一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床及控制方法，铰链基座安装在三角固定板的下侧，柔性铰链安装在铰链基座的下端，三个超声振子固定套分别固定安装在三角固定板下侧的三个倾斜的安装台上，三个超声振子分别套装在超声振子固定套内，三个小铰链的一端分别通过双头螺栓与超声振子的输出端相连接，另一端通过双头螺栓连接在柔性铰链上侧中间位置相应的安装平台上，刀具安装在柔性铰链下侧中间的刀具安装孔内。本发明专利技术的工具系统的三个超声阵子构成锥体结构，应用磨抛头球心点微动轨迹的反解思想方法以及以等切向长度增量法为主要内容的宏观控制方法，达到提高超声磨抛机床加工精度，提高被加工零件表面质量的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床及控制方法
本专利技术涉及一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床，属于超声加工

技术介绍
超声磨抛加工是以磨抛头超声频的振动为主运动的特种加工方式，超声磨抛加工能够加工传统的机械加工方式较难加工的淬硬钢零件及超硬零件，能够得到很高的加工精度和表面质量，因此成为了超精密加工领域的重要加工方式，所以被广泛应用于航空、航天、军工等领域各种难加工材料的切削磨抛加工。现有超声磨抛加工机床多是二维的，例如公布号CN106736991A的专利，其工具磨头只能生成在某一平面内的微动轨迹，当其微动轨迹所在平面与加工点处的微小平面平行时，刀具始终与加工平面接触，使刀具产生积屑瘤，切削温度较高，工件表面耐磨性、耐腐蚀性能差，当其微动轨迹所在平面与加工点处的微小平面垂直或成一定角度时，尽管可以控制刀具与工件断续接触，但磨头的运动切削轨迹单一，切削方向和受力方向单一，造成切削加工表面纹理差，粗糙度值大等缺点，而且，在微动轨迹的生成思想上大多提供的是正向求解法，即通过输入一定的正余弦形式的电信号，使超声振子超声相应的振动然后再将超声振子的振动进行耦合运算，这样就很难得到特殊的预定的微动目标轨迹，在利用数控铣磨机床对复杂曲面进行加工时，通过市面上常见的CAD/CAM软件生成的数控加工程序往往都是等距行切或者等距环切加工控制，这样加工出的表面残余余量不均匀，表面质量差，而且不均匀的加工余量加工从另一个方面也使得加工效率低下，因此，我们提出了一种使加工残余量均匀的复杂曲面的三轴数控机床控制算法，以及微动轨迹的反解算法，再结合上超声振动磨抛的高精度切削方式，从而达到提高加工精度和加工效率的目的。
技术实现思路
本专利为了解决二维超声磨抛加工在加工机理上的缺陷，以及传统的加工路径规划方法带来的加工残余量不均匀，刀具磨抛头微动轨迹的规划受到限定，使得加工效率低等问题，提出了一种三组超声振子构成锥体结构的超声加工机床及其控制方法，通过微动轨迹的反解算法使得三个超声振子可驱动磨抛头输出加工所需要的预定微动轨迹，预定的微动轨迹可以根据被加工表面微观几何形状和物理机械性能的要求预先设定，再结合上利用等切向长度增量法来规划宏观加工轨迹，可以达到残余量均匀，提高加工精度和工件表面质量的目的。本专利技术采用以下技术方案，结合附图：一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床，包括超声工具系统1、横向导轨2、纵向导轨3、机床底座4、工件夹具5、竖向导轨安装臂6和竖向导轨7，所述纵向导轨3纵向固定安装在机床底座4上侧的中间位置，所述横向导轨2横向固定安装在纵向导轨3的溜板上，所述工件夹具5固定安装在横向导轨2的溜板上，所述竖向导轨安装臂6通过螺栓固定安装在机床底座4上侧的中间位置且竖向导轨安装臂6位于纵向导轨3的后方，所述竖向导轨7竖向固定安装在竖向导轨安装臂6的前安装面上，所述超声工具系统1固定安装在竖向导轨7前侧的溜板上。所述的一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床，其超声工具系统1包括肋板101、T形固定板102、三角固定板103、超声振子104、铰链基座105、柔性铰链106、刀具107、小铰链108、双头螺栓109和紧固螺栓110，所述T形固定板102固定安装在三角固定板103的后方且T形固定板102与三角固定板103的上端面垂直，所述肋板101固定安装在三角固定板103的上侧的中间位置且通过螺栓与T形固定板102相连接，所述肋板101与T形固定板102以及三角固定板103的上端面均垂直，所述铰链基座105固定安装在三角固定板103的下侧，所述柔性铰链106固定安装在铰链基座105的下端，所述超声振子固定套111有三个，三个超声振子固定套111分别通过螺栓固定安装在三角固定板103下侧的三个倾斜的安装台上，所述超声振子104有三个，三个超声振子104分别套装在超声振子固定套111内并通过螺栓固定，所述小铰链108有三个，三个小铰链108的一端分别通过双头螺栓109与超声振子104的输出端相连接，三个小铰链108的另一端分别通过双头螺栓109连接在柔性铰链106上侧中间位置相应的安装平台上，所述刀具107安装在柔性铰链106下侧中间的刀具安装孔内，并通过三个对称分布的紧固螺栓110锁紧。