信号的参数来调整，空间三维椭圆的位置，不受压电配置方式的限制，能够任意调整。

[0024] （4）本发明的三维椭圆柔性装置中三个压电叠堆驱动分别驱动独立的柔性铰链，相互之间不存在耦合，能够实现柔性装置较高的控制精度。

附图说明

[0025] 图1是本发明的结构示意图；

[0026] 图2是本发明上柔性铰链的轴测图；

[0027] 图3是本发明下柔性铰链的轴测图；

[0028] 图4是本发明运动轨迹生成图；

[0029] 图5是本发明非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置控制框图。

具体实施方式

[0030] 上柔性铰链2与下柔性铰链3垂直装配，其中上柔性铰链2通过上柔性铰链连孔一202和上柔性铰链连孔二205分别由螺钉连接在下柔性铰链3的下柔性铰链连孔一305和下柔性铰链连孔二307上，压电叠堆一101和压电叠堆二103分别由螺栓通过预紧螺纹孔一301和预紧螺纹二303预紧安装在下柔性铰链3上，压电叠堆三102由螺栓通过预紧螺纹孔三201预紧安装在上柔性铰链2上，金刚石刀具4通过螺栓安装在上柔性铰链2的螺纹孔203上。

[0031] 本发明所述上柔性铰链2中的单个铰链全部为直圆形铰链，且铰链间成平行四边形排列。

[0032] 本发明所述上柔性铰链2中包含了独立的上柔性铰链动部件204。

[0033] 本发明所述下柔性铰链3中的单个铰链全部为直圆形铰链，且铰链间成平行四边形排列。

[0034] 本发明所述下柔性铰链3中包含了两个独立的铰链动部件一304和铰链动部件二306。

[0035] 本发明所述下柔性铰链3上有与机床连接孔302。

[0036] 本发明安装在机床的导轨上，上柔性铰链2上的金刚石刀具4由三个压电叠堆驱动产生高频的三维椭圆运动，三个压电叠堆的驱动信号如下：

[0037]

[0038] 经过运动与刀座参数的空间坐标转换，如图4所示，金刚石刀尖点的运动坐标生成公式如下：

[0039]

[0040] 式中，xct，yct和zct是金刚石刀尖点的笛卡尔坐标；A1,A2,A3分别是三个压电驱动的振动幅值； 分别是三个压电驱动的相移；w是振动频率；t是时间变量；l1是联接孔307到连接孔305轴心的距离，l2是金刚石刀尖与孔305,307所在直线的垂直距离。

[0041] 根据式（1）-（2），通过主动调整这三个压电叠堆驱动信号y1,y2,y3的初始相位使得各个初始相位之间的相位差不为0，则金刚石刀具的刀尖点在笛卡尔坐标系中就可以产生一个三维椭圆运动轨迹。

[0042] 图5示出了本发明采用的简化的控制系统框图，其中主要包括有：机床，工件，回转光栅，接口板，金刚石刀具，压电叠堆，功率放大器，高性能控制器。

[0043] 根据图1-图5，本发明工作方式如下：

[0044] 1，将工件装夹在机床主轴上，主轴回转实现工件的圆周进给运动，通过角位移光栅采集主轴瞬态转角。

[0045] 2.将本发明安装在数控车床的导轨上，给三个压电叠堆驱动施加控制信号，通过调整压电叠堆施加信号的参数，使金刚石刀尖产生理想的空间三维椭圆轨迹，生成振动切削的主切削运动。

[0046] 3.通过规划金刚石刀尖点椭圆运动的轨迹，设置机床切削参数，创成理想曲面。

[0047] 4.通过一个高性能控制器，以实现对主轴转角检测、3个驱动元件以及三维椭圆运动轨迹的跟踪控制。