专利名称：一种三自由度超声振动钻削并联机床的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及机械加工技术领域，特指一种三自由度超声振动钻削并联机床，即用三 自由度并联机构平台作为机床主体加上超声振动钻削主轴系统构成一种三自由度微小孔超声 振动钻削并联机床，应用于软质材料的微小孔的精密加工领域。
技术背景随着孔加工技术在机械制造领域的应用日益广泛，对孔的加工精度和表面质量提出了越 来越高的要求。目前,在不锈钢、耐热钢、钛合金、高温合金等难加工材料上加工精密微细深 孔仍然是具有挑战性的课题。实践表明,采用传统工艺方法加工微小深孔时,存在切削温度高、 钻头易磨损或折断、入钻定心性差、断屑困难、排屑不畅、出口毛刺多等一系列工艺难题。 为此，需要积极探索、开发更合理的加工方法，以改善材料的可加工性,提高产品质量和加工效 率。超声振动钻削是近代出现的一种特殊的切削加工方法，是对难加工材料或难加工工序进 行加工的有效方法之一。超声振动钻削由于其特殊的切削机理引起诸多专家学者的重视。它 是在传统的钻削过程中给钻头(或工件)加上某种有规律的、可控的高频振动，在切削参数 优化的条件下，以达到改善钻削性能的一种新颖的加工方法。振动钻削效果的好坏，在很大 程度上取决于振动切削装置。当前的振动钻削设备的应用局限于结合普通车床或普通台钻使用，大大限制了其应用范 围；且工件的加工位置受到很大的局限性，并影响了加工工艺的合理安排。针对这些问题， 可以考虑采用并联机构拓展其加工应用范围，同时附加数控设备来实现钻削加工的精确定位 和自动控制。目前世界各国对并联机床的研发总体上处于研究、试制和试用阶段。与国外相比，国内 对并联机床的理论研究、设计与应用等方面的关键技术研究(如对球铰的制造精度、运动精度 的测量与控制、有效工作区的描述与所受约束以及工作可靠性等问题的研究)存在较大差距。 此外，国内外对并联机床的动力学特性及其对加工精度、加工过程稳定性的影响规律等研究 内容还处于起步阶段，许多富有挑战性的理论问题及关键技术仍有待于进一步研究和探索。三自由度微小孔超声振动钻削并联机床是超声振动切削与并联机床相结合的一个积极尝 试。目前国内外对此研究还非常少，査询到的专利如CN2082651U， CN1418747A均局限应 用于传统机床设备，且存在振幅过小问题。另外，国内外出现的振动加工微小孔的工艺设备 存在灵活性差，自动化程度低等问题。本实用新型用三自由度并联机构作为机床主体加上超 声振动钻削主轴系统构成一种三自由度微小孔超声振动钻削并联机床。超声振动钻削主轴系 统具有高转速、超声激振等功能，可以实现难加工材料的微小孔振动钻削；三自由度并联机 构平台通过数控设备控制三个驱动源可以使其产生空间三自由度的位移，实现加工过程的微 动进给和自动定位。可应用于难加工材料、复合材料中的微小孔的精密加工。 发明内容本实用新型的目的是要提供一种三自由度微小孔超声振动钻削设备，特指用三自由度并 联机构平台作为机床主体加上超声振动钻削主轴系统构成一种三自由度微小孔超声振动钻削 并联机床。超声振动钻削加工能有效改善加工条件，提高微小孔加工质量和效率，特别针对 难加工材料的微小孔钻削问题；三自由度并联机构平台的三条伸縮杆件是精密滚珠丝杆，分 别用三个伺服电机作为驱动源，通过数控设备控制三个驱动源使动平台产生空间三自由度的 平移，实现加工过程的自动进给和自动定位，提高了加工过程的自动化水平和灵活性。本实用新型的三自由度微小孔超声钻削并联钻床，通过控制超声波发生器和伺服电机， 可以根据工件材料的不同，在每一次钻削过程中分别采用不同的加工参数，也可以根据钻削 阶段(钻入阶段、钻中阶段、钻出阶段)的不同，设定不同切削用量。所述的钻削方法，可以钻削直径为O. l咖 2咖的微小孔，长径比达到10: 1。一种三自由度微小孔超声振动钻削并联机床，由工作台、超声振动钻削主轴系统和三自 由度并联机构组成，超声振动钻削主轴系统固定于三自由度并联机构的动平台上来实现空间 三自由度位移。