所述的一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床，其铰链基座105的外轮廓为正六边形，其中对应的底部设计有柔性铰链安装孔的三条边与三角固定板103的三角形轮廓对应的三条边分别平行，所述铰链基座105和柔性铰链106的接触面上分别设有上柔性铰链定位孔1051和下柔性铰链定位孔1061，用于通过销钉对柔性铰链106进行定位，所述三角固定板103下侧的三个倾斜超声振子安装台均与水平面成一相同的锐角，并且所述三角固定板103下侧的三个安装台的平面与柔性铰链106上侧的相对应的三个安装台平面分别平行。所述的一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床，其三个超声振子104的轴线交于一点，该点为柔性铰链106对应的六棱柱轮廓的几何中心，所述刀具107的轴线经过三个超声振子104轴线的交点且刀具107的轴位于竖直方向。一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床控制方法，其加工控制过程主要包括以下步骤：(1)通过精密测量仪器对待加工的毛坯或半成品件进行测量，获得其点云数据，通过曲面重构获取测量模型；(2)对测量模型与设计模型进行模型匹配与比较，获得测量模型与设计模型间的加工余量值，解析设计模型的几何信息，分析加工余量，计算确定满足精度要求的长度增量插补值l，确定工具头的微动参数，磨抛头进给速度，停留时间等加工参数；(3)根据加工参数，进行控制器上的数控编程，计算确定刀具的加工轨迹，进而生成轨迹的相应数控加工代码，其包含每个轴的数据信息；(4)把所获得的加工轨迹数控代码输入到数控加工机床，进行工件的数控加工作业；(5)通过精密测量仪器对加工后的半成品或成品进行测量，通过曲面重构获取测量模型；(6)若测量模型与设计模型之间的偏差值在精度要求的范围内，则完成加工；(7)若测量模型与设计模型之间的偏差值超出了工件精度所要求的范围，则返回(1)继续对零件进行测量加工，进入下一个加工循环。所述的一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床控制方法，其刀具磨抛头球心点的微动是由三个超声振子提供，根据输入三个超声振子的电压信号求解三个超声振子分别沿其轴向的位置改变量s1、s2、s3进一步求解刀具磨抛头球心点位姿，这一过程为位置正解过程，其位置正解算法包括以下内容：(1)以三个超声振子104的轴线交点作为坐标原点O，以超声振子一在水平面内的投影线为y轴，以水平面内过坐标原点且垂直于y轴的直线方向为x轴，以过坐标原点的竖直向上的方向为z轴建立工具系统坐标系；(2)将控制电压信号u1＝U1(t)，u2＝U2(t)，u3＝U3(t)分别输入到超声振子一、超声振子二和超声振子三；(3)超声振子一、超声振子二、超声振子三分别在输入的电压信号u1＝U1(t)，u2＝U2(t)和u3＝U3(t)的驱动下沿其轴向发生相应的位置改变量s1、s2、s3，超声振子沿轴向发生的位置改变量s随控制电压的变化函数为s＝F[A(u),f(u),θ(u),u]，其中A(u)为超声振子振动的幅值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床，其特征在于，包括超声工具系统(1)、横向导轨(2)、纵向导轨(3)、机床底座(4)、工件夹具(5)、竖向导轨安装臂(6)和竖向导轨(7)，所述纵向导轨(3)纵向固定安装在机床底座(4)上侧的中间位置，所述横向导轨(2)横向固定安装在纵向导轨(3)的溜板上，所述工件夹具(5)固定安装在横向导轨(2)的溜板上，所述竖向导轨安装臂(6)通过螺栓固定安装在机床底座(4)上侧的中间位置且竖向导轨安装臂(6)位于纵向导轨(3)的后方，所述竖向导轨(7)竖向固定安装在竖向导轨安装臂(6)的前安装面上，所述超声工具系统(1)固定安装在竖向导轨(7)前侧的溜板上。

【技术特征摘要】
