并联结构的三维超声椭圆振动切削装置及轨迹产生方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种并联结构的三维椭圆振动辅助切削装置及椭圆轨迹产生方法，属于椭圆振动辅助切削加工领域。该装置采用柔性铰链并联结构形式的设计输出空间三维超声椭圆振动轨迹，该装置由柔性铰链并联结构、固定座、刀具预紧螺钉、预紧器、以及压电陶瓷、电极片、螺纹轴、共振频率调节器组成。该柔性铰链并联结构由三个圆周上均与分布间隔120°支链和刀具安装台构成，在三个支链上同时输入位移，经过柔性铰链并联结构传递与放大作用，最终在刀尖处形成椭圆轨迹。本发明专利技术具有装置结构简单、响应快且易于生成三维椭圆运动轨迹，可方便与数控机床直接集成进行辅助精密加工。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声椭圆振动辅助切削加工领域，特别涉及一种并联结构的三维椭圆振动辅助切削装置及椭圆轨迹产生方法。
技术介绍
随着精密及超精密加工技术的迅猛发展,椭圆振动切削由于其降低切削力、提高加工质量、抑止工件毛刺产生、增加刀具寿命等优点,已经受到广泛关注。鉴于对高精密零件的加工质量要求越来越高,学者们就进一步提高椭圆振动切削的加工表面质量设计出了多种椭圆振动切削的方法和配套的振动切削装置。在各种椭圆振动切削形式中，三维椭圆振动切削装置可以实现任意空间中的椭圆轨迹生成，非常适合自由曲面的精密加工和在自由曲面上配置任意形状的微纳织构。目前三维椭圆振动装置主要采用串联和并联结构形式，以串联机构为载体的三维椭圆振动切削装置可以有效避免运动耦合，但串联机构会导致装置一阶固有频率较低、驱动困难。以并联型柔顺机构为载体的三维椭圆振动切削装置可以避免以上缺陷，专利(CN102059575A)和专利(CN102371359A)都各自给出了一种三维椭圆运动生成方法及其装置的专利，尽管都可以生成椭圆轨迹，但存在工作频率低、工作行程较小、产生椭圆轨迹形式单一、椭圆轨迹范围可调性差等问题。为克服现有技术的不足，采用三组柔性铰链并联的形式设计了一种三维椭圆振动辅助切削装置，该装置通过刀具预紧螺钉，将刀具固定在柔性铰链结构组成的刀架上，通过安装在X、Y和Z三个方向上连接轴上的压电陶瓷将输入的电能转化成机械能实现位移输出，驱动多轴柔性铰链的子链在三个方向上产生微小位移，柔性铰链进行位移放大和叠加后，刀刃接触点输出三维空间中的椭圆运动轨迹。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种并联结构的三维超声椭圆振动切削装置及轨迹产生方法，解决三维超声椭圆振动轨迹的产生问题。为了达成上述目的，本专利技术的解决方案是：一种并联结构的三维椭圆振动辅助切削装置，其特征在于：该装置包括基座、柔性铰链并联结构、刀具；上述柔性铰链并联结构包括刀具安装台，还包括第一支链、第二支链、第三支链；上述三个支链结构完全相同，均包括固定杆、输入杆、放大杆、传递杆；其中固定杆、输入杆、放大杆、传递杆截面均为矩形截面而且截面尺寸形状相同的长方体；固定杆与放大杆在同一条直线上，传递杆垂直放大杆，输入杆垂直于放大杆，传递杆与输入杆平行；固定杆末端与放大杆首端之间连接第一直圆型柔性铰链，放大杆末端上表面与传递杆首端之间连接第二直圆型柔性铰链，放大杆的下表面与输入杆末端之间连接第三圆型柔性铰链，且第三圆型柔性铰链位于第一直圆型柔性铰链与第二直圆型柔性铰链的中间位置；传递杆的末端通过第四直圆型柔性铰链连接安装于刀具安装台下底面；上述三个支链沿刀具安装台的轴线方向呈中心对称方式分别安装于刀具安装台下底面；第一支链、第二支链与第三支链在圆周上呈120°均匀分布；该装置还包括第一固定螺钉、第二固定螺钉、第三固定螺钉、上述第一支链的固定杆通过第一固定螺钉固定于基座上，第二支链的固定杆通过第二固定螺钉固定于基座上，第三支链的固定杆通过第三固定螺钉固定于基座上；还包括安装于第一支链输入杆首端下底面连接的第一螺纹轴、安装于第二支链输入杆首端下底面连接的第二螺纹轴、安装于第三支链输入杆首端下底面连接的第三螺纹轴；上述第一螺纹轴将第一压电陶瓷、第一电极片、第二压电陶瓷、第二电极片、第一预紧器依次串联起来，定位于基座上，第一预紧器与基座凹口底面相接触，第一共振频率调节器连接于第一螺纹轴末端且与基座外壁面相接触；上述第二螺纹轴将第三压电陶瓷、第三电极片、第四压电陶瓷、第四电极片、第二预紧器串联起来，定位于基座上，第二预紧器与基座凹口底面相接触，第二共振频率调节器连接与第二螺纹轴末端且与基座外壁面相接触。