一种高速、高精度五轴超声加工机床制造技术

本发明专利技术公开了一种高速、高精度五轴超声加工机床，包括床身装置、刀库装置、主轴头装置和工作台装置。本发明专利技术以性能持续稳定的龙门架为基础，刚度高，受热影响作用小，满足高精度超声加工要求；Y轴采用直线电机双驱动，用光栅尺作为位置反馈装置，构成全闭环反馈系统，确保最高精度及部件精度；具有超声功能的刀具装配体对于断屑及清除刀具上的切屑有特殊效果，断屑的切屑更细小，显著降低刀具磨损；采用电主轴驱动刀具高速旋转，通过非接触式供电方式给换能器供电，将高速切削技术与高效超声硬脆材料磨削加工技术集成为一体；采用旋转伸缩电机和机械手实现快速换刀，可以在一次装夹下实现多种超声加工工艺或一次性完成粗、精加工。

High speed and high precision five axis ultrasonic machining machine tool

The invention discloses a high-speed and high-precision five axis ultrasonic machining machine tool, comprising a bed body device, a tool magazine device, a spindle head device and a worktable device. The invention is based on the Longmen sustained and stable performance, high rigidity, the heating effect is small, high precision ultrasonic processing to meet the requirements; Y axis adopts linear motor with double drive, grating as position feedback device, a closed-loop feedback system, ensure the highest accuracy and precision parts with ultrasonic tool assembly function; for cutting and removing the chip tool on the special effects, the chip breaking chip finer and significantly reduce tool wear; using the spindle drive tool rotation speed to the transducer power supply through non-contact power supply, high speed cutting technology and efficient ultrasonic grinding of hard and brittle materials processing technology is integrated with; rotary telescopic motor and mechanical hand to achieve rapid tool change, can be in one clamping to achieve a variety of ultrasonic process or complete the roughing and finishing machining.

【技术实现步骤摘要】
一种高速、高精度五轴超声加工机床
本专利技术涉及机械加工领域，具体涉及一种高速、高精度五轴超声加工机床。
技术介绍
随着航空航天、信息与电子、光学等高端行业的发展，机械设备对材料的性能要求越来越高。硬脆材料以其优异的物理和化学性能在这些领域的应用越来越广泛，而且要求的精度越来越高。传统的加工方式越来越不能满足其加工要求。超声加工是一种非热、非导电、非化学并不改变工件材料理化性能的加工方式，可有效避免热损伤和微细龟裂的产生，几乎适用于任何硬脆材料；该加工方式中工具受到的切削力较小，散热快，故其在陶瓷、硅、光学玻璃等硬脆材料加工方面具有得天独厚的优势。专利CN206263736公开了一种五轴超声抛光机床，该机床采用L型开式结构，受力不对称，而且当主轴箱部分受热时对主轴位置精度影响较大，加工精度较低，不能实现精密和超精密加工，该机床只能实现抛光加工。另外，该机床结构并没有详细说明变幅杆是如何实现旋转的。