一种工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统的制作方法

本实用新型属于机械制造领域，尤其涉及一种工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统。

背景技术：

随着航空航天、生物医学、国防、科学仪器、能源等重大领域的飞速发展，各个领域对元器件的精度要求，尤其元器件的表面精度要求越来越高。为获得所需的高精度的光滑表面的元器件，近年来国内外的一些学者对超声振动加工这一技术领域进行了大量的研究，其中包括一维超声振动加工，二维超声振动加工，三维超声振动加工等，尽管众学者在超声振动加工机床上得出了很多的研究成果，但目前的超声振动加工机床仍存在超声振动工具刀头运动切削轨迹单一，刀具切削受力方向变化小，使得刀具使用寿命偏短，甚至整个机床的使用寿命短，加工精度相对低等缺点。

技术实现要素：

本实用新型提供一种工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统，以解决现有技术中由超声振子产生的工具刀头的运动轨迹单一且不能在任意平面内产生椭圆运动轨迹的问题，以及现有的超声切削加工机床刀具，切削点和切削力方向变化小的问题。

本实用新型采取的技术方案是：

包括超声工具头、Z向移动装置、X向移动装置、底座、Y向移动装置、夹具，所述X向移动装置横向固定安装在底座后方的两凸台上，所述X向移动装置的电机位于X向移动装置主体的左侧，所述Y向移动装置纵向固定安装在底座上，所述Y向移动装置的电机位于X向移动装置下方两凸台间的空隙中，所述夹具固定安装在Y向移动装置的溜板上，所述Z向移动装置竖向固定安装在X向移动装置的溜板上，所述超声工具头固定安装在Z向移动装置的溜板上，且超声工具头位于夹具的上方。

所述超声工具头的结构是，包括工具头支架、周向转动伺服电机、竖向超声振子、X向超声振子、柔性铰链组件、Y向超声振子、超声振子支座、轴承盖、径向移动伺服电机、径移小齿轮、内转盘组件、径移大齿轮、上球铰组件、内齿圈、直线导轨、滚珠丝杠和周转齿轮，其中内转盘组件固定安装在工具头支架的水平安装板上，轴承盖通过螺栓固定安装在工具头支架上，且将内转盘组件固定在工具头支架的水平安装板上，周向转动伺服电机固定安装在内转盘组件的内转盘的上侧，周向转动伺服电机的输出轴穿过内转盘上部孔，周转齿轮固定安装在周向转动伺服电机的输出轴上，周转齿轮位于内转盘的下侧，内齿圈固定安装在工具头支架的水平安装板下侧的内齿圈安装槽内，所述内齿圈与周转齿轮相啮合，径向移动伺服电机水平固定安装在内转盘的上侧，所述径移小齿轮固定安装在径向移动伺服电机的输出轴上，所述滚珠丝杠通过其两端的轴承座固定安装在内转盘的下侧的安装槽内，径移大齿轮连接在滚珠丝杠的靠近内转盘中心的一端，所述径移大齿轮与径移小齿轮相啮合，两条直线导轨分别固定安装在滚珠丝杠的两侧，且与滚珠丝杠平行，所述直线导轨上滑动连接有滑块，滑块上固定连接有溜板，所述溜板与滚珠丝杠上的滚柱螺母固定连接，上球铰组件的球铰座固定安装在溜板上，竖向超声振子的一端通过螺栓固定连接在上球铰组件的球头装置的下端的连接板上，另一端通过螺纹连接连接在刀具的上端，工具头支架的水平安装板的下端面的前侧和左侧分别连接有一个超声振子支座，Y向超声振子通过螺栓固定安装在前侧的超声振子支座下端的安装孔上，X向超声振子通过螺栓固定安装在左侧的超声振子支座下端的安装孔上，X向超声振子和Y向超声振子的里端通过螺纹固定连接在柔性铰链组件的柔性铰链的两个连接孔内，X向超声振子和Y向超声振子的轴线相交于上球铰组件的球头装置的球心。

所述柔性铰链组件包括柔性铰链、刀具、中通球、球铰上盖和螺钉，其中球铰上盖通过螺钉与柔性铰链固定连接，所述中通球安装在柔性铰链与球铰上盖所形成的球形空间内，所述刀具滑动连接在中通球的通孔内，且刀具的刀具头位于柔性铰链的下方。

