一种高速、高精度五轴超声加工机床的制作方法

本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种高速、高精度五轴超声加工机床。

背景技术：

随着航空航天、信息与电子、光学等高端行业的发展，机械设备对材料的性能要求越来越高。硬脆材料以其优异的物理和化学性能在这些领域的应用越来越广泛，而且要求的精度越来越高。传统的加工方式越来越不能满足其加工要求。超声加工是一种非热、非导电、非化学并不改变工件材料理化性能的加工方式，可有效避免热损伤和微细龟裂的产生，几乎适用于任何硬脆材料；该加工方式中工具受到的切削力较小，散热快，故其在陶瓷、硅、光学玻璃等硬脆材料加工方面具有得天独厚的优势。

专利cn206263736公开了一种五轴超声抛光机床，该机床采用l型开式结构，受力不对称，而且当主轴箱部分受热时对主轴位置精度影响较大，加工精度较低，不能实现精密和超精密加工，该机床只能实现抛光加工。另外，该机床结构并没有详细说明变幅杆是如何实现旋转的。

专利cn106736992a公开了一种五轴超声抛光机床，该机床也是采用开式结构，而且传动链长，刚度差，受力情况不好，而且该机床结构中抛光头不能旋转，加工效率势必会降低许多。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种高速、高精度五轴超声加工机床。本发明采用的技术手段如下：

一种高速、高精度五轴超声加工机床，包括床身装置、刀库装置、主轴头装置和工作台装置；

所述床身装置包括龙门架和底座，所述龙门架包括两个对称设置的门型支架和横梁，所述横梁的两端分别通过直线电机与所述门型支架的上端连接，所述直线电机驱动所述横梁沿垂直于所述横梁轴线方向水平位移(y轴方向)，所述横梁的中部下端设有旋转伸缩电机，所述旋转伸缩电机的输出端设有机械手，所述旋转伸缩电机驱动所述机械手沿竖直方向伸缩和水平旋转，所述机械手包括水平固定杆和位于所述水平固定杆两端的第一半圆形夹持部和第二半圆形夹持部，所述第一半圆形夹持部的开口方向与所述第二半圆形夹持部的开口方向相反，所述第一半圆形夹持部的开口连线和所述第二半圆形夹持部的开口连线均与所述水平固定杆的轴线平行且位于同一水平面内，所述门型支架的上端还设有用于所述横梁的位置反馈的光栅尺，所述光栅尺位于所述直线电机的外侧，所述门型支架的下端与所述底座固定连接，所述底座上还设有两个与所述横梁轴线平行的水平导轨，所述水平导轨上设有滑块；

用所述光栅尺作为位置反馈装置，构成全闭环反馈系统，确保最高精度及部件精度。

所述直线电机包括定子和动子，所述定子与所述门型支架固定连接，所述动子与所述横梁固定连接。

所述刀库装置包括刀库支座、步进电机和刀盘，所述刀库支座的两端分别通过螺钉与所述门型支架的后端连接，所述步进电机通过电机安装支架与所述刀库支座的中部上端连接，所述步进电机的输出轴通过联轴器与所述刀盘的旋转中心连接并驱动所述刀盘在水平面旋转，所述刀盘外沿设有多个刀具架，所述刀具架包括一端与所述刀盘外沿连接的连接杆，所述连接杆的另一端设有第三半圆形夹持部，所述连接杆的轴线所在直线经过所述刀盘的旋转中心，所述第三半圆形夹持部的开口连线与所述连接杆的轴线平行且位于所述刀盘所在水平面内，所述刀盘的水平旋转轴与所述机械手的水平旋转轴位于同一竖直平面内，所述横梁的轴线垂直于所述竖直平面，所述第一半圆形夹持部的轴线和所述第二半圆形夹持部的轴线所在旋转圆柱面与所述第三半圆形夹持部的轴线所在旋转圆柱面相切，所述第三半圆形夹持部的开口方向与旋转至其轴线位置的所述第一半圆形夹持部或所述第二半圆形夹持部的开口方向相一致；

所述主轴头装置包括电主轴和安装架，所述安装架有后板、左侧板、右侧板和底板组成，所述电主轴的外壁套接有两个沿所述电主轴的轴线分布的夹紧座，所述夹紧座分别与所述后板的内壁固定连接，并通过所述左侧板的内壁和所述右侧板的内壁限位，位于最下方的所述夹紧座与所述底板的上表面贴合，所述底板的下表面设有外固定圈，所述外固定圈的轴线与所述电主轴的轴线位于同一直线上，所述电主轴的轴线位于所述竖直平面内，所述安装架的外壁设有驱动所述电主轴沿其轴线移动的第一驱动装置，所述第一驱动装置与所述横梁固定连接；

