[发明专利]三维椭圆振动辅助切削装置设计方法

摘要

本发明公开了一种三维椭圆振动辅助切削装置的设计方法，属于数控加工应用领域。该方法通过考虑椭圆振动辅助切削装置的布置形式，设计三维椭圆振动辅助切削装置的最简示意图，基于最简示意图，进行柔性铰链结构设计和位移放大结构设计，构建三维椭圆振动辅助切削装置的结构示意图，根据结构示意图建立三维椭圆振动辅助切削装置几何模型，利用有限元软件对建立的三维椭圆振动辅助切削装置进行模型分析与优化，获得实现空间椭圆振动轨迹输出的三维振动辅助切削装置，由装置结构组成和柔性铰链机构的工作原理，通过理论分析构建三维椭圆振动辅助切削装置输出轨迹模型，验证设计的三维椭圆振动辅助切削装置的可行性。

主权项

一种三维椭圆振动辅助切削装置的设计方法，其特征在于包括如下步骤：(1)三维椭圆振动辅助切削装置最简示意图设计根据输出三维椭圆轨迹的要求，设计实现输入与输出关系的机构布置结构示意图，形成能够保证输出三维椭圆轨迹需求的装置最简示意图；为此，首先定义坐标系O‑XYZ，坐标原点为O，在建立的坐标系中，要求输出的三维椭圆振动辅助切削轨迹可以表示为：式中，Ax、Ay、Az表示刀尖在X、Y、Z三个方向上输出的振幅，表示刀尖在X、Y、Z三个方向上输出的初相位，x、y、z表示刀尖在X、Y、Z三个方向上输出的位移；为实现三维椭圆轨迹的输出，设计采用四杆机构作为三维椭圆轨迹产生的结构布置形式，四杆机构包括杆A0O0、杆B0O0、杆C0O0和杆P0O0，四杆连接于O0，杆A0O0、杆B0O0、杆C0O0和杆P0O0组成三维椭圆振动辅助切削装置的刀具安装台，刀具安装在杆P0O0上P0处，杆A0O0和杆B0O0的夹角为θ1，杆B0O0和杆C0O0的夹角为θ2，杆C0O0和杆A0O0的夹角为θ3，杆P0O0垂直坐标平面XOY，四杆机构向XOY面投影得投影机构为平面A'0B'0C'0，平面A'0B'0C'0与平面XOY平行，A0A'0垂直于平面XOY，垂足为点A'0，B0B'0垂直于平面XOY，垂足为点B'0，C0C'0垂直于平面XOY，垂足为点C'0，O0O'0垂直于平面XOY，垂足为点O'0，即杆A0O0对应的投影杆为A'0O'0，杆B0O0对应的投影杆为B'0O'0，杆C0O0对应的投影杆为C'0O'0，投影杆A'0O'0与投影杆B'0O'0的夹角为θ′1，投影杆B'0O'0与投影杆C'0O'0的夹角为θ′2，投影杆C'0O'0与投影杆A'0O'0的夹角为θ′3；为了输出三维椭圆轨迹，杆A0O0、杆B0O0、杆C0O0应满足在XOY面投影杆之间的夹角θ′1、θ′2和θ′3，夹角θ′1、θ′2和θ′3中任意两者大于90°。在四杆机构中杆A0O0、杆B0O0和杆C0O0称为支链，杆的方向称为支链方向；(2)椭圆振动辅助切削装置结构示意图设计给杆A0O0、杆B0O0、杆C0O0施加输入位移，其中施加在杆A0O0上的输入位移方向与支链A0O0的方向的夹角为α1，杆A0O0与其上的输入位移在同一平面；施加在杆B0O0上的输入位移方向与支链B0O0的方向的夹角为α2，杆B0O0与其上的输入位移在同一平面；施加在杆C0O0上的输入位移方向与支链C0O0的方向的夹角为α3，杆C0O0与其上的输入位移在同一平面；各个杆与输入位移的夹角应满足于0＜α1＜180°，0＜α2＜180°，0＜α3＜180°，当满足于上述夹角条件时，在刀尖处即可输出三维椭圆轨迹；当α1＝0°，α2＝0°，α3＝0°时，且中心O点位于平面A0B0C0时，此时输入位移方向即沿着支链A0O0、支链B0O0和支链C0O0的方向，此时将不会输出三维椭圆轨迹，此时Z轴没有位移输出，将不存在三维椭圆轨迹；根据上述的四杆布置形式，在A0处设计连接杆A0D0，杆A0D0的方向沿着A0处施加输入位移方向；在B0处设计连接杆B0E0，杆B0E0的方向沿着B0处施加输入位移方向；在C0处设计连接杆C0F0，杆C0F0的方向沿着C0处施加输入位移方向；在上述的装置中设计位移放大机构，设计的位移放大结构选择杠杆位移放大结构或者三角形位移放大结构；在装置的刚性连接处增加柔性铰链结构，具体在刀具安装台位置、或/和输入端、或/和中间传递位移结构过度处,设计柔性铰链时，首先应满足强度设计，然后基于多轴和单轴柔性铰链类型选用，最后多种类型的柔性铰链选择时，应尽量选择加工精度高的柔性铰链类型；(3)三维椭圆振动辅助切削装置输出轨迹模型构造对所设计结构示意图进行输出轨迹建模，在输出轨迹论证过程中，首先对装置结构示意图尽可能的简化，忽略不必要的结构，其次分析输入位移与输出位移的关系，建立输入位移与输出位移运动关系式包括几何运动关系式，最后由运动关系式，推导出刀尖运动轨迹方程式；(4)三维椭圆振动辅助切削装置几何模型构建根据装置结构示意图设计三维模型，在模型构造过程中，首先依据加工过程设计装置的总体框架尺寸设计要求，设计总体尺寸，其次将装置结构示意图中杆用实体模型杆代替，设计实体模型中杆的形状尺寸，柔性铰链位置处设计柔性铰链结构，在满足强度强度情况下，选择合适柔性铰链结构形状尺寸，实现力和位移的传递功能，最后在装置结构示意图中的设计固定结构，选择装置的固定与被固定件采用固定的形式，设计被固定件的形状尺寸和机床连接问题；(5)三维椭圆振动辅助切削装置模型分析与优化对于所设计的初始模型，进行有限元仿真静力仿真和运动学仿真，验证装置的强度和装置输出的椭圆轨迹，优化各个部分的尺寸；选择合适的装置的尺寸大小，尤其是柔性铰链尺寸，最终确定装置的模型尺寸；最后根据确定装置的模型尺寸设计出加工图纸，加工出装置的实际模型，对实际模型进行测试。