一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置，属于超精密切削加工以及难加工材料复杂光学零件加工技术领域。柔性运动机构与底座三通过螺钉进行固定，盖板通过两个方形键与底座进行对接定位，并通过螺钉固定在底座上，底座对接形成了两个圆形的滑动导轨，柔性运动机构的四个滑动支撑脚与圆形滑动导轨配合，并通过螺钉进行角度的调整，调整的范围为正负度。本发明结构新颖，宜于加工制造，运动部分质量轻，容易实现刀具高频振动，仅采用两压电驱动宜于控制，通过对刀具振动方向的调整使得刀架既能实现正交切削，又能实现斜角切削，既适用于卧式车床又适用于立式车床。
【专利说明】
一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置
技术领域
[0001] 本发明属于超精密切削加工以及难加工材料复杂光学零件加工技术领域，特别是 涉及一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置。
【背景技术】
[0002] 近年来振动切削在一些高精零件加工领域发挥了重要的作用，尤其是单点金刚石 切削，成为了精密和超精密零件创成的一种行之有效的加工方法，被广泛应用在硬脆性材 料或较软材料的加工上，不但提高了加工效率，也延长了刀具的使用寿命，并且得到了较好 的加工质量。与普通金刚石切削相比，振动切削的方式不但拓展了金刚石刀具可加工材料 的范围，同时加工的灵活性也更强。目前的振动切削从振动维度方面主要分为一维振动切 肖IJ、二维椭圆振动切削和三维椭圆振动切削。虽然与普通切削相比一维振动切削具有无可 比拟的优势，但其也存在着相应的不足，如一维振动切削局限于一个方向的刀具往复振动， 由于后刀面对已加工表面的熨压作用不利于获得较高质量的表面。因此为了避免相应的不 足，日本学者在1993年提出了二维椭圆振动切削（Elliptical vibration cutting)，二维 椭圆振动切削相比于一维振动切削，具有更多的优势，如抑制颤振、提高刀具使用寿命、减 小切削力等。二维椭圆振动切削提出之后，由于其在加工方面的优势，获得了许多学者的青 睐，并对其进行了大量的研究。目前二维振动切削主要分为两类:共振型和非共振型。共振 型主要是利用驱动元件不同阶的固有频率形成共振来驱动刀具做二维振动，这种形式下的 刀具能够得到高频的振动，但是局限于驱动元件的固有频率，所以刀具的振动频率不可调。 非共振型虽然频率与共振型相比往往较低，但是频率可调，使用范围更加广泛。三维椭圆振 动切削是在二维椭圆振动切削的基础上提出的，在继承了二维椭圆振动切削优点的基础 上，将刀具的平面振动拓展到空间，同时也更有利于切肩的排出。
[0003] 虽然三维椭圆振动切削优势更突出，但是局限于三维椭圆振动切削装置设计方面 以及控制方面的的困难，三维振动切削装置只是停留在实验室阶段，相比于三维椭圆振动 切削装置，二维椭圆振动切削装置应用更加广泛，为了使频率可调从而获得适用性更强的 二维椭圆振动切削，非共振型的二维椭圆振动切削装置成为研究的重点。目前非共振型二 维椭圆振动切削装置专利可查的有:专利CN 103611947A提及的一种铰链并联式椭圆振动 切削柔性装置，此装置利用两个平行压电叠堆进行驱动，能够在刀尖处获得椭圆轨迹;专利 CN 104117697A提及的一种非共振椭圆振动切削装置，采用两压电叠堆平行驱动方式实现 刀具的椭圆运动，优点是体积小，容易获得高频振动；专利CN 105149626A提及的一种适用 于立式外圆加工的两压电垂直椭圆振动切削装置，采用两压电叠堆垂直驱动的方式获得刀 具的椭圆运动，优点在于质量小，适用于立式车床;专利CN 105127818 A提及的一种铰链串 联式椭圆振动切削柔性装置，采用两压电垂直驱动方式驱动刀具获得椭圆运动，两压电之 间不存在耦合现象。