所述第三半圆形夹持部和所述电主轴的输出端分别设有刀具装配体，所述刀具装配体的轴线与其连接的所述第三半圆形夹持部的轴线位于同一直线，与所述电主轴的输出端连接的所述刀具装配体的上端穿过所述外固定圈与所述电主轴的输出端夹紧连接；

所述工作台装置包括固定在所述滑块上的水平工作台，所述底座上还设有驱动所述水平工作台沿所述水平导轨移动的第二驱动装置，所述水平工作台上还设有摇篮式摆动工作台。

所述摇篮式摆动工作台可以提供a轴摆动和c轴转动的自由度，其上放置工件。

所述刀具装配体沿其轴线从下到上依次设有刀具，er螺母、变幅杆、换能器、刀柄和拉钉，所述刀具装配体还包括套筒，所述套筒的上部内壁与所述刀柄的外壁螺纹连接，所述套筒的下端与位于所述变幅杆外壁上的变幅杆轴肩上表面固定连接，所述套筒的外壁具有套筒轴肩，所述套筒轴肩的上表面设有内线圈，所述套筒的外壁设有用于定位所述内线圈的轴用弹性挡圈，所述刀具的固定杆通过刀夹与所述er螺母的内壁连接，所述变幅杆呈阶梯轴状，所述阶梯轴状变幅杆的大端面与所述换能器的端部紧密贴合，所述er螺母与所述阶梯轴状变幅杆的小轴段的外壁螺纹连接，所述变幅杆轴肩位于所述阶梯轴状变幅杆的大轴段的下部侧壁上，所述刀具的固定杆的端部与所述阶梯轴状变幅杆的小端面紧密贴合，与所述电主轴的输出端连接的所述刀具装配体通过所述刀柄与所述电主轴的输出端夹紧连接；

所述外固定圈的上端具有所述电主轴的定位槽，所述外固定圈具有与所述夹紧槽连通的阶梯孔，所述阶梯孔的台阶面上设有外线圈，所述阶梯孔的孔壁还设有用于定位所述外线圈的孔用弹性挡圈；

工作状态下，当所述拉钉与所述电主轴的输出端拉紧时，所述内线圈与所述外线圈位于同一水平面上且间隙配合(保证所述刀具装配体旋转时不会有干涉)，所述电主轴的输出端带动所述刀具装配体高速旋转。

所述内线圈和所述外线圈构成非接触式供电方式给换能器供电，其原理类似于变压器，超声波发生器将电信号传送给外线圈，通过电磁感应，在内线圈上产生电信号，然后内线圈通过导线将该电信号传送给换能器。

每个所述刀具装配体所对应的所述刀具各不同，包括钻头、铣刀、抛光头，探针等。

所述拉钉用于所述刀具装配体进入所述电主轴的输出端后拉紧整个所述刀具装配体，从而保证所述刀具装配体稳定的高速旋转。

所述第一驱动装置包括两个相对设置的滚珠丝杠滑台，所述滚珠丝杠滑台包括第一底座固定板和第一滚珠丝杠滑块，所述第一底座固定板上依次设有第一下立板、第一上立板和第一电机支架，所述第一下立板和所述第一上立板之间设有第一丝杠和位于所述第一丝杠两侧的两个第一光杆，所述第一丝杠分别通过第一滚动轴承与所述第一下立板和所述第一上立板连接，所述第一滚珠丝杠滑块通过第一丝杠螺母套接在所述第一丝杠，所述第一滚珠丝杠滑块还设有与所述第一光杆相匹配的第一通孔，所述第一电机支架上设有驱动所述第一滚珠丝杠滑块沿所述第一丝杠的轴线移动的第一伺服电机，所述第一丝杠穿过所述第一上立板并通过第一梅花联轴器与所述第一伺服电机的输出端连接，所述第一底座固定板通过安装支架与所述横梁的上端固定连接，所述左侧板和所述右侧板分别与相对应的所述第一滚珠丝杠滑块固定连接，所述第一伺服电机驱动所述第一滚珠丝杠滑块从而驱动所述电主轴沿其轴线移动(z轴方向)。

