基于三壓電驅(qū)動的橢圓振動切削輔助裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超精密切削加工，特別是涉及一種三壓電驅(qū)動的大行程橢圓振動切削 輔助裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著生產(chǎn)與科技的發(fā)展，近年來，一些硬脆材料，特別是一些非金屬材料，由于其 具有優(yōu)良的性能而被廣泛應(yīng)用在電子、光學(xué)、儀器儀表、航天和民用工業(yè)等領(lǐng)域，硬脆材料 的精密和超精密加工非常困難，傳統(tǒng)的加工方法如磨削等已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對 精度的要求，因此具有優(yōu)良性能的硬脆材料精密、超精密加工技術(shù)作為一個新的課題已經(jīng) 成為眾多學(xué)者普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0003] 眾多學(xué)者的研宄表明，尋求一種新的加工方法對于改善硬脆材料的精密、超精密 加工是十分可行的。1927年美國物理學(xué)家R. W. Wood及L. A. Loomis發(fā)表的全世界第一篇關(guān) 于超生加工原理的論文揭開了超聲加工的序幕，日本在20世紀(jì)50年代初期，為了研宄超聲 振動切削還專門成立了振動切削研宄所，50年代末60年代初蘇聯(lián)和美國也開始了超聲加 工的研宄工作。這些國家的研宄成果表明超聲振動切削在對改善一些材料的加工上具有顯 著的效果。隨著1993年名古屋大學(xué)的社本英二教授等人首次提出二維振動切削（即橢圓 振動切削Elliptical Vibration Cutting，以下簡稱EVC)，為難加工材料找到了一種相比 一維振動切削更加有效的切削方式，相比于一維振動切削，EVC具有降低切削溫度，更好改 善刀具壽命，抑制毛刺生成等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此一些超聲EVC裝置應(yīng)運(yùn)而生，超聲EVC -般 是利用兩個相互平行或垂直的變幅桿驅(qū)動刀具，雖然超聲EVC利用共振的特性能夠達(dá)到很 高的振動切削頻率，但是受限于變幅桿的設(shè)計、缺乏柔性等特點(diǎn)使其相對較難控制，利用壓 電疊堆（PZT)驅(qū)動柔性鉸鏈的非共振型EVC雖然實現(xiàn)了參數(shù)的可調(diào)，但是對于一些自由曲 面的加工方面具有一定的局限性，基于上述這些不足，學(xué)者們設(shè)計了三維橢圓振動切削（3D EVC)，3D EVC同樣分為共振型和非共振型兩種，共振型3D EVC同樣存在由于刀桿設(shè)計的問 題難以獲得高階模態(tài)、采用開環(huán)控制無法獲得真橢圓運(yùn)動軌跡、振動頻率和橢圓運(yùn)動參數(shù) 依賴于刀桿的非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)參數(shù)等不足，相比于共振型3D EVC非共振型3D EVC能 夠通過控制壓電疊堆的輸入信號來得到不同軌跡的三維橢圓運(yùn)動，在繼承EVC優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ) 上，非共振3D EVC實現(xiàn)了參數(shù)可控，能夠?qū)崿F(xiàn)空間任意橢圓運(yùn)動等優(yōu)點(diǎn)，被學(xué)者們認(rèn)為是目 前最有前途的一種切削加工方式。