上述第三螺纹轴将第五压电陶瓷、第五电极片、第六压电陶瓷、第六电极片、第三预紧器串联起来，定位于基座上，第三预紧器与基座凹口底面相接触，第三共振频率调节器连接与第三螺纹轴末端且与基座外壁面相接触。利用所述的并联结构的三维椭圆振动辅助切削装置产生椭圆振动轨迹的方法；上述所述的中第一压电陶瓷与第二压电陶瓷在受到电压过程中，通过逆压电效应将产生位移输出，产生的输出位移作用于并联柔性铰链并联结构第一支链的输入杆上，产生的输出位移大小为：y11＝A1sin(2πft+ψ1) (1)式中，A1表示由第一压电陶瓷与第二压电陶瓷在输出杆上输出位移的振幅，f表示由第一压电陶瓷与第二压电陶瓷在输出杆上振动频率，ψ1表示由第一压电陶瓷与第二压电陶瓷在输出杆上输出位移的出相位，t表示时间。第三压电陶瓷与第四压电陶瓷在受到电压过程中，通过逆压电效应将产生位移输出，产生的输出位移作用于并联柔性铰链并联结构第二支链的输入杆上，产生的输出位移大小为：y22＝A2sin(2πft+ψ2) (2)式中，A2表示由第三压电陶瓷与第四压电陶瓷在输出杆上输出位移的振幅，f表示由第三压电陶瓷与第四压电陶瓷在输出杆上振动频率，ψ2表示由第三压电陶瓷与第四压电陶瓷在输出杆上输出位移的出相位，t表示时间。第五压电陶瓷与第六压电陶瓷在受到电压过程中，通过逆压电效应将产生位移输出，产生的输出位移作用于并联柔性铰链并联结构第三支链的输入杆上，产生的输出位移大小为：y33＝A3sin(2πft+ψ3) (3)式中，A3表示由第五压电陶瓷与第六压电陶瓷在输出杆上输出位移的振幅，f表示由第五压电陶瓷与第六压电陶瓷在输出杆上振动频率，ψ3表示由第五压电陶瓷与第六压电陶瓷在输出杆上输出位移的出相位，t表示时间；定义XYZ坐标系，其中坐标原点O为上述刀具刀尖圆弧圆心，Z轴方向平行于支链上的传递杆，Y轴方向垂直于刀具前刀面且方向向外，根据右手笛卡尔坐标，可以确定X轴方向；设刀尖圆弧圆心初始点为P0,压电陶瓷输入电压，经历时间t，刀尖圆弧圆心运动到P3，根据几何关系得出：即：由于θ1、θ2值非常小，因此有：y1表示第一支链(301)上的第四直圆型柔性铰链与刀具安装台下底面连接处输入位移,y2表示第二支链(302)上的第四直圆型柔性铰链与刀具安装台下底面连接处输入位移，y3表示第三支链(303)上的第四直圆型柔性铰链与刀具安装台下底面连接处输入位移,l1为平行于传递杆的第二直圆型柔性铰链到刀尖距离，l2为垂直于于传递杆的第四直圆型柔性铰链到刀尖距离。因此刀具运动轨迹为： x = l 1 ( 3 y 3 + 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并联结构的三维椭圆振动辅助切削装置，其特征在于：该装置包括基座(1)、柔性铰链并联结构(3)、刀具(4)；上述柔性铰链并联结构(3)包括刀具安装台(304)，还包括第一支链(301)、第二支链(302)、第三支链(303)；上述三个支链结构完全相同，均包括固定杆(3011)、输入杆(3012)、放大杆(3013)、传递杆(3014)；其中固定杆(3011)、输入杆(3012)、放大杆(3013)、传递杆(3014)截面均为矩形截面而且截面尺寸形状相同的长方体；固定杆(3011)与放大杆(3013)在同一条直线上，传递杆(3014)垂直放大杆(3013)，输入杆(3012)垂直于放大杆(3013)，传递杆(3014)与输入杆(3012)平行；固定杆(3011)末端与放大杆(3013)首端之间连接第一直圆型柔性铰链(3015)，放大杆(3013)末端上表面与传递杆(3014)首端之间连接第二直圆型柔性铰链(3016)，放大杆(3013)的下表面与输入杆(3012)末端之间连接第三圆型柔性铰链(3017)，且第三圆型柔性铰链(3017)位于第一直圆型柔性铰链(3015)与第二直圆型柔性铰链(3016)的中间位置；传递杆(3014)的末端通过第四直圆型柔性铰链(3018)