[发明专利]变维振动辅助车削装置及其轨迹生成方法

权利要求书

1.一种变维振动辅助车削装置，其特征在于：

1.1柔性铰链并联结构

所述柔性铰链并联结构(1)包括第一支链(101)、第二支链(102)、第三支链(103)、第四支链(104)和刀座连接台(105)；四个支链结构完全相同呈中心对称方式分布在刀具安装台(105)周围；

每个支链结构均由单轴非对称直圆型柔性铰链(1042)、单轴矩形型柔性铰链(1045)、单轴对称直圆型柔性铰链(1046)和双轴直圆型柔性铰链(1048)、位移放大杆(1043)、位移输入杆(1044)、位移传递杆(1047)和支链固定块(1041)组成；

位移传递杆(1047)所在轴线则与刀座连接台(105)垂直，其截面形状均采用正方形；位移放大杆(1043)所在轴线与刀座连接台(105)平行，其截面形状均采用正方形；支链固定块(1041)位于位移放大杆(1043)外侧，其所在轴线与位移放大杆(1043)所在轴线重合，其截面形状均采用正方形；位移输入杆(1044)位于位移放大杆(1043)中部下方，其所在轴线与刀座连接台(105)的平面相垂直，其截面是长方形，长边所在的方向与位移放大杆(1043)所在轴线平行；

双轴直圆型柔性铰链(1048)位于刀座连接台(105)下底面和位移传递杆(1047)之间；单轴对称直圆型柔性铰链(1046)位于位移传递杆(1047)和位移放大杆(1043)之间；单轴非对称直圆型柔性铰链(1042)位于位移放大杆(1043)和支链固定块(1041)之间；单轴矩形型柔性铰链(1045)位于位移输入杆(1044)和位移放大杆(1043)中部之间；

1.2刀具及其刀具安装座

上述柔性铰链并联结构(1)的刀座连接台(105)上中间位置设置有十字槽，十字槽内安装压电式动态力传感器(6)；上述刀具安装座(2)安装于刀座连接台(105)上，刀具(5)固定在刀具安装座(2)上；上述十字槽的高度小于力传感器的高度，使得刀具安装座与刀座连接台的部分区域不直接接触，刀具安装座(2)的大部分压力由动态力传感器承受；

1.3固定底座及底板

所述固定底座(3)采用通过底板第一紧定螺钉(2013)、第二紧定螺钉(2014)、第三紧定螺钉(2015)、第四紧定螺钉(2016)与底板(11)连接，四个紧定螺钉将底板(11)固定在固定底座(3)上，所述固定底座(3)通过紧定螺钉悬置安装在底板(11)上方，不直接接触；

1.4压电陶瓷及预紧机构

上述柔性铰链并联结构(1)的每个支链的位移输入杆(1044)的下底面均安装压电陶瓷及预紧机构；每一压电陶瓷及预紧机构由垫片(14)、压电陶瓷Ⅰ、电极片Ⅰ、压电陶瓷Ⅱ、电极片Ⅱ、紧固片(15)、连接螺杆(16)、调节棒(17)组成；上述垫片(14)、压电陶瓷Ⅰ、电极片Ⅰ、压电陶瓷Ⅱ、电极片Ⅱ、紧固片(15)将从上到下依次串联在连接螺杆(16)上；连接螺杆(16)上端安装于位移输入杆(1044)的下底面螺纹孔中；连接螺杆(16)下端穿过固定底座(3)与调节棒(17)相连；

1.5输出位移测量机构

所述输出位移测量机构安装于固定底座(3)上，它由非接触式电容位移传感器探头(8)、位移传感器安装座(9)、高度微调弹簧(10)、若干高度微调螺钉；上述非接触式电容位移传感器(8)安装在位移传感器安装座(9)上端，位移传感器安装座(9)的下底面设置有下凹槽，下凹槽内设置有弹簧柱；高度微调弹簧(10)位于下凹槽中并套在弹簧柱上；若干高度微调螺钉从固定底座(3)下方穿过固定底座(3)上的通孔，并与位移传感器安装座(9)相连；通过调节高度微调螺钉旋入位移传感器安装座(9)的螺纹孔中的深度，在高度微调弹簧(10)的回弹作用下实现非接触式电容位移传感器探头(8)到柔性铰链并联结构刀座连接台下底面的距离的微调；

弹簧柱穿过固定底座(3)一直伸入底板(11)的安装腔，被底板第五紧定螺钉(2017)、底板第六紧定螺钉(2018)、底板第七紧定螺钉(2019)、底板第八紧定螺钉(2020)夹紧固定；

1.6上盖板

该装置还包括上盖板(12)。

2.利用权利要求1所述的变维振动辅助智能车削装置产生变维振动轨迹的方法，其特征在于：

将柔性铰链并联结构的每个支链上的柔性铰链部分简化为一点，对于第i条支链，A_i表示双轴直圆型柔性铰链，E_i表示单轴对称直圆型柔性铰链，F_i表示单轴矩形型柔性铰链，G_i表示单轴非对称直圆型柔性铰链，T_i表示位移输入杆末端；对于任一支链由位移输入杆(1044)、位移放大杆(1043)、位移传递杆(1047)简化为直线；A_iE_i表示位移传递杆长度，E_iG_i表示位移放大杆长度，F_iT_i表示位移输入杆长度，E_iF_i表示单轴对称直圆型柔性铰链(1046)到单轴矩形型柔性铰链(1045)的距离；

