專利名稱：一種三自由度超聲振動鉆削并聯(lián)機床的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及機械加工技術領域，特指一種三自由度超聲振動鉆削并聯(lián)機床，即用三 自由度并聯(lián)機構平臺作為機床主體加上超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)構成一種三自由度微小孔超聲 振動鉆削并聯(lián)機床，應用于軟質材料的微小孔的精密加工領域。
技術背景隨著孔加工技術在機械制造領域的應用日益廣泛，對孔的加工精度和表面質量提出了越 來越高的要求。目前,在不銹鋼、耐熱鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料上加工精密微細深 孔仍然是具有挑戰(zhàn)性的課題。實踐表明,采用傳統(tǒng)工藝方法加工微小深孔時,存在切削溫度高、 鉆頭易磨損或折斷、入鉆定心性差、斷屑困難、排屑不暢、出口毛刺多等一系列工藝難題。 為此，需要積極探索、開發(fā)更合理的加工方法，以改善材料的可加工性,提高產(chǎn)品質量和加工效 率。超聲振動鉆削是近代出現(xiàn)的一種特殊的切削加工方法，是對難加工材料或難加工工序進 行加工的有效方法之一。超聲振動鉆削由于其特殊的切削機理引起諸多專家學者的重視。它 是在傳統(tǒng)的鉆削過程中給鉆頭(或工件)加上某種有規(guī)律的、可控的高頻振動，在切削參數(shù) 優(yōu)化的條件下，以達到改善鉆削性能的一種新穎的加工方法。振動鉆削效果的好壞，在很大 程度上取決于振動切削裝置。當前的振動鉆削設備的應用局限于結合普通車床或普通臺鉆使用，大大限制了其應用范 圍；且工件的加工位置受到很大的局限性，并影響了加工工藝的合理安排。針對這些問題， 可以考慮采用并聯(lián)機構拓展其加工應用范圍，同時附加數(shù)控設備來實現(xiàn)鉆削加工的精確定位 和自動控制。目前世界各國對并聯(lián)機床的研發(fā)總體上處于研究、試制和試用階段。與國外相比，國內(nèi) 對并聯(lián)機床的理論研究、設計與應用等方面的關鍵技術研究(如對球鉸的制造精度、運動精度 的測量與控制、有效工作區(qū)的描述與所受約束以及工作可靠性等問題的研究)存在較大差距。 此外，國內(nèi)外對并聯(lián)機床的動力學特性及其對加工精度、加工過程穩(wěn)定性的影響規(guī)律等研究 內(nèi)容還處于起步階段，許多富有挑戰(zhàn)性的理論問題及關鍵技術仍有待于進一步研究和探索。三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床是超聲振動切削與并聯(lián)機床相結合的一個積極嘗 試。目前國內(nèi)外對此研究還非常少，査詢到的專利如CN2082651U， CN1418747A均局限應 用于傳統(tǒng)機床設備，且存在振幅過小問題。另外，國內(nèi)外出現(xiàn)的振動加工微小孔的工藝設備 存在靈活性差，自動化程度低等問題。本實用新型用三自由度并聯(lián)機構作為機床主體加上超 聲振動鉆削主軸系統(tǒng)構成一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床。超聲振動鉆削主軸系 統(tǒng)具有高轉速、超聲激振等功能，可以實現(xiàn)難加工材料的微小孔振動鉆削；三自由度并聯(lián)機 構平臺通過數(shù)控設備控制三個驅動源可以使其產(chǎn)生空間三自由度的位移，實現(xiàn)加工過程的微 動進給和自動定位?？蓱糜陔y加工材料、復合材料中的微小孔的精密加工。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是要提供一種三自由度微小孔超聲振動鉆削設備，特指用三自由度并 聯(lián)機構平臺作為機床主體加上超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)構成一種三自由度微小孔超聲振動鉆削 并聯(lián)機床。