所述球铰上盖和柔性铰链相配的水平方向的配合面通过中通球的球心，且中通球的半径与球铰上盖和柔性铰链所形成的球形空间的半径相等，所述中通球的内通孔面以及刀具的与中通球相配合部分的刀杆的外表面均镀有耐磨材料层。

所述上球铰组件包括球铰座、上球铰盖和球头装置，其中球铰座与上球铰盖通过螺栓固定连接，所述球头装置安装在球铰座与上球铰盖形成的球形空间内，三者组成球铰，所述球铰座与上球铰盖相配合的表面通过球头装置的球心，且配合面内的内圆轮廓的半径与球头装置的球半径相等。

所述内转盘组件包括内转盘、上推力球轴承、深沟球轴承和下推力球轴承，其中上推力球轴承固定安装在内转盘外圈凸台的上侧，所述下推力球轴承固定安装在内转盘外圈凸台的下侧，所述深沟球轴承固定安装在内转盘外圈凸台的外轮廓面上，所述深沟球轴承和下推力球轴承通过工具头支架上的定位轴间孔的肩部定位，所述上推力球轴承通过轴承盖内圈的凸台定位。

所述滚珠丝杠的轴线与内转盘的轴心线垂直，即当球头装置随滚珠螺母运动到滚珠丝杠里端的极限位置时，球头装置的球心处于内转盘的轴心线上，球头装置球心沿内转盘径向的运动范围为R，即球头装置的球心的运动范围是半径为R的圆面。

本实用新型通过水平面内向垂直的两个超声振子和竖向角度可变的超声振子组合，使得超声加工工具头的运动轨迹多样化，使得超声加工工具头不仅可以输出空间内的椭圆运动轨迹，而且可使工具头运动轨迹所在平面的角度具有多样性，这样能够控制切削的方向，工具头的切削点的变化，控制切削力的方向等，可一定程度得减小切削力，提高了加工精度，延长了刀具的使用寿命。

本实用新型通过可旋转的内转盘和内转盘上安装的滚珠丝杠螺母结构，以及竖向超声振子两端的球铰等结构，在已经有的二维超声振动加工的基础上，使得第三个超声振子的振动方向可以在较大的范围内连续地变化，从而使得工具头在超声振子作用下输出的运动轨迹多样，提高了加工精度和加工效率，延长了刀具的使用寿命。

本实用新型的有益效果如下：

(1)本专利通过可旋转的内转盘和内转盘上安装的滚珠丝杠螺母结构，以及竖向超声振子两端的球铰等结构，使得第三个超声振子可以在较大锥形范围内活动，从而使得工具头在三个超声振子共同作用下输出的运动轨迹变化多样，调整工具头的输入信号和竖向超声振子的角度就可以得到想要的工具头运动轨迹，例如空间螺旋线轨迹，这样使得加工的效率以及加工精度都得到了很大的提高。

(2)改变第三个超声振子的工作角度的同时使得工具刀头的切削角度和切削点以及切削力的方向等可以在较大的范围内变化，可以避免刀具在小范围内同一方向上持续受力造成的疲劳破坏以及刀具的磨损造成加工精度的降低，这样就在一定程度上提高了加工精度，延长了刀具的使用寿命。

(3)由于超声工具头可以在较大的特殊二次曲面范围内活动，这就使得本机床加工复杂曲面的能力得到了提高，可以加工更多的传统机床无法加工的复杂曲面，尤其是对于复杂器件的精密加工，本实用新型具有更广的适应性。

(4)在加工过程中可以有选择地开启或关闭某个超声振子，即本机床可以在一维超声振动加工、二维超声振动加工、三维超声振动加工(第三个超声振子处于竖直方向)以及第三个超声振子不与其他两个超声振子垂直的多维超声加工，使用者可以根据被加工工件的需要进行合理选择，充分利用以上几种不同加工方法的利弊，加工出最能满足要求的工件。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构示意图；