连接安装于刀具安装台(304)下底面；上述三个支链沿刀具安装台的轴线方向呈中心对称方式分别安装于刀具安装台(304)下底面；第一支链(301)、第二支链(302)与第三支链(303)在圆周上呈120°均匀分布；该装置还包括第一固定螺钉(6)、第二固定螺钉(2)、第三固定螺钉(7)、上述第一支链(301)的固定杆(3011)通过第一固定螺钉(6)固定于基座上，第二支链(302)的固定杆(3011)通过第二固定螺钉(2)固定于基座上，第三支链(303)的固定杆(3011)通过第三固定螺钉(7)固定于基座上；还包括安装于第一支链(301)输入杆首端下底面连接的第一螺纹轴(11)、安装于第二支链(302)输入杆首端下底面连接的第二螺纹轴(12)、安装于第三支链(303)输入杆首端下底面连接的第三螺纹轴(13)；上述第一螺纹轴(11)将第一压电陶瓷(22)、第一电极片(21)、第二压电陶瓷(20)、第二电极片(19)、第一预紧器(14)依次串联起来，定位于基座(1)上，第一预紧器(14)与基座(1)凹口底面相接触，第一共振频率调节器(8)连接于第一螺纹轴(11)末端且与基座(1)外壁面相接触；上述第二螺纹轴(12)将第三压电陶瓷(27)、第三电极片(26)、第四压电陶瓷(25)、第四电极片(24)、第二预紧器(18)串联起来，定位于基座(1)上，第二预紧器(18)与基座(1)凹口底面相接触，第二共振频率调节器(9)连接与第二螺纹轴(12)末端且与基座(1)外壁面相接触；上述第三螺纹轴(13)将第五压电陶瓷(17)、第五电极片(28)、第六压电陶瓷(16)、第六电极片(15)、第三预紧器(23)串联起来，定位于基座(1)上，第三预紧器(23)与基座(1)凹口底面相接触，第三共振频率调节器(10)连接与第三螺纹轴(13)末端且与基座(1)外壁面相接触。...

【技术特征摘要】
1.一种并联结构的三维椭圆振动辅助切削装置，其特征在于：该装置包括基座(1)、柔性铰链并联结构(3)、刀具(4)；上述柔性铰链并联结构(3)包括刀具安装台(304)，还包括第一支链(301)、第二支链(302)、第三支链(303)；上述三个支链结构完全相同，均包括固定杆(3011)、输入杆(3012)、放大杆(3013)、传递杆(3014)；其中固定杆(3011)、输入杆(3012)、放大杆(3013)、传递杆(3014)截面均为矩形截面而且截面尺寸形状相同的长方体；固定杆(3011)与放大杆(3013)在同一条直线上，传递杆(3014)垂直放大杆(3013)，输入杆(3012)垂直于放大杆(3013)，传递杆(3014)与输入杆(3012)平行；固定杆(3011)末端与放大杆(3013)首端之间连接第一直圆型柔性铰链(3015)，放大杆(3013)末端上表面与传递杆(3014)首端之间连接第二直圆型柔性铰链(3016)，放大杆(3013)的下表面与输入杆(3012)末端之间连接第三圆型柔性铰链(3017)，且第三圆型柔性铰链(3017)位于第一直圆型柔性铰链(3015)与第二直圆型柔性铰链(3016)的中间位置；传递杆(3014)的末端通过第四直圆型柔性铰链(3018)连接安装于刀具安装台(304)下底面；上述三个支链沿刀具安装台的轴线方向呈中心对称方式分别安装于刀具安装台(304)下底面；第一支链(301)、第二支链(302)与第三支链(303)在圆周上呈120°均匀分布；该装置还包括第一固定螺钉(6)、第二固定螺钉(2)、第三固定螺钉(7)、上述第一支链(301)的固定杆(3011)通过第一固定螺钉(6)固定于基座上，第二支链(302)的固定杆(3011)通过第二固定螺钉(2)固定于基座上，第三支链(303)的固定杆(3011)通过第三固定螺钉(7)固定于基座上；还包括安装于第一支链(301)输入杆首端下底面连接的第一螺纹轴(11)、安装于第二支链(302)输入杆首端下底面连接的第二螺纹轴(12)、安装于第三支链(303)输入杆首端下底面连接的第三螺纹轴(13)；上述第一螺纹轴(11)将第一压电陶瓷(22)、第一电极片(21)、第二压电陶瓷(20)、第二电极片(19)、第一预紧器(14)依次串联起来，定位于基座(1)上，第一预紧器(14)与基座(1)凹口底面相接触，第一共振频率调节器(8)