以上四个可查非共振型二维椭圆振动切削的相关装置，均为单一型正 交车削的振动装置，无法对刀具角度进行调整，而实际切削加工中，不仅仅局限于正交型切 肖IJ，斜角切削方式在实际生产加工中也是不可缺少的一种加工方式。同样针对本发明的设 计原理，上述的专利CN 103611947A和专利CN 104117697A采用两压电平行式驱动，但是均 存在较严重的耦合现象。因此，对于椭圆振动切削装置来说，虽然已有学者对其进行了研发 设计，但是依然存在着普适性差、耦合较严重等不足之处，无法很好的满足实际的生产需 要。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置，从而实现适用 性更强的非共振椭圆振动切削装置在难加工材料方面的应用。
[0005] 本发明采取的技术方案是:柔性运动机构通过左右两侧对称的四个滑动支撑脚与 底座上的两个半圆形滑动导轨配合连接，滑动支撑脚的端面为曲面，与半圆形滑动导轨的 接触方式为面接触，柔性运动机构通过柔性运动机构固定螺纹孔与底座上的固定通孔配合 利用柔性运动紧固螺钉进行固定，柔性运动机构通过角度调整螺纹孔与底座上的角度调整 通孔配合利用角度调整螺钉进行角度调整，盖板通过左右两个对称的方形键槽与底座上的 两个底座方形键槽配合利用方形定位键进行定位，盖板上的两个半圆形滑动导轨与底座上 的两个底座半圆形滑动导轨配合形成两个完整的圆形滑动导轨，盖板通过左右两个对称的 盖板固定螺纹孔与底座上左右对称的两个盖板固定通孔配合利用盖板紧固螺钉进行固定， 两个压电叠堆驱动器与柔性运动机构上的两个压电预紧螺纹孔配合通过柔性运动机构上 的两个压电预紧通孔利用两个压电预紧螺钉进行预紧固定，压电叠堆驱动器的头部与柔性 运动机构的接触方式为点接触，刀具通过与柔性运动机构上的刀具固定螺纹孔配合利用刀 具固定螺钉进行固定。
[0006] 本发明所述底座的结构是:左右对称的六个柔性装置固定孔用于不同车床上柔性 装置的固定，左右对称的两个方形键槽用来盛放方形定位键，底座后侧上下两个通孔用来 方便利用工具通过此孔对压电叠堆驱动器进行预紧，左右对称的两个盖板固定通孔用于对 盖板的固定，底座后侧上下两排圆弧排列的角度调整通孔用于柔性运动机构角度的调整， 底座后侧上柔性运动机构固定通孔用于对柔性运动机构的固定，两个底座半圆形滑动导轨 与盖板上的两个半圆形滑动导轨对接形成一个圆形滑动导轨；
[0007] 本发明所述角度调整通孔以上下同心圆弧的形式排列，每一排孔中相邻孔之间的 角度为度，两排孔相邻孔之间的角度为度，通过这两排孔并配合圆形滑动导轨可以实现对 柔性运动机构的角度调整，最小调整角度为度;两排圆弧同心孔的圆心与柔性运动机构固 定通孔的圆心重合，柔性运动机构固定通孔的圆心与刀具刀尖平面在同一水平高度，因此 在旋转调整刀尖角度过程中能够保证刀尖始终在同一水平高度，方便加工过程中的对刀。
[0008] 本发明所述柔性运动机构的结构是:直圆型柔性铰链用于分别连接复合平行四杆 机构和刀具固定架，四组左右对称的滑动支撑脚与底座与盖板形成的圆形滑动导轨转动连 接，支撑脚与圆形导轨的接触面为圆形曲面，两者接触形式为面接触，还包括:两个压电预 紧通孔，螺纹孔为两个角度调整螺纹孔，螺纹孔为柔性运动机构固定螺纹孔，两个压电预紧 螺纹孔，四组平行的直板型柔性铰链，刀具固定螺纹孔。
[0009] 本发明所述盖板的结构是:两个半圆形滑动导轨与底座上的半圆形滑动导轨对接 形成一个圆形滑动导轨，左右对称的两个方形键槽用来盛放方形定位键，盖板有左右对称 的两个固定螺纹孔。
[0010] 本发明的柔性运动机构是一个整体，通过线切割一次加工成型，避免了装配误差 的影响。