所述第二驱动装置包括第二底座固定板和第二滚珠丝杠滑块，所述第二底座固定板上依次设有第二下立板、第二上立板和第二电机支架，所述第二下立板和所述第二上立板之间设有第二丝杠和位于所述第二丝杠两侧的两个第二光杆，所述第二丝杠分别通过第二滚动轴承与所述第二下立板和所述第二上立板连接，所述第二滚珠丝杠滑块通过第二丝杠螺母套接在所述第二丝杠，所述第二滚珠丝杠滑块还设有与所述第二光杆相匹配的第二通孔，所述第二电机支架上设有驱动所述第二滚珠丝杠滑块沿所述第二丝杠的轴线移动的第二伺服电机，所述第二丝杠穿过所述第二上立板并通过第二梅花联轴器与所述第二伺服电机的输出端连接，所述第二底座固定板与所述底座固定连接，所述水平工作台的下表面与所述第二滚珠丝杠滑块的上表面固定连接，所述第二伺服电机驱动所述第二滚珠丝杠滑块从而驱动所述水平工作台沿所述水平导轨移动(x轴方向)。

所述第一半圆形夹持部和所述第二半圆形夹持部内均具有电磁铁，通电后可吸附在铁性材料制成的所述套筒上。

与现有技术相比，本发明以性能持续稳定的龙门架为基础，刚度高，受热影响作用小，满足高精度超声加工要求；y轴采用直线电机双驱动，用光栅尺作为位置反馈装置，构成全闭环反馈系统，确保最高精度及部件精度；具有超声功能的刀具装配体对于断屑及清除刀具上的切屑有特殊效果，断屑的切屑更细小，显著降低刀具磨损；

更确切地说，超声加工硬脆材料，例如玻璃、陶瓷、刚玉，复合材料及硬质合金提高切除速度、高精度尖角加工并降低切削力达40％。在保持工件高精度和工艺可靠性的同时，大幅减小变形。此外，振动的断续接触改善切削刃的润滑及冷却并最佳地排出作用区的颗粒。这意味着更长刀具寿命和更高表面质量。本发明采用电主轴驱动刀具高速旋转，通过非接触式供电方式给换能器供电，将高速切削技术与高效超声硬脆材料磨削加工技术集成为一体。并设计了刀库装置，采用旋转伸缩电机和机械手实现快速换刀，可以在一次装夹下实现多种超声加工工艺或一次性完成粗、精加工；

采用基于机床附件化的思想，增强了机床的可重构性与模块化，可实现多种对硬脆材料的加工工艺，比如超声抛光、超声磨削、超声铣削、超声攻丝、超声钻孔等，另外还可以用探针实现在线测量的功能。

基于上述理由本发明可在机械加工等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中一种高速、高精度五轴超声加工机床的结构示意图。

图2是本发明的具体实施方式中床身装置的结构示意图。

图3是本发明的具体实施方式中刀库装置的结构示意图。

图4是本发明的具体实施方式中主轴头装置的结构示意图。

图5是本发明的具体实施方式中第二驱动装置的结构示意图。

图6是本发明的具体实施方式中外固定圈与刀具装配体的装配示意图。

图7是图6的a-a向剖视图。

图8是本发明的具体实施方式中工作台装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图8所示，一种高速、高精度五轴超声加工机床，包括床身装置1、刀库装置2、主轴头装置3和工作台装置4；

所述床身装置1包括龙门架和底座5，所述龙门架包括两个对称设置的门型支架6和横梁7，所述横梁7的两端分别通过直线电机8与所述门型支架6的上端连接，所述直线电机8驱动所述横梁7沿垂直于所述横梁7轴线方向水平位移，所述横梁7的中部下端设有旋转伸缩电机9，所述旋转伸缩电机9的输出端设有机械手，所述旋转伸缩电机9驱动所述机械手沿竖直方向伸缩和水平旋转，所述机械手包括水平固定杆10和位于所述水平固定杆10两端的第一半圆形夹持部11和第二半圆形夹持部12，所述第一半圆形夹持部11的开口方向与所述第二半圆形夹持部12的开口方向相反，所述第一半圆形夹持部11的开口连线和所述第二半圆形夹持部12的开口连线均与所述水平固定杆10的轴线平行且位于同一水平面内，所述门型支架6的上端还设有用于所述横梁7的位置反馈的光栅尺13，所述光栅尺13位于所述直线电机8的外侧，所述门型支架6的下端与所述底座5固定连接，所述底座5上还设有两个与所述横梁7轴线平行的水平导轨14，所述水平导轨14上设有滑块15；

