一种快速伺服刀架论文和设计-张略

全文摘要

本实用新型公开了一种快速伺服刀架，用于微结构表面超精密切削，包括刀具安装架，刀具安装架设有刀具和用于驱动刀具进给切削的驱动部，刀具上设有用于在接收电压时对刀具施加作用力、以抑制颤振的压电制件。本申请提供的快速伺服刀架利用压电制件的逆压电效应补偿刀具的振动，实现对刀具加工时的颤振控制，降低了废件的产生，同时减少了刀具的磨损，且不改变与刀具轨迹设计相关的切削参数，适应更多复杂面型的刀具轨迹设计与超精密切削，有效提高了微结构表面切削加工精度。

主设计要求

1.一种快速伺服刀架，其特征在于，用于微结构表面的超精密切削，包括刀具安装架(7)，所述刀具安装架(7)设有刀具(2)和用于驱动刀具(2)进给切削的驱动部，所述刀具(2)上设有用于在接收电压时对所述刀具(2)施加作用力、以抑制颤振的压电制件(1)，所述压电制件(1)包括压电片和用于向所述压电片施加补偿电压的控制器，所述补偿电压激励所述压电片产生的振动与所述刀具(2)的颤振对应，以抑制所述刀具(2)的颤振。

设计方案

2.根据权利要求1所述的快速伺服刀架，其特征在于，所述刀具安装架(7)包括与所述刀具(2)固定连接的固定架和用于与车床连接的连接架，所述固定架和所述连接架之间设有用于限制所述刀具(2)直线移动的柔性铰链(4)。

3.根据权利要求2所述的快速伺服刀架，其特征在于，所述驱动部为压电陶瓷(6)，所述压电陶瓷(6)和所述固定架之间设有用于避免所述压电陶瓷(6)承受径向力的浮动接头(5)。

4.根据权利要求3所述的快速伺服刀架，其特征在于，所述连接架设有安装孔，所述压电陶瓷(6)远离所述刀具(2)的一端设于所述安装孔中、并通过预紧螺母(8)与所述连接架固定。

5.根据权利要求4所述的快速伺服刀架，其特征在于，所述刀具(2)和所述固定架设有位置对应的定位孔，所述定位孔设有用于限制所述刀具(2)安装位置的定位销(3)。

6.根据权利要求5所述的快速伺服刀架，其特征在于，沿所述压电陶瓷(6)的长度方向并排设置有两个铰链组，每个所述铰链组均包括两个对称分布在所述固定架对侧的所述柔性铰链(4)。

7.根据权利要求1所述的快速伺服刀架，其特征在于，所述压电片与所述刀具(2)粘接固定。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及微结构加工技术领域，更具体地说，涉及一种快速伺服刀架。

背景技术

微结构表面是指具有亚微米级面形精度、纳米级表面粗糙度的微小几何形状的表面，由于其具有体积小、质量轻、造价低等优点，并且能够实现普通元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波前转换等新功能，使其在生物、光学、力学等领域都具有重要的应用价值。

目前用于微结构表面的加工方法较多，其中金刚石超精密切削加工由于具有能够加工光滑连续的非回转对称三维结构、加工材料多样、加工效率高、无需后续抛光等显著优势，已经成为微结构表面制造的一项热点研究技术。其中金刚石加工包括：飞切加工、慢速滑板伺服加工和快速伺服刀具加工(Fast Tool Servo，FTS)。快速刀具伺服加工技术是在普通T型车床上附加一个FTS模块，这个模块在加工过程中驱动刀具沿Z方向产生高频响、短行程的快速精密进刀运动，配合车床其它轴的运动，来完成复杂面形零件的精密高效加工。由于在微结构表面加工中，切削速度和背吃刀量是一个时变量，因此会引起动态切削力的变化，使切削过程不稳定，导致加工的面型精度和表面粗糙度达不到预定要求，严重时更会导致刀具损坏，同时切削稳定域对切削参数的要求也限制了复杂面型(如非回转对称表面、自由曲面等)的刀具轨迹设计和切削。