[0011] 本发明的优点是结构新颖，整体主要由底座、柔性运动机构和盖板三个部分组成， 易于制造，且运动部分结构简单，质量小，容易获得高频振动。采用直板型柔性铰链组成的 复合平行四杆机构的运动方式，确保了运动的单向性，并能获得较大的运动行程;采用弯曲 导向性良好的直圆型柔性铰链，大大降低了两个运动方向的耦合串扰现象。能够实现刀具 的角度可调，通过调整柔性运动机构的角度可以实现正交切削、斜角切削，对于立式和卧式 车床均适用，大大提高了二维椭圆振动切削装置的普适性，降低了加工成本。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的结构示意图；
[0013]图2是本发明底座的结构不意图；
[0014] 图3是本发明柔性运动机构的结构示意图；
[0015] 图4是本发明盖板的结构示意图；
[0016] 图5是本发明去掉盖板后的内部装配示意图；
[0017] 图6是本发明后侧视角的示意图；
[0018]图7是发明正向旋转25度的内部装配轴测图；
[0019] 图8是本发明正向旋转90度的整体装配轴测图；
[0020] 图9a是发明工作时两组柔性铰链变形状态图；
[0021 ]图9b是发明工作时两组柔性铰链变形原理图；
[0022] 图10是发明在卧式车床上的安装示意图；
[0023] 图11是发明在立式车床上的安装示意图。
【具体实施方式】
[0024]柔性运动机构2通过左右两侧对称的四个滑动支撑脚202与底座1上的两个107半 圆形滑动导轨配合连接，滑动支撑脚202的端面为曲面，与107半圆形滑动导轨的接触方式 为面接触，柔性运动机构2通过柔性运动机构固定螺纹孔205与底座1上的固定通孔106配合 利用柔性运动紧固螺钉11进行固定，柔性运动机构2通过角度调整螺纹孔204与底座1上的 角度调整通孔105配合利用角度调整螺钉10进行角度调整，盖板3通过左右两个对称的方形 键槽302与底座1上的两个底座方形键槽102配合利用方形定位键4进行定位，盖板3上的两 个半圆形滑动导轨与底座1上的两个底座半圆形滑动导轨107配合形成两个完整的圆形滑 动导轨，盖板3通过左右两个对称的盖板固定螺纹孔303与底座1上左右对称的两个盖板固 定通孔104配合利用盖板紧固螺钉5进行固定，两个压电叠堆驱动器7与柔性运动机构2上的 两个压电预紧螺纹孔206配合通过柔性运动机构2上的两个压电预紧通孔203利用两个压电 预紧螺钉6进行预紧固定，压电叠堆驱动器7的头部与柔性运动机构2的接触方式为点接触， 刀具8通过与柔性运动机构2上的刀具固定螺纹孔208配合利用刀具固定螺钉9进行固定。
[0025]本发明所述底座1的结构是:左右对称的六个柔性装置固定孔101用于不同车床上 柔性装置的固定，左右对称的两个方形键槽102用来盛放方形定位键4，底座后侧上下两个 通孔103用来方便利用工具通过此孔对压电叠堆驱动器7进行预紧，左右对称的两个盖板固 定通孔104用于对盖板的固定，底座后侧上下两排圆弧排列的角度调整通孔105用于柔性运 动机构2角度的调整，底座后侧上柔性运动机构固定通孔106用于对柔性运动机构2的固定， 两个底座半圆形滑动导轨107与盖板3上的两个半圆形滑动导轨301对接形成一个圆形滑动 导轨；
[0026] 本发明所述角度调整通孔105以上下同心圆弧的形式排列，每一排孔中相邻孔之 间的角度为10度，两排孔相邻孔之间的角度为5度，通过这两排孔并配合圆形滑动导轨可以 实现对柔性运动机构2的角度调整，最小调整角度为5度;两排圆弧同心孔的圆心与柔性运 动机构固定通孔106的圆心重合，柔性运动机构固定通孔106的圆心与刀具刀尖平面在同一 水平高度，因此在旋转调整刀尖角度过程中能够保证刀尖始终在同一水平高度，方便加工 过程中的对刀。