图2是本实用新型超声工具头的上等轴侧示意图；

图3是本实用新型超声工具头的下等轴侧示意图；

图4是本实用新型柔性铰链组件结构爆炸图；

图5是本实用新型上球铰组件结构爆炸图；

图6是本实用新型铰链组件刨视图；

图7是本实用新型柔性铰链组件正视图；

图8是本实用新型内转盘及其组件的装配示意图；

图9是本实用新型工具头支架的上等轴侧示意图；

图10是本实用新型工具头支架的下等轴侧示意图；

图11是本实用新型内转盘组件的上等轴侧示意图；

图12是本实用新型内转盘组件的下等轴侧示意图；

图13是本实用新型超声工具头的运动分析图；

图中：

1、超声工具头；2、Z向移动装置；3、X向移动装置；4、底座；5、Y向移动装置；6、夹具；101、工具头支架；1011、内齿圈安装槽；102、周向转动伺服电机；103、竖向超声振子；104、X向超声振子；105、柔性铰链组件；1051、柔性铰链；1052、刀具；1053、中通球；1054、球铰上盖；1055、螺钉；106、Y向超声振子；107、超声振子支座；108、轴承盖；109、径向移动伺服电机；110、径移小齿轮；111、内转盘组件；1111、内转盘；1112、上推力球轴承；1113、深沟球轴承；1114、下推力球轴承；112、径移大齿轮；113、上球铰组件；1131、球铰座；1132、上球铰盖；1133、球头装置；114、内齿圈；115、直线导轨；116、滚珠丝杠；117、周转齿轮。

具体实施方式

参见图1，包括超声工具头1、Z向移动装置2、X向移动装置3、底座4、Y向移动装置5、夹具6，所述X向移动装置3横向固定安装在底座4后方的两凸台上，所述X向移动装置3的电机位于X向移动装置3主体的左侧，所述Y向移动装置5纵向固定安装在底座4上，所述Y向移动装置5的电机位于X向移动装置3下方两凸台间的空隙中，所述夹具6固定安装在Y向移动装置5的溜板上，所述Z向移动装置2竖向固定安装在X向移动装置3的溜板上，所述超声工具头1固定安装在Z向移动装置2的溜板上，且超声工具头1位于夹具6的上方；

如图2、图3所示，所述超声工具头1的结构是，包括工具头支架101、周向转动伺服电机102、竖向超声振子103、X向超声振子104、柔性铰链组件105、Y向超声振子106、超声振子支座107、轴承盖108、径向移动伺服电机109、径移小齿轮110、内转盘组件111、径移大齿轮112、上球铰组件113、内齿圈114、直线导轨115、滚珠丝杠116和周转齿轮117，如图8、图9、图10所示，其中内转盘组件111固定安装在工具头支架101的水平安装板上，轴承盖108通过螺栓固定安装在工具头支架101上，且将内转盘组件111固定在工具头支架101的水平安装板上，周向转动伺服电机102固定安装在内转盘组件111的内转盘1111的上侧，周向转动伺服电机102的输出轴穿过内转盘1111上部孔，周转齿轮117固定安装在周向转动伺服电机102的输出轴上，周转齿轮117位于内转盘1111的下侧，内齿圈114固定安装在工具头支架101的水平安装板下侧的1011内齿圈安装槽内，所述内齿圈114与周转齿轮117相啮合，径向移动伺服电机109水平固定安装在内转盘1111的上侧，所述径移小齿轮110固定安装在径向移动伺服电机109的输出轴上，所述滚珠丝杠116通过其两端的轴承座固定安装在内转盘1111的下侧的安装槽内，径移大齿轮112连接在滚珠丝杠116的靠近内转盘1111中心的一端，所述径移大齿轮112与径移小齿轮110相啮合，两条直线导轨115分别固定安装在滚珠丝杠116的两侧，且与滚珠丝杠116平行，所述直线导轨115上滑动连接有滑块，滑块上固定连接有溜板，所述溜板与滚珠丝杠116上的滚柱螺母固定连接，上球铰组件113的球铰座1131固定安装在溜板上，竖向超声振子103的一端通过螺栓固定连接在上球铰组件113的球头装置1133的下端的连接板上，另一端通过螺纹连接连接在刀具1052的上端，工具头支架101的水平安装板的下端面的前侧和左侧分别连接有一个超声振子支座107，Y向超声振子106通过螺栓固定安装在前侧的超声振子支座107下端的安装孔上，X向超声振子104通过螺栓固定安装在左侧的超声振子支座107下端的安装孔上，X向超声振子104和Y向超声振子106的里端通过螺纹固定连接在柔性铰链组件105的柔性铰链1051的两个连接孔内，X向超声振子104和Y向超声振子106的轴线相交于上球铰组件113的球头装置1133的球心；