综上所述，如何提供一种能够面向多种复杂面型、加工精度高、刀具不易磨损的快速伺服刀架，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种快速伺服刀架，其能够减少废件的产生，延长刀具的使用寿命。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种快速伺服刀架，用于微结构表面的超精密切削，包括刀具安装架，所述刀具安装架设有刀具和用于驱动刀具进给切削的驱动部，所述刀具上设有用于在接收电压时对所述刀具施加作用力、以抑制颤振的压电制件。

优选的，所述刀具安装架包括与所述刀具固定连接的固定架和用于与车床连接的连接架，所述固定架和所述连接架之间设有用于限制所述刀具直线移动的柔性铰链。

优选的，所述驱动部为压电陶瓷，所述压电陶瓷和所述固定架之间设有用于避免所述压电陶瓷承受径向力的浮动接头。

优选的，所述连接架设有安装孔，所述压电陶瓷远离所述刀具的一端设于所述安装孔中、并通过预紧螺母与所述连接架固定。

优选的，所述刀具和所述固定架设有位置对应的定位孔，所述定位孔设有用于限制所述刀具安装位置的定位销。

优选的，沿所述压电陶瓷的长度方向并排设置有两个铰链组，每个所述铰链组均包括两个对称分布在所述固定架对侧的所述柔性铰链。

优选的，所述压电制件包括压电片和用于向所述压电片施加补偿电压的控制器，所述补偿电压激励所述压电片产生的振动与所述刀具的颤振对应，以抑制所述刀具的颤振。

优选的，所述压电片与所述刀具粘接固定。

本实用新型提供的快速伺服刀架包括刀具、驱动部和与二者连接的刀具安装架，刀具上设置有压电制件，压电制件能够接收电压，并平衡颤振对刀具的作用力。由于快速伺服刀架在刀具上设置压电材料制成的压电制件，在使用过程中，压电制件在逆压电效应的影响下，会将接收到的电压转化为机械应力。当刀具在进给过程中产生颤振时，机械应力对颤振进行补偿，减弱刀具的振动，从而提高刀具的加工精度及加工质量，同时也减少刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所提供的快速伺服刀架的结构示意图；

图2为本实用新型所提供的车削颤振动力学模型的结构示意图。

图1～2中的附图标记为：

压电制件1、刀具2、定位销3、柔性铰链4、浮动接头5、压电陶瓷6、刀具安装架7、预紧螺母8。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种快速伺服刀架，其能够实现对刀具加工时的颤振控制，适应更多复杂微结构面型的刀具轨迹设计与超精密切削。

请参考图1～2，图1为本实用新型所提供的快速伺服刀架的结构示意图；图2为本实用新型所提供的车削颤振动力学模型的结构示意图。

本实用新型提供了一种快速伺服刀架，用于微结构表面的超精密切削，包括刀具安装架7，刀具安装架7设有刀具2和用于驱动刀具2进给切削的驱动部，刀具2上设有用于在接收电压时对刀具2施加作用力、以抑制颤振的压电制件1。

具体的，刀具安装架7用于固定刀具2、驱动部等部件，在工作过程中，其与车床连接，并在车床的控制下移动和\/或转动。驱动部通过刀具安装架7与刀具2相连，并为刀具2提供快速进刀的动力；另外，驱动部优选采用具有响应快、加速度高、频响范围宽等优点的压电陶瓷6。

压电制件1采用压电材料制成，其能够实现机械振动和交流电的相互转换。压电制件1可以具体包括压电片或其他压电材料制成的元件，其通过粘接的方式与刀具2固定；另外，压电制件1还包括能够为压电片施加补偿电压的控制器，补偿电压激励压电片产生振动，且产生振动的振幅和频率分别与刀具2颤振的振幅和频率对应。在使用过程中，控制器在压电制件1上施加与颤振对应的补偿电压，压电制件1将受到的补偿电压转化为机械应力，而机械应力与刀具2产生的颤振对应、并对颤振进行抵消，从而减弱刀具2的振动。

需要说明的是，在实际加工过程中，用户需要先根据待加工的微结构表面进行刀具轨迹规划，利用仿真软件对刀具2切削作业过程中发生颤振时的切削情况进行模拟，仿真实验可以具体通过图2提供的质量弹簧阻尼模型来进行。利用仿真实验得到振动图像或其他能够示意刀具2颤振情况的颤振信息，颤振信息与压电制件1对刀具2的作用力相对应，进而根据颤振信息计算出对应的补偿电压，即用于抑制振动所需给压电制件1施加的电压值。在加工过程中，控制器在压电制件1上施加补偿电压，即可利用压电材料的逆压电效应实现刀具2的补偿。