[0027] 本发明所述柔性运动机构2的结构是:直圆型柔性铰链201用于分别连接复合平行 四杆机构和刀具固定架，利用直圆型柔性铰链的良好弯曲导向作用来降低量上下两轴的运 动耦合现象，四组左右对称的滑动支撑脚202与底座与盖板形成的圆形滑动导轨转动连接， 支撑脚与圆形导轨的接触面为圆形曲面，两者接触形式为面接触，还包括两个压电预紧通 孔203，螺纹孔204为两个角度调整螺纹孔，螺纹孔205为柔性运动机构固定螺纹孔，两个压 电预紧螺纹孔206,四组平行的直板型柔性铰链207,刀具固定螺纹孔208。
[0028] 本发明所述盖板3的结构是:两个半圆形滑动导轨301与底座上的半圆形滑动导轨 对接形成一个圆形滑动导轨，左右对称的两个方形键槽302用来盛放方形定位键4,盖板有 左右对称的两个固定螺纹孔303。
[0029] 本发明所述柔性运动机构2的柔性铰链分为两部分，一部分为4组直板型柔性铰链 207,上下各两组组成复合平行四杆机构形式，并且上下两组结构为并联式排列，保证了运 动的单向性，采用这种形式的铰链可以在运动方向获得较大的运动行程；同时为了避免两 个运动方向上的耦合，另一部分采用弯曲导向效果良好的直圆型柔性铰链201来减小两个 运动方向的串扰。
[0030] 本发明所述柔性运动机构2与底座通过螺钉11进行固定，盖板3通过两个方形键4 与底座进行对接定位，并通过螺钉5固定在底座1上，底座1和盖板3对接形成了两个圆形的 滑动导轨，柔性运动机构的四个滑动支撑脚202与圆形滑动导轨配合，并通过螺钉10进行角 度的调整，调整的范围为正负90度。
[0031] 本发明的柔性运动机构2是一个整体，通过线切割一次加工成型，避免了装配误差 的影响。
[0032] 本发明底座1通过左右两侧对称的6个柔性装置固定孔101利用紧固螺钉固定在机 床上，根据不同工况调整所需要的刀具角度，柔性运动机构2上的金刚石刀具8由两个平行 压电叠堆驱动产生高频的椭圆运动，两个压电叠堆的驱动信号如下： _3] fVl=4Sin(对抑〇
[V，=為 sin(u'，+ p，）
[0034] 式中，A1，A2分别是两个压电驱动的振动幅值;φ1:，％分别是两个压电驱动的相位； ω是振动圆频率;t是时间。
[0035] 通过主动调整这两个压电叠堆驱动信号yi，y2的初始相位，使得两个初始相 位之间的相位差不为〇,则金刚石刀具的刀尖点在垂直于刀尖的面内可以产生一个二维椭 圆运动轨迹。装置的工作原理及铰链变形图如图9a、9b所示，四组直板型柔性铰链207组成 的复合平行四杆机构主要作用为导向以及输出对应的位移，上下两个直圆形柔性铰链201 主要起导向的作用，当给上部的复合平行四杆机构一个位移时，连接刀具8的连杆以下侧直 圆形柔性铰链为转动导向，产生转动位移，从而大大减小了对下侧复合平行四杆机构的运 动耦合影响。当柔性运动机构2的角度为0度时候，如果不给压电叠堆驱动信号，本发明为一 普通的装置;当柔性运动机构2的角度为0度时候，给两个平行压电叠堆7带有一定相位差的 电压信号，本发明为一个正交型二维椭圆振动切削装置，产生的椭圆运动轨迹在yz平面内， 此为常见的用于卧式车床的正交型椭圆振动切削形式，如图1所示，图10为非共振椭圆振动 切削柔性装置用于卧式车床的安装示意图。当调整柔性运动机构2的角度到正负90度位置 时，给两个平行压电叠堆7带有一定相位差的电压信号，本发明同样为一个正交型二维椭圆 振动切削装置，此时刀具8前刀面位于yz平面内，刀尖的椭圆轨迹位于xy平面内，此种情况 适用于立式车床上的正交型二维椭圆振动切削，如图8所示，图11位非共振椭圆振动切削柔 性装置用于立式车床的安装示意图。当调整柔性运动机构2的角度在正负90度之间变化时， 此时刀具8的前刀面跟着旋转同样的角度，正交型切削方式变为斜角型切削方式，给两个平 行压电叠堆7带有一定相位差的电压信号，刀具8的刀尖在空间平面形成椭圆轨迹，一定程 度上实现了三维椭圆振动切削的效果，如图7所示为正向旋转25度角后的装置装配形式。
【主权项】
