专利名称：可自伸缩进给加工刀具机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机床的部件，尤其是涉及一种可以实现高精度进给动作的可自伸缩进给加工刀具机构。
背景技术：
对于现有机床加工系统，加工精度的保证一般体现在机床加工刀具与被加工件的相对位移的准确度上。在目前的机械加工领域，刀具通常都是固定在机床转盘或数控机床的卡盘或刀具盘上，刀具进给动作靠机床的传动机构来实现。由于机床的传动机构结构普遍比较复杂，其间需经过变速、导向等多个中间环节，因此，实现刀具进给动作的过程中系统误差较大，能耗高，难以实现简捷、灵敏、精确的刀具进给过程，不利于保证最终的加工精度。所以，目前机械加工领域中普通机床能保证的工件加工精度一般仅在若干微米范围，难以满足现代工业高精度加工的要求。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种高精度的可自伸缩进给加工刀具机构。
本实用新型可自伸缩进给加工刀具机构是这样实现的，它包括夹持部，在夹持部上依次固定连接驱动部和刀头部，且驱动部与外接激励源相连。
所述刀头部可以是各种接触式加工或非接触式加工的刀具头、工具或部件。
所述驱动部包括伸缩材料体及其附件。其中，伸缩材料体可以采用磁致伸缩材料、电致伸缩材料、光致伸缩材料、物理相变、聚合物材料、形状记忆合金和电流变液；附件包括框架和用于连接的孔、轴、凸台、凹槽、焊点、卡口、弹簧或螺纹结构。驱动部可以做为单独机构直接内置或附加于已有机床或机床中用于拖动刀具或加工件的机构上。
外接激励源包括利用电、静电、磁、光、气体、液体、力、冷或热的激励源。
为准确检测和控制刀头部的位移，可以与刀头部配合设置位移传感器，位移传感器与刀头部的联系可以是接触式的，也可以是非接触式的。
所述的驱动部可以为磁致伸缩驱动机构，包括壳体及其两侧通过螺纹连接设置的端盖所构成的框架，以及贯穿框架一体化设置的位移输出顶杆、挡板、磁致伸缩材料体和连接杆所形成的驱动轴，在位移输出顶杆末端设置碟型弹簧，利用调整与其相邻的挡板和端盖之间的间距为碟型弹簧提供适当预压力，通过位移输出杆和连接杆分别实现驱动部与刀头部和夹持部的固定连接，在磁致伸缩材料体上还设置有线圈，线圈与外部电源相连。
应用本实用新型可自伸缩进给加工刀具机构，通过外界激励准确控制伸缩材料体的伸长与收缩行程，进而实现刀具的自动进给和退回，避免了机床自身刀具进给过程中的系统误差，提高了加工精度。应用这种刀具机构可以迅速、直接达到或实时修正加工进给尺寸，从而保证较高的加工精度，也可以在加工同时通过伸缩控制实时修正机床在进给方向上的系统传递误差，从而提高加工精度。由于应用本实用新型可以有效提高现有普通机床的加工精度和加工效率，因此在一定程度上可以替代精密数控机床的作用。
与现有技术相比，本实用新型具备的优点以及可达到的技术效果如下(一)刀具可自伸缩进给，加工最终精度可由刀具本身直接保证；(二)可直接、简捷和方便的提高现有普通机床的加工精度；(三)可实现超高加工精度，刀具自身驱动伸长位移分辨率可达纳米级；(四)加工过程的刀具进给量可以实时监控和调整，以保证加工精度；(五)在进给方向产生的驱动应力大，以磁致伸缩材料驱动为例，其驱动应力可达70MPa；(六)刀具精确进给的最大行程可控，根据刀具尺寸和驱动部的结构不同，最大精确驱动行程可达毫米级；(七)可以与现有机床进给方式相结合，用机床的驱动系统实现刀具整体快速、大行程移动进给；用刀具自身伸缩实现小行程、精确进给，两种方式结合进一步提高了机床的加工效率；(八)刀具自伸缩可以修正机床本身在刀具进给方向上的系统传递误差；(九)可根据对驱动性能的需求和激励方式的不同，选用不同类型伸缩材料体的驱动部，从而方便的制成性能不同的刀具；(十)可根据加工需求，更换刀具体的刀头部，就可以方便的改制成用途不同的刀具；(十一)驱动部体积可以在厘米甚至毫米尺寸范围，所以可以内置于刀具内部或与刀具在进给方向上串接集成在一起，应用十分方便。
图1为本实用新型组成和伸缩示意组图。