刀具安装座简化为一个平面A₁A₂A₃A₄和一条表示刀具的直线OP；以刀尖处P为原点定义XYZ坐标系，Z轴与刀具安装座的刀具直线OP重合，且方向指向刀尖所在一侧，X轴方向平行于第一支链和第三支链位移放大杆所在直线且方向由第一支链指向第三支链，Y轴方向平行于第二支链和第四支链位移放大杆所在直线且方向由第四支链指向第二支链；

利用调节棒(17)调节施加预紧力，使四个支链条处于共振频率的作用；

上述所述四条支链中的第i条支链，i等于1、2、3、4；

该支链上的压电陶瓷Ⅰ与压电陶瓷Ⅱ在受到电压过程中，通过逆压电效应将产生位移输出，产生的输出位移作用于位移输入杆(1044)上，产生的输出位移大小为：

s_i＝Q_isin(2πft+φ_i) (1)

式中，Q_i表示由压电陶瓷Ⅰ与压电陶瓷Ⅱ在位移输入杆上输出位移的振幅，f表示由压电陶瓷Ⅰ与压电陶瓷Ⅱ在位移输入杆上产生的振动频率，表示由压电陶瓷Ⅰ与压电陶瓷Ⅱ在位移输入杆上输出位移的初相位，t表示时间；

假设支链放大倍数为k，其中E_iG_i表示为第i个支链的位移放大杆长度，E_iF_i表示单轴对称直圆型柔性铰链(1046)到单轴矩形型柔性铰链(1045)的距离；

则第i支链(101)经过放大后产生的输出位移大小为：

模式一、当四个支链输入的振幅Q_i和相位差相同

四个支链在位移输入杆上输出相同的位移，在任意t时刻，可得出刀尖P_t的坐标为：

此时，刀具做往复的、与压电陶瓷输入同相位的直线往复运动，在刀尖处形成一维振动轨迹；

模式二、当四个支链中呈对称分布的任意两个支链有输出位移，另外两个没有输出位移

模式二(1)假设s₁≠0，s₃≠0，s₂＝0，s₄＝0，s₃≥s₁；

由于支链是柔性结构，当两个支链输出位移时，另外两个没有位移的支链不限制结构运动；刀座支撑平面与水平面的夹角为：

θ＝arcsin((s₅-s₇)/2l) (4)

在任意t时刻，刀尖P_t(P_tx,P_ty,P_tz)的坐标为：

结合式(1)、式(2)、式(4)和式(5)可得在任意t时刻刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

其中h表示初始位置时刀尖点距刀座连接台下底面的距离，l表示刀座连接台的位移输入点到刀座连接台中心的距离；

根据上述坐标在matlab中进行验证，此时，刀具在X轴和Z轴组成的平面内做椭圆运动，在刀尖处形成二维椭圆振动轨迹；

模式二(2)假设s₁＝0，s₃＝0，s₂≠0，s₄≠0，s₄≥s₂；

由于支链是柔性结构，当两个支链输出位移时，另外两个没有位移的支链不限制结构运动；刀座支撑平面与水平面的夹角为：

θ＝arcsin((s₆-s₈)/2l) (7)

在任意t时刻，刀尖P_t(P_tx,P_ty,P_tz)的坐标为：

结合式(1)、式(2)、式(7)和式(8)可得在任意t时刻刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

(3)模式三、当四个支链同时输出不同相位的位移，刀具安装座A₁A₂A₃A₄运动到A′₁A′₂A′₃A′₄，P运动到P′；

模式三(1)假设s₃≥s₂≥s₄≥s₁

采用将运动过程分解的方法来求解刀位方程，分为整体沿着Z轴平移、绕着与X轴平行且经过A₁的轴转动α角、绕着转动β角三个阶段，相对应的输入位移分别为A₁、A₂、A₃、A₄同时输入s₅、A₂和A₄同时输入s₈-s₅、A₂和A₃同时输入s₆-s₈，根据位置关系，得到转角α和β分别为

在任意t时刻，可得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

在四支链并联结构中，四个输入端位移满足以下式子：

s₇＝s₆+s₈-s₅ (12)

将式(10)和(12)代入(11)，得：

将式(1)、(2)代入(13)，可得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

其中h表示初始位置时刀尖点距刀座连接台下底面的距离，即为OP的长度，l表示刀座连接台的位移输入点到刀座连接台中心的距离，即为AO/BO/CO/DO的长度；

模式三(2)假设s₃≥s₄≥s₂≥s₁

采用将运动过程分解的方法来求解刀位方程，分为整体沿着Z轴平移、绕着与X轴平行且经过A₁的轴转动α角、绕着转动β角三个阶段，相对应的输入位移分别为A₁、A₂、A₃、A₄同时输入s₅、A₂和A₄同时输入s₆-s₅、A₂和A₃同时输入s₈-s₆，根据位置关系，得到转角α和β分别为