其中超声振动钻削主轴系统包括高速电机、夹心式换能器、变幅杆、精密钻夹头、超声 波发生器；高速电机的输出轴通过法兰与回转主轴连接，带动回转主轴高速旋转，夹心式换 能器由压电陶瓷片、电极、后盖板组成，通过夹紧螺栓连接在一起，安装在回转主轴内，并 由变幅杆上的法兰固定；超声波发生器通过导线与安装在电机输出轴法兰上的电刷和集流环 连接，再经过钎焊在集流环上的导线，与夹心式换能器相连；在变幅杆的前端连接精密钻夹 头，变幅杆为梯形振幅放大杆。夹心式换能器在回转主轴内的安装和找正，是利用变幅杆的 振动节进行的。找正是按回转主轴的内孔来进行的，变幅杆的振动节做成法兰盘形状，用螺 栓把它固定在回转主轴套筒上。这样，高速电机的输出轴通过法兰与回转主轴连接，进而带 动钻头高速旋转，同时夹心式换能器产生超声轴向振动，实现微小孔的振动切削。夹心式换能器产生可以产生20KHz的超声振动，经过变幅杆后直接激励回转主轴产生16//m 21/^振幅的响应。其弹簧夹头采用精密弹簧夹头，保证了钻头安装良好，且在高速转速情况下能保 证良好的钻头回转精度。
三自由度并联机构由三条支链及一个固定平台组成，三条支链相互垂直正交布置，每条 支链的结构相同，由滚珠丝杆和两个万向铰链组成，滚珠丝杆由伺服电机驱动；滚珠丝杆一 端连接于固定平台支柱，另一端连接第一个万向铰链；与滚珠丝杆相连的万向铰链的通过直 杆连接第二个万向铰链，第二个万向铰链的另一端则与工作台或超声振动钻削主轴系统的回 转主轴外壳相连，且支链的初始位置为直线布置。在实际结构中采用三个伺服电机分别驱动 三个精密滚珠丝杆来实现伸縮杆的功能，通过数控设备控制伺服电机输入信号使工作台或超 声振动钻削主轴系统产生空间三自由度的平移，以实现钻削过程中的自动进给和自动定位。 本实用新型的优点在于(1) 超声振动钻削并联机床可以实现难加工材料的微小深孔振动钻削。(2) 本实用新型采用三维纯平移并联机构平台为主体，其输入一输出关系均为解析解，运 动学、动力学分析求解相对容易；该机构具有结构简单、刚度大、工作空间大、动态性能好、 无支链干涉、运动精度高，易于控制等优点；(3) 所述的钻床具有高转速、微动进给和高的制造精度。进行数控编成后，可以实现钻头 自动进给，工件可以经过一次装夹就能进行多孔钻削，扩大了加工范围。能满足难加工材料 的微小孔加工要求。(4) 所述的钻床不仅可完成所示各种零件的钻孔功能，如换成相应的微型铣刀或金刚石铣 刀，还能满足f[细的刻铣功能，如刻铣各种图形、网格、曲线、花纹、花边、字形和各种装 饰花形等。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是本实用新型实施例1的三维示意图。图2是本实用新型实施例1的另外一种三维结构示意图。图3是本实用新型的超声振动钻削主轴结构，图中1、高速电机2、端盖3、轴承4、回转主轴5、主轴外壳6、端盖7、变幅杆8、精密钻夹头9、钻头10、垫片11、压电陶瓷片，12、电极，13、后盖板14、垫片15、电刷和集流环 16、法兰17、超声波发生器18、固定平台 19、支柱20、万向铰链(6个) 21、滚珠丝杆(3个) 22、伺服电机(3个)23、工作台24、直杆(3个)具体实施方式
实施例1，如图1所示， 一种三自由度微小孔超声钻削并联钻床，通过控制超声波发生
