本實用新型屬于超精密切削加工以及難加工材料復雜光學零件加工技術領域，特別是涉及一種角度可調的普適性非共振橢圓振動切削柔性裝置。

背景技術：

近年來振動切削在一些高精零件加工領域發揮了重要的作用，尤其是單點金剛石切削，成為了精密和超精密零件創成的一種行之有效的加工方法，被廣泛應用在硬脆性材料或較軟材料的加工上，不但提高了加工效率，也延長了刀具的使用壽命，并且得到了較好的加工質量。與普通金剛石切削相比，振動切削的方式不但拓展了金剛石刀具可加工材料的范圍，同時加工的靈活性也更強。目前的振動切削從振動維度方面主要分為一維振動切削、二維橢圓振動切削和三維橢圓振動切削。雖然與普通切削相比一維振動切削具有無可比擬的優勢，但其也存在著相應的不足，如一維振動切削局限于一個方向的刀具往復振動，由于后刀面對已加工表面的熨壓作用不利于獲得較高質量的表面。因此為了避免相應的不足，日本學者在1993年提出了二維橢圓振動切削(Elliptical vibration cutting)，二維橢圓振動切削相比于一維振動切削，具有更多的優勢，如抑制顫振、提高刀具使用壽命、減小切削力等。二維橢圓振動切削提出之后，由于其在加工方面的優勢，獲得了許多學者的青睞，并對其進行了大量的研究。目前二維振動切削主要分為兩類：共振型和非共振型。共振型主要是利用驅動元件不同階的固有頻率形成共振來驅動刀具做二維振動，這種形式下的刀具能夠得到高頻的振動，但是局限于驅動元件的固有頻率，所以刀具的振動頻率不可調。非共振型雖然頻率與共振型相比往往較低，但是頻率可調，使用范圍更加廣泛。三維橢圓振動切削是在二維橢圓振動切削的基礎上提出的，在繼承了二維橢圓振動切削優點的基礎上，將刀具的平面振動拓展到空間，同時也更有利于切屑的排出。

雖然三維橢圓振動切削優勢更突出，但是局限于三維橢圓振動切削裝置設計方面以及控制方面的的困難，三維振動切削裝置只是停留在實驗室階段，相比于三維橢圓振動切削裝置，二維橢圓振動切削裝置應用更加廣泛，為了使頻率可調從而獲得適用性更強的二維橢圓振動切削，非共振型的二維橢圓振動切削裝置成為研究的重點。目前非共振型二維橢圓振動切削裝置專利可查的有：專利CN 103611947A提及的一種鉸鏈并聯式橢圓振動切削柔性裝置，此裝置利用兩個平行壓電疊堆進行驅動，能夠在刀尖處獲得橢圓軌跡；專利CN 104117697A提及的一種非共振橢圓振動切削裝置，采用兩壓電疊堆平行驅動方式實現刀具的橢圓運動，優點是體積小，容易獲得高頻振動；專利CN 105149626A提及的一種適用于立式外圓加工的兩壓電垂直橢圓振動切削裝置，采用兩壓電疊堆垂直驅動的方式獲得刀具的橢圓運動，優點在于質量小，適用于立式車床；專利CN 105127818 A提及的一種鉸鏈串聯式橢圓振動切削柔性裝置，采用兩壓電垂直驅動方式驅動刀具獲得橢圓運動，兩壓電之間不存在耦合現象。以上四個可查非共振型二維橢圓振動切削的相關裝置，均為單一型正交車削的振動裝置，無法對刀具角度進行調整，而實際切削加工中，不僅僅局限于正交型切削，斜角切削方式在實際生產加工中也是不可缺少的一種加工方式。同樣針對本實用新型的設計原理，上述的專利CN 103611947A和專利CN 104117697A采用兩壓電平行式驅動，但是均存在較嚴重的耦合現象。因此，對于橢圓振動切削裝置來說，雖然已有學者對其進行了研發設計，但是依然存在著普適性差、耦合較嚴重等不足之處，無法很好的滿足實際的生產需要。

