一種高速、高精度五軸超聲加工工具機的製作方法

2023-10-09 13:51:24

本發明涉及機械加工領域，具體涉及一種高速、高精度五軸超聲加工工具機。

背景技術：

隨著航空航天、信息與電子、光學等高端行業的發展，機械設備對材料的性能要求越來越高。硬脆材料以其優異的物理和化學性能在這些領域的應用越來越廣泛，而且要求的精度越來越高。傳統的加工方式越來越不能滿足其加工要求。超聲加工是一種非熱、非導電、非化學並不改變工件材料理化性能的加工方式，可有效避免熱損傷和微細龜裂的產生，幾乎適用於任何硬脆材料；該加工方式中工具受到的切削力較小，散熱快，故其在陶瓷、矽、光學玻璃等硬脆材料加工方面具有得天獨厚的優勢。

專利cn206263736公開了一種五軸超聲拋光工具機，該工具機採用l型開式結構，受力不對稱，而且當主軸箱部分受熱時對主軸位置精度影響較大，加工精度較低，不能實現精密和超精密加工，該工具機只能實現拋光加工。另外，該工具機結構並沒有詳細說明變幅杆是如何實現旋轉的。

專利cn106736992a公開了一種五軸超聲拋光工具機，該工具機也是採用開式結構，而且傳動鏈長，剛度差，受力情況不好，而且該工具機結構中拋光頭不能旋轉，加工效率勢必會降低許多。

技術實現要素：

根據上述提出的技術問題，而提供一種高速、高精度五軸超聲加工工具機。本發明採用的技術手段如下：

一種高速、高精度五軸超聲加工工具機，包括床身裝置、刀庫裝置、主軸頭裝置和工作檯裝置；

所述床身裝置包括龍門架和底座，所述龍門架包括兩個對稱設置的門型支架和橫梁，所述橫梁的兩端分別通過直線電機與所述門型支架的上端連接，所述直線電機驅動所述橫梁沿垂直於所述橫梁軸線方向水平位移(y軸方向)，所述橫梁的中部下端設有旋轉伸縮電機，所述旋轉伸縮電機的輸出端設有機械手，所述旋轉伸縮電機驅動所述機械手沿豎直方向伸縮和水平旋轉，所述機械手包括水平固定杆和位於所述水平固定杆兩端的第一半圓形夾持部和第二半圓形夾持部，所述第一半圓形夾持部的開口方向與所述第二半圓形夾持部的開口方向相反，所述第一半圓形夾持部的開口連線和所述第二半圓形夾持部的開口連線均與所述水平固定杆的軸線平行且位於同一水平面內，所述門型支架的上端還設有用於所述橫梁的位置反饋的光柵尺，所述光柵尺位於所述直線電機的外側，所述門型支架的下端與所述底座固定連接，所述底座上還設有兩個與所述橫梁軸線平行的水平導軌，所述水平導軌上設有滑塊；

用所述光柵尺作為位置反饋裝置，構成全閉環反饋系統，確保最高精度及部件精度。

所述直線電機包括定子和動子，所述定子與所述門型支架固定連接，所述動子與所述橫梁固定連接。

所述刀庫裝置包括刀庫支座、步進電機和刀盤，所述刀庫支座的兩端分別通過螺釘與所述門型支架的後端連接，所述步進電機通過電機安裝支架與所述刀庫支座的中部上端連接，所述步進電機的輸出軸通過聯軸器與所述刀盤的旋轉中心連接並驅動所述刀盤在水平面旋轉，所述刀盤外沿設有多個刀具架，所述刀具架包括一端與所述刀盤外沿連接的連接杆，所述連接杆的另一端設有第三半圓形夾持部，所述連接杆的軸線所在直線經過所述刀盤的旋轉中心，所述第三半圓形夾持部的開口連線與所述連接杆的軸線平行且位於所述刀盤所在水平面內，所述刀盤的水平旋轉軸與所述機械手的水平旋轉軸位於同一豎直平面內，所述橫梁的軸線垂直於所述豎直平面，所述第一半圓形夾持部的軸線和所述第二半圓形夾持部的軸線所在旋轉圓柱面與所述第三半圓形夾持部的軸線所在旋轉圓柱面相切，所述第三半圓形夾持部的開口方向與旋轉至其軸線位置的所述第一半圓形夾持部或所述第二半圓形夾持部的開口方向相一致；