[0004] 目前已有部分學(xué)者針對非共振型3D EVC裝置進(jìn)行了設(shè)計，其設(shè)計原理主要包括 四壓電驅(qū)動型和三壓電驅(qū)動型。針對本發(fā)明的設(shè)計原理三壓電驅(qū)動的非共振三維橢圓振 動切削裝置專利可查的有：專利（CN102059575A)提及的一種金剛石切削刀具橢圓運(yùn)動 生成裝置，雖然在三垂直壓電的驅(qū)動下刀尖處形成了三維橢圓運(yùn)動軌跡，但是由于其刀座 人工裝配問題，在壓電直接高頻驅(qū)動刀座的情況下容易使得刀座跑偏，穩(wěn)定性不強(qiáng)。專利 (CN102371359A)提及的一種三維橢圓振動切削裝置由于采用了雙軸柔性鉸鏈，使得工作過 程中雙軸柔性鉸鏈兩個運(yùn)動方向存在較大的運(yùn)動串?dāng)_。專利（CN104001943A)提及的一種 三維橢圓振動車削刀架采用了截面為正方形的柔順單元，雖然通過x/y兩向旋轉(zhuǎn)與z向移 動實現(xiàn)了三維橢圓運(yùn)動軌跡，但是難以保證裝置的柔性。專利（CN103611988A)提及的一種 非共振三維橢圓金剛石振動切削柔性裝置，雖然具有較好的裝配精度與運(yùn)動單向性，但是 采用的平行絲桿機(jī)構(gòu)在高頻往復(fù)運(yùn)動過程中由于應(yīng)力存在而容易產(chǎn)生疲勞失效，很難保證 裝置的使用壽命。
[0005] 因此，雖然已經(jīng)有學(xué)者設(shè)計出了相應(yīng)的非共振3D EVC切削裝置，但是三維EVC領(lǐng) 域還處于待深入研宄階段，所研制的裝置依然存在著穩(wěn)定性差，使用壽命短，行程小，振動 頻率低等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于三壓電驅(qū)動的大行程橢圓振動切削輔 助裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中橢圓振動切削輔助裝置使用壽命短、加工行程小、振動頻率低等 問題。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：
[0008] 基于三壓電驅(qū)動的橢圓振動切削輔助裝置，該裝置包括支撐機(jī)構(gòu)1、柔順導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 2和驅(qū)動機(jī)構(gòu)3,所述柔順導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2和驅(qū)動機(jī)構(gòu)3固定在支撐機(jī)構(gòu)1上，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)3 以點(diǎn)接觸方式驅(qū)動柔順導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2 ;
[0009] 所述柔順導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2包括第一鉸鏈支撐塊24、第二鉸鏈支撐塊25、矩形框21以及 對稱設(shè)置在矩形框21上的第一鉸鏈組26、第二鉸鏈組27、第三鉸鏈組28和第四鉸鏈組29 ; 第一鉸鏈組26的一端和第二鉸鏈組27的一端固定在矩形框21上，第一鉸鏈組26的另一 端和第二鉸鏈組27的另一端固定在第一鉸鏈支撐塊24上；第三鉸鏈組28的一端和第四鉸 鏈組29的一端固定在矩形框21上，第三鉸鏈組28的另一端和第四鉸鏈組29的另一端固 定在第二鉸鏈支撐塊25上，所述第一鉸鏈支撐塊24和第二鉸鏈支撐塊25固定在支撐機(jī)構(gòu) 1上；第一鉸鏈支撐塊24、第二鉸鏈支撐塊25、矩形框21以及對稱設(shè)置在矩形框21上的第 一鉸鏈組26、第二鉸鏈組27、第三鉸鏈組28和第四鉸鏈組29形成復(fù)合雙平行四桿機(jī)構(gòu)；所 述矩形支撐框21進(jìn)一步設(shè)有帶有刀具卡槽23的組合柔性鉸鏈22,所述刀具卡槽23位于 矩形支撐框21的幾何中心，所述組合柔性鉸鏈22包括串聯(lián)柔性鉸鏈221和復(fù)合柔性鉸鏈 222,所述串聯(lián)柔性鉸鏈221和復(fù)合柔性鉸鏈222的一端的連接點(diǎn)位于所述道具卡槽23處， 復(fù)合柔性鉸鏈222的另一端固定在矩形框21上；
[0010] 所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)3包括固定在支撐機(jī)構(gòu)1上的第一壓電疊堆31、第二壓電疊堆32和 第三壓電疊堆33 ;