1.一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床，其特征在于，包括超声工具系统(1)、横向导轨(2)、纵向导轨(3)、机床底座(4)、工件夹具(5)、竖向导轨安装臂(6)和竖向导轨(7)，所述纵向导轨(3)纵向固定安装在机床底座(4)上侧的中间位置，所述横向导轨(2)横向固定安装在纵向导轨(3)的溜板上，所述工件夹具(5)固定安装在横向导轨(2)的溜板上，所述竖向导轨安装臂(6)通过螺栓固定安装在机床底座(4)上侧的中间位置且竖向导轨安装臂(6)位于纵向导轨(3)的后方，所述竖向导轨(7)竖向固定安装在竖向导轨安装臂(6)的前安装面上，所述超声工具系统(1)固定安装在竖向导轨(7)前侧的溜板上。2.按照权利要求1所述的一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床，其特征在于，所述超声工具系统(1)包括肋板(101)、T形固定板(102)、三角固定板(103)、超声振子(104)、铰链基座(105)、柔性铰链(106)、刀具(107)、小铰链(108)、双头螺栓(109)和紧固螺栓(110)，所述T形固定板(102)固定安装在三角固定板(103)的后方且T形固定板(102)与三角固定板(103)的上端面垂直，所述肋板(101)固定安装在三角固定板(103)的上侧的中间位置且通过螺栓与T形固定板(102)相连接，所述肋板(101)与T形固定板(102)以及三角固定板(103)的上端面均垂直，所述铰链基座(105)固定安装在三角固定板(103)的下侧，所述柔性铰链(106)固定安装在铰链基座(105)的下端，所述超声振子固定套(111)有三个，三个超声振子固定套(111)分别通过螺栓固定安装在三角固定板(103)下侧的三个倾斜的安装台上，所述超声振子(104)有三个，三个超声振子(104)分别套装在超声振子固定套(111)内并通过螺栓固定，所述小铰链(108)有三个，三个小铰链(108)的一端分别通过双头螺栓(109)与超声振子(104)的输出端相连接，三个小铰链(108)的另一端分别通过双头螺栓(109)连接在柔性铰链(106)上侧中间位置相应的安装平台上，所述刀具(107)安装在柔性铰链(106)下侧中间的刀具安装孔内，并通过三个对称分布的紧固螺栓(110)锁紧。3.按照权利要求2所述的一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床，其特征在于，所述铰链基座(105)的外轮廓为正六边形，其中对应的底部设计有柔性铰链安装孔的三条边与三角固定板(103)的三角形轮廓对应的三条边分别平行，所述铰链基座(105)和柔性铰链(106)的接触面上分别设有上柔性铰链定位孔(1051)和下柔性铰链定位孔(1061)，用于通过销钉对柔性铰链(106)进行定位，所述三角固定板(103)下侧的三个倾斜超声振子安装台均与水平面成一相同的锐角，并且所述三角固定板(103)下侧的三个安装台的平面与柔性铰链(106)上侧的相对应的三个安装台平面分别平行。4.按照权利要求2所述的一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床，其特征在于，所述三个超声振子(104)的轴线交于一点，该点为柔性铰链(106)对应的六棱柱轮廓的几何中心点，所述刀具(107)的轴线经过三个超声振子(104)轴线的交点且刀具(107)的轴位于竖直方向。5.一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床控制方法，其特征在于,包括以下步骤：(1)通过精密测量仪器对待加工的毛坯或半成品件进行测量，获得其点云数据，通过曲面重构获取测量模型；(2)对测量模型与设计模型进行模型匹配与比较，获得测量模型与设计模型间的加工余量值，解析设计模型的几何信息，分析加工余量，计算确定满足精度要求的长度增量插补值l，确定工具头的微动参数，磨抛头进给速度，停留时间等加工参数；(3)根据加工参数，进行控制器上的数控编程，计算确定刀具的加工轨迹，进而生成轨迹的相应数控加工代码，其包含每个轴的数据信息；(4)把所获得的加工轨迹数控代码输入到数控加工机床，进行工件的数控加工作业；(5)通过精密测量仪器对加工后的半成品或成品进行测量，通过曲面重构获取测量模型；(6)若测量模型与设计模型之间的偏差值在精度要求的范围内，则完成加工；(7)若测量模型与设计模型之间的偏差值超出工件精度所要求的范围，则返回步骤(1)继续对零件进行测量加工，进入下一个加工循环。6.按照权利要求5所述的一种三组超声振子成锥体结构的超声加工机床控制方法，其特征在于，所述的刀具磨抛头球心点的微动是由三个超声振子提供，根据输入三个超声振子的电压信号求解三个超声振子分别沿其轴向的位置改变量s1、s2、s3进一步求解刀具磨抛头球心点位姿，这一过程为...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀世军，张超，赵继，代汉达，贺秋伟，杨记龙，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22