器和伺服电机，在零件材料为聚碳酸脂的面板上钻削直径- = 0.5皿，深径比L/D-10的孔。该机床由工作台23、超声振动钻削主轴系统和三自由度并联机构组成，超声振动钻削主 轴系统固定于三自由度并联机构的动平台上来实现空间三自由度位移。其中超声振动钻削主轴系统包括高速电机l、夹心式换能器、变幅杆7、精密钻夹头8、 超声波发生器17;高速电机1的输出轴通过法兰16与回转主轴4连接，带动回转主轴14高 速旋转，夹心式换能器由压电陶瓷片11、电极12、后盖板13组成，通过夹紧螺栓连接在一 起，安装在回转主轴4内，并由变幅杆上7的法兰通过嫘栓固定；回转主轴4通过轴承3与 主轴外壳5接触，轴承3两侧由端盖2和端盖6固定。超声波发生器17通过导线与安装在电 机输出轴法兰16上的电刷和集流环15连接，再经过钎焊在集流环上的导线，与夹心式换能 器相连，在变幅杆7的前端连接精密钻夹头8。其中，变幅杆7为梯形振幅放大杆，采用声 阻抗率低的材料制造(例如硬铝或钕合金)；后盖板13为自由端,采用声阻抗率高的材料制造 (例如软钢)；压电陶瓷片11是换能器的激励推动级,可在超声频电振荡信号的作用下产生机 械振动效应，采用PZT-8型或者Fc型锆钛酸铅陶瓷材料制造。三自由度并联机构由三条支链及一个固定平台18组成，三条支链相互垂直正交布置，每 条支链的结构相同，由滚珠丝杆21和两个万向铰链20组成，滚珠丝杆21由伺服电机22驱 动；滚珠丝杆21—端连接于固定平台18的立柱19上，另一端连接第一个万向铰链；与滚珠 丝杆21相连的万向铰链的通过直杆24连接第二个万向铰链，第二个万向铰链的另一端则与 超声振动钻削主轴系统的回转主轴外壳相连，且支链的初始位置为直线布置。在实际结构中 采用三个伺服电机22分别驱动三个精密滚珠丝杆21来实现伸縮杆的功能。这样，实际钻削时，首先启动电源，高速电机4高速旋转，转速可以达到20000rad/min 以上，其输出轴通过法兰16与回转主轴4连接，进而带动钻头9高速旋转，同时夹心式换能 器产生超声轴向振动，实现微小孔的振动切削。其中，超声波发生器17将220V/50Hz的交流 电转换成超声频电振荡信号，通过电刷(15)引到集流环上，再经过钎焊在集流环上的导线， 与可以回转的夹心式换能器相连，产生20KHz的超声振动。夹心式换能器的前端与梯形振幅放大杆(变幅杆7)连接，在变幅杆7的前端连接精密钻夹头8，使钻尖产生16/z加振幅的响 应。其弹簧夹头采用精密钻夹头8，保证了钻头9安装良好，且在高速转速情况下能保证良好的钻头回转精度，实现对聚碳酸脂材料钻削直径- = 0.5 101微小孔的振动切削。同时，根据钻头所需的运动规律，利用该并联机构的运动学反解可以分别求出三条支链 中移动副的运动输出规律，然后通过编程控制三个伺服电机22的输入信号以控制滚珠丝杆 21滑块的运动规律，使动平台实现三维纯平移。如在钻削开始前或结束后，需要重新进行
刀具的定位，这时，水平面方向的两个伺服电机22分别驱动相应的滚珠丝杆21作水平方向 平移，用作钻削时孔的定位，当刀具到达指定位置后，这两个电机停止动作，并保持刀具在 水平面位置不变。这时安装在并联机构动平台上的超声振动钻削主轴系统在钻削过程中带动 钻头作高速旋转，同时使钻头产生一定规律的轴向振动，形成振动钻削。同时竖直方向的伺 服电机22驱动相应的滚珠丝杆21作竖直向下方向平移，进而带动超声振动钻削主轴系统向 下运动，刀具进入到工件内部进行切削，实现了钻削时刀具的自动进给，当钻入到所需深度 后，竖直方向的伺服电机22驱动相应的滚珠丝杆21作竖直向上方向平移，这样刀具退出工 件，直到到达初始位置后停止运动；这时，水平面方向的两个伺服电机22再次驱动相应的滚 珠丝杆21作水平方向平移，用作下一个要加工孔的定位，如此循环，直到加工完所有的孔。 当然也可以根据钻削阶段(钻入阶段、钻中阶段、钻出阶段)的不同，设定不同切削参数(转 速、进给速度、振动频率、振幅等)。这样工件可以经过一次装夹就能进行多孔钻削，实现了 钻削过程中的自动进给和自动定位，扩大了加工范围、满足了聚碳酸脂材料的微小孔加工要 求。
实施例2，如图2所示，同实施例1相似，同样可以把工作台24同三个万向铰链21连 接，即固定于并联机构上，而超声振动钻削主轴系统则固定在动平台的上方，其结构如图2 所示。利用该机构可以很容易的将普通钻床改制成振动钻床以实现特殊材料和特殊孔的加工。
其中，三自由度并联机构和超声振动钻削主轴系统组成机构和工作方式同实施例1。