技術實現要素：

本實用新型提供一種角度可調的普適性非共振橢圓振動切削柔性裝置，從而實現適用性更強的非共振橢圓振動切削裝置在難加工材料方面的應用。

本實用新型采取的技術方案是：柔性運動機構通過左右兩側對稱的四個滑動支撐腳與底座上的兩個半圓形滑動導軌配合連接，滑動支撐腳的端面為曲面，與半圓形滑動導軌的接觸方式為面接觸，柔性運動機構通過柔性運動機構固定螺紋孔與底座上的固定通孔配合利用柔性運動緊固螺釘進行固定，柔性運動機構通過角度調整螺紋孔與底座上的角度調整通孔配合利用角度調整螺釘進行角度調整，蓋板通過左右兩個對稱的方形鍵槽與底座上的兩個底座方形鍵槽配合利用方形定位鍵進行定位，蓋板上的兩個半圓形滑動導軌與底座上的兩個底座半圓形滑動導軌配合形成兩個完整的圓形滑動導軌，蓋板通過左右兩個對稱的蓋板固定螺紋孔與底座上左右對稱的兩個蓋板固定通孔配合利用蓋板緊固螺釘進行固定，兩個壓電疊堆驅動器與柔性運動機構上的兩個壓電預緊螺紋孔配合通過柔性運動機構上的兩個壓電預緊通孔利用兩個壓電預緊螺釘進行預緊固定，壓電疊堆驅動器的頭部與柔性運動機構的接觸方式為點接觸，刀具通過與柔性運動機構上的刀具固定螺紋孔配合利用刀具固定螺釘進行固定。

本實用新型所述底座的結構是：左右對稱的六個柔性裝置固定孔用于不同車床上柔性裝置的固定，左右對稱的兩個方形鍵槽用來盛放方形定位鍵，底座后側上下兩個通孔用來方便利用工具通過此孔對壓電疊堆驅動器進行預緊，左右對稱的兩個蓋板固定通孔用于對蓋板的固定，底座后側上下兩排圓弧排列的角度調整通孔用于柔性運動機構角度的調整，底座后側上柔性運動機構固定通孔用于對柔性運動機構的固定，兩個底座半圓形滑動導軌與蓋板上的兩個半圓形滑動導軌對接形成一個圓形滑動導軌。

本實用新型所述角度調整通孔以上下同心圓弧的形式排列，每一排孔中相鄰孔之間的角度為10度，兩排孔相鄰孔之間的角度為5度，通過這兩排孔并配合圓形滑動導軌可以實現對柔性運動機構的角度調整，最小調整角度為5度；兩排圓弧同心孔的圓心與柔性運動機構固定通孔的圓心重合，柔性運動機構固定通孔的圓心與刀具刀尖平面在同一水平高度，因此在旋轉調整刀尖角度過程中能夠保證刀尖始終在同一水平高度，方便加工過程中的對刀。

本實用新型所述柔性運動機構的結構是：直圓型柔性鉸鏈用于分別連接復合平行四桿機構和刀具固定架，四組左右對稱的滑動支撐腳與兩個底座半圓形滑動導軌與蓋板上的兩個半圓形滑動導軌對接形成一個圓形滑動導軌轉動連接，支撐腳與圓形導軌的接觸面為圓形曲面，兩者接觸形式為面接觸，還包括：兩個壓電預緊通孔，螺紋孔為兩個角度調整螺紋孔，螺紋孔為柔性運動機構固定螺紋孔，還包括兩個壓電預緊螺紋孔，四組平行的直板型柔性鉸鏈，刀具固定螺紋孔。

本實用新型的柔性運動機構是一個整體，通過線切割一次加工成型，避免了裝配誤差的影響。

本實用新型的優點是結構新穎，整體主要由底座、柔性運動機構和蓋板三個部分組成，易于制造，且運動部分結構簡單，質量小，容易獲得高頻振動。采用直板型柔性鉸鏈組成的復合平行四桿機構的運動方式，確保了運動的單向性，并能獲得較大的運動行程；采用彎曲導向性良好的直圓型柔性鉸鏈，大大降低了兩個運動方向的耦合串擾現象。能夠實現刀具的角度可調，通過調整柔性運動機構的角度可以實現正交切削、斜角切削，對于立式和臥式車床均適用，大大提高了二維橢圓振動切削裝置的普適性，降低了加工成本。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖；

