專利名稱：一種三自由度超聲振動鉆削并聯(lián)機床的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機械加工技術(shù)領(lǐng)域，特指一種三自由度超聲振動鉆削并聯(lián)機床，即用三 自由度并聯(lián)機構(gòu)平臺作為機床主體加上超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)構(gòu)成一種三自由度微小孔超聲 振動鉆削并聯(lián)機床，應(yīng)用于軟質(zhì)材料的微小孔的精密加工領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著孔加工技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對孔的加工精度和表面質(zhì)量提出了越 來越高的要求。目前,在不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料上加工精密微細(xì)深 孔仍然是具有挑戰(zhàn)性的課題。實踐表明,采用傳統(tǒng)工藝方法加工微小深孔時,存在切削溫度高、 鉆頭易磨損或折斷、入鉆定心性差、斷屑困難、排屑不暢、出口毛刺多等一系列工藝難題。 為此，需要積極探索、開發(fā)更合理的加工方法，以改善材料的可加工性,提高產(chǎn)品質(zhì)量和加工效 率。超聲振動鉆削是近代出現(xiàn)的一種特殊的切削加工方法，是對難加工材料或難加工工序進(jìn) 行加工的有效方法之一。超聲振動鉆削由于其特殊的切削機理引起諸多專家學(xué)者的重視。它 是在傳統(tǒng)的鉆削過程中給鉆頭(或工件)加上某種有規(guī)律的、可控的高頻振動，在切削參數(shù) 優(yōu)化的條件下，以達(dá)到改善鉆削性能的一種新穎的加工方法。振動鉆削效果的好壞，在很大 程度上取決于振動切削裝置。當(dāng)前的振動鉆削設(shè)備的應(yīng)用局限于結(jié)合普通車床或普通臺鉆使用，大大限制了其應(yīng)用范 圍；且工件的加工位置受到很大的局限性，并影響了加工工藝的合理安排。針對這些問題， 可以考慮采用并聯(lián)機構(gòu)拓展其加工應(yīng)用范圍，同時附加數(shù)控設(shè)備來實現(xiàn)鉆削加工的精確定位 和自動控制。目前世界各國對并聯(lián)機床的研發(fā)總體上處于研究、試制和試用階段。與國外相比，國內(nèi) 對并聯(lián)機床的理論研究、設(shè)計與應(yīng)用等方面的關(guān)鍵技術(shù)研究(如對球鉸的制造精度、運動精度 的測量與控制、有效工作區(qū)的描述與所受約束以及工作可靠性等問題的研究)存在較大差距。 此外，國內(nèi)外對并聯(lián)機床的動力學(xué)特性及其對加工精度、加工過程穩(wěn)定性的影響規(guī)律等研究 內(nèi)容還處于起步階段，許多富有挑戰(zhàn)性的理論問題及關(guān)鍵技術(shù)仍有待于進(jìn)一步研究和探索。三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床是超聲振動切削與并聯(lián)機床相結(jié)合的一個積極嘗 試。目前國內(nèi)外對此研究還非常少，査詢到的專利如CN2082651U， CN1418747A均局限應(yīng) 用于傳統(tǒng)機床設(shè)備，且存在振幅過小問題。另外，國內(nèi)外出現(xiàn)的振動加工微小孔的工藝設(shè)備 存在靈活性差，自動化程度低等問題。本實用新型用三自由度并聯(lián)機構(gòu)作為機床主體加上超 聲振動鉆削主軸系統(tǒng)構(gòu)成一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床。超聲振動鉆削主軸系 統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)速、超聲激振等功能，可以實現(xiàn)難加工材料的微小孔振動鉆削；三自由度并聯(lián)機 構(gòu)平臺通過數(shù)控設(shè)備控制三個驅(qū)動源可以使其產(chǎn)生空間三自由度的位移，實現(xiàn)加工過程的微 動進(jìn)給和自動定位?？蓱?yīng)用于難加工材料、復(fù)合材料中的微小孔的精密加工。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是要提供一種三自由度微小孔超聲振動鉆削設(shè)備，特指用三自由度并 聯(lián)機構(gòu)平臺作為機床主體加上超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)構(gòu)成一種三自由度微小孔超聲振動鉆削 并聯(lián)機床。