专利CN106736992A公开了一种五轴超声抛光机床，该机床也是采用开式结构，而且传动链长，刚度差，受力情况不好，而且该机床结构中抛光头不能旋转，加工效率势必会降低许多。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种高速、高精度五轴超声加工机床。本专利技术采用的技术手段如下：一种高速、高精度五轴超声加工机床，包括床身装置、刀库装置、主轴头装置和工作台装置；所述床身装置包括龙门架和底座，所述龙门架包括两个对称设置的门型支架和横梁，所述横梁的两端分别通过直线电机与所述门型支架的上端连接，所述直线电机驱动所述横梁沿垂直于所述横梁轴线方向水平位移(Y轴方向)，所述横梁的中部下端设有旋转伸缩电机，所述旋转伸缩电机的输出端设有机械手，所述旋转伸缩电机驱动所述机械手沿竖直方向伸缩和水平旋转，所述机械手包括水平固定杆和位于所述水平固定杆两端的第一半圆形夹持部和第二半圆形夹持部，所述第一半圆形夹持部的开口方向与所述第二半圆形夹持部的开口方向相反，所述第一半圆形夹持部的开口连线和所述第二半圆形夹持部的开口连线均与所述水平固定杆的轴线平行且位于同一水平面内，所述门型支架的上端还设有用于所述横梁的位置反馈的光栅尺，所述光栅尺位于所述直线电机的外侧，所述门型支架的下端与所述底座固定连接，所述底座上还设有两个与所述横梁轴线平行的水平导轨，所述水平导轨上设有滑块；用所述光栅尺作为位置反馈装置，构成全闭环反馈系统，确保最高精度及部件精度。所述直线电机包括定子和动子，所述定子与所述门型支架固定连接，所述动子与所述横梁固定连接。所述刀库装置包括刀库支座、步进电机和刀盘，所述刀库支座的两端分别通过螺钉与所述门型支架的后端连接，所述步进电机通过电机安装支架与所述刀库支座的中部上端连接，所述步进电机的输出轴通过联轴器与所述刀盘的旋转中心连接并驱动所述刀盘在水平面旋转，所述刀盘外沿设有多个刀具架，所述刀具架包括一端与所述刀盘外沿连接的连接杆，所述连接杆的另一端设有第三半圆形夹持部，所述连接杆的轴线所在直线经过所述刀盘的旋转中心，所述第三半圆形夹持部的开口连线与所述连接杆的轴线平行且位于所述刀盘所在水平面内，所述刀盘的水平旋转轴与所述机械手的水平旋转轴位于同一竖直平面内，所述横梁的轴线垂直于所述竖直平面，所述第一半圆形夹持部的轴线和所述第二半圆形夹持部的轴线所在旋转圆柱面与所述第三半圆形夹持部的轴线所在旋转圆柱面相切，所述第三半圆形夹持部的开口方向与旋转至其轴线位置的所述第一半圆形夹持部或所述第二半圆形夹持部的开口方向相一致；所述主轴头装置包括电主轴和安装架，所述安装架有后板、左侧板、右侧板和底板组成，所述电主轴的外壁套接有两个沿所述电主轴的轴线分布的夹紧座，所述夹紧座分别与所述后板的内壁固定连接，并通过所述左侧板的内壁和所述右侧板的内壁限位，位于最下方的所述夹紧座与所述底板的上表面贴合，所述底板的下表面设有外固定圈，所述外固定圈的轴线与所述电主轴的轴线位于同一直线上，所述电主轴的轴线位于所述竖直平面内，所述安装架的外壁设有驱动所述电主轴沿其轴线移动的第一驱动装置，所述第一驱动装置与所述横梁固定连接；所述第三半圆形夹持部和所述电主轴的输出端分别设有刀具装配体，所述刀具装配体的轴线与其连接的所述第三半圆形夹持部的轴线位于同一直线，与所述电主轴的输出端连接的所述刀具装配体的上端穿过所述外固定圈与所述电主轴的输出端夹紧连接；所述工作台装置包括固定在所述滑块上的水平工作台，所述底座上还设有驱动所述水平工作台沿所述水平导轨移动的第二驱动装置，所述水平工作台上还设有摇篮式摆动工作台。所述摇篮式摆动工作台可以提供A轴摆动和C轴转动的自由度，其上放置工件。所述刀具装配体沿其轴线从下到上依次设有刀具，ER螺母、变幅杆、换能器、刀柄和拉钉，所述刀具装配体还包括套筒，所述套筒的上部内壁与所述刀柄的外壁螺纹连接，所述套筒的下端与位于所述变幅杆外壁上的变幅杆轴肩上表面固定连接，所述套筒的外壁具有套筒轴肩，所述套筒轴肩的上表面设有内线圈，所述套筒的外壁设有用于定位所述内线圈的轴用弹性挡圈，所述刀具的固定杆通过刀夹与所述ER螺母的内壁连接，所述变幅杆呈阶梯轴状，所述阶梯轴状变幅杆的大端面与所述换能器的端部紧密贴合，所述ER螺母与所述阶梯轴状变幅杆的小轴段的外壁螺纹连接，所述变幅杆轴肩位于所述阶梯轴状变幅杆的大轴段的下部侧壁上，所述刀具的固定杆的端部与所述阶梯轴状变幅杆的小端面紧密贴合，与所述电主轴的输出端连接的所述刀具装配体通过所述刀柄与所述电主轴的输出端夹紧连接；所述外固定圈的上端具有所述电主轴的定位槽，所述外固定圈具有与所述夹紧槽连通的阶梯孔，所述阶梯孔的台阶面上设有外线圈，所述阶梯孔的孔壁还设有用于定位所述外线圈的孔用弹性挡圈；工作状态下，当所述拉钉与所述电主轴的输出端拉紧时，所述内线圈与所述外线圈位于同一水平面上且间隙配合(保证所述刀具装配体旋转时不会有干涉)，所述电主轴的输出端带动所述刀具装配体高速旋转。