一種三維橢圓振動車削刀架的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維橢圓振動車削刀架，包括振動部件、基座、頂蓋、三個壓電陶瓷驅(qū)動器、夾具和連接板；所述的振動部件中心是一個微動平臺，通過五個柔順單元連接至基體，所述的微動平臺具有三個自由度，分別為X旋轉(zhuǎn)、Y旋轉(zhuǎn)和Z移動，振動部件是一個三自由度柔順機構(gòu)，且為一個整體構(gòu)件。本發(fā)明工作時，任意型號的車刀通過夾具連接到微動平臺上，在三個壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動作用下，微動平臺帶動車刀振動，使刀尖處的運動軌跡合成一個三維橢圓。本發(fā)明的振動部件為一個三自由度柔順機構(gòu)，因此刀架的振動部件無需裝配定位，無摩擦損耗和運動間隙；本發(fā)明采用壓電陶瓷驅(qū)動器直接驅(qū)動微動平臺，使橢圓運動的相角、幅值、頻率調(diào)節(jié)起來更為方便。
【專利說明】一種三維橢圓振動車削刀架
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于難加工材料切削和超精密切削領(lǐng)域，特別是一種三維橢圓振動車削刀架。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的切削方法中，車削難加工材料的切削過程往往會導致刀具磨損嚴重、力口工表面質(zhì)量惡化、加工精度降低。為了解決這些問題，使精密加工更多的應(yīng)用于在軍事、航空航天工業(yè)和民用工業(yè)中，研究者提出了一系列解決方案，如:低溫切削、碳飽和切削和振動切削等。其中振動切削是最有發(fā)展前景的一種切削方法，它具有減小切削熱、切削力，抑制刀具磨損，改善加工表面質(zhì)量等諸多優(yōu)點。實驗證實:利用橢圓振動切削加工的工件，力口工表面粗糙度更低，切屑更完整。
[0003]目前的橢圓振動切削裝置主要有共振型和非共振型兩種，共振型橢圓振動裝置主要缺點有:(I)橢圓運動的頻率依賴于刀桿的非線性結(jié)構(gòu)動力學參數(shù)，為獲得合理的參數(shù)需要對刀桿尺寸進行優(yōu)化，降低了裝置的通用性。(2)驅(qū)動信號需要反復調(diào)試才能使裝置共振，且刀桿需要特殊設(shè)計，通用性差。(3)三個方向上的振動運動存在動力耦合。(4)所獲得的的橢圓失真。
[0004]目前非共振型三維橢圓振動裝置的主要缺點有:(I)裝置的振動靠多個運動副來實現(xiàn)，需要裝配且對各零件有較高的精度要求。(2)各零件的配合會產(chǎn)生摩擦損耗和運動間隙。(3)體積龐大，加工費時費料，安裝困難。(4)通用性差，不能適用于多個型號的車床。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計一種振動部件無需定位裝配、無摩擦損耗、無運動間隙、操作簡單安裝方便、通用性強的三維橢圓振動車削刀架。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種三維橢圓振動車削刀架，包括振動部件、基座、頂蓋、三個壓電陶瓷驅(qū)動器、夾具和連接板；三個壓電陶瓷驅(qū)動器分別為壓電陶瓷驅(qū)動器A、壓電陶瓷驅(qū)動器B和壓電陶瓷驅(qū)動器C ;所述的振動部件中心是一個微動平臺，通過五個柔順單元連接至基體，所述的五個柔順單元的橫截面均為正方形，其中柔順單元B、柔順單元C、柔順單元D和柔順單元E相互平行排列，分布在同一個平面內(nèi)、且長度相等，柔順單元A與其他四個柔順單元垂直，分布在另一個平面內(nèi)，這兩個平面平行且有一定距離；所述的微動平臺具有三個自由度，分別為X旋轉(zhuǎn)、Y旋轉(zhuǎn)和Z移動，其中壓電陶瓷驅(qū)動器C驅(qū)動微動平臺沿Z軸往復振動，壓電陶瓷驅(qū)動器A驅(qū)動微動平臺沿X軸旋轉(zhuǎn)振動，壓電陶瓷驅(qū)動器B驅(qū)動微動平臺沿Y軸旋轉(zhuǎn)振動；所述的基體、五個柔順單元和微動平臺組成振動部件，振動部件是一個三自由度柔順機構(gòu)，且為一個整體構(gòu)件；所述的振動部件通過四個螺釘連接至基座；所述的基座與車床連接板連接；所述的頂蓋將基體與基座固定；所述的夾具通過梯形槽安裝至微動平臺；所述的壓電陶瓷驅(qū)動器C的螺紋端連接至基座橫梁、球面端與微動平臺后端面頂接；所述的壓電陶瓷驅(qū)動器B的螺紋端與基座連接、另一端與微動平臺下端面連接；所訴的壓電陶瓷驅(qū)動器A的螺紋端與基體連接、另一端與微動平臺側(cè)端面連接；所述的連接板安裝在車床上。
