[發(fā)明專利]一種基于壓電陶瓷驅動的車削顫振抑制裝置

有效

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• 申請日: 2013-08-29
• 公開（公告）號: CN103433516A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發(fā)明（設計）人: 熊振華;徐夢楠;莊春剛
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23B25/00
• 分類號: B23B25/00;B23Q15/013
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 丁惠敏

技術領域

本發(fā)明涉及車削加工設備技術領域，尤其涉及一種基于壓電陶瓷驅動的車削顫振抑制裝置。

背景技術

機械加工是零件制造的一個重要環(huán)節(jié)，是保證實現(xiàn)工件表面幾何形狀和位置精度的關鍵所在。盡管金屬切削技術有了許多的進步，但加工精度和加工效率仍然受困于切削過程的不穩(wěn)定性。切削過程不穩(wěn)定會導致切削顫振。顫振是一種自激振動，它是由于切削過程的動態(tài)特性和機床—刀具—工件系統(tǒng)的模態(tài)特性之間的相互作用造成的。在實際加工中，不再認為刀具是絕對剛性的，那么切削時必然會引起刀具的變形。由于刀具既有質量也有剛度，所以會產生振動。如果刀具在切削材料時候發(fā)生振動，則工件表面會出現(xiàn)波紋。如何提高車削零件的加工質量和生產效率、降低加工過程中出現(xiàn)的顫振是機械制造業(yè)急需解決的問題。

對于車削加工中顫振的抑制，國內外研究人員進行了大量的研究。顫振抑制的類型多種多樣，主要分為主動抑制、被動抑制兩種方式。主動控制是指在振動控制過程中，根據(jù)傳感器檢測到的振動信號，基于一定的控制策略，經過實時計算，通過驅動作動器對控制目標施加一定的影響，根據(jù)不同的工況對控制參數(shù)進行在線調整，達到抑制或消除振動的目的。然而該方式成本高穩(wěn)定性差。

被動控制是通過增加切削系統(tǒng)剛度、阻尼或者附加被動動力吸振器來吸收振動來抑制顫振的方法，來達到車削加工中減振的效果。而該方式的主要缺點是設備經過設計加工后，各項性能參數(shù)就已固定，勢必受到它所附加在的主系統(tǒng)的自然頻率的制約，如有些顫振的發(fā)生是由于工件本身模態(tài)特性造成的，而工件在切削過程中由于不斷有金屬被切下來，它的自然頻率在不斷發(fā)生變化，基于它所設計的被動吸振器的吸振效果就會受到限制。

因此，本領域的技術人員致力于開發(fā)一種在切削加工中，控制范圍強、適應性強、能夠在線控制的顫振抑制系統(tǒng)。

發(fā)明內容

有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于壓電驅動器的車削顫振抑制裝置，根據(jù)壓電材料因電場作用產生機械變形、并且頻率響應很高的原理，將其應用于刀架上，在精密車削時，通過對刀具進行實時在線的位置調節(jié)，從而有效地抑制車削顫振的發(fā)生。

本發(fā)明解決上述技術問題的原理和思路是：研究發(fā)現(xiàn)，智能材料是指一類能夠隨外界環(huán)境變化進行瞬時主動響應的材料，它可以通過外加的某一刺激信號，改變材料的固有特性，并且具有可控性、可逆性及快速響應等特點。其中，壓電材料可以因電場作用產生機械變形，因此基于壓電陶瓷等智能材料驅動的快速伺服刀架系統(tǒng)可用于針對由于顫振導致的工件表面紋理缺陷進行主動控制抑制，利用它較高的響應頻率，極大提高了振動控制中執(zhí)行機構的響應速度。同時可通過計算機加載電信號來控制壓電材料的動態(tài)特性，迅速地改變被控系統(tǒng)對外界的干擾，從而達到抑制顫振的效果。因此，可以設想，基于壓電陶瓷驅動等智能材料驅動的快速伺服刀架可以提高加工過程的高頻定位精度，同時增強車床裝備在刀柄部位的局部剛度以達到抑制精密或超精密加工時的顫振發(fā)生的目的。

此外，快速伺服刀架用柔性鉸鏈有如運動平穩(wěn)、無需潤滑、無回退空程、無摩擦、自回復和高精度等特點。因此，利用柔性機構是傳遞與轉化壓電驅動器輸出力和位移的最適宜的方法。然而，傳統(tǒng)的柔性鉸鏈大多是雙柔性平行四桿機構，這種機構并不能應用于車削難加工零件加工中。這是因為在進行車削時，刀具受到很大的切削力，切削力分解為三個方向，這就必須要求刀具在每個方向上都要具有較大的剛度，同時整體刀架還需要有較大的一階自然頻率。因此，對于基于壓電陶瓷驅動等智能材料驅動的快速伺服刀架，需要配套開發(fā)出一種具有很高的結構剛度和一階自然頻率的新型柔性鉸鏈傳動機構。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于壓電陶瓷驅動的車削顫振抑制裝置，包括刀架、壓電陶瓷驅動器、法蘭盤、柔性連接頭、振動傳感器和控制器；刀架包括外圍框架、柔性鉸鏈、設置于柔性鉸鏈中間的傳動塊；外圍框架包括上安裝座、下安裝座和后安裝座；法蘭盤包括前置法蘭盤和后置法蘭盤；壓電陶瓷驅動器的前端通過柔性連接頭與前置法蘭盤的后端連接，前置法蘭盤的前端與刀架的前端連接；壓電陶瓷驅動器的后端通過后置法蘭盤與刀架的后端連接；控制器與振動傳感器和壓電陶瓷驅動器電連接；柔性鉸鏈的上部分和下部分分別具有一個彈性彎曲薄板。

進一步地，傳動塊的前端設置有定位凸臺，定位凸臺用于通過刀具轉接頭安裝刀具，從而保證所裝刀具的水平度。