一种三维椭圆振动车削刀架的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维椭圆振动车削刀架，包括振动部件、基座、顶盖、三个压电陶瓷驱动器、夹具和连接板；所述的振动部件中心是一个微动平台，通过五个柔顺单元连接至基体，所述的微动平台具有三个自由度，分别为X旋转、Y旋转和Z移动，振动部件是一个三自由度柔顺机构，且为一个整体构件。本发明工作时，任意型号的车刀通过夹具连接到微动平台上，在三个压电陶瓷驱动器的驱动作用下，微动平台带动车刀振动，使刀尖处的运动轨迹合成一个三维椭圆。本发明的振动部件为一个三自由度柔顺机构，因此刀架的振动部件无需装配定位，无摩擦损耗和运动间隙；本发明采用压电陶瓷驱动器直接驱动微动平台，使椭圆运动的相角、幅值、频率调节起来更为方便。
【专利说明】一种三维椭圆振动车削刀架
【技术领域】
[0001]本发明属于难加工材料切削和超精密切削领域，特别是一种三维椭圆振动车削刀架。
【背景技术】
[0002]在传统的切削方法中，车削难加工材料的切削过程往往会导致刀具磨损严重、力口工表面质量恶化、加工精度降低。为了解决这些问题，使精密加工更多的应用于在军事、航空航天工业和民用工业中，研究者提出了一系列解决方案，如:低温切削、碳饱和切削和振动切削等。其中振动切削是最有发展前景的一种切削方法，它具有减小切削热、切削力，抑制刀具磨损，改善加工表面质量等诸多优点。实验证实:利用椭圆振动切削加工的工件，力口工表面粗糙度更低，切屑更完整。
[0003]目前的椭圆振动切削装置主要有共振型和非共振型两种，共振型椭圆振动装置主要缺点有:(I)椭圆运动的频率依赖于刀杆的非线性结构动力学参数，为获得合理的参数需要对刀杆尺寸进行优化，降低了装置的通用性。(2)驱动信号需要反复调试才能使装置共振，且刀杆需要特殊设计，通用性差。(3)三个方向上的振动运动存在动力耦合。(4)所获得的的椭圆失真。
[0004]目前非共振型三维椭圆振动装置的主要缺点有:(I)装置的振动靠多个运动副来实现，需要装配且对各零件有较高的精度要求。(2)各零件的配合会产生摩擦损耗和运动间隙。(3)体积庞大，加工费时费料，安装困难。(4)通用性差，不能适用于多个型号的车床。
【发明内容】
[0005]为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种振动部件无需定位装配、无摩擦损耗、无运动间隙、操作简单安装方便、通用性强的三维椭圆振动车削刀架。
[0006]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:一种三维椭圆振动车削刀架，包括振动部件、基座、顶盖、三个压电陶瓷驱动器、夹具和连接板；三个压电陶瓷驱动器分别为压电陶瓷驱动器A、压电陶瓷驱动器B和压电陶瓷驱动器C ;所述的振动部件中心是一个微动平台，通过五个柔顺单元连接至基体，所述的五个柔顺单元的横截面均为正方形，其中柔顺单元B、柔顺单元C、柔顺单元D和柔顺单元E相互平行排列，分布在同一个平面内、且长度相等，柔顺单元A与其他四个柔顺单元垂直，分布在另一个平面内，这两个平面平行且有一定距离；所述的微动平台具有三个自由度，分别为X旋转、Y旋转和Z移动，其中压电陶瓷驱动器C驱动微动平台沿Z轴往复振动，压电陶瓷驱动器A驱动微动平台沿X轴旋转振动，压电陶瓷驱动器B驱动微动平台沿Y轴旋转振动；所述的基体、五个柔顺单元和微动平台组成振动部件，振动部件是一个三自由度柔顺机构，且为一个整体构件；所述的振动部件通过四个螺钉连接至基座；所述的基座与车床连接板连接；所述的顶盖将基体与基座固定；所述的夹具通过梯形槽安装至微动平台；所述的压电陶瓷驱动器C的螺纹端连接至基座横梁、球面端与微动平台后端面顶接；所述的压电陶瓷驱动器B的螺纹端与基座连接、另一端与微动平台下端面连接；所诉的压电陶瓷驱动器A的螺纹端与基体连接、另一端与微动平台侧端面连接；所述的连接板安装在车床上。
[0007]本发明工作时，任意型号的车刀通过夹具连接到微动平台上，在三个压电陶瓷驱动器的驱动作用下，微动平台带动车刀振动，使刀尖处的运动轨迹合成一个三维椭圆。
[0008]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0009]1、由于本发明的振动部件为一个三自由度柔顺机构，是一个整体构件，因此刀架的振动部件无需装配定位，无摩擦损耗和运动间隙；
[0010]2、本发明采用压电陶瓷驱动器直接驱动微动平台，使椭圆运动的相角、幅值、频率调节起来更为方便；
[0011]3、压电陶瓷驱动器C与微动平台接触的面为球面，消除另两个方向上的转动对该自由度的影响，最大程度上降低了运动耦合，简化了控制；
[0012]4、本发明零件数量少，加工简单，安装方便；装置体积小质量轻，便于加工，装配方便；
[0013]5、本发明的夹具可安装任意型号的车刀，通用性强。
[0014]本发明共有附图7张，其中:
[0015]图1为本发明整体装配图；
[0016]图2为基座与压电陶瓷驱动器B、压电陶瓷驱动器C的装配图；
[0017]图3为振动部件与压电陶瓷驱动器7的装配图；
[0018]图4为压电陶瓷驱动器的安装方式示意图；
[0019]图5为所合成的椭圆在X-Y平面的投影图；
[0020]图6为所合成的椭圆在Z-Y平面的投影图；