所述内线圈和所述外线圈构成非接触式供电方式给换能器供电，其原理类似于变压器，超声波发生器将电信号传送给外线圈，通过电磁感应，在内线圈上产生电信号，然后内线圈通过导线将该电信号传送给换能器。每个所述刀具装配体所对应的所述刀具各不同，包括钻头、铣刀、抛光头，探针等。所述拉钉用于所述刀具装配体进入所述电主轴的输出端后拉紧整个所述刀具装配体，从而保证所述刀具装配体稳定的高速旋转。所述第一驱动装置包括两个相对设置的滚珠丝杠滑台，所述滚珠丝杠滑台包括第一底座固定板和第一滚珠丝杠滑块，所述第一底座固定板上依次设有第一下立板、第一上立板和第一电机支架，所述第一下立板和所述第一上立板之间设有第一丝杠和位于所述第一丝杠两侧的两个第一光杆，所述第一丝杠分别通过第一滚动轴承与所述第一下立板和所述第一上立板连接，所述第一滚珠丝杠滑块通过第一丝杠螺母套接在所述第一丝杠，所述第一滚珠丝杠滑块还设有与所述第一光杆相匹配的第一通孔，所述第一电机支架上设有驱动所述第一滚珠丝杠滑块沿所述第一丝杠的轴线移动的第一伺服电机，所述第一丝杠穿过所述第一上立板并通过第一梅花联轴器与所述第一伺服电机的输出端连接，所述第一底座固定板通过安装支架与所述横梁的上端固定连接，所述左侧板和所述右侧板分别与相对应的所述第一滚珠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速、高精度五轴超声加工机床，其特征在于，包括床身装置、刀库装置、主轴头装置和工作台装置；所述床身装置包括龙门架和底座，所述龙门架包括两个对称设置的门型支架和横梁，所述横梁的两端分别通过直线电机与所述门型支架的上端连接，所述直线电机驱动所述横梁沿垂直于所述横梁轴线方向水平位移，所述横梁的中部下端设有旋转伸缩电机，所述旋转伸缩电机的输出端设有机械手，所述旋转伸缩电机驱动所述机械手沿竖直方向伸缩和水平旋转，所述机械手包括水平固定杆和位于所述水平固定杆两端的第一半圆形夹持部和第二半圆形夹持部，所述第一半圆形夹持部的开口方向与所述第二半圆形夹持部的开口方向相反，所述第一半圆形夹持部的开口连线和所述第二半圆形夹持部的开口连线均与所述水平固定杆的轴线平行且位于同一水平面内，所述门型支架的上端还设有用于所述横梁的位置反馈的光栅尺，所述光栅尺位于所述直线电机的外侧，所述门型支架的下端与所述底座固定连接，所述底座上还设有两个与所述横梁轴线平行的水平导轨，所述水平导轨上设有滑块；所述刀库装置包括刀库支座、步进电机和刀盘，所述刀库支座的两端分别通过螺钉与所述门型支架的后端连接，所述步进电机通过电机安装支架与所述刀库支座的中部上端连接，所述步进电机的输出轴通过联轴器与所述刀盘的旋转中心连接并驱动所述刀盘在水平面旋转，所述刀盘外沿设有多个刀具架，所述刀具架包括一端与所述刀盘外沿连接的连接杆，所述连接杆的另一端设有第三半圆形夹持部，所述连接杆的轴线所在直线经过所述刀盘的旋转中心，所述第三半圆形夹持部的开口连线与所述连接杆的轴线平行且位于所述刀盘所在水平面内，所述刀盘的水平旋转轴与所述机械手的水平旋转轴位于同一竖直平面内，所述横梁的轴线垂直于所述竖直平面，所述第一半圆形夹持部的轴线和所述第二半圆形夹持部的轴线所在旋转圆柱面与所述第三半圆形夹持部的轴线所在旋转圆柱面相切，所述第三半圆形夹持部的开口方向与旋转至其轴线位置的所述第一半圆形夹持部或所述第二半圆形夹持部的开口方向相一致；所述主轴头装置包括电主轴和安装架，所述安装架有后板、左侧板、右侧板和底板组成，所述电主轴的外壁套接有两个沿所述电主轴的轴线分布的夹紧座，所述夹紧座分别与所述后板的内壁固定连接，并通过所述左侧板的内壁和所述右侧板的内壁限位，位于最下方的所述夹紧座与所述底板的上表面贴合，所述底板的下表面设有外固定圈，所述外固定圈的轴线与所述电主轴的轴线位于同一直线上，所述电主轴的轴线位于所述竖直平面内，所述安装架的外壁设有驱动所述电主轴沿其轴线移动的第一驱动装置，所述第一驱动装置与所述横梁固定连接；所述第三半圆形夹持部和所述电主轴的输出端分别设有刀具装配体，所述刀具装配体的轴线与其连接的所述第三半圆形夹持部的轴线位于同一直线，与所述电主轴的输出端连接的所述刀具装配体的上端穿过所述外固定圈与所述电主轴的输出端夹紧连接；所述工作台装置包括固定在所述滑块上的水平工作台，所述底座上还设有驱动所述水平工作台沿所述水平导轨移动的第二驱动装置，所述水平工作台上还设有摇篮式摆动工作台。...