图2为采用磁致伸缩驱动材料的驱动部的本实用新型的结构示意图。
图3为采用磁致伸缩驱动材料的驱动部的本实用新型在机床上的应用示意图。
图4为采用磁致伸缩驱动材料的驱动部的本实用新型的工作原理组图。
具体实施方式
如图1中a图所示，本实用新型可自伸缩进给加工刀具机构包括依次固定连接的刀头部2、驱动部1和夹持部3，驱动部1还与外接激励源E相连。利用可控的外接激励源E的激励使驱动部1产生可控的伸缩变形，带动刀头部2伸缩，实现刀具的进给(如图1中b图所示)和退回(如图1中c图所示)。刀具可实现的自伸缩极限行程与控制信号强度以及刀具整体尺寸成比例，根据整体设计要求该行程可大可小，可以实现纳米、微米或毫米量级进给。驱动部1可以采用磁致伸缩材料，施加的激励源E为磁场；驱动部1还可以采用压电陶瓷、形状记忆合金、磁致形状记忆合金材料、电流变液，对应施加的激励源E为电压、电流、磁场；驱动部1还可以采用静电力式、电磁吸力式(如音圈voice coils式)直线驱动器，以及直线电机产生伸缩驱动，施加的激励源E为电压或电流；此外，驱动部1还可以采用可发生固、液、气相转变的材料(物体)，或单一相态下可发生体积、长度变化的物体，施加的激励源E为热源、冷源、液体、气体或力。
下面以驱动部1采用磁致伸缩材料，施加的激励源E是电磁场为例来具体说明本实用新型的工作原理。如图2所示，驱动部由磁致伸缩材料体4、线圈5、碟形弹簧6、壳体7、挡板8、端盖9、位移输出顶杆10以及连接杆11构成。其中，端盖9通过螺纹连接与壳体7相连形成刚性框架，位移输出顶杆10、磁致伸缩材料体4、连接杆11依次固连并在彼此连接处辅以固定设置的挡板8形成一根贯穿框架的轴，依靠位移输出顶杆10和连接杆11的伸出端，使驱动部1分别与刀头部2和夹持部3实现固定连接。在磁致伸缩材料体4的表面设置线圈5，在位移输出顶杆10末端设置碟型弹簧6，并利用与其相邻的挡板8和端盖9之间的间距调整为碟型弹簧6提供适当预压力。如图3所示，将本实用新型的夹持部3固定装夹在机床的拖刀盘12上，将工件16装夹在机床工件夹持机构15上，利用机床主体14上设置的机床自身的拖动及进给机构13可以完成对工件15的初步加工。然后启动外接激励源E，外接激励通过线圈5作用于磁致伸缩材料体4上，使磁致伸缩材料体4发生伸长变形，由于机床和夹持部3位置固定，驱动部1的伸长只能通过压缩碟型弹簧6、再经过位移输出顶杆10传递给刀头部2，从而驱动刀头部2实现进给动作；反之激励源E撤销激励，驱动部1收缩恢复原形，同时带动刀头部2实现回退动作。通过改变激励源E的激励幅值大小可以控制驱动部1的伸长和收缩量，从而控制和实现刀头部2的进给量的调整。具体情况如图4所示图4(a)是驱动部1未受激励，处于自然状态；图4(b)是通过电源向线圈5加电流产生磁场激励后，使磁致伸缩材料体4伸长ΔX1(通过压缩碟型弹簧6变形而实现)，该伸长量传递给位移输出杆10，使刚性的位移输出杆10产生相应的ΔX2的位移，该位移进而传递给刀头部2，使刀头部2整体相对加工工件产生位移(进给量)ΔX3。并且，理论上这三个位移相等，即ΔX1＝ΔX2＝ΔX3。加工时，刀头部刀尖相对工件的位置可以通过输入线圈5的电流进行控制，使刀头部2的位置稳定，或根据加工要求实时改变电流大小，从而实时调整刀头部2相对工件的进给量(位置)，从而实现刀具高精度自进给动作；当输入线圈5的电流量减小，磁致伸缩材料4的伸长量减小，位移输出顶杆10在碟型弹簧6回弹力和磁致伸缩材料4回复力的共同作用下被带动回退，从而带动刀头部2回退，直至线圈中无电流时，磁致伸缩材料体4的长度复原，最终使刀头部2位置复原，此时进给量恢复为零，即图4(c)所示状态；并且，理论上回退位移和进给位移相同。至此，刀具实现了可用于加工过程的进给，进给量固定或调整，以及收缩回退的自伸缩过程。