[0011] 所述第一壓電疊堆31驅(qū)動柔順導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2在X方向做往復(fù)運(yùn)動，所述第二壓電疊 堆32和第三壓電疊堆33以交錯驅(qū)動的方式驅(qū)動柔順導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2合成yz面上的橢圓軌跡。
[0012] 優(yōu)選的，所述第一鉸鏈組26包括第一鉸鏈261和第二鉸鏈262 ;所述第一鉸鏈261 的一端和第二鉸鏈262的一端固定連接，所述第一鉸鏈261的另一端和第二鉸鏈262的另 一端分別固定在第一鉸鏈支撐塊24和矩形框21上，所述第一鉸鏈261和第二鉸鏈262平 行放置；
[0013] 所述第二鉸鏈組27包括第三鉸鏈271和第四鉸鏈272,所述第三鉸鏈271的一端 和第四鉸鏈272的一端固定連接，所述第三鉸鏈271的另一端和第四鉸鏈272的另一端分 別固定在第一鉸鏈支撐塊24和矩形框21 ;所述第三鉸（27)和第四鉸（272平行放置； [0014] 所述第三鉸鏈組28包括第五鉸鏈281和第六鉸鏈282,所述第五鉸鏈（281)的一 端和第六鉸鏈282的一端固定連接，所述第五鉸鏈281的另一端和第六鉸鏈282的另一端 分別固定在第二鉸鏈支撐塊25和矩形框21 ;所述第五鉸鏈281和第六鉸鏈282平行放置；
[0015] 所述第四鉸鏈組29包括第七鉸鏈291和第八鉸鏈292,所述第七鉸鏈291的一端 和第八鉸鏈292的一端固定連接，所述第七鉸鏈291的另一端和第八鉸鏈292的另一端分 別固定在第二鉸鏈支撐塊25和矩形框21 ;所述第七鉸鏈291和第八鉸鏈292平行放置。
[0016] 優(yōu)選的，所述柔順導(dǎo)向機(jī)構(gòu)為線切割加工的一體結(jié)構(gòu)。
[0017] 優(yōu)選的，所述支撐機(jī)構(gòu)1包括底座11、頂蓋板12以及設(shè)置在底座11和頂蓋板12 之間的用于固定柔順導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2的左側(cè)立板13和右側(cè)立板14 ;所述左側(cè)立板13和右側(cè)立 板14靠近柔順導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2的一側(cè)設(shè)有用于定位支撐所述第一鉸鏈支撐塊24和第二鉸鏈支 撐塊25的定位凸臺；所述右側(cè)立板14上設(shè)有用于放置第一壓電疊堆31的第一壓電疊堆定 位螺孔141。
[0018] 優(yōu)選的，所述底座11與左側(cè)立板13和右側(cè)立板14形成U型的支撐結(jié)構(gòu)，所述底 座11上設(shè)有與外部設(shè)備固定的至少三個底座定位孔111。
[0019] 優(yōu)選的，所述支撐機(jī)構(gòu)1進(jìn)一步包括固定在左側(cè)立板13和右側(cè)立板（14)上的前 蓋板15,所述前蓋板15設(shè)置有用于容納所述刀具卡槽的空口 153。
[0020] 優(yōu)選的，所述支撐機(jī)構(gòu)1進(jìn)一步包括固定在所述左側(cè)立板13和右側(cè)立板14上的 后蓋板16,所述后蓋板上設(shè)有用于放置第二壓電疊堆32的第二壓電疊堆定位螺孔161和用 于放置第三壓電疊堆33的第三壓電疊堆定位螺孔163。
[0021] 優(yōu)選的，該裝置進(jìn)一步包括用于檢測三組壓電疊堆位移的檢測單元4。
[0022] 優(yōu)選的，該檢測單元4包括第一電容位移傳感器41、第二電容位移傳感器42和第 三電容位移傳感器43。
[0023] 優(yōu)選的，所述支撐機(jī)構(gòu)1進(jìn)一步包括
[0024] 設(shè)置在左側(cè)立板13上的用于放置第一電容位移傳感器41的第一固定卡盤133 ;
[0025] 設(shè)置在后蓋板16上用于放置第二電容位移傳感器42和第三電容位移傳感器43 的第二固定卡盤167和第三固定卡盤168。
[0026] 本發(fā)明的有益效果如下：