基于三压电驱动的椭圆振动切削辅助装置的制造方法

文档序号:9226774阅读:661来源:国知局
基于三压电驱动的椭圆振动切削辅助装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超精密切削加工,特别是涉及一种三压电驱动的大行程椭圆振动切削 辅助装置。
【背景技术】
[0002] 随着生产与科技的发展,近年来,一些硬脆材料,特别是一些非金属材料,由于其 具有优良的性能而被广泛应用在电子、光学、仪器仪表、航天和民用工业等领域,硬脆材料 的精密和超精密加工非常困难,传统的加工方法如磨削等已经不能够满足现代工业发展对 精度的要求,因此具有优良性能的硬脆材料精密、超精密加工技术作为一个新的课题已经 成为众多学者普遍关注的焦点。
[0003] 众多学者的研宄表明,寻求一种新的加工方法对于改善硬脆材料的精密、超精密 加工是十分可行的。1927年美国物理学家R. W. Wood及L. A. Loomis发表的全世界第一篇关 于超生加工原理的论文揭开了超声加工的序幕,日本在20世纪50年代初期,为了研宄超声 振动切削还专门成立了振动切削研宄所,50年代末60年代初苏联和美国也开始了超声加 工的研宄工作。这些国家的研宄成果表明超声振动切削在对改善一些材料的加工上具有显 著的效果。随着1993年名古屋大学的社本英二教授等人首次提出二维振动切削(即椭圆 振动切削Elliptical Vibration Cutting,以下简称EVC),为难加工材料找到了一种相比 一维振动切削更加有效的切削方式,相比于一维振动切削,EVC具有降低切削温度,更好改 善刀具寿命,抑制毛刺生成等一系列优点,因此一些超声EVC装置应运而生,超声EVC -般 是利用两个相互平行或垂直的变幅杆驱动刀具,虽然超声EVC利用共振的特性能够达到很 高的振动切削频率,但是受限于变幅杆的设计、缺乏柔性等特点使其相对较难控制,利用压 电叠堆(PZT)驱动柔性铰链的非共振型EVC虽然实现了参数的可调,但是对于一些自由曲 面的加工方面具有一定的局限性,基于上述这些不足,学者们设计了三维椭圆振动切削(3D EVC),3D EVC同样分为共振型和非共振型两种,共振型3D EVC同样存在由于刀杆设计的问 题难以获得高阶模态、采用开环控制无法获得真椭圆运动轨迹、振动频率和椭圆运动参数 依赖于刀杆的非线性结构动力学参数等不足,相比于共振型3D EVC非共振型3D EVC能 够通过控制压电叠堆的输入信号来得到不同轨迹的三维椭圆运动,在继承EVC优点的基础 上,非共振3D EVC实现了参数可控,能够实现空间任意椭圆运动等优点,被学者们认为是目 前最有前途的一种切削加工方式。
[0004] 目前已有部分学者针对非共振型3D EVC装置进行了设计,其设计原理主要包括 四压电驱动型和三压电驱动型。针对本发明的设计原理三压电驱动的非共振三维椭圆振 动切削装置专利可查的有:专利(CN102059575A)提及的一种金刚石切削刀具椭圆运动 生成装置,虽然在三垂直压电的驱动下刀尖处形成了三维椭圆运动轨迹,但是由于其刀座 人工装配问题,在压电直接高频驱动刀座的情况下容易使得刀座跑偏,稳定性不强。专利 (CN102371359A)提及的一种三维椭圆振动切削装置由于采用了双轴柔性铰链,使得工作过 程中双轴柔性铰链两个运动方向存在较大的运动串扰。专利(CN104001943A)提及的一种 三维椭圆振动车削刀架采用了截面为正方形的柔顺单元,虽然通过x/y两向旋转与z向移 动实现了三维椭圆运动轨迹,但是难以保证装置的柔性。专利(CN103611988A)提及的一种 非共振三维椭圆金刚石振动切削柔性装置,虽然具有较好的装配精度与运动单向性,但是 采用的平行丝杆机构在高频往复运动过程中由于应力存在而容易产生疲劳失效,很难保证 装置的使用寿命。
[0005] 因此,虽然已经有学者设计出了相应的非共振3D EVC切削装置,但是三维EVC领 域还处于待深入研宄阶段,所研制的装置依然存在着稳定性差,使用寿命短,行程小,振动 频率低等缺点。