[0021]图7为所合成的椭圆在X-Z平面的投影图。
[0022]图中:1、顶盖，2、振动部件，3、基座，4、夹具，5、连接板，6、紧定螺钉，7、压电陶瓷驱动器A, 8、压电陶瓷驱动器B、9、压电陶瓷驱动器C, 10、柔顺单元A, 11、柔顺单元B, 12、柔顺单元C, 13、柔顺单元D, 14、柔顺单元E, 15、微动平台。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，微动平台15通过柔顺单元A10、柔顺单元B11、柔顺单元C12、柔顺单元D13、柔顺单元E14链接至基座3。柔顺单元B11、柔顺单元C12、柔顺单元D13、柔顺单元E14平行排列且分布在同一个面内且长度相等。柔顺单元AlO与柔顺单元BI 1、柔顺单元C12、柔顺单元D13和柔顺单元E14垂直，分布在另一个平面内，两个平面平行且有一定距离。微动平台15、五个柔顺单元和基座3组成振动部件2，为一个整体，此振动部件2属于一个三自由度柔顺机构；
[0024]夹具4通过T形槽固定至微动平台15 ；
[0025]振动部件2通过四个紧定螺钉6连接至基座3 ；
[0026]顶盖I将振动部件2和基座3固定；
[0027]基座3通过四个紧定螺钉固定至车床连接板4 ；
[0028]压电陶瓷驱动器A7螺纹端与振动部件2连接，球面端与微动平台15侧端面连接，振动部件2与压电陶瓷驱动器A7的装配关系如图3所示。[0029]压电陶瓷驱动器B8螺纹端与基座3连接，球面端与微动平台15侧端面连接；
[0030]压电陶瓷驱动器C9螺纹端与基座3横梁连接，球面端与微动平台15后端面顶接，基座3横梁连接与压电陶瓷驱动器B8、压电陶瓷驱动器C9的装配关系如图2所示。
[0031]用本发明代替原车床刀架，将任意型号的车刀通过夹具4连接至本发明的微动平台15上，工件安装在车床主轴上做匀速旋转运动刀具沿车床Z轴做进给运动，压电陶瓷驱动器C9输出纵向位移，压电陶瓷驱动器A7与压电陶瓷驱动器B8输出扭矩；
[0032]为消除压电陶瓷驱动器A7与压电陶瓷驱动器B8输出的扭矩对压电陶瓷驱动器C9输出纵向振动的运动影响，压电陶瓷驱动器C9与微动平台15接触的面采用球面，压电陶瓷驱动器C9与微动平台的接触关系如图4所示。
[0033]三个压电陶瓷驱动器驱动微动平台15在3个方向上振动，微动平台15带动车刀振动，使刀尖处的运动轨迹合成一个三维椭圆。
[0034]由于扭转角十分微小而车刀刀杆较长，因此刀尖处的自由度可看作3个移动自由度。
[0035]压电陶瓷驱动器的驱动信号表示为:
[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分别是驱动信号X (t)，y (t)，z (t)的振幅；α，β，Y分别是驱动信号的初相位；f为驱动信号的频率。
[0040]三个驱动信号的驱动作用下，刀尖处的位移用笛卡尔坐标表示为:
[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]将刀尖处任意捕圆运动投影于X-Y平面，得到如图5所不的捕圆；
[0045]将刀尖处任意捕圆运动投影于Y-Z平面,得到如图6所不的捕圆；
[0046]将刀尖处任意捕圆运动投影于X-Z平面,得到如图7所不的捕圆；
[0047]通过调整压电陶瓷驱动器的驱动信号，可以调节刀尖运动轨迹合成的椭圆尺寸。
【权利要求】
1.一种三维椭圆振动车削刀架，其特征在于:包括振动部件(2)、基座(3)、顶盖(I)、三个压电陶瓷驱动器、夹具(4)和连接板(5);三个压电陶瓷驱动器分别为压电陶瓷驱动器A(7)、压电陶瓷驱动器B(S)和压电陶瓷驱动器C(9);所述的振动部件(2)中心是一个微动平台(15)，通过五个柔顺单元连接至基体，所述的五个柔顺单元的横截面均为正方形，其中柔顺单元B (11)、柔顺单元C (12)、柔顺单元D (13)和柔顺单元E (14)相互平行排列，分布在同一个平面内、且长度相等，柔顺单元A(IO)与其他四个柔顺单元垂直，分布在另一个平面内，这两个平面平行且有一定距离；所述的微动平台(15)具有三个自由度，分别为X旋转、Y旋转和Z移动，其中压电陶瓷驱动器C(9)驱动微动平台(15)沿Z轴往复振动，压电陶瓷驱动器A(7)驱动微动平台(15)沿X轴旋转振动，压电陶瓷驱动器B(S)驱动微动平台(15)沿Y轴旋转振动；所述的基体、五个柔顺单元和微动平台(15)组成振动部件(2)，振动部件(2)是一个三自由度柔顺机构，且为一个整体构件；所述的振动部件(2)通过四个螺钉连接至基座(3);所述的基座(3)与车床连接板(5)连接；所述的顶盖(I)将基体与基座(3)固定；所述的夹具(4)通过梯形槽安装至微动平台(15);所述的压电陶瓷驱动器C(9)的螺纹端连接至基座(3)横梁、球面端与微动平台(15)后端面顶接；所述的压电陶瓷驱动器B(S)的螺纹端与基座(3)连接、另一端与微动平台(15)下端面连接；所诉的压电陶瓷驱动器A(7)的螺纹端与基体连接、另一端与微动平台(15)侧端面连接；所述的连接板(5)安装在车床上。
【文档编号】B23B21/00GK104001943SQ201410271159
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】林盛, 杨亮, 孔晰, 王春, 徐剑 申请人:大连交通大学