所述刀库装置2包括刀库支座16、步进电机17和刀盘18，所述刀库支座16的两端分别通过螺钉与所述门型支架6的后端连接，所述步进电机17通过电机安装支架19与所述刀库支座16的中部上端连接，所述步进电机17的输出轴通过联轴器20与所述刀盘18的旋转中心连接并驱动所述刀盘18在水平面旋转，所述刀盘18外沿设有多个刀具架，所述刀具架包括一端与所述刀盘18外沿连接的连接杆21，所述连接杆21的另一端设有第三半圆形夹持部22，所述连接杆21的轴线所在直线经过所述刀盘18的旋转中心，所述第三半圆形夹持部22的开口连线与所述连接杆21的轴线平行且位于所述刀盘18所在水平面内，所述刀盘18的水平旋转轴与所述机械手的水平旋转轴位于同一竖直平面内，所述横梁7的轴线垂直于所述竖直平面，所述第一半圆形夹持部11的轴线和所述第二半圆形夹持部12的轴线所在旋转圆柱面与所述第三半圆形夹持部22的轴线所在旋转圆柱面相切，所述第三半圆形夹持部22的开口方向与旋转至其轴线位置的所述第一半圆形夹持部11或所述第二半圆形夹持部12的开口方向相一致；

所述主轴头装置3包括电主轴23和安装架，所述安装架有后板24、左侧板25、右侧板26和底板27组成，所述电主轴23的外壁套接有两个沿所述电主轴23的轴线分布的夹紧座28，所述夹紧座28分别与所述后板24的内壁固定连接，并通过所述左侧板25的内壁和所述右侧板26的内壁限位，位于最下方的所述夹紧座28与所述底板27的上表面贴合，所述底板27的下表面设有外固定圈29，所述外固定圈29的轴线与所述电主轴23的轴线位于同一直线上，所述电主轴23的轴线位于所述竖直平面内，所述安装架的外壁设有驱动所述电主轴23沿其轴线移动的第一驱动装置，所述第一驱动装置与所述横梁7固定连接；

所述第三半圆形夹持部22和所述电主轴23的输出端分别设有刀具装配体30，所述刀具装配体30的轴线与其连接的所述第三半圆形夹持部22的轴线位于同一直线，与所述电主轴23的输出端连接的所述刀具装配体30的上端穿过所述外固定圈29与所述电主轴23的输出端夹紧连接；

所述工作台装置4包括固定在所述滑块15上的水平工作台31，所述底座5上还设有驱动所述水平工作台31沿所述水平导轨14移动的第二驱动装置，所述水平工作台31上还设有摇篮式摆动工作台32。

所述刀具装配体30沿其轴线从下到上依次设有刀具33，er螺母34、变幅杆35、换能器36、刀柄37和拉钉38，所述刀具装配体30还包括套筒39，所述套筒39的上部内壁与所述刀柄37的外壁螺纹连接，所述套筒39的下端与位于所述变幅杆35外壁上的变幅杆轴肩40上表面固定连接，所述套筒39的外壁具有套筒轴肩41，所述套筒轴肩41的上表面设有内线圈42，所述套筒39的外壁设有用于定位所述内线圈42的轴用弹性挡圈43，所述刀具33的固定杆通过刀夹44与所述er螺母34的内壁连接，所述变幅杆35呈阶梯轴状，所述阶梯轴状变幅杆的大端面与所述换能器36的端部紧密贴合，所述er螺母34与所述阶梯轴状变幅杆的小轴段的外壁螺纹连接，所述变幅杆轴肩40位于所述阶梯轴状变幅杆的大轴段的下部侧壁上，所述刀具33的固定杆的端部与所述阶梯轴状变幅杆的小端面紧密贴合，与所述电主轴23的输出端连接的所述刀具装配体30通过所述刀柄37与所述电主轴23的输出端夹紧连接；

所述外固定圈29的上端具有所述电主轴23的定位槽45，所述外固定圈29具有与所述夹紧槽45连通的阶梯孔46，所述阶梯孔46的台阶面上设有外线圈47，所述阶梯孔46的孔壁还设有用于定位所述外线圈47的孔用弹性挡圈48；