超聲振動鉆削加工能有效改善加工條件，提高微小孔加工質(zhì)量和效率，特別針對 難加工材料的微小孔鉆削問題；三自由度并聯(lián)機構(gòu)平臺的三條伸縮桿件是精密滾珠絲桿，分 別用三個伺服電機作為驅(qū)動源，通過數(shù)控設(shè)備控制三個驅(qū)動源使動平臺產(chǎn)生空間三自由度的 平移，實現(xiàn)加工過程的自動進(jìn)給和自動定位，提高了加工過程的自動化水平和靈活性。本實用新型的三自由度微小孔超聲鉆削并聯(lián)鉆床，通過控制超聲波發(fā)生器和伺服電機， 可以根據(jù)工件材料的不同，在每一次鉆削過程中分別采用不同的加工參數(shù)，也可以根據(jù)鉆削 階段(鉆入階段、鉆中階段、鉆出階段)的不同，設(shè)定不同切削用量。所述的鉆削方法，可以鉆削直徑為O. l咖 2咖的微小孔，長徑比達(dá)到10: 1。一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，由工作臺、超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)和三自 由度并聯(lián)機構(gòu)組成，超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)固定于三自由度并聯(lián)機構(gòu)的動平臺上來實現(xiàn)空間 三自由度位移。其中超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)包括高速電機、夾心式換能器、變幅桿、精密鉆夾頭、超聲 波發(fā)生器；高速電機的輸出軸通過法蘭與回轉(zhuǎn)主軸連接，帶動回轉(zhuǎn)主軸高速旋轉(zhuǎn)，夾心式換 能器由壓電陶瓷片、電極、后蓋板組成，通過夾緊螺栓連接在一起，安裝在回轉(zhuǎn)主軸內(nèi)，并 由變幅桿上的法蘭固定；超聲波發(fā)生器通過導(dǎo)線與安裝在電機輸出軸法蘭上的電刷和集流環(huán) 連接，再經(jīng)過釬焊在集流環(huán)上的導(dǎo)線，與夾心式換能器相連；在變幅桿的前端連接精密鉆夾 頭，變幅桿為梯形振幅放大桿。夾心式換能器在回轉(zhuǎn)主軸內(nèi)的安裝和找正，是利用變幅桿的 振動節(jié)進(jìn)行的。找正是按回轉(zhuǎn)主軸的內(nèi)孔來進(jìn)行的，變幅桿的振動節(jié)做成法蘭盤形狀，用螺 栓把它固定在回轉(zhuǎn)主軸套筒上。這樣，高速電機的輸出軸通過法蘭與回轉(zhuǎn)主軸連接，進(jìn)而帶 動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，同時夾心式換能器產(chǎn)生超聲軸向振動，實現(xiàn)微小孔的振動切削。夾心式換能器產(chǎn)生可以產(chǎn)生20KHz的超聲振動，經(jīng)過變幅桿后直接激勵回轉(zhuǎn)主軸產(chǎn)生16//m 21/^振幅的響應(yīng)。其彈簧夾頭采用精密彈簧夾頭，保證了鉆頭安裝良好，且在高速轉(zhuǎn)速情況下能保 證良好的鉆頭回轉(zhuǎn)精度。
三自由度并聯(lián)機構(gòu)由三條支鏈及一個固定平臺組成，三條支鏈相互垂直正交布置，每條 支鏈的結(jié)構(gòu)相同，由滾珠絲桿和兩個萬向鉸鏈組成，滾珠絲桿由伺服電機驅(qū)動；滾珠絲桿一 端連接于固定平臺支柱，另一端連接第一個萬向鉸鏈；與滾珠絲桿相連的萬向鉸鏈的通過直 桿連接第二個萬向鉸鏈，第二個萬向鉸鏈的另一端則與工作臺或超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)的回 轉(zhuǎn)主軸外殼相連，且支鏈的初始位置為直線布置。在實際結(jié)構(gòu)中采用三個伺服電機分別驅(qū)動 三個精密滾珠絲桿來實現(xiàn)伸縮桿的功能，通過數(shù)控設(shè)備控制伺服電機輸入信號使工作臺或超 聲振動鉆削主軸系統(tǒng)產(chǎn)生空間三自由度的平移，以實現(xiàn)鉆削過程中的自動進(jìn)給和自動定位。 本實用新型的優(yōu)點在于(1) 超聲振動鉆削并聯(lián)機床可以實現(xiàn)難加工材料的微小深孔振動鉆削。