实施例3，如图1所示，如将钻头换成相应的微型铣刀或金刚石铣刀，还能满足微细的刻 铣功能，如刻铣各种图形、网格、曲线、花纹、花边、字形和各种装饰花形等。
其三自由度并联机构和超声振动主轴系统组成机构和工作方式同实施例l 。当已知所需的 运动规律时，如在工件上刻铣一个空间曲线，利用该并联机构的运动学反解可以分别求出三 条支链中移动副的运动输出规律，然后通过编程控制三个伺服电机(22)的输入信号以控制 滚珠丝杆(21)滑块的运动规律，使动平台实现三维纯平移，使其运动轨迹为相同的空间曲 线。安装在并联机构动平台上的超声振动主轴系统在切削过程中带动刀具作高速旋转，同时 产生一定规律的轴向振动，形成振动铣削或刻铣功能。工件可以经过装夹后，由动平台带动 主轴系统及刀具按照既定运动规律实现所需要的切削轨迹，同时可以自动进给和自动定位， 扩大了机床本身的加工范围、满足了难加工材料的相应加工要求。
本发明的设备有效改善了加工条件，特别针对软质难加工材料的微小孔钻削，提高了微 小孔加工质量和效率，同时也兼顾空间图案的刻铣功能，提高了自动化水平和灵活性。
权利要求1、一种三自由度微小孔超声振动钻削并联机床，其特征在于由工作台(23)、超声振动钻削主轴系统和三自由度并联机构组成，超声振动钻削主轴系统包括高速电机(1)、夹心式换能器、变幅杆(7)、精密钻夹头(8)、超声波发生器(17)；高速电机(1)的输出轴通过法兰与回转主轴(4)连接，带动回转主轴(4)高速旋转，夹心式换能器由压电陶瓷片(11)、电极(12)、后盖板组(13)成，通过夹紧螺栓连接在一起，安装在回转主轴(4)内，并由变幅杆(7)上的法兰固定；超声波发生器(17)通过导线与安装在电机输出轴法兰上的电刷和集流环(15)连接，再经过钎焊在集流环上的导线，与夹心式换能器相连；在变幅杆(7)的前端连接精密钻夹头(8)；三自由度并联机构由三条支链及一个固定平台(18)组成，三条支链相互垂直正交布置，每条支链的结构相同，由滚珠丝杆(21)和两个万向铰链(20)组成，滚珠丝杆(21)由伺服电机(22)驱动；滚珠丝杆(21)一端连接于固定平台支柱(19)，另一端连接第一个万向铰链(20)；与滚珠丝杆(21)相连的万向铰链(20)的通过直杆(24)连接第二个万向铰链(20)，第二个万向铰链(20)的另一端则与工作台(23)或超声振动钻削主轴系统的回转主轴(4)外壳相连，且支链的初始位置为直线布置。
2、 根据权利要求l所述的一种三自由度微小孔超声振动钻削并联机床，其特征在于变 幅杆(7)为梯形振幅放大杆。
3、 根据权利要求l所述的一种三自由度微小孔超声振动钻削并联机床，其特征在于压 电陶瓷片(11)为PZT-8型或者Fc型锆钛酸铅陶瓷材料。
4、 根据权利要求l所述的一种三自由度微小孔超声振动钻削并联机床，其特征在于回 转主轴(4)通过轴承(3)与主轴外壳(5)接触，轴承(3)两侧由端盖(2)和端盖(6)固定。
专利摘要一种三自由度微小孔超声振动钻削并联机床，涉及机械加工技术领域。其由工作台、超声振动钻削主轴系统和三自由度并联机构组成。超声振动钻削主轴系统包括高速电机、夹心式换能器、变幅杆、精密钻夹头。高速电机的输出轴通过法兰与套筒主轴连接，进而带动钻头高速旋转，同时夹心式换能器产生超声轴向振动，实现微小孔的振动切削。三自由度并联机构由三条相同的支链组成，每条支链的结构为3-PUU，P代表移动副，U代表万向铰链，各个运动副间用一定长度的杆连接。该三平移并联机构竖直方向的平移作为钻头工作的进给，水平方向的两个平移作为钻削时孔的定位。本实用新型精度高、结构简单，加工制造安装方便，能满足难加工材料的微小孔加工要求。
文档编号B23B39/00GK201040319SQ20072003757
公开日2008年3月26日 申请日期2007年5月21日 优先权日2007年5月21日
发明者仲栋华, 曲海军, 磊 王, 王贵成, 马履中 申请人:江苏大学