【发明内容】

[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于三压电驱动的大行程椭圆振动切削辅 助装置,以解决现有技术中椭圆振动切削辅助装置使用寿命短、加工行程小、振动频率低等 问题。
[0007] 为解决上述技术问题,本发明采用下述技术方案:
[0008] 基于三压电驱动的椭圆振动切削辅助装置,该装置包括支撑机构1、柔顺导向机构 2和驱动机构3,所述柔顺导向机构2和驱动机构3固定在支撑机构1上,所述驱动机构3 以点接触方式驱动柔顺导向机构2 ;
[0009] 所述柔顺导向机构2包括第一铰链支撑块24、第二铰链支撑块25、矩形框21以及 对称设置在矩形框21上的第一铰链组26、第二铰链组27、第三铰链组28和第四铰链组29 ; 第一铰链组26的一端和第二铰链组27的一端固定在矩形框21上,第一铰链组26的另一 端和第二铰链组27的另一端固定在第一铰链支撑块24上;第三铰链组28的一端和第四铰 链组29的一端固定在矩形框21上,第三铰链组28的另一端和第四铰链组29的另一端固 定在第二铰链支撑块25上,所述第一铰链支撑块24和第二铰链支撑块25固定在支撑机构 1上;第一铰链支撑块24、第二铰链支撑块25、矩形框21以及对称设置在矩形框21上的第 一铰链组26、第二铰链组27、第三铰链组28和第四铰链组29形成复合双平行四杆机构;所 述矩形支撑框21进一步设有带有刀具卡槽23的组合柔性铰链22,所述刀具卡槽23位于 矩形支撑框21的几何中心,所述组合柔性铰链22包括串联柔性铰链221和复合柔性铰链 222,所述串联柔性铰链221和复合柔性铰链222的一端的连接点位于所述道具卡槽23处, 复合柔性铰链222的另一端固定在矩形框21上;
[0010] 所述驱动机构3包括固定在支撑机构1上的第一压电叠堆31、第二压电叠堆32和 第三压电叠堆33 ;
[0011] 所述第一压电叠堆31驱动柔顺导向机构2在X方向做往复运动,所述第二压电叠 堆32和第三压电叠堆33以交错驱动的方式驱动柔顺导向机构2合成yz面上的椭圆轨迹。
[0012] 优选的,所述第一铰链组26包括第一铰链261和第二铰链262 ;所述第一铰链261 的一端和第二铰链262的一端固定连接,所述第一铰链261的另一端和第二铰链262的另 一端分别固定在第一铰链支撑块24和矩形框21上,所述第一铰链261和第二铰链262平 行放置;
[0013] 所述第二铰链组27包括第三铰链271和第四铰链272,所述第三铰链271的一端 和第四铰链272的一端固定连接,所述第三铰链271的另一端和第四铰链272的另一端分 别固定在第一铰链支撑块24和矩形框21 ;所述第三铰(27)和第四铰(272平行放置; [0014] 所述第三铰链组28包括第五铰链281和第六铰链282,所述第五铰链(281)的一 端和第六铰链282的一端固定连接,所述第五铰链281的另一端和第六铰链282的另一端 分别固定在第二铰链支撑块25和矩形框21 ;所述第五铰链281和第六铰链282平行放置;
[0015] 所述第四铰链组29包括第七铰链291和第八铰链292,所述第七铰链291的一端 和第八铰链292的一端固定连接,所述第七铰链291的另一端和第八铰链292的另一端分 别固定在第二铰链支撑块25和矩形框21 ;所述第七铰链291和第八铰链292平行放置。
[0016] 优选的,所述柔顺导向机构为线切割加工的一体结构。
[0017] 优选的,所述支撑机构1包括底座11、顶盖板12以及设置在底座11和顶盖板12 之间的用于固定柔顺导向机构2的左侧立板13和右侧立板14 ;所述左侧立板13和右侧立 板14靠近柔顺导向机构2的一侧设有用于定位支撑所述第一铰链支撑块24和第二铰链支 撑块25的定位凸台;所述右侧立板14上设有用于放置第一压电叠堆31的第一压电叠堆定 位螺孔141。
[0018] 优选的,所述底座11与左侧立板13和右侧立板14形成U型的支撑结构,所述底 座11上设有与外部设备固定的至少三个底座定位孔111。
[0019] 优选的,所述支撑机构1进一步包括固定在左侧立板13和右侧立板(14)上的前 盖板15,所述前盖板15设置有用于容纳所述刀具卡槽的空口 153。
[0020] 优选的,所述支撑机构1进一步包括固定在所述左侧立板13和右侧立板14上的 后盖板16,所述后盖板上设有用于放置第二压电叠堆32的第二压电叠堆定位螺孔161和用 于放置第三压电叠堆33的第三压电叠堆定位螺孔163。
[0021] 优选的,该装置进一步包括用于检测三组压电叠堆位移的检测单元4。
[0022] 优选的,该检测单元4包括第一电容位移传感器41、第二电容位移传感器42和第 三电容位移传感器43。
[0023] 优选的,所述支撑机构1进一步包括
[0024] 设置在左侧立板13上的用于放置第一电容位移传感器41的第一固定卡盘133 ;
[0025] 设置在后盖板16上用于放置第二电容位移传感器42和第三电容位移传感器43 的第二固定卡盘167和第三固定卡盘168。
[0026] 本发明的有益效果如下:
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