(2) 本實用新型采用三維純平移并聯(lián)機構(gòu)平臺為主體，其輸入一輸出關(guān)系均為解析解，運 動學(xué)、動力學(xué)分析求解相對容易；該機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、剛度大、工作空間大、動態(tài)性能好、 無支鏈干涉、運動精度高，易于控制等優(yōu)點；(3) 所述的鉆床具有高轉(zhuǎn)速、微動進(jìn)給和高的制造精度。進(jìn)行數(shù)控編成后，可以實現(xiàn)鉆頭 自動進(jìn)給，工件可以經(jīng)過一次裝夾就能進(jìn)行多孔鉆削，擴大了加工范圍。能滿足難加工材料 的微小孔加工要求。(4) 所述的鉆床不僅可完成所示各種零件的鉆孔功能，如換成相應(yīng)的微型銑刀或金剛石銑 刀，還能滿足f[細(xì)的刻銑功能，如刻銑各種圖形、網(wǎng)格、曲線、花紋、花邊、字形和各種裝 飾花形等。


以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本實用新型實施例1的三維示意圖。圖2是本實用新型實施例1的另外一種三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實用新型的超聲振動鉆削主軸結(jié)構(gòu)，圖中1、高速電機2、端蓋3、軸承4、回轉(zhuǎn)主軸5、主軸外殼6、端蓋7、變幅桿8、精密鉆夾頭9、鉆頭10、墊片11、壓電陶瓷片，12、電極，13、后蓋板14、墊片15、電刷和集流環(huán) 16、法蘭17、超聲波發(fā)生器18、固定平臺 19、支柱20、萬向鉸鏈(6個) 21、滾珠絲桿(3個) 22、伺服電機(3個)23、工作臺24、直桿(3個)具體實施方式
實施例1，如圖1所示， 一種三自由度微小孔超聲鉆削并聯(lián)鉆床，通過控制超聲波發(fā)生
器和伺服電機，在零件材料為聚碳酸脂的面板上鉆削直徑- = 0.5皿，深徑比L/D-10的孔。該機床由工作臺23、超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)和三自由度并聯(lián)機構(gòu)組成，超聲振動鉆削主 軸系統(tǒng)固定于三自由度并聯(lián)機構(gòu)的動平臺上來實現(xiàn)空間三自由度位移。其中超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)包括高速電機l、夾心式換能器、變幅桿7、精密鉆夾頭8、 超聲波發(fā)生器17;高速電機1的輸出軸通過法蘭16與回轉(zhuǎn)主軸4連接，帶動回轉(zhuǎn)主軸14高 速旋轉(zhuǎn)，夾心式換能器由壓電陶瓷片11、電極12、后蓋板13組成，通過夾緊螺栓連接在一 起，安裝在回轉(zhuǎn)主軸4內(nèi)，并由變幅桿上7的法蘭通過嫘栓固定；回轉(zhuǎn)主軸4通過軸承3與 主軸外殼5接觸，軸承3兩側(cè)由端蓋2和端蓋6固定。超聲波發(fā)生器17通過導(dǎo)線與安裝在電 機輸出軸法蘭16上的電刷和集流環(huán)15連接，再經(jīng)過釬焊在集流環(huán)上的導(dǎo)線，與夾心式換能 器相連，在變幅桿7的前端連接精密鉆夾頭8。其中，變幅桿7為梯形振幅放大桿，采用聲 阻抗率低的材料制造(例如硬鋁或釹合金)；后蓋板13為自由端,采用聲阻抗率高的材料制造 (例如軟鋼)；壓電陶瓷片11是換能器的激勵推動級,可在超聲頻電振蕩信號的作用下產(chǎn)生機 械振動效應(yīng)，采用PZT-8型或者Fc型鋯鈦酸鉛陶瓷材料制造。三自由度并聯(lián)機構(gòu)由三條支鏈及一個固定平臺18組成，三條支鏈相互垂直正交布置，每 條支鏈的結(jié)構(gòu)相同，由滾珠絲桿21和兩個萬向鉸鏈20組成，滾珠絲桿21由伺服電機22驅(qū) 動；滾珠絲桿21—端連接于固定平臺18的立柱19上，另一端連接第一個萬向鉸鏈；與滾珠 絲桿21相連的萬向鉸鏈的通過直桿24連接第二個萬向鉸鏈，第二個萬向鉸鏈的另一端則與 超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)主軸外殼相連，且支鏈的初始位置為直線布置。在實際結(jié)構(gòu)中 采用三個伺服電機22分別驅(qū)動三個精密滾珠絲桿21來實現(xiàn)伸縮桿的功能。這樣，實際鉆削時，首先啟動電源，高速電機4高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到20000rad/min 以上，其輸出軸通過法蘭16與回轉(zhuǎn)主軸4連接，進(jìn)而帶動鉆頭9高速旋轉(zhuǎn)，同時夾心式換能 器產(chǎn)生超聲軸向振動，實現(xiàn)微小孔的振動切削。