如图4、图6、图7所示，所述柔性铰链组件105包括柔性铰链1051、刀具1052、中通球1053、球铰上盖1054和螺钉1055，其中球铰上盖1054通过螺钉1055与柔性铰链1051固定连接，所述中通球1053安装在柔性铰链1051与球铰上盖1054所形成的球形空间内，所述刀具1052滑动连接在中通球1053的通孔内，且刀具1052的刀具头位于柔性铰链1051的下方；

所述球铰上盖1054和柔性铰链1051相配的水平方向的配合面通过中通球1053的球心，且中通球1053的半径与球铰上盖1054和柔性铰链1051所形成的球形空间的半径相等，所述中通球1053的内通孔面以及刀具1052的与中通球1053相配合部分的刀杆的外表面均镀有耐磨材料层；

如图5所示，所述上球铰组件113包括球铰座1131、上球铰盖1132和球头装置1133，其中球铰座1131与上球铰盖1132通过螺栓固定连接，所述球头装置1133安装在球铰座1131与上球铰盖1132形成的球形空间内，三者组成球铰，所述球铰座1131与上球铰盖1132相配合的表面通过球头装置1133的球心，且配合面内的内圆轮廓的半径与球头装置1133的球半径相等；

如图8、图11、图12所示，所述内转盘组件111包括内转盘1111、上推力球轴承1112、深沟球轴承1113和下推力球轴承1114，其中上推力球轴承1112固定安装在内转盘1111外圈凸台的上侧，所述下推力球轴承1114固定安装在内转盘1111外圈凸台的下侧，所述深沟球轴承1113固定安装在内转盘1111外圈凸台的外轮廓面上，所述深沟球轴承1113和下推力球轴承1114通过工具头支架101上的定位轴间孔的肩部定位，所述上推力球轴承1112通过轴承盖108内圈的凸台定位；

如图3所示，所述滚珠丝杠116的轴线与内转盘1111的轴心线垂直，即当球头装置1133随滚珠螺母运动到滚珠丝杠116里端的极限位置时，球头装置1133的球心处于内转盘1111的轴心线上，球头装置1133球心沿内转盘1111径向的运动范围为R，即球头装置1133的球心的运动范围是半径为R的圆面。

工作原理：超声工具头1上的周向转动伺服电机102工作带动周转齿轮117旋转，由于与周转齿轮117相啮合的内齿圈114固定在工具头支架101上，所以周转齿轮117的旋转使其自身做行星运动并带动内转盘1111旋转，从而使得上球铰组件113在水平面内做圆周运动，由于上球铰组件113的圆周运动使得竖向超声振子103和刀具1052沿内转盘1111的轴心线做旋转运动，竖向超声振子103和刀具1052轴线的运动轨迹则形成以中通球1053的球心为锥顶的两个对顶锥面，径移小齿轮110工作带动滚珠丝杠116旋转，滚珠丝杠116的旋转带动上球铰组件113沿滚珠丝杠116的轴线方向移动，当上球铰组件113沿滚珠丝杠116轴线向外移动时球头装置1133以及中通球1053在各自的包覆空间内发生扭转，同时由于球头装置1133的球心到中通球1053球心的距离增大，使得刀具1052沿中通球1053通孔方向与中通球1053发生相对移动，当周向转动伺服电机102和径向移动伺服电机109同时工作时，竖向超声振子103与刀具1052的轴线所能经过的空间范围为两个对顶的椎体，其中锥顶为中通球1053的球心。

一种工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统的控制方法，包括下列步骤：

(一)、将待加工工件的待加工表面的信息通过扫描仪扫描输入机床控制系统，并将工件欲加工的复杂曲面模型输入到机床控制系统中，安装待加工工件到机床的夹具上，将工件定位夹紧；