[0007]本發(fā)明工作時，任意型號的車刀通過夾具連接到微動平臺上，在三個壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動作用下，微動平臺帶動車刀振動，使刀尖處的運動軌跡合成一個三維橢圓。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0009]1、由于本發(fā)明的振動部件為一個三自由度柔順機構(gòu)，是一個整體構(gòu)件，因此刀架的振動部件無需裝配定位，無摩擦損耗和運動間隙；
[0010]2、本發(fā)明采用壓電陶瓷驅(qū)動器直接驅(qū)動微動平臺，使橢圓運動的相角、幅值、頻率調(diào)節(jié)起來更為方便；
[0011]3、壓電陶瓷驅(qū)動器C與微動平臺接觸的面為球面，消除另兩個方向上的轉(zhuǎn)動對該自由度的影響，最大程度上降低了運動耦合，簡化了控制；
[0012]4、本發(fā)明零件數(shù)量少，加工簡單，安裝方便；裝置體積小質(zhì)量輕，便于加工，裝配方便；
[0013]5、本發(fā)明的夾具可安裝任意型號的車刀，通用性強。
[0014]本發(fā)明共有附圖7張，其中:
[0015]圖1為本發(fā)明整體裝配圖；
[0016]圖2為基座與壓電陶瓷驅(qū)動器B、壓電陶瓷驅(qū)動器C的裝配圖；
[0017]圖3為振動部件與壓電陶瓷驅(qū)動器7的裝配圖；
[0018]圖4為壓電陶瓷驅(qū)動器的安裝方式示意圖；
[0019]圖5為所合成的橢圓在X-Y平面的投影圖；
[0020]圖6為所合成的橢圓在Z-Y平面的投影圖；
[0021]圖7為所合成的橢圓在X-Z平面的投影圖。
[0022]圖中:1、頂蓋，2、振動部件，3、基座，4、夾具，5、連接板，6、緊定螺釘，7、壓電陶瓷驅(qū)動器A, 8、壓電陶瓷驅(qū)動器B、9、壓電陶瓷驅(qū)動器C, 10、柔順單元A, 11、柔順單元B, 12、柔順單元C, 13、柔順單元D, 14、柔順單元E, 15、微動平臺。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步地描述。如圖1所示，微動平臺15通過柔順單元A10、柔順單元B11、柔順單元C12、柔順單元D13、柔順單元E14鏈接至基座3。柔順單元B11、柔順單元C12、柔順單元D13、柔順單元E14平行排列且分布在同一個面內(nèi)且長度相等。柔順單元AlO與柔順單元BI 1、柔順單元C12、柔順單元D13和柔順單元E14垂直，分布在另一個平面內(nèi)，兩個平面平行且有一定距離。微動平臺15、五個柔順單元和基座3組成振動部件2，為一個整體，此振動部件2屬于一個三自由度柔順機構(gòu)；
[0024]夾具4通過T形槽固定至微動平臺15 ；
[0025]振動部件2通過四個緊定螺釘6連接至基座3 ；
[0026]頂蓋I將振動部件2和基座3固定；
[0027]基座3通過四個緊定螺釘固定至車床連接板4 ；
[0028]壓電陶瓷驅(qū)動器A7螺紋端與振動部件2連接，球面端與微動平臺15側(cè)端面連接，振動部件2與壓電陶瓷驅(qū)動器A7的裝配關(guān)系如圖3所示。[0029]壓電陶瓷驅(qū)動器B8螺紋端與基座3連接，球面端與微動平臺15側(cè)端面連接；
[0030]壓電陶瓷驅(qū)動器C9螺紋端與基座3橫梁連接，球面端與微動平臺15后端面頂接，基座3橫梁連接與壓電陶瓷驅(qū)動器B8、壓電陶瓷驅(qū)動器C9的裝配關(guān)系如圖2所示。
[0031]用本發(fā)明代替原車床刀架，將任意型號的車刀通過夾具4連接至本發(fā)明的微動平臺15上，工件安裝在車床主軸上做勻速旋轉(zhuǎn)運動刀具沿車床Z軸做進給運動，壓電陶瓷驅(qū)動器C9輸出縱向位移，壓電陶瓷驅(qū)動器A7與壓電陶瓷驅(qū)動器B8輸出扭矩；