所述主軸頭裝置包括電主軸和安裝架，所述安裝架有後板、左側板、右側板和底板組成，所述電主軸的外壁套接有兩個沿所述電主軸的軸線分布的夾緊座，所述夾緊座分別與所述後板的內壁固定連接，並通過所述左側板的內壁和所述右側板的內壁限位，位於最下方的所述夾緊座與所述底板的上表面貼合，所述底板的下表面設有外固定圈，所述外固定圈的軸線與所述電主軸的軸線位於同一直線上，所述電主軸的軸線位於所述豎直平面內，所述安裝架的外壁設有驅動所述電主軸沿其軸線移動的第一驅動裝置，所述第一驅動裝置與所述橫梁固定連接；

所述第三半圓形夾持部和所述電主軸的輸出端分別設有刀具裝配體，所述刀具裝配體的軸線與其連接的所述第三半圓形夾持部的軸線位於同一直線，與所述電主軸的輸出端連接的所述刀具裝配體的上端穿過所述外固定圈與所述電主軸的輸出端夾緊連接；

所述工作檯裝置包括固定在所述滑塊上的水平工作檯，所述底座上還設有驅動所述水平工作檯沿所述水平導軌移動的第二驅動裝置，所述水平工作檯上還設有搖籃式擺動工作檯。

所述搖籃式擺動工作檯可以提供a軸擺動和c軸轉動的自由度，其上放置工件。

所述刀具裝配體沿其軸線從下到上依次設有刀具，er螺母、變幅杆、換能器、刀柄和拉釘，所述刀具裝配體還包括套筒，所述套筒的上部內壁與所述刀柄的外壁螺紋連接，所述套筒的下端與位於所述變幅杆外壁上的變幅杆軸肩上表面固定連接，所述套筒的外壁具有套筒軸肩，所述套筒軸肩的上表面設有內線圈，所述套筒的外壁設有用於定位所述內線圈的軸用彈性擋圈，所述刀具的固定杆通過刀夾與所述er螺母的內壁連接，所述變幅杆呈階梯軸狀，所述階梯軸狀變幅杆的大端面與所述換能器的端部緊密貼合，所述er螺母與所述階梯軸狀變幅杆的小軸段的外壁螺紋連接，所述變幅杆軸肩位於所述階梯軸狀變幅杆的大軸段的下部側壁上，所述刀具的固定杆的端部與所述階梯軸狀變幅杆的小端面緊密貼合，與所述電主軸的輸出端連接的所述刀具裝配體通過所述刀柄與所述電主軸的輸出端夾緊連接；

所述外固定圈的上端具有所述電主軸的定位槽，所述外固定圈具有與所述夾緊槽連通的階梯孔，所述階梯孔的臺階面上設有外線圈，所述階梯孔的孔壁還設有用於定位所述外線圈的孔用彈性擋圈；

工作狀態下，當所述拉釘與所述電主軸的輸出端拉緊時，所述內線圈與所述外線圈位於同一水平面上且間隙配合(保證所述刀具裝配體旋轉時不會有幹涉)，所述電主軸的輸出端帶動所述刀具裝配體高速旋轉。

所述內線圈和所述外線圈構成非接觸式供電方式給換能器供電，其原理類似於變壓器，超聲波發生器將電信號傳送給外線圈，通過電磁感應，在內線圈上產生電信號，然後內線圈通過導線將該電信號傳送給換能器。