1. 一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置，其特征在于:柔性运动机构 通过左右两侧对称的四个滑动支撑脚与底座上的两个半圆形滑动导轨配合连接，滑动支撑 脚的端面为曲面，与半圆形滑动导轨的接触方式为面接触，柔性运动机构通过柔性运动机 构固定螺纹孔与底座上的固定通孔配合利用柔性运动紧固螺钉进行固定，柔性运动机构通 过角度调整螺纹孔与底座上的角度调整通孔配合利用角度调整螺钉进行角度调整，盖板通 过左右两个对称的方形键槽与底座上的两个底座方形键槽配合利用方形定位键进行定位， 盖板上的两个半圆形滑动导轨与底座上的两个底座半圆形滑动导轨配合形成两个完整的 圆形滑动导轨，盖板通过左右两个对称的盖板固定螺纹孔与底座上左右对称的两个盖板固 定通孔配合利用盖板紧固螺钉进行固定，两个压电叠堆驱动器与柔性运动机构上的两个压 电预紧螺纹孔配合通过柔性运动机构上的两个压电预紧通孔利用两个压电预紧螺钉进行 预紧固定，压电叠堆驱动器的头部与柔性运动机构的接触方式为点接触，刀具通过与柔性 运动机构上的刀具固定螺纹孔配合利用刀具固定螺钉进行固定。2. 根据权利要求1所述的一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置，其特 征在于:所述底座的结构是：左右对称的六个柔性装置固定孔用于不同车床上柔性装置的 固定，左右对称的两个方形键槽用来盛放方形定位键，底座后侧上下两个通孔用来方便利 用工具通过此孔对压电叠堆驱动器进行预紧，左右对称的两个盖板固定通孔用于对盖板的 固定，底座后侧上下两排圆弧排列的角度调整通孔用于柔性运动机构角度的调整，底座后 侧上柔性运动机构固定通孔用于对柔性运动机构的固定，两个底座半圆形滑动导轨与盖板 上的两个半圆形滑动导轨对接形成一个圆形滑动导轨。3. 根据权利要求1所述的一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置，其特 征在于:所述角度调整通孔以上下同心圆弧的形式排列，每一排孔中相邻孔之间的角度为 度，两排孔相邻孔之间的角度为度，通过这两排孔并配合圆形滑动导轨可以实现对柔性运 动机构的角度调整，最小调整角度为度;两排圆弧同心孔的圆心与柔性运动机构固定通孔 的圆心重合，柔性运动机构固定通孔的圆心与刀具刀尖平面在同一水平高度，因此在旋转 调整刀尖角度过程中能够保证刀尖始终在同一水平高度，方便加工过程中的对刀。4. 根据权利要求3所述的一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置，其特 征在于:所述柔性运动机构的结构是:直圆型柔性铰链用于分别连接复合平行四杆机构和 刀具固定架，四组左右对称的滑动支撑脚与底座与盖板形成的圆形滑动导轨转动连接，支 撑脚与圆形导轨的接触面为圆形曲面，两者接触形式为面接触，还包括:两个压电预紧通 孔，螺纹孔为两个角度调整螺纹孔，螺纹孔为柔性运动机构固定螺纹孔，两个压电预紧螺纹 孔，四组平行的直板型柔性铰链，刀具固定螺纹孔。5. 根据权利要求1所述的一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置，其特 征在于:所述盖板的结构是:两个半圆形滑动导轨与底座上的半圆形滑动导轨对接形成一 个圆形滑动导轨，左右对称的两个方形键槽用来盛放方形定位键，盖板有左右对称的两个 固定螺纹孔。6. 根据权利要求1所述的一种角度可调的普适性非共振椭圆振动切削柔性装置，其特 征在于:所述的柔性运动机构是一个整体，通过线切割一次加工成型。
【文档编号】B23B21/00GK106041133SQ201610573531
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月20日
【发明人】林洁琼, 韩金国, 卢明明, 周晓勤, 于宝军, 谷岩, 靖贤
【申请人】长春工业大学