应用上述原理，当刀头部2进给到或调整到目标位置时，稳定激励源E的激励幅值，使刀头部2相对工件位置保持稳定，进行加工；加工过程中可以通过控制激励源，使刀头实现微量进给或回退，可实时补偿加工过程中刀尖磨损，机床的系统偏移等产生的加工进给误差；加工过程中可以通过控制激励源使刀头部2实现实时、持续进给或回退，可用于完成相对复杂的型面加工工作；另外可采用位移传感器S通过接触式探测或非接触式探测始终与刀头部2保持联系，检测刀头部2的位移，实时显示进给量的大小，并提供反馈信号给控制系统K，控制系统K根据反馈迅速做出相应的调整，从而实现刀具的实时、可控、精确的加工位移进给。
本实用新型的驱动部也可以做为单独部件内置或附加于已有机床或机床上用于拖动刀具或加工件的机构上，通过该驱动部驱动机床上这种用于拖动刀具或加工件的机构，间接达到加工刀具相对被加工工件的位移进给；这种驱动结构还可以用来实现刀具和被加工工件之间相对位置的实时精确调整，以及用来修正机床传动系统在刀具进给方向上的系统位移误差；驱动部的结构可以根据实际放置位置做修改。
此外，本实用新型并不局限于机床上的应用，其刀头部可以为任何接触式或非接触式加工刀具头或工具，如适用于切削、磨削、铣削、激光、喷涂、喷溅、电镀等方式的加工刀具头、工具或部件。夹持部的形状和结构也可根据夹持机构的条件具体设定，以被方便、紧固夹持为目的。
本实用新型可自伸缩进给加工刀具机构，主要是利用具有伸缩变形功能的材料与加工刀具相集成，通过精确控制变形材料的伸缩位移推动刀具刀头实现精确进给和退刀动作，其精确进给量跨度大，可实现毫米级至纳米级的精确进给，且在进给方向的驱动力大(可达70MPa)。可广泛用于普通刀具改造，精密加工刀具研制，精密加工、机床系统改造或研制。
权利要求1.一种可自伸缩进给加工刀具机构，包括夹持部，其特征在于在夹持部上依次固定连接驱动部和刀头部，且驱动部与外接激励源相连。
2.根据权利要求1所述的可自伸缩进给加工刀具机构，其特征在于刀头部可以是各种接触式加工或非接触式加工的刀具头、工具或部件。
3.根据权利要求1所述的可自伸缩进给加工刀具机构，其特征在于驱动部包括伸缩材料体及其附件。
4.根据权利要求3所述的可自伸缩进给加工刀具机构，其特征在于伸缩材料体可以采用磁致伸缩材料、电致伸缩材料、光致伸缩材料、物理相变、聚合物材料、形状记忆合金和电流变液。
5.根据权利要求3所述的可自伸缩进给加工刀具机构，其特征在于附件包括框架和用于连接的孔、轴、凸台、凹槽、焊点、卡口、弹簧或螺纹结构。
6.根据权利要求1或3所述的可自伸缩进给加工刀具机构，其特征在于驱动部可做为单独机构直接内置或附加于已有机床或机床中用于拖动刀具或加工件的机构上。
7.根据权利要求1所述的可自伸缩进给加工刀具机构，其特征在于外接激励源包括利用电、静电、磁、光、气体、液体、力、冷或热的激励源。
8.根据权利要求1或2所述的可自伸缩进给加工刀具机构，其特征在于与刀头部配合设置位移传感器。
9.根据权利要求8所述的可自伸缩进给加工刀具机构，其特征在于位移传感器与刀头部的联系可以是接触式的，也可以是非接触式的。
10.根据权利要求1所述的可自伸缩进给加工刀具机构，其特征在于驱动部为磁致伸缩驱动机构，包括壳体及其两侧通过螺纹连接设置的端盖所构成的框架，以及贯穿框架一体化设置的位移输出顶杆、挡板、磁致伸缩材料体和连接杆所形成的驱动轴，在位移输出顶杆末端设置碟型弹簧，利用调整与其相邻的挡板和端盖之间的间距为碟型弹簧提供适当预压力，通过位移输出杆和连接杆分别实现驱动部与刀头部和夹持部的固定连接，在磁致伸缩材料体上还设置有线圈，线圈与外部电源相连。
专利摘要本实用新型涉及一种机床的部件，具体涉及一种可以实现高精度进给动作的可自伸缩进给加工刀具机构，它包括夹持部，夹持部依次固定连接着驱动部和刀头部，驱动部还与外接激励源相连，通过外界激励准确控制伸缩材料体的伸长与收缩行程，进而实现刀具的自动进给和退回，避免了机床自身刀具进给过程中的系统误差，提高了加工精度，可广泛用于普通刀具改造，精密加工刀具研制，精密加工、机床系统改造或研制。
文档编号B23Q5/22GK2900074SQ20052012642
公开日2007年5月16日 申请日期2005年12月22日 优先权日2005年12月22日
发明者杨斌堂 申请人:杨斌堂