圖2是本實用新型底座的結構示意圖；

圖3是本實用新型柔性運動機構的結構示意圖；

圖4是本實用新型蓋板的結構示意圖；

圖5是本實用新型去掉蓋板后的內部裝配示意圖；

圖6是本實用新型后側視角的示意圖；

圖7是實用新型正向旋轉25度的內部裝配軸測圖；

圖8是本實用新型正向旋轉90度的整體裝配軸測圖；

圖9a是實用新型工作時兩組柔性鉸鏈變形狀態圖；

圖9b是實用新型工作時兩組柔性鉸鏈變形原理圖；

圖10是實用新型在臥式車床上的安裝示意圖；

圖11是實用新型在立式車床上的安裝示意圖。

具體實施方式

柔性運動機構2通過左右兩側對稱的四個滑動支撐腳202與底座1上的兩個107半圓形滑動導軌配合連接，滑動支撐腳202的端面為曲面，與107半圓形滑動導軌的接觸方式為面接觸，柔性運動機構2通過柔性運動機構固定螺紋孔205與底座1上的固定通孔106配合利用柔性運動緊固螺釘11進行固定，柔性運動機構2通過角度調整螺紋孔204與底座1上的角度調整通孔105配合利用角度調整螺釘10進行角度調整，蓋板3通過左右兩個對稱的方形鍵槽302與底座1上的兩個底座方形鍵槽102配合利用方形定位鍵4進行定位，蓋板3上的兩個半圓形滑動導軌與底座1上的兩個底座半圓形滑動導軌107配合形成兩個完整的圓形滑動導軌，蓋板3通過左右兩個對稱的蓋板固定螺紋孔303與底座1上左右對稱的兩個蓋板固定通孔104配合利用蓋板緊固螺釘5進行固定，兩個壓電疊堆驅動器7與柔性運動機構2上的兩個壓電預緊螺紋孔206配合通過柔性運動機構2上的兩個壓電預緊通孔203利用兩個壓電預緊螺釘6進行預緊固定，壓電疊堆驅動器7的頭部與柔性運動機構2的接觸方式為點接觸，刀具8通過與柔性運動機構2上的刀具固定螺紋孔208配合利用刀具固定螺釘9進行固定。

本實用新型所述底座1的結構是：左右對稱的六個柔性裝置固定孔101用于不同車床上柔性裝置的固定，左右對稱的兩個方形鍵槽102用來盛放方形定位鍵4，底座后側上下兩個通孔103用來方便利用工具通過此孔對壓電疊堆驅動器7進行預緊，左右對稱的兩個蓋板固定通孔104用于對蓋板的固定，底座后側上下兩排圓弧排列的角度調整通孔105用于柔性運動機構2角度的調整，底座后側上柔性運動機構固定通孔106用于對柔性運動機構2的固定，兩個底座半圓形滑動導軌107與蓋板3上的兩個半圓形滑動導軌301對接形成一個圓形滑動導軌；

本實用新型所述角度調整通孔105以上下同心圓弧的形式排列，每一排孔中相鄰孔之間的角度為10度，兩排孔相鄰孔之間的角度為5度，通過這兩排孔并配合圓形滑動導軌可以實現對柔性運動機構2的角度調整，最小調整角度為5度；兩排圓弧同心孔的圓心與柔性運動機構固定通孔106的圓心重合，柔性運動機構固定通孔106的圓心與刀具刀尖平面在同一水平高度，因此在旋轉調整刀尖角度過程中能夠保證刀尖始終在同一水平高度，方便加工過程中的對刀。

本實用新型所述柔性運動機構2的結構是：直圓型柔性鉸鏈201用于分別連接復合平行四桿機構和刀具固定架，利用直圓型柔性鉸鏈的良好彎曲導向作用來降低量上下兩軸的運動耦合現象，四組左右對稱的滑動支撐腳202與兩個底座半圓形滑動導軌107與蓋板3上的兩個半圓形滑動導軌301對接形成一個圓形滑動導軌轉動連接，支撐腳與圓形導軌的接觸面為圓形曲面，兩者接觸形式為面接觸，還包括兩個壓電預緊通孔203，螺紋孔204為兩個角度調整螺紋孔，螺紋孔205為柔性運動機構固定螺紋孔，還包括兩個壓電預緊螺紋孔206，四組平行的直板型柔性鉸鏈207，刀具固定螺紋孔208。

