[发明专利]工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统及方法

权利要求书

1.一种工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统，其特征在于：包括超声工具头、Z向移动装置、X向移动装置、底座、Y向移动装置、夹具，所述X向移动装置横向固定安装在底座后方的两凸台上，所述X向移动装置的电机位于X向移动装置主体的左侧，所述Y向移动装置纵向固定安装在底座上，所述Y向移动装置的电机位于X向移动装置下方两凸台间的空隙中，所述夹具固定安装在Y向移动装置的溜板上，所述Z向移动装置竖向固定安装在X向移动装置的溜板上，所述超声工具头固定安装在Z向移动装置的溜板上，且超声工具头位于夹具的上方；

所述超声工具头的结构是，包括工具头支架、周向转动伺服电机、竖向超声振子、X向超声振子、柔性铰链组件、Y向超声振子、超声振子支座、轴承盖、径向移动伺服电机、径移小齿轮、内转盘组件、径移大齿轮、上球铰组件、内齿圈、直线导轨、滚珠丝杠和周转齿轮，其中内转盘组件固定安装在工具头支架的水平安装板上，轴承盖通过螺栓固定安装在工具头支架上，且将内转盘组件固定在工具头支架的水平安装板上，周向转动伺服电机固定安装在内转盘组件的内转盘的上侧，周向转动伺服电机的输出轴穿过内转盘上部孔，周转