【技术特征摘要】
1.一种高速、高精度五轴超声加工机床，其特征在于，包括床身装置、刀库装置、主轴头装置和工作台装置；所述床身装置包括龙门架和底座，所述龙门架包括两个对称设置的门型支架和横梁，所述横梁的两端分别通过直线电机与所述门型支架的上端连接，所述直线电机驱动所述横梁沿垂直于所述横梁轴线方向水平位移，所述横梁的中部下端设有旋转伸缩电机，所述旋转伸缩电机的输出端设有机械手，所述旋转伸缩电机驱动所述机械手沿竖直方向伸缩和水平旋转，所述机械手包括水平固定杆和位于所述水平固定杆两端的第一半圆形夹持部和第二半圆形夹持部，所述第一半圆形夹持部的开口方向与所述第二半圆形夹持部的开口方向相反，所述第一半圆形夹持部的开口连线和所述第二半圆形夹持部的开口连线均与所述水平固定杆的轴线平行且位于同一水平面内，所述门型支架的上端还设有用于所述横梁的位置反馈的光栅尺，所述光栅尺位于所述直线电机的外侧，所述门型支架的下端与所述底座固定连接，所述底座上还设有两个与所述横梁轴线平行的水平导轨，所述水平导轨上设有滑块；所述刀库装置包括刀库支座、步进电机和刀盘，所述刀库支座的两端分别通过螺钉与所述门型支架的后端连接，所述步进电机通过电机安装支架与所述刀库支座的中部上端连接，所述步进电机的输出轴通过联轴器与所述刀盘的旋转中心连接并驱动所述刀盘在水平面旋转，所述刀盘外沿设有多个刀具架，所述刀具架包括一端与所述刀盘外沿连接的连接杆，所述连接杆的另一端设有第三半圆形夹持部，所述连接杆的轴线所在直线经过所述刀盘的旋转中心，所述第三半圆形夹持部的开口连线与所述连接杆的轴线平行且位于所述刀盘所在水平面内，所述刀盘的水平旋转轴与所述机械手的水平旋转轴位于同一竖直平面内，所述横梁的轴线垂直于所述竖直平面，所述第一半圆形夹持部的轴线和所述第二半圆形夹持部的轴线所在旋转圆柱面与所述第三半圆形夹持部的轴线所在旋转圆柱面相切，所述第三半圆形夹持部的开口方向与旋转至其轴线位置的所述第一半圆形夹持部或所述第二半圆形夹持部的开口方向相一致；所述主轴头装置包括电主轴和安装架，所述安装架有后板、左侧板、右侧板和底板组成，所述电主轴的外壁套接有两个沿所述电主轴的轴线分布的夹紧座，所述夹紧座分别与所述后板的内壁固定连接，并通过所述左侧板的内壁和所述右侧板的内壁限位，位于最下方的所述夹紧座与所述底板的上表面贴合，所述底板的下表面设有外固定圈，所述外固定圈的轴线与所述电主轴的轴线位于同一直线上，所述电主轴的轴线位于所述竖直平面内，所述安装架的外壁设有驱动所述电主轴沿其轴线移动的第一驱动装置，所述第一驱动装置与所述横梁固定连接；所述第三半圆形夹持部和所述电主轴的输出端分别设有刀具装配体，所述刀具装配体的轴线与其连接的所述第三半圆形夹持部的轴线位于同一直线，与所述电主轴的输出端连接的所述刀具装配体的上端穿过所述外固定圈与所述电主轴的输出端夹紧连接；所述工作台装置包括固定在所述滑块上的水平工作台，所述底座上还设有驱动所述水平工作台沿所述水平导轨移动的第二驱动装置，所述水平工作台上还设有摇篮式摆动工作台。2.根据权利要求1所述的一种高速、高精度五轴超声加工机床，其特征在于：所述刀具...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志辉，于天彪，赵继，郑伟，秦振江，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21