三维超声椭圆振动辅助切削装置及椭圆轨迹产生方法

摘要

本发明公开了一种三维超声椭圆振动辅助切削装置及其椭圆轨迹产生方法，属于数控加工领域。该装置由多轴柔性铰链、底座、刀具预紧螺钉、连接螺钉、基座以及X、Y和Z三个方向上压电陶瓷片、电极片、双螺母结构、连接轴、振动频率微调器组成。多轴柔性铰链由三个相互垂直的子链和刀具安装架构成，每个子链上开设有两个结构相同布置方位不同的第一柔性铰链单元和第二柔性铰链单元，刀具固定在刀具安装架上，通过在X、Y和Z三个方向上压电陶瓷在每个子链上产生位移输入，在三个方向经位移放大和叠加后，驱动多轴柔性铰链在刀具刀尖处产生三维空间中的椭圆运动轨迹，本发明具有装置结构简单、各输入互相解耦、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。

主权项

一种三维超声椭圆振动辅助切削装置，其特征在于：该辅助切削装置包括多轴柔性铰链(3)、底座(2)、金刚石刀具(18)、金刚石刀具预紧螺钉(17)、基座(1)；上述多轴柔性铰链(3)为整体结构，它由三个相互垂直的相交于一起长方体的子链组成，且相交处依据加工刀具安装尺寸加工出刀具安装架；金刚石刀具(18)通过金刚石刀具预紧螺钉(17)安装于该刀具安装架上；定义XYZ坐标系，其中坐标原点O为上述三个子链的轴线的相交点，X、Y、Z轴方向即为上述三个子链的轴线方向；将上述三个子链分别称为X轴方向子链(301)、Y轴方向子链(302)、Z轴方向子链(303)；上述底座(2)为整体结构，它由三个相互垂直的相交于一起的壁面组成，上述三个壁面分别称为YZ壁面、XZ壁面、XY壁面；其中YZ壁面与X轴方向子链(301)的输入端相对应，并与X轴方向子链(301)相垂直；XZ壁面与Y轴方向子链(302)的输入端相对应，并与Y轴方向子链(302)相垂直；XY壁面与Z轴方向子链(303)的输入端相对应，并与Z轴方向子链(303)相垂直；多轴柔性铰链(3)的每个子链与对应壁面之间均通过连接轴(19)相连；并通过连接轴(19)分别将第一压电陶瓷(5)、第一电极片(6)、第二压电陶瓷(22)、第二电极片(23)、双螺母(8)依次安装于该子链输入端与对应壁面内侧之间；另外，位于该壁面外侧还有一振动频率微调器(7)与连接轴(19)末端相连；上述底座(2)通过其中一个壁面固定于所述基座(1)上；定义X轴方向子链(301)的四个侧面中，与Z轴平行的两个侧面分别称为第一表面、第三表面，与Y轴平行的两个侧面分别称为第二表面、第四表面；定义Y轴方向子链(302)的四个侧面，与X轴平行的两个侧面分别称为第一表面、第三表面，与Z轴平行的两个侧面分别称为第二表面、第四表面；定义Z轴方向子链(303)的四个侧面中，与Y轴平行的两个侧面分别称为第一表面、第三表面，与X轴平行的两个侧面分别称为第二表面、第四表面；上述多轴柔性铰链(3)的每个子链上均开设有两个结构相同布置方位不同的第一柔性铰链单元和第二柔性铰链单元；其中第一柔性铰链单元相比第二柔性铰链单元更接近坐标O点；第一柔性铰链单元包括位于子链第一表面(1001)的第一沟槽(1005)、第二沟槽(1006)，和位于子链第三表面(1003)的第三沟槽(1007)、第四沟槽(1008)，上述沟槽均垂直于所在子链；还包括贯穿第二表面(1002)和第四表面(1004)的第一工字型沟槽；将该第一工字型沟槽视为A条状通孔(10011)、B条状通孔(1009)、C条状通孔(10010)的组合结构，其中A条状通孔(10011)与B条状通孔(1009)平行，C条状通孔(10010)垂直于A条状通孔(10011)、B条状通孔(1009)；上述第一沟槽(1005)、第二沟槽(1006)与第三沟槽(1007)、第四沟槽(1008)沿C条状通孔(10010)对称，并且第一沟槽(1005)、第三沟槽(1007)和A条状(10011)通孔位于同一个子链的横截面上，第二沟槽(1006)、第四沟槽(1008)和B条状(1009)通孔位于同一个子链的横截面上；第二柔性铰链单元包括位于子链第二表面(1002)的第五沟槽(10017)、第六沟槽(10018)和位于子链第四表面(1004)的第七沟槽(10012)、第八沟槽(10013)，上述沟槽均垂直于所在子链；还包括贯穿第一表面(1001)和第三表面(1003)的第二工字型沟槽；将该第二工字型沟槽视为D条状通孔(10014)、E条状通孔(10016)、F条状通孔(10015)的组合结构，其中D条状通孔(10014)与E条状通孔(10016)平行，F条状通孔(10015)垂直于D条状通孔(10014)、E条状通孔(10016)；上述第五沟槽(10017)、第六沟槽(10018)与第七沟槽(10012)、第八沟槽(10013)沿F条状通孔(10015)对称，上述第五沟槽(10017)、第七沟槽(10012)和D条状通孔(10014)位于同一个子链的横截面上，第六沟槽(10018)、第八沟槽(10013)和E条状通孔(10016)位于同一个子链的横截面上。