超聲振動鉆削加工能有效改善加工條件，提高微小孔加工質量和效率，特別針對 難加工材料的微小孔鉆削問題；三自由度并聯(lián)機構平臺的三條伸縮桿件是精密滾珠絲桿，分 別用三個伺服電機作為驅動源，通過數(shù)控設備控制三個驅動源使動平臺產(chǎn)生空間三自由度的 平移，實現(xiàn)加工過程的自動進給和自動定位，提高了加工過程的自動化水平和靈活性。本實用新型的三自由度微小孔超聲鉆削并聯(lián)鉆床，通過控制超聲波發(fā)生器和伺服電機， 可以根據(jù)工件材料的不同，在每一次鉆削過程中分別采用不同的加工參數(shù)，也可以根據(jù)鉆削 階段(鉆入階段、鉆中階段、鉆出階段)的不同，設定不同切削用量。所述的鉆削方法，可以鉆削直徑為O. l咖 2咖的微小孔，長徑比達到10: 1。一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，由工作臺、超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)和三自 由度并聯(lián)機構組成，超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)固定于三自由度并聯(lián)機構的動平臺上來實現(xiàn)空間 三自由度位移。其中超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)包括高速電機、夾心式換能器、變幅桿、精密鉆夾頭、超聲 波發(fā)生器；高速電機的輸出軸通過法蘭與回轉主軸連接，帶動回轉主軸高速旋轉，夾心式換 能器由壓電陶瓷片、電極、后蓋板組成，通過夾緊螺栓連接在一起，安裝在回轉主軸內(nèi)，并 由變幅桿上的法蘭固定；超聲波發(fā)生器通過導線與安裝在電機輸出軸法蘭上的電刷和集流環(huán) 連接，再經(jīng)過釬焊在集流環(huán)上的導線，與夾心式換能器相連；在變幅桿的前端連接精密鉆夾 頭，變幅桿為梯形振幅放大桿。夾心式換能器在回轉主軸內(nèi)的安裝和找正，是利用變幅桿的 振動節(jié)進行的。找正是按回轉主軸的內(nèi)孔來進行的，變幅桿的振動節(jié)做成法蘭盤形狀，用螺 栓把它固定在回轉主軸套筒上。這樣，高速電機的輸出軸通過法蘭與回轉主軸連接，進而帶 動鉆頭高速旋轉，同時夾心式換能器產(chǎn)生超聲軸向振動，實現(xiàn)微小孔的振動切削。夾心式換能器產(chǎn)生可以產(chǎn)生20KHz的超聲振動，經(jīng)過變幅桿后直接激勵回轉主軸產(chǎn)生16//m 21/^振幅的響應。其彈簧夾頭采用精密彈簧夾頭，保證了鉆頭安裝良好，且在高速轉速情況下能保 證良好的鉆頭回轉精度。
三自由度并聯(lián)機構由三條支鏈及一個固定平臺組成，三條支鏈相互垂直正交布置，每條 支鏈的結構相同，由滾珠絲桿和兩個萬向鉸鏈組成，滾珠絲桿由伺服電機驅動；滾珠絲桿一 端連接于固定平臺支柱，另一端連接第一個萬向鉸鏈；與滾珠絲桿相連的萬向鉸鏈的通過直 桿連接第二個萬向鉸鏈，第二個萬向鉸鏈的另一端則與工作臺或超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)的回 轉主軸外殼相連，且支鏈的初始位置為直線布置。在實際結構中采用三個伺服電機分別驅動 三個精密滾珠絲桿來實現(xiàn)伸縮桿的功能，通過數(shù)控設備控制伺服電機輸入信號使工作臺或超 聲振動鉆削主軸系統(tǒng)產(chǎn)生空間三自由度的平移，以實現(xiàn)鉆削過程中的自動進給和自動定位。 本實用新型的優(yōu)點在于(1) 超聲振動鉆削并聯(lián)機床可以實現(xiàn)難加工材料的微小深孔振動鉆削。(2) 本實用新型采用三維純平移并聯(lián)機構平臺為主體，其輸入一輸出關系均為解析解，運 動學、動力學分析求解相對容易；該機構具有結構簡單、剛度大、工作空間大、動態(tài)性能好、 無支鏈干涉、運動精度高，易于控制等優(yōu)點；(3) 所述的鉆床具有高轉速、微動進給和高的制造精度。進行數(shù)控編成后，可以實現(xiàn)鉆頭 自動進給，工件可以經(jīng)過一次裝夾就能進行多孔鉆削，擴大了加工范圍。能滿足難加工材料 的微小孔加工要求。(4) 所述的鉆床不僅可完成所示各種零件的鉆孔功能，如換成相應的微型銑刀或金剛石銑 刀，還能滿足f[細的刻銑功能，如刻銑各種圖形、網(wǎng)格、曲線、花紋、花邊、字形和各種裝 飾花形等。