每個所述刀具裝配體所對應的所述刀具各不同，包括鑽頭、銑刀、拋光頭，探針等。

所述拉釘用於所述刀具裝配體進入所述電主軸的輸出端後拉緊整個所述刀具裝配體，從而保證所述刀具裝配體穩定的高速旋轉。

所述第一驅動裝置包括兩個相對設置的滾珠絲槓滑臺，所述滾珠絲槓滑臺包括第一底座固定板和第一滾珠絲槓滑塊，所述第一底座固定板上依次設有第一下立板、第一上立板和第一電機支架，所述第一下立板和所述第一上立板之間設有第一絲槓和位於所述第一絲槓兩側的兩個第一光杆，所述第一絲槓分別通過第一滾動軸承與所述第一下立板和所述第一上立板連接，所述第一滾珠絲槓滑塊通過第一絲槓螺母套接在所述第一絲槓，所述第一滾珠絲槓滑塊還設有與所述第一光杆相匹配的第一通孔，所述第一電機支架上設有驅動所述第一滾珠絲槓滑塊沿所述第一絲槓的軸線移動的第一伺服電機，所述第一絲槓穿過所述第一上立板並通過第一梅花聯軸器與所述第一伺服電機的輸出端連接，所述第一底座固定板通過安裝支架與所述橫梁的上端固定連接，所述左側板和所述右側板分別與相對應的所述第一滾珠絲槓滑塊固定連接，所述第一伺服電機驅動所述第一滾珠絲槓滑塊從而驅動所述電主軸沿其軸線移動(z軸方向)。

所述第二驅動裝置包括第二底座固定板和第二滾珠絲槓滑塊，所述第二底座固定板上依次設有第二下立板、第二上立板和第二電機支架，所述第二下立板和所述第二上立板之間設有第二絲槓和位於所述第二絲槓兩側的兩個第二光杆，所述第二絲槓分別通過第二滾動軸承與所述第二下立板和所述第二上立板連接，所述第二滾珠絲槓滑塊通過第二絲槓螺母套接在所述第二絲槓，所述第二滾珠絲槓滑塊還設有與所述第二光杆相匹配的第二通孔，所述第二電機支架上設有驅動所述第二滾珠絲槓滑塊沿所述第二絲槓的軸線移動的第二伺服電機，所述第二絲槓穿過所述第二上立板並通過第二梅花聯軸器與所述第二伺服電機的輸出端連接，所述第二底座固定板與所述底座固定連接，所述水平工作檯的下表面與所述第二滾珠絲槓滑塊的上表面固定連接，所述第二伺服電機驅動所述第二滾珠絲槓滑塊從而驅動所述水平工作檯沿所述水平導軌移動(x軸方向)。

所述第一半圓形夾持部和所述第二半圓形夾持部內均具有電磁鐵，通電後可吸附在鐵性材料製成的所述套筒上。

與現有技術相比，本發明以性能持續穩定的龍門架為基礎，剛度高，受熱影響作用小，滿足高精度超聲加工要求；y軸採用直線電機雙驅動，用光柵尺作為位置反饋裝置，構成全閉環反饋系統，確保最高精度及部件精度；具有超聲功能的刀具裝配體對於斷屑及清除刀具上的切屑有特殊效果，斷屑的切屑更細小，顯著降低刀具磨損；

更確切地說，超聲加工硬脆材料，例如玻璃、陶瓷、剛玉，複合材料及硬質合金提高切除速度、高精度尖角加工並降低切削力達40％。在保持工件高精度和工藝可靠性的同時，大幅減小變形。此外，振動的斷續接觸改善切削刃的潤滑及冷卻並最佳地排出作用區的顆粒。這意味著更長刀具壽命和更高表面質量。本發明採用電主軸驅動刀具高速旋轉，通過非接觸式供電方式給換能器供電，將高速切削技術與高效超聲硬脆材料磨削加工技術集成為一體。並設計了刀庫裝置，採用旋轉伸縮電機和機械手實現快速換刀，可以在一次裝夾下實現多種超聲加工工藝或一次性完成粗、精加工；