其中，超聲波發(fā)生器17將220V/50Hz的交流 電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號，通過電刷(15)引到集流環(huán)上，再經(jīng)過釬焊在集流環(huán)上的導(dǎo)線， 與可以回轉(zhuǎn)的夾心式換能器相連，產(chǎn)生20KHz的超聲振動。夾心式換能器的前端與梯形振幅放大桿(變幅桿7)連接，在變幅桿7的前端連接精密鉆夾頭8，使鉆尖產(chǎn)生16/z加振幅的響 應(yīng)。其彈簧夾頭采用精密鉆夾頭8，保證了鉆頭9安裝良好，且在高速轉(zhuǎn)速情況下能保證良好的鉆頭回轉(zhuǎn)精度，實現(xiàn)對聚碳酸脂材料鉆削直徑- = 0.5 101微小孔的振動切削。同時，根據(jù)鉆頭所需的運動規(guī)律，利用該并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)反解可以分別求出三條支鏈 中移動副的運動輸出規(guī)律，然后通過編程控制三個伺服電機22的輸入信號以控制滾珠絲桿 21滑塊的運動規(guī)律，使動平臺實現(xiàn)三維純平移。如在鉆削開始前或結(jié)束后，需要重新進(jìn)行
刀具的定位，這時，水平面方向的兩個伺服電機22分別驅(qū)動相應(yīng)的滾珠絲桿21作水平方向 平移，用作鉆削時孔的定位，當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)指定位置后，這兩個電機停止動作，并保持刀具在 水平面位置不變。這時安裝在并聯(lián)機構(gòu)動平臺上的超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)在鉆削過程中帶動 鉆頭作高速旋轉(zhuǎn)，同時使鉆頭產(chǎn)生一定規(guī)律的軸向振動，形成振動鉆削。同時豎直方向的伺 服電機22驅(qū)動相應(yīng)的滾珠絲桿21作豎直向下方向平移，進(jìn)而帶動超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)向 下運動，刀具進(jìn)入到工件內(nèi)部進(jìn)行切削，實現(xiàn)了鉆削時刀具的自動進(jìn)給，當(dāng)鉆入到所需深度 后，豎直方向的伺服電機22驅(qū)動相應(yīng)的滾珠絲桿21作豎直向上方向平移，這樣刀具退出工 件，直到到達(dá)初始位置后停止運動；這時，水平面方向的兩個伺服電機22再次驅(qū)動相應(yīng)的滾 珠絲桿21作水平方向平移，用作下一個要加工孔的定位，如此循環(huán)，直到加工完所有的孔。 當(dāng)然也可以根據(jù)鉆削階段(鉆入階段、鉆中階段、鉆出階段)的不同，設(shè)定不同切削參數(shù)(轉(zhuǎn) 速、進(jìn)給速度、振動頻率、振幅等)。這樣工件可以經(jīng)過一次裝夾就能進(jìn)行多孔鉆削，實現(xiàn)了 鉆削過程中的自動進(jìn)給和自動定位，擴大了加工范圍、滿足了聚碳酸脂材料的微小孔加工要 求。
實施例2，如圖2所示，同實施例1相似，同樣可以把工作臺24同三個萬向鉸鏈21連 接，即固定于并聯(lián)機構(gòu)上，而超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)則固定在動平臺的上方，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。利用該機構(gòu)可以很容易的將普通鉆床改制成振動鉆床以實現(xiàn)特殊材料和特殊孔的加工。
其中，三自由度并聯(lián)機構(gòu)和超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)組成機構(gòu)和工作方式同實施例1。
實施例3，如圖1所示，如將鉆頭換成相應(yīng)的微型銑刀或金剛石銑刀，還能滿足微細(xì)的刻 銑功能，如刻銑各種圖形、網(wǎng)格、曲線、花紋、花邊、字形和各種裝飾花形等。
其三自由度并聯(lián)機構(gòu)和超聲振動主軸系統(tǒng)組成機構(gòu)和工作方式同實施例l 。當(dāng)已知所需的 運動規(guī)律時，如在工件上刻銑一個空間曲線，利用該并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)反解可以分別求出三 條支鏈中移動副的運動輸出規(guī)律，然后通過編程控制三個伺服電機(22)的輸入信號以控制 滾珠絲桿(21)滑塊的運動規(guī)律，使動平臺實現(xiàn)三維純平移，使其運動軌跡為相同的空間曲 線。安裝在并聯(lián)機構(gòu)動平臺上的超聲振動主軸系統(tǒng)在切削過程中帶動刀具作高速旋轉(zhuǎn)，同時 產(chǎn)生一定規(guī)律的軸向振動，形成振動銑削或刻銑功能。工件可以經(jīng)過裝夾后，由動平臺帶動 主軸系統(tǒng)及刀具按照既定運動規(guī)律實現(xiàn)所需要的切削軌跡，同時可以自動進(jìn)給和自動定位， 擴大了機床本身的加工范圍、滿足了難加工材料的相應(yīng)加工要求。