以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是本實用新型實施例1的三維示意圖。圖2是本實用新型實施例1的另外一種三維結構示意圖。圖3是本實用新型的超聲振動鉆削主軸結構，圖中1、高速電機2、端蓋3、軸承4、回轉主軸5、主軸外殼6、端蓋7、變幅桿8、精密鉆夾頭9、鉆頭10、墊片11、壓電陶瓷片，12、電極，13、后蓋板14、墊片15、電刷和集流環(huán) 16、法蘭17、超聲波發(fā)生器18、固定平臺 19、支柱20、萬向鉸鏈(6個) 21、滾珠絲桿(3個) 22、伺服電機(3個)23、工作臺24、直桿(3個)具體實施方式
實施例1，如圖1所示， 一種三自由度微小孔超聲鉆削并聯(lián)鉆床，通過控制超聲波發(fā)生
器和伺服電機，在零件材料為聚碳酸脂的面板上鉆削直徑- = 0.5皿，深徑比L/D-10的孔。該機床由工作臺23、超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)和三自由度并聯(lián)機構組成，超聲振動鉆削主 軸系統(tǒng)固定于三自由度并聯(lián)機構的動平臺上來實現(xiàn)空間三自由度位移。其中超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)包括高速電機l、夾心式換能器、變幅桿7、精密鉆夾頭8、 超聲波發(fā)生器17;高速電機1的輸出軸通過法蘭16與回轉主軸4連接，帶動回轉主軸14高 速旋轉，夾心式換能器由壓電陶瓷片11、電極12、后蓋板13組成，通過夾緊螺栓連接在一 起，安裝在回轉主軸4內(nèi)，并由變幅桿上7的法蘭通過嫘栓固定；回轉主軸4通過軸承3與 主軸外殼5接觸，軸承3兩側由端蓋2和端蓋6固定。超聲波發(fā)生器17通過導線與安裝在電 機輸出軸法蘭16上的電刷和集流環(huán)15連接，再經(jīng)過釬焊在集流環(huán)上的導線，與夾心式換能 器相連，在變幅桿7的前端連接精密鉆夾頭8。其中，變幅桿7為梯形振幅放大桿，采用聲 阻抗率低的材料制造(例如硬鋁或釹合金)；后蓋板13為自由端,采用聲阻抗率高的材料制造 (例如軟鋼)；壓電陶瓷片11是換能器的激勵推動級,可在超聲頻電振蕩信號的作用下產(chǎn)生機 械振動效應，采用PZT-8型或者Fc型鋯鈦酸鉛陶瓷材料制造。三自由度并聯(lián)機構由三條支鏈及一個固定平臺18組成，三條支鏈相互垂直正交布置，每 條支鏈的結構相同，由滾珠絲桿21和兩個萬向鉸鏈20組成，滾珠絲桿21由伺服電機22驅 動；滾珠絲桿21—端連接于固定平臺18的立柱19上，另一端連接第一個萬向鉸鏈；與滾珠 絲桿21相連的萬向鉸鏈的通過直桿24連接第二個萬向鉸鏈，第二個萬向鉸鏈的另一端則與 超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)的回轉主軸外殼相連，且支鏈的初始位置為直線布置。在實際結構中 采用三個伺服電機22分別驅動三個精密滾珠絲桿21來實現(xiàn)伸縮桿的功能。這樣，實際鉆削時，首先啟動電源，高速電機4高速旋轉，轉速可以達到20000rad/min 以上，其輸出軸通過法蘭16與回轉主軸4連接，進而帶動鉆頭9高速旋轉，同時夾心式換能 器產(chǎn)生超聲軸向振動，實現(xiàn)微小孔的振動切削。