在任意t时刻，得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

在四支链并联结构中，四个输入端位移满足以下式子：

s₇＝s₆+s₈-s₅ (17)

将式(17)和(15)代入(16)，得：

将式(1)、式(2)代入式(18)，可得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

模式三(3)假设s₁≥s₂≥s₄≥s₃

采用将运动过程分解的方法来求解刀位方程，分为整体沿着Z轴平移、绕着与X轴平行且经过A₃的轴转动α角、绕着转动β角三个阶段，相对应的输入位移分别为A₁、A₂、A₃、A₄同时输入s₇、A₂和A₄同时输入s₈-s₇、A₂和A₃同时输入s₆-s₈，根据位置关系，得到转角α和β分别为

在任意t时刻，得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

在四支链并联结构中，四个输入端位移满足以下式子：

s₇＝s₆+s₈-s₅ (22)

将式(20)和式(22)代入式(21)，得：

将式(1)、式(2)代入式(23)，可得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

模式三(4)假设s₁≥s₄≥s₂≥s₃

采用将运动过程分解的方法来求解刀位方程，分为整体沿着Z轴平移、绕着与X轴平行且经过A₃的轴转动α角、绕着转动β角三个阶段，相对应的输入位移分别为A₁、A₂、A₃、A₄同时输入s₇、A₂和A₄同时输入s₆-s₇、A₂和A₃同时输入s₈-s₆，根据位置关系，得到转角α和β分别为

在任意t时刻，得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

在四支链并联结构中，四个输入端位移满足以下式子：

s₇＝s₆+s₈-s₅ (27)

将式(25)和(27)代入(26)，得：

将式(1)、式(2)代入式(28)，可得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

模式三(5)假设s₄≥s₁≥s₃≥s₂

采用将运动过程分解的方法来求解刀位方程，分为整体沿着Z轴平移、绕着与Y轴平行且经过A₂的轴转动α角、绕着转动β角三个阶段，相对应的输入位移分别为A₁、A₂、A₃、A₄同时输入s₆、A₁和A₃同时输入s₇-s₆、A₁和A₄同时输入s₅-s₇，根据位置关系，得到转角α和β分别为

在任意t时刻，得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

在四支链并联结构中，四个输入端位移满足以下式子：

s₈＝s₅+s₇-s₆ (32)

将式(30)和(32)代入(31)，得：

将式(1)、式(2)代入式(33)，可得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

模式三(6)假设s₄≥s₃≥s₁≥s₂

采用将运动过程分解的方法来求解刀位方程，分为整体沿着Z轴平移、绕着与Y轴平行且经过A₂的轴转动α角、绕着转动β角三个阶段，相对应的输入位移分别为A₁、A₂、A₃、A₄同时输入s₆、A₁和A₃同时输入s₅-s₆、A₁和A₄同时输入s₇-s₅，根据位置关系，得到转角α和β分别为

在任意t时刻，得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

在四支链并联结构中，四个输入端位移满足以下式子：

s₈＝s₅+s₇-s₆ (37)

将式(35)和(37)代入(36)，得：

将式(1)、式(2)代入式(38)，可得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

模式三(7)假设s₂≥s₁≥s₃≥s₄

采用将运动过程分解的方法来求解刀位方程，分为整体沿着Z轴平移、绕着与Y轴平行且经过A₂的轴转动α角、绕着转动β角三个阶段，相对应的输入位移分别为A₁、A₂、A₃、A₄同时输入s₈、A₁和A₃同时输入s₇-s₈、A₁和A₄同时输入s₅-s₇，根据位置关系，得到转角α和β分别为

在任意t时刻，得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

在四支链并联结构中，四个输入端位移满足以下式子：

s₆＝s₅+s₇-s₈ (42)

将式(40)和(42)代入(41)，得：

将式(1)、式(2)代入式(43)，可得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

模式三(8)假设s₄≥s₃≥s₁≥s₂

采用将运动过程分解的方法来求解刀位方程，分为整体沿着Z轴平移、绕着与Y轴平行且经过A₂的轴转动α角、绕着转动β角三个阶段，相对应的输入位移分别为A₁、A₂、A₃、A₄同时输入s₆、A₁和A₃同时输入s₅-s₆、A₁和A₄同时输入s₇-s₅，根据位置关系，得到转角α和β分别为

在任意t时刻，得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

在四支链并联结构中，四个输入端位移满足以下式子：

s₆＝s₅+s₇-s₈ (47)

将式(45)和(47)代入(46)，得：

将式(1)、式(2)代入式(48)，可得出刀尖处的坐标P_t(P_tx,P_ty,P_tz)为：

根据上述坐标在matlab中进行验证，做出空间轨迹在三个平面内的投影；三个平面的投影轨迹均为椭圆，刀具在三维空间内做椭圆运动，在刀尖处形成三维椭圆振动轨迹。