本發(fā)明的設(shè)備有效改善了加工條件，特別針對軟質(zhì)難加工材料的微小孔鉆削，提高了微 小孔加工質(zhì)量和效率，同時也兼顧空間圖案的刻銑功能，提高了自動化水平和靈活性。
權(quán)利要求1、一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，其特征在于由工作臺(23)、超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)和三自由度并聯(lián)機構(gòu)組成，超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)包括高速電機(1)、夾心式換能器、變幅桿(7)、精密鉆夾頭(8)、超聲波發(fā)生器(17)；高速電機(1)的輸出軸通過法蘭與回轉(zhuǎn)主軸(4)連接，帶動回轉(zhuǎn)主軸(4)高速旋轉(zhuǎn)，夾心式換能器由壓電陶瓷片(11)、電極(12)、后蓋板組(13)成，通過夾緊螺栓連接在一起，安裝在回轉(zhuǎn)主軸(4)內(nèi)，并由變幅桿(7)上的法蘭固定；超聲波發(fā)生器(17)通過導(dǎo)線與安裝在電機輸出軸法蘭上的電刷和集流環(huán)(15)連接，再經(jīng)過釬焊在集流環(huán)上的導(dǎo)線，與夾心式換能器相連；在變幅桿(7)的前端連接精密鉆夾頭(8)；三自由度并聯(lián)機構(gòu)由三條支鏈及一個固定平臺(18)組成，三條支鏈相互垂直正交布置，每條支鏈的結(jié)構(gòu)相同，由滾珠絲桿(21)和兩個萬向鉸鏈(20)組成，滾珠絲桿(21)由伺服電機(22)驅(qū)動；滾珠絲桿(21)一端連接于固定平臺支柱(19)，另一端連接第一個萬向鉸鏈(20)；與滾珠絲桿(21)相連的萬向鉸鏈(20)的通過直桿(24)連接第二個萬向鉸鏈(20)，第二個萬向鉸鏈(20)的另一端則與工作臺(23)或超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)主軸(4)外殼相連，且支鏈的初始位置為直線布置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，其特征在于變 幅桿(7)為梯形振幅放大桿。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，其特征在于壓 電陶瓷片(11)為PZT-8型或者Fc型鋯鈦酸鉛陶瓷材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，其特征在于回 轉(zhuǎn)主軸(4)通過軸承(3)與主軸外殼(5)接觸，軸承(3)兩側(cè)由端蓋(2)和端蓋(6)固定。
專利摘要一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，涉及機械加工技術(shù)領(lǐng)域。其由工作臺、超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)和三自由度并聯(lián)機構(gòu)組成。超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)包括高速電機、夾心式換能器、變幅桿、精密鉆夾頭。高速電機的輸出軸通過法蘭與套筒主軸連接，進(jìn)而帶動鉆頭高速旋轉(zhuǎn)，同時夾心式換能器產(chǎn)生超聲軸向振動，實現(xiàn)微小孔的振動切削。三自由度并聯(lián)機構(gòu)由三條相同的支鏈組成，每條支鏈的結(jié)構(gòu)為3-PUU，P代表移動副，U代表萬向鉸鏈，各個運動副間用一定長度的桿連接。該三平移并聯(lián)機構(gòu)豎直方向的平移作為鉆頭工作的進(jìn)給，水平方向的兩個平移作為鉆削時孔的定位。本實用新型精度高、結(jié)構(gòu)簡單，加工制造安裝方便，能滿足難加工材料的微小孔加工要求。
文檔編號B23B39/00GK201040319SQ20072003757
公開日2008年3月26日 申請日期2007年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月21日
發(fā)明者仲棟華, 曲海軍, 磊 王, 王貴成, 馬履中 申請人:江蘇大學(xué)