工作状态下，当所述拉钉38与所述电主轴23的输出端拉紧时，所述内线圈42与所述外线圈47位于同一水平面上且间隙配合。

所述第一驱动装置包括两个相对设置的滚珠丝杠滑台，所述滚珠丝杠滑台包括第一底座固定板49和第一滚珠丝杠滑块50，所述第一底座固定板49上依次设有第一下立板51、第一上立板52和第一电机支架53，所述第一下立板51和所述第一上立板52之间设有第一丝杠54和位于所述第一丝杠54两侧的两个第一光杆55，所述第一丝杠54分别通过第一滚动轴承56与所述第一下立板51和所述第一上立板52连接，所述第一滚珠丝杠滑块50通过第一丝杠螺母57套接在所述第一丝杠54，所述第一滚珠丝杠滑块50还设有与所述第一光杆55相匹配的第一通孔，所述第一电机支架53上设有驱动所述第一滚珠丝杠滑块50沿所述第一丝杠54的轴线移动的第一伺服电机58，所述第一丝杠54穿过所述第一上立板52并通过第一梅花联轴器与所述第一伺服电机58的输出端连接，所述第一底座固定板49通过安装支架59与所述横梁7的上端固定连接，所述左侧板25和所述右侧板26分别与相对应的所述第一滚珠丝杠滑块50固定连接。

所述第二驱动装置包括第二底座固定板60和第二滚珠丝杠滑块61，所述第二底座固定板60上依次设有第二下立板62、第二上立板63和第二电机支架64，所述第二下立板62和所述第二上立板63之间设有第二丝杠65和位于所述第二丝杠65两侧的两个第二光杆66，所述第二丝杠65分别通过第二滚动轴承67与所述第二下立板62和所述第二上立板63连接，所述第二滚珠丝杠滑块61通过第二丝杠螺母68套接在所述第二丝杠65，所述第二滚珠丝杠滑块61还设有与所述第二光杆66相匹配的第二通孔，所述第二电机支架64上设有驱动所述第二滚珠丝杠滑块61沿所述第二丝杠65的轴线移动的第二伺服电机69，所述第二丝杠65穿过所述第二上立板63并通过第二梅花联轴器70与所述第二伺服电机69的输出端连接，所述第二底座固定板60与所述底座5固定连接，所述水平工作台31的下表面与所述第二滚珠丝杠滑块61的上表面固定连接。

所述第一半圆形夹持部11和所述第二半圆形夹持部12内均具有电磁铁。

当对某一个复杂曲面零件进行五轴加工时，先通过相应的编程软件求解出刀位文件或g代码，然后输入数控系统中，数控系统向电机驱动模块发出指令驱动机床各运动轴开始运动，从而实现对零件的加工。x轴方向运动由第二驱动装置驱动，y轴由两个直线电机8同时驱动，z轴方向由第一驱动装置驱动，a轴摆动和c轴旋转由摇篮式摆动工作台32实现，通过a轴摆动和c轴旋转使刀具33轴线始终与工件曲面法线相重合。通过非接触式供电装置，向换能器36提供电源能量，并转化为机械高频振动，通过变幅杆35放大传递给刀具33，刀尖点始终处于高频振动状态，并结合高速旋转运动，对工件进行加工。

当需要换刀时，电主轴23沿y轴方向运动，然后沿z轴运动到所述第一半圆形夹持部11的轴线和所述第二半圆形夹持部12的轴线所在旋转圆柱面上，这段时间内刀盘18已经将带有所需刀具33的所述刀具装配体30旋转至所述第一半圆形夹持部11的轴线和所述第二半圆形夹持部12的轴线所在旋转圆柱面附近(不妨碍机械手旋转的位置)，然后机械手旋转，所述第二半圆形夹持部12(其内电磁铁通电)夹持电主轴23上的所述刀具装配体30，电主轴23松开拉钉38，旋转伸缩电机9的输出端伸出，拔出电主轴23上的所述刀具装配体30，之后，刀盘18将带有所需刀具33的所述刀具装配体30旋转至所述第一半圆形夹持部11的轴线和所述第二半圆形夹持部12的轴线所在旋转圆柱面上并被所述第一半圆形夹持部11夹持(其内电磁铁通电)，接下来，机械手旋转180°，刀盘18将空着的第三半圆形夹持部22转至所述第一半圆形夹持部11的轴线和所述第二半圆形夹持部12的轴线所在旋转圆柱面上并夹持被换下的所述刀具装配体30，所述第二半圆形夹持部12内的电磁铁断电，之后，刀盘18将带有被换下的所述刀具装配体30旋转至所述第一半圆形夹持部11的轴线和所述第二半圆形夹持部12的轴线所在旋转圆柱面附近(不妨碍机械手旋转的位置)，旋转伸缩电机9的输出端缩回，将带有所需刀具33的所述刀具装配体30插入电主轴23，电主轴23拉紧拉钉38，所述第一半圆形夹持部11内的电磁铁断电，随后机械手旋转90°，停靠在横梁7下，等待下一次换刀，此时换刀过程结束。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。