本實用新型所述蓋板3的結構是：兩個半圓形滑動導軌301與底座上的半圓形滑動導軌對接形成一個圓形滑動導軌，左右對稱的兩個方形鍵槽302用來盛放方形定位鍵4，蓋板有左右對稱的兩個固定螺紋孔303。

本實用新型所述柔性運動機構2的柔性鉸鏈分為兩部分，一部分為4組直板型柔性鉸鏈207，上下各兩組組成復合平行四桿機構形式，并且上下兩組結構為并聯式排列，保證了運動的單向性，采用這種形式的鉸鏈可以在運動方向獲得較大的運動行程；同時為了避免兩個運動方向上的耦合，另一部分采用彎曲導向效果良好的直圓型柔性鉸鏈201來減小兩個運動方向的串擾。

本實用新型所述柔性運動機構2與底座通過螺釘11進行固定，蓋板3通過兩個方形鍵4與底座進行對接定位，并通過螺釘5固定在底座1上，底座1和蓋板3對接形成了兩個圓形的滑動導軌，柔性運動機構的四個滑動支撐腳202與圓形滑動導軌配合，并通過螺釘10進行角度的調整，調整的范圍為正負90度。

本實用新型的柔性運動機構2是一個整體，通過線切割一次加工成型，避免了裝配誤差的影響。

本實用新型底座1通過左右兩側對稱的6個柔性裝置固定孔101利用緊固螺釘固定在機床上，根據不同工況調整所需要的刀具角度，柔性運動機構2上的金剛石刀具8由兩個平行壓電疊堆驅動產生高頻的橢圓運動，兩個壓電疊堆的驅動信號如下：

式中，A₁,A₂分別是兩個壓電驅動的振動幅值；分別是兩個壓電驅動的相位；w是振動圓頻率；t是時間。

通過主動調整這兩個壓電疊堆驅動信號y₁,y₂的初始相位使得兩個初始相位之間的相位差不為0，則金剛石刀具的刀尖點在垂直于刀尖的面內可以產生一個二維橢圓運動軌跡。裝置的工作原理及鉸鏈變形圖如圖9a、9b所示，四組直板型柔性鉸鏈207組成的復合平行四桿機構主要作用為導向以及輸出對應的位移，上下兩個直圓形柔性鉸鏈201主要起導向的作用，當給上部的復合平行四桿機構一個位移時，連接刀具8的連桿以下側直圓形柔性鉸鏈為轉動導向，產生轉動位移，從而大大減小了對下側復合平行四桿機構的運動耦合影響。當柔性運動機構2的角度為0度時候，如果不給壓電疊堆驅動信號，本實用新型為一普通的裝置；當柔性運動機構2的角度為0度時候，給兩個平行壓電疊堆7帶有一定相位差的電壓信號，本實用新型為一個正交型二維橢圓振動切削裝置，產生的橢圓運動軌跡在yz平面內，此為常見的用于臥式車床的正交型橢圓振動切削形式，如圖1所示，圖10為非共振橢圓振動切削柔性裝置用于臥式車床的安裝示意圖。當調整柔性運動機構2的角度到正負90度位置時，給兩個平行壓電疊堆7帶有一定相位差的電壓信號，本實用新型同樣為一個正交型二維橢圓振動切削裝置，此時刀具8前刀面位于yz平面內，刀尖的橢圓軌跡位于xy平面內，此種情況適用于立式車床上的正交型二維橢圓振動切削，如圖8所示，圖11位非共振橢圓振動切削柔性裝置用于立式車床的安裝示意圖。當調整柔性運動機構2的角度在正負90度之間變化時，此時刀具8的前刀面跟著旋轉同樣的角度，正交型切削方式變為斜角型切削方式，給兩個平行壓電疊堆7帶有一定相位差的電壓信號，刀具8的刀尖在空間平面形成橢圓軌跡，一定程度上實現了三維橢圓振動切削的效果，如圖7所示為正向旋轉25度角后的裝置裝配形式。