其中，超聲波發(fā)生器17將220V/50Hz的交流 電轉換成超聲頻電振蕩信號，通過電刷(15)引到集流環(huán)上，再經(jīng)過釬焊在集流環(huán)上的導線， 與可以回轉的夾心式換能器相連，產(chǎn)生20KHz的超聲振動。夾心式換能器的前端與梯形振幅放大桿(變幅桿7)連接，在變幅桿7的前端連接精密鉆夾頭8，使鉆尖產(chǎn)生16/z加振幅的響 應。其彈簧夾頭采用精密鉆夾頭8，保證了鉆頭9安裝良好，且在高速轉速情況下能保證良好的鉆頭回轉精度，實現(xiàn)對聚碳酸脂材料鉆削直徑- = 0.5 101微小孔的振動切削。同時，根據(jù)鉆頭所需的運動規(guī)律，利用該并聯(lián)機構的運動學反解可以分別求出三條支鏈 中移動副的運動輸出規(guī)律，然后通過編程控制三個伺服電機22的輸入信號以控制滾珠絲桿 21滑塊的運動規(guī)律，使動平臺實現(xiàn)三維純平移。如在鉆削開始前或結束后，需要重新進行
刀具的定位，這時，水平面方向的兩個伺服電機22分別驅動相應的滾珠絲桿21作水平方向 平移，用作鉆削時孔的定位，當?shù)毒叩竭_指定位置后，這兩個電機停止動作，并保持刀具在 水平面位置不變。這時安裝在并聯(lián)機構動平臺上的超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)在鉆削過程中帶動 鉆頭作高速旋轉，同時使鉆頭產(chǎn)生一定規(guī)律的軸向振動，形成振動鉆削。同時豎直方向的伺 服電機22驅動相應的滾珠絲桿21作豎直向下方向平移，進而帶動超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)向 下運動，刀具進入到工件內(nèi)部進行切削，實現(xiàn)了鉆削時刀具的自動進給，當鉆入到所需深度 后，豎直方向的伺服電機22驅動相應的滾珠絲桿21作豎直向上方向平移，這樣刀具退出工 件，直到到達初始位置后停止運動；這時，水平面方向的兩個伺服電機22再次驅動相應的滾 珠絲桿21作水平方向平移，用作下一個要加工孔的定位，如此循環(huán)，直到加工完所有的孔。 當然也可以根據(jù)鉆削階段(鉆入階段、鉆中階段、鉆出階段)的不同，設定不同切削參數(shù)(轉 速、進給速度、振動頻率、振幅等)。這樣工件可以經(jīng)過一次裝夾就能進行多孔鉆削，實現(xiàn)了 鉆削過程中的自動進給和自動定位，擴大了加工范圍、滿足了聚碳酸脂材料的微小孔加工要 求。
實施例2，如圖2所示，同實施例1相似，同樣可以把工作臺24同三個萬向鉸鏈21連 接，即固定于并聯(lián)機構上，而超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)則固定在動平臺的上方，其結構如圖2 所示。利用該機構可以很容易的將普通鉆床改制成振動鉆床以實現(xiàn)特殊材料和特殊孔的加工。
其中，三自由度并聯(lián)機構和超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)組成機構和工作方式同實施例1。
實施例3，如圖1所示，如將鉆頭換成相應的微型銑刀或金剛石銑刀，還能滿足微細的刻 銑功能，如刻銑各種圖形、網(wǎng)格、曲線、花紋、花邊、字形和各種裝飾花形等。
其三自由度并聯(lián)機構和超聲振動主軸系統(tǒng)組成機構和工作方式同實施例l 。當已知所需的 運動規(guī)律時，如在工件上刻銑一個空間曲線，利用該并聯(lián)機構的運動學反解可以分別求出三 條支鏈中移動副的運動輸出規(guī)律，然后通過編程控制三個伺服電機(22)的輸入信號以控制 滾珠絲桿(21)滑塊的運動規(guī)律，使動平臺實現(xiàn)三維純平移，使其運動軌跡為相同的空間曲 線。安裝在并聯(lián)機構動平臺上的超聲振動主軸系統(tǒng)在切削過程中帶動刀具作高速旋轉，同時 產(chǎn)生一定規(guī)律的軸向振動，形成振動銑削或刻銑功能。工件可以經(jīng)過裝夾后，由動平臺帶動 主軸系統(tǒng)及刀具按照既定運動規(guī)律實現(xiàn)所需要的切削軌跡，同時可以自動進給和自動定位， 擴大了機床本身的加工范圍、滿足了難加工材料的相應加工要求。