(二)、确定工具系统中工具头的宏观运动规律，以中通球1053的球心为坐标原点O建立平面直角坐标系，令球头装置1133的球心的运动范围所形成的圆的圆心为点O’，半径为R，令中通球1053的球心为点O，球头装置1133的球心点为A，工具刀头球心点为B,工具头球心点经过的直线OO’上的点为O”,以过O且平行于滚珠丝杠116轴线的直线为X轴，以过O且垂直于滚珠丝杠116轴线的直线OO’为Z轴，设线段O’O”长为L,线段OO’为a，点A由O’向右运动直线AB与Z轴形成的夹角为θ，设点B(x，z)则：

O'A＝a tanθ

x²+z²+a²+(atanθ)²＝L²

可得：

a²x²+x²z²+z²＝L²-a²

则工作刀具头球心点在空间中的运动轨迹所对应的曲面方程为：

a²(x²+y²)+(x²+y²)z²+z²＝L²-a²

当球头装置1133的球心点为A沿x轴由O’向右移动距离x时，工具刀头球心点B的纵向位移的大小△z为：

其中，

此时，工具刀头球心点B的横向位移的大小△x为：

同样，

当球头装置1133的球心点为A沿x轴由O’向右移动距离x时，刀具1052的刀杆在中通球1053通孔方向上通过的位移△L为：

同样，

其中，当x＝R时，△L最大

即中通球1053球心点在刀具1052的刀杆上大小为的范围内移动；

(三)、建立笛卡尔直角坐标系，X轴坐标系X，坐标原点OX，Y轴坐标系Y，坐标原点OY，Z轴坐标系Z，坐标原点OZ，床身坐标系O，坐标原点O，工具系统局部坐标系T，坐标原点OT，经过运算得到工件坐标系与工具系统所在坐标系之间的坐标变换关系，在工具系统局部坐标系T中，坐标原点OT为中通球1053的球心，x轴、y轴、z轴分别是以X向超声振子104的轴线、Y向超声振子106的轴线以及过中通球1053的球心且垂直于X向超声振子104轴线和Y向超声振子106轴线的直线确定，由步骤(二)可得：

式中，θ为刀具1052所在轴线与z轴所成的锐角，为刀具1052的轴线在xOy面内的投影与x轴的正向的夹角，r即为步骤二中的x，即球头装置1133的球心距离球心的运动范围所形成圆面圆心间的距离；

(四)、确定工具系统中工具头在多维超声振动下的微观运动规律，在工具系统局部坐标系T内，竖向超声振子103、X向超声振子104和Y向超声振子106输入的驱动信号为分别在沿其轴线方向上产生的运动的位移表达式为：

式中，AX、AY、AZ表示刀具的刀头球心分别在竖向超声振子103、X向超声振子104、Y向超声振子106轴线方向上输出的振幅，表示刀具的刀头球心分别在竖向超声振子103、X向超声振子104、Y向超声振子106轴线方向上输出的初相位，△x1(t)、△y1(t)、△z1(t)表示刀具的刀头球心分别在竖向超声振子103、X向超声振子104、Y向超声振子106轴线方向上输出的位移；

刀具1052的刀头球心的运动轨迹可以表示为：

式中，△x(t)、△y(t)、△z(t)表示刀具的刀头球心在笛卡尔坐标系三个方向上输出的位移，△z1X(t)、△z1Y(t)、△z1Z(t)表示△z1(t)沿x、y、z三个坐标轴方向上的位移分量，具体地：

式中，θ为刀具1052所在轴线与z轴所成的锐角，为刀具1052的轴线在xOy面内的投影与x轴的正向的夹角；

(五)、由以上步骤(四)确定的刀具的刀头球心位置的超声微观运动规律f(△x(t)，△y(t)，△z(t))，工具系统中刀具刀头球心的宏观运动规律g(△x，△y，△z)，以及机床三个导轨坐标之间的运动关系，结合坐标系的坐标变换关系，根据待加工工件的表面的形貌信息确定刀具走刀轨迹，确定各执行机构的进给量、进给速度等参数，从而对工件进行加工。