可以理解的，图2所示的质量弹簧阻尼模型中，k为等效刚度，c为等效阻尼，F(t)为切削力，θ为切削角，h_{0<\/sub>为名义切削厚度，h(t)为动态切削厚度，x(t)为本次切削产生的振纹，x(t-T)为上次切削产生的振纹。}

另外，控制器对压电片施加补偿电压的过程中，控制器可以采用开环控制的工作方式，即控制器根据仿真实验得到的颤振信息，按照预设电压对压电片施加补偿电压。控制器也可以采用闭环控制的工作方式，即压电制件1还包括能够感应刀具2振动情况的感应器，控制器根据感应器的监测结果对压电片施加补偿电压。控制器的工作原理和具体电路结构可参考现有技术。

本申请提供的快速伺服刀架在刀具2上设置有压电制件1，利用压电制件1进行前馈控制实现加工时的颤振控制，有效提高了微结构表面切削加工精度，同时也减少了刀具2的磨损，延长了刀具2的使用寿命。另外，本申请提供的快速伺服刀架不改变与刀具轨迹设计相关的切削参数，适应更多复杂面型的刀具轨迹设计与超精密切削。

值得注意的是，在实际使用时，还需要对快速伺服刀架进行模态分析，并控制快速伺服刀架的工作频率远离固有频率，从而避免共振的发生。

可选的，为了优化快速伺服刀架的使用效果，本申请提供的一种实施例中，刀具安装架7包括与刀具2固定连接的固定架和用于与车床连接的连接架，固定架和连接架之间设有用于保证刀具2直线移动、消除切向应力的柔性铰链4。

具体的，固定架与刀具2通过螺栓或定位销3等结构固定连接；连接架为框架式结构，其在车床的控制下带动固定架、驱动部、刀具2等部件共同移动。驱动部通过柔性铰链4实现刀具2的进给，从而保障刀具2位移方向的直线性。

考虑到驱动部为压电陶瓷6，其对拉力、扭力、剪切力较为敏感，直接驱动刀具2的进给运动会造成压电陶瓷6损坏，本申请采用双平行柔性铰链，主要用于消除驱动部在非功能方向上(即切向)的载荷，柔性铰链4的数量可以为四个、八个或其他数量。以四个柔性铰链4为例，在实际装配时，每两个柔性铰链4为一个铰链组，两个铰链组沿刀具2给进方向并排设置，且同一个铰链组中的两个柔性铰链4对称分布在固定架的对侧。

进一步的，为保证刀具2的直线进给运动的有效传递，减小装配误差对径向位移传递的影响，本申请提供的一种实施例中，刀具安装架7和压电陶瓷6之间设置有浮动接头5。具体的，压电陶瓷6呈柱状，其轴线与刀具2的进给方向保持一致，浮动接头5设置在压电陶瓷6和固定架之间。在实际装配过程中，浮动接头5朝向压电陶瓷6的一侧设置螺纹孔，相应的，压电陶瓷6的第一端加工有与螺纹孔配合固定的外螺纹。另外，浮动接头5远离压电陶瓷6的一侧设置螺杆、并与固定架螺纹固定。

可选的，本申请提供的一种实施例中，连接架设有安装孔，压电陶瓷6远离刀具2的一端设于安装孔中、并通过预紧螺母8与连接架固定。具体的，在安装过程中，可以直接在压电陶瓷6的第二端加工外螺纹，相应的，刀架设有安装孔，压电陶瓷6第二端伸入至安装孔中，预紧螺母8与连接架相抵、并使压电陶瓷6具有一定预紧力。

可选的，本申请提供的一种固定刀具2的实施例中，刀具2和固定架设有位置对应的定位孔，定位孔设有用于限制刀具2安装位置的定位销3。具体的，刀具2设有第一定位孔，固定架设有第二定位孔，第一定位孔与第二定位孔的位置一一对应、并连通成为完整的定位孔，两个定位销3分别伸入至两个定位孔中，实现刀具2与刀具安装架7的组装。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本实用新型所提供的快速伺服刀架进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

设计图

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