[0032]為消除壓電陶瓷驅(qū)動器A7與壓電陶瓷驅(qū)動器B8輸出的扭矩對壓電陶瓷驅(qū)動器C9輸出縱向振動的運動影響，壓電陶瓷驅(qū)動器C9與微動平臺15接觸的面采用球面，壓電陶瓷驅(qū)動器C9與微動平臺的接觸關(guān)系如圖4所示。
[0033]三個壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動微動平臺15在3個方向上振動，微動平臺15帶動車刀振動，使刀尖處的運動軌跡合成一個三維橢圓。
[0034]由于扭轉(zhuǎn)角十分微小而車刀刀桿較長，因此刀尖處的自由度可看作3個移動自由度。
[0035]壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動信號表示為:
[0036]u (t) = Vxsin (2 π ft+ α )
[0037]u (t) = Vysin (2 π ft+ β )
[0038]u (t) = Vzsin (2 π ft+ Y )
[0039]其中Vx，Vy, Vz分別是驅(qū)動信號X (t)，y (t)，z (t)的振幅；α，β，Y分別是驅(qū)動信號的初相位；f為驅(qū)動信號的頻率。
[0040]三個驅(qū)動信號的驅(qū)動作用下，刀尖處的位移用笛卡爾坐標表示為:
[0041]X (t) = Axsin (2 π ft+λ )
[0042]y(t) = Aysin (2 Ji ft+ω)
[0043]z (t) = Azsin (2 π ft+ θ )
[0044]將刀尖處任意捕圓運動投影于X-Y平面，得到如圖5所不的捕圓；
[0045]將刀尖處任意捕圓運動投影于Y-Z平面,得到如圖6所不的捕圓；
[0046]將刀尖處任意捕圓運動投影于X-Z平面,得到如圖7所不的捕圓；
[0047]通過調(diào)整壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動信號，可以調(diào)節(jié)刀尖運動軌跡合成的橢圓尺寸。
【權(quán)利要求】
1.一種三維橢圓振動車削刀架，其特征在于:包括振動部件(2)、基座(3)、頂蓋(I)、三個壓電陶瓷驅(qū)動器、夾具(4)和連接板(5);三個壓電陶瓷驅(qū)動器分別為壓電陶瓷驅(qū)動器A(7)、壓電陶瓷驅(qū)動器B(S)和壓電陶瓷驅(qū)動器C(9);所述的振動部件(2)中心是一個微動平臺(15)，通過五個柔順單元連接至基體，所述的五個柔順單元的橫截面均為正方形，其中柔順單元B (11)、柔順單元C (12)、柔順單元D (13)和柔順單元E (14)相互平行排列，分布在同一個平面內(nèi)、且長度相等，柔順單元A(IO)與其他四個柔順單元垂直，分布在另一個平面內(nèi)，這兩個平面平行且有一定距離；所述的微動平臺(15)具有三個自由度，分別為X旋轉(zhuǎn)、Y旋轉(zhuǎn)和Z移動，其中壓電陶瓷驅(qū)動器C(9)驅(qū)動微動平臺(15)沿Z軸往復振動，壓電陶瓷驅(qū)動器A(7)驅(qū)動微動平臺(15)沿X軸旋轉(zhuǎn)振動，壓電陶瓷驅(qū)動器B(S)驅(qū)動微動平臺(15)沿Y軸旋轉(zhuǎn)振動；所述的基體、五個柔順單元和微動平臺(15)組成振動部件(2)，振動部件(2)是一個三自由度柔順機構(gòu)，且為一個整體構(gòu)件；所述的振動部件(2)通過四個螺釘連接至基座(3);所述的基座(3)與車床連接板(5)連接；所述的頂蓋(I)將基體與基座(3)固定；所述的夾具(4)通過梯形槽安裝至微動平臺(15);所述的壓電陶瓷驅(qū)動器C(9)的螺紋端連接至基座(3)橫梁、球面端與微動平臺(15)后端面頂接；所述的壓電陶瓷驅(qū)動器B(S)的螺紋端與基座(3)連接、另一端與微動平臺(15)下端面連接；所訴的壓電陶瓷驅(qū)動器A(7)的螺紋端與基體連接、另一端與微動平臺(15)側(cè)端面連接；所述的連接板(5)安裝在車床上。
【文檔編號】B23B21/00GK104001943SQ201410271159
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】林盛, 楊亮, 孔晰, 王春, 徐劍 申請人:大連交通大學