本發(fā)明的設備有效改善了加工條件，特別針對軟質難加工材料的微小孔鉆削，提高了微 小孔加工質量和效率，同時也兼顧空間圖案的刻銑功能，提高了自動化水平和靈活性。
權利要求1、一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，其特征在于由工作臺(23)、超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)和三自由度并聯(lián)機構組成，超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)包括高速電機(1)、夾心式換能器、變幅桿(7)、精密鉆夾頭(8)、超聲波發(fā)生器(17)；高速電機(1)的輸出軸通過法蘭與回轉主軸(4)連接，帶動回轉主軸(4)高速旋轉，夾心式換能器由壓電陶瓷片(11)、電極(12)、后蓋板組(13)成，通過夾緊螺栓連接在一起，安裝在回轉主軸(4)內(nèi)，并由變幅桿(7)上的法蘭固定；超聲波發(fā)生器(17)通過導線與安裝在電機輸出軸法蘭上的電刷和集流環(huán)(15)連接，再經(jīng)過釬焊在集流環(huán)上的導線，與夾心式換能器相連；在變幅桿(7)的前端連接精密鉆夾頭(8)；三自由度并聯(lián)機構由三條支鏈及一個固定平臺(18)組成，三條支鏈相互垂直正交布置，每條支鏈的結構相同，由滾珠絲桿(21)和兩個萬向鉸鏈(20)組成，滾珠絲桿(21)由伺服電機(22)驅動；滾珠絲桿(21)一端連接于固定平臺支柱(19)，另一端連接第一個萬向鉸鏈(20)；與滾珠絲桿(21)相連的萬向鉸鏈(20)的通過直桿(24)連接第二個萬向鉸鏈(20)，第二個萬向鉸鏈(20)的另一端則與工作臺(23)或超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)的回轉主軸(4)外殼相連，且支鏈的初始位置為直線布置。
2、 根據(jù)權利要求l所述的一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，其特征在于變 幅桿(7)為梯形振幅放大桿。
3、 根據(jù)權利要求l所述的一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，其特征在于壓 電陶瓷片(11)為PZT-8型或者Fc型鋯鈦酸鉛陶瓷材料。
4、 根據(jù)權利要求l所述的一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，其特征在于回 轉主軸(4)通過軸承(3)與主軸外殼(5)接觸，軸承(3)兩側由端蓋(2)和端蓋(6)固定。
專利摘要一種三自由度微小孔超聲振動鉆削并聯(lián)機床，涉及機械加工技術領域。其由工作臺、超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)和三自由度并聯(lián)機構組成。超聲振動鉆削主軸系統(tǒng)包括高速電機、夾心式換能器、變幅桿、精密鉆夾頭。高速電機的輸出軸通過法蘭與套筒主軸連接，進而帶動鉆頭高速旋轉，同時夾心式換能器產(chǎn)生超聲軸向振動，實現(xiàn)微小孔的振動切削。三自由度并聯(lián)機構由三條相同的支鏈組成，每條支鏈的結構為3-PUU，P代表移動副，U代表萬向鉸鏈，各個運動副間用一定長度的桿連接。該三平移并聯(lián)機構豎直方向的平移作為鉆頭工作的進給，水平方向的兩個平移作為鉆削時孔的定位。本實用新型精度高、結構簡單，加工制造安裝方便，能滿足難加工材料的微小孔加工要求。
文檔編號B23B39/00GK201040319SQ20072003757
公開日2008年3月26日 申請日期2007年5月21日 優(yōu)先權日2007年5月21日
發(fā)明者仲棟華, 曲海軍, 磊 王, 王貴成, 馬履中 申請人:江蘇大學