採用基於工具機附件化的思想，增強了工具機的可重構性與模塊化，可實現多種對硬脆材料的加工工藝，比如超聲拋光、超聲磨削、超聲銑削、超聲攻絲、超聲鑽孔等，另外還可以用探針實現在線測量的功能。

基於上述理由本發明可在機械加工等領域廣泛推廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖做以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明的具體實施方式中一種高速、高精度五軸超聲加工工具機的結構示意圖。

圖2是本發明的具體實施方式中床身裝置的結構示意圖。

圖3是本發明的具體實施方式中刀庫裝置的結構示意圖。

圖4是本發明的具體實施方式中主軸頭裝置的結構示意圖。

圖5是本發明的具體實施方式中第二驅動裝置的結構示意圖。

圖6是本發明的具體實施方式中外固定圈與刀具裝配體的裝配示意圖。

圖7是圖6的a-a向剖視圖。

圖8是本發明的具體實施方式中工作檯裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

如圖1-圖8所示，一種高速、高精度五軸超聲加工工具機，包括床身裝置1、刀庫裝置2、主軸頭裝置3和工作檯裝置4；

所述床身裝置1包括龍門架和底座5，所述龍門架包括兩個對稱設置的門型支架6和橫梁7，所述橫梁7的兩端分別通過直線電機8與所述門型支架6的上端連接，所述直線電機8驅動所述橫梁7沿垂直於所述橫梁7軸線方向水平位移，所述橫梁7的中部下端設有旋轉伸縮電機9，所述旋轉伸縮電機9的輸出端設有機械手，所述旋轉伸縮電機9驅動所述機械手沿豎直方向伸縮和水平旋轉，所述機械手包括水平固定杆10和位於所述水平固定杆10兩端的第一半圓形夾持部11和第二半圓形夾持部12，所述第一半圓形夾持部11的開口方向與所述第二半圓形夾持部12的開口方向相反，所述第一半圓形夾持部11的開口連線和所述第二半圓形夾持部12的開口連線均與所述水平固定杆10的軸線平行且位於同一水平面內，所述門型支架6的上端還設有用於所述橫梁7的位置反饋的光柵尺13，所述光柵尺13位於所述直線電機8的外側，所述門型支架6的下端與所述底座5固定連接，所述底座5上還設有兩個與所述橫梁7軸線平行的水平導軌14，所述水平導軌14上設有滑塊15；

所述刀庫裝置2包括刀庫支座16、步進電機17和刀盤18，所述刀庫支座16的兩端分別通過螺釘與所述門型支架6的後端連接，所述步進電機17通過電機安裝支架19與所述刀庫支座16的中部上端連接，所述步進電機17的輸出軸通過聯軸器20與所述刀盤18的旋轉中心連接並驅動所述刀盤18在水平面旋轉，所述刀盤18外沿設有多個刀具架，所述刀具架包括一端與所述刀盤18外沿連接的連接杆21，所述連接杆21的另一端設有第三半圓形夾持部22，所述連接杆21的軸線所在直線經過所述刀盤18的旋轉中心，所述第三半圓形夾持部22的開口連線與所述連接杆21的軸線平行且位於所述刀盤18所在水平面內，所述刀盤18的水平旋轉軸與所述機械手的水平旋轉軸位於同一豎直平面內，所述橫梁7的軸線垂直於所述豎直平面，所述第一半圓形夾持部11的軸線和所述第二半圓形夾持部12的軸線所在旋轉圓柱面與所述第三半圓形夾持部22的軸線所在旋轉圓柱面相切，所述第三半圓形夾持部22的開口方向與旋轉至其軸線位置的所述第一半圓形夾持部11或所述第二半圓形夾持部12的開口方向相一致；