连接于第一螺纹轴(11)末端且与基座(1)外壁面相接触；上述第二螺纹轴(12)将第三压电陶瓷(27)、第三电极片(26)、第四压电陶瓷(25)、第四电极片(24)、第二预紧器(18)串联起来，定位于基座(1)上，第二预紧器(18)与基座(1)凹口底面相接触，第二共振频率调节器(9)连接与第二螺纹轴(12)末端且与基座(1)外壁面相接触；上述第三螺纹轴(13)将第五压电陶瓷(17)、第五电极片(28)、第六压电陶瓷(16)、第六电极片(15)、第三预紧器(23)串联起来，定位于基座(1)上，第三预紧器(23)与基座(1)凹口底面相接触，第三共振频率调节器(10)连接与第三螺纹轴(13)末端且与基座(1)外壁面相接触。2.利用权利要求1所述的并联结构的三维椭圆振动辅助切削装置产生椭圆振动轨迹的方法，其特征在于：上述所述的中第一压电陶瓷(22)与第二压电陶瓷(20)在受到电压过程中，通过逆压电效应将产生位移输出，产生的输出位移作用于并联柔性铰链并联结构(3)第一支链(301)的输入杆上，产生的输出位移大小为：y11＝A1sin(2πft+ψ1) (1)式中，A1表示由第一压电陶瓷(22)与第二压电陶瓷(20)在输出杆上输出位移的振幅，f表示由第一压电陶瓷(22)与第二压电陶瓷(20)在输出杆上振动频率，ψ1表示由第一压电陶瓷(22)与第二压电陶瓷(20)在输出杆上输出位移的出相位，t表示时间；第三压电陶瓷(27)与第四压电陶瓷(25)在受到电压过程中，通过逆压电效应将产生位移输出，产生的输出位移作用于并联柔性铰链并联结构(3)第二支链(302)的输入杆上，产生的输出位移大小为：y22＝A2sin(2πft+ψ2) (2)式中，A2表示由第三压电陶瓷(27)与第四压电陶瓷(25)在输出杆上输出位移的振幅，f表示由第三压电陶瓷(27)与第四压电陶瓷(26)在输出杆上振动频率，ψ2表示由第三压电陶瓷(27)与第四压电陶瓷(26)在输出杆上输出位移的出相位，t表示时间；第五压电陶瓷(17)与第六压电陶瓷(16)在受到电压过程中，通过逆压电效应将产生位移输出，产生的输出位移作用于并联柔性铰链并联结构(3)第三支链(303)的输入杆上，产生的输出位移大小为：y33＝A3sin(2πft+ψ3) (3)式中，A3表示由第五压电陶瓷(17)与第六压电陶瓷(16)在输出杆上输出位移的振幅，f表示由第五压电陶瓷(17)与第六压电陶瓷(16)在输出杆上振动频率，ψ3表示由第五压电陶瓷(17)与第六压电陶瓷(16)在输出杆上输出位移的出相位，t表示时间；定义XYZ坐标系，其中坐标原点O为上述刀具刀尖圆弧圆心，Z轴方向平行于支链上的传递杆，Y轴方向垂直于刀具前刀面且方向向外，根据右手笛卡尔坐标，可以确定X轴方向；设刀尖圆弧圆心初始点为P0,压电陶瓷输入电压，经历时间t，刀尖圆弧圆心运动到P3，根据几何关系得出：即：由于θ1、θ2值非常小，因此有：y1表示第一支链(301)上的第四直圆型柔性铰链与刀具安装台下底面连接处输入位移,y2表示第二支链(302)上的第四直圆型柔性铰链与刀具安装台下底面连接处输入位移，y3表示第三支链(303)上的第四直圆型柔性铰链与刀具安装台下底面连接处输入位移,l1为平行于传递杆的第二直圆型柔性铰链到刀尖距离，l2为垂直于于传递杆的第四直圆型柔性铰链到刀尖距离；因此刀具运动轨迹为： x = l 1 ( 3 y 3 + ( 2 - 3 ) y 2 - 2 y 1 ) 3 l 2 y = l 1 ( y 3 - y 2 ) 3 l 2 z = y 3 + y 2 + y 1 3 + l 1 2 - x 2 - y 2 - l 1 - - - ( 5 ) ]]>其中，l3为平移于放大杆的第一直圆型柔性铰链到第四直圆型柔性铰链的距离，l4为平移于放大杆的第一直圆型柔性铰链到第二直圆型柔性铰链的距离。3.根据权利要求2所述的产生椭圆振动轨迹的方法，其特征在于：当取将(1)、(2)、(3)式代入(5)式，最终在刀尖形成的轨迹方程表达式整理为： x = ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张臣，宋云，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32