所述主軸頭裝置3包括電主軸23和安裝架，所述安裝架有後板24、左側板25、右側板26和底板27組成，所述電主軸23的外壁套接有兩個沿所述電主軸23的軸線分布的夾緊座28，所述夾緊座28分別與所述後板24的內壁固定連接，並通過所述左側板25的內壁和所述右側板26的內壁限位，位於最下方的所述夾緊座28與所述底板27的上表面貼合，所述底板27的下表面設有外固定圈29，所述外固定圈29的軸線與所述電主軸23的軸線位於同一直線上，所述電主軸23的軸線位於所述豎直平面內，所述安裝架的外壁設有驅動所述電主軸23沿其軸線移動的第一驅動裝置，所述第一驅動裝置與所述橫梁7固定連接；

所述第三半圓形夾持部22和所述電主軸23的輸出端分別設有刀具裝配體30，所述刀具裝配體30的軸線與其連接的所述第三半圓形夾持部22的軸線位於同一直線，與所述電主軸23的輸出端連接的所述刀具裝配體30的上端穿過所述外固定圈29與所述電主軸23的輸出端夾緊連接；

所述工作檯裝置4包括固定在所述滑塊15上的水平工作檯31，所述底座5上還設有驅動所述水平工作檯31沿所述水平導軌14移動的第二驅動裝置，所述水平工作檯31上還設有搖籃式擺動工作檯32。

所述刀具裝配體30沿其軸線從下到上依次設有刀具33，er螺母34、變幅杆35、換能器36、刀柄37和拉釘38，所述刀具裝配體30還包括套筒39，所述套筒39的上部內壁與所述刀柄37的外壁螺紋連接，所述套筒39的下端與位於所述變幅杆35外壁上的變幅杆軸肩40上表面固定連接，所述套筒39的外壁具有套筒軸肩41，所述套筒軸肩41的上表面設有內線圈42，所述套筒39的外壁設有用於定位所述內線圈42的軸用彈性擋圈43，所述刀具33的固定杆通過刀夾44與所述er螺母34的內壁連接，所述變幅杆35呈階梯軸狀，所述階梯軸狀變幅杆的大端面與所述換能器36的端部緊密貼合，所述er螺母34與所述階梯軸狀變幅杆的小軸段的外壁螺紋連接，所述變幅杆軸肩40位於所述階梯軸狀變幅杆的大軸段的下部側壁上，所述刀具33的固定杆的端部與所述階梯軸狀變幅杆的小端面緊密貼合，與所述電主軸23的輸出端連接的所述刀具裝配體30通過所述刀柄37與所述電主軸23的輸出端夾緊連接；

所述外固定圈29的上端具有所述電主軸23的定位槽45，所述外固定圈29具有與所述夾緊槽45連通的階梯孔46，所述階梯孔46的臺階面上設有外線圈47，所述階梯孔46的孔壁還設有用於定位所述外線圈47的孔用彈性擋圈48；

工作狀態下，當所述拉釘38與所述電主軸23的輸出端拉緊時，所述內線圈42與所述外線圈47位於同一水平面上且間隙配合。

所述第一驅動裝置包括兩個相對設置的滾珠絲槓滑臺，所述滾珠絲槓滑臺包括第一底座固定板49和第一滾珠絲槓滑塊50，所述第一底座固定板49上依次設有第一下立板51、第一上立板52和第一電機支架53，所述第一下立板51和所述第一上立板52之間設有第一絲槓54和位於所述第一絲槓54兩側的兩個第一光杆55，所述第一絲槓54分別通過第一滾動軸承56與所述第一下立板51和所述第一上立板52連接，所述第一滾珠絲槓滑塊50通過第一絲槓螺母57套接在所述第一絲槓54，所述第一滾珠絲槓滑塊50還設有與所述第一光杆55相匹配的第一通孔，所述第一電機支架53上設有驅動所述第一滾珠絲槓滑塊50沿所述第一絲槓54的軸線移動的第一伺服電機58，所述第一絲槓54穿過所述第一上立板52並通過第一梅花聯軸器與所述第一伺服電機58的輸出端連接，所述第一底座固定板49通過安裝支架59與所述橫梁7的上端固定連接，所述左側板25和所述右側板26分別與相對應的所述第一滾珠絲槓滑塊50固定連接。

所述第二驅動裝置包括第二底座固定板60和第二滾珠絲槓滑塊61，所述第二底座固定板60上依次設有第二下立板62、第二上立板63和第二電機支架64，所述第二下立板62和所述第二上立板63之間設有第二絲槓65和位於所述第二絲槓65兩側的兩個第二光杆66，所述第二絲槓65分別通過第二滾動軸承67與所述第二下立板62和所述第二上立板63連接，所述第二滾珠絲槓滑塊61通過第二絲槓螺母68套接在所述第二絲槓65，所述第二滾珠絲槓滑塊61還設有與所述第二光杆66相匹配的第二通孔，所述第二電機支架64上設有驅動所述第二滾珠絲槓滑塊61沿所述第二絲槓65的軸線移動的第二伺服電機69，所述第二絲槓65穿過所述第二上立板63並通過第二梅花聯軸器70與所述第二伺服電機69的輸出端連接，所述第二底座固定板60與所述底座5固定連接，所述水平工作檯31的下表面與所述第二滾珠絲槓滑塊61的上表面固定連接。

所述第一半圓形夾持部11和所述第二半圓形夾持部12內均具有電磁鐵。

當對某一個複雜曲面零件進行五軸加工時，先通過相應的編程軟體求解出刀位文件或g代碼，然後輸入數控系統中，數控系統向電機驅動模塊發出指令驅動工具機各運動軸開始運動，從而實現對零件的加工。x軸方向運動由第二驅動裝置驅動，y軸由兩個直線電機8同時驅動，z軸方向由第一驅動裝置驅動，a軸擺動和c軸旋轉由搖籃式擺動工作檯32實現，通過a軸擺動和c軸旋轉使刀具33軸線始終與工件曲面法線相重合。通過非接觸式供電裝置，向換能器36提供電源能量，並轉化為機械高頻振動，通過變幅杆35放大傳遞給刀具33，刀尖點始終處於高頻振動狀態，並結合高速旋轉運動，對工件進行加工。

當需要換刀時，電主軸23沿y軸方向運動，然後沿z軸運動到所述第一半圓形夾持部11的軸線和所述第二半圓形夾持部12的軸線所在旋轉圓柱面上，這段時間內刀盤18已經將帶有所需刀具33的所述刀具裝配體30旋轉至所述第一半圓形夾持部11的軸線和所述第二半圓形夾持部12的軸線所在旋轉圓柱面附近(不妨礙機械手旋轉的位置)，然後機械手旋轉，所述第二半圓形夾持部12(其內電磁鐵通電)夾持電主軸23上的所述刀具裝配體30，電主軸23鬆開拉釘38，旋轉伸縮電機9的輸出端伸出，拔出電主軸23上的所述刀具裝配體30，之後，刀盤18將帶有所需刀具33的所述刀具裝配體30旋轉至所述第一半圓形夾持部11的軸線和所述第二半圓形夾持部12的軸線所在旋轉圓柱面上並被所述第一半圓形夾持部11夾持(其內電磁鐵通電)，接下來，機械手旋轉180°，刀盤18將空著的第三半圓形夾持部22轉至所述第一半圓形夾持部11的軸線和所述第二半圓形夾持部12的軸線所在旋轉圓柱面上並夾持被換下的所述刀具裝配體30，所述第二半圓形夾持部12內的電磁鐵斷電，之後，刀盤18將帶有被換下的所述刀具裝配體30旋轉至所述第一半圓形夾持部11的軸線和所述第二半圓形夾持部12的軸線所在旋轉圓柱面附近(不妨礙機械手旋轉的位置)，旋轉伸縮電機9的輸出端縮回，將帶有所需刀具33的所述刀具裝配體30插入電主軸23，電主軸23拉緊拉釘38，所述第一半圓形夾持部11內的電磁鐵斷電，隨後機械手旋轉90°，停靠在橫梁7下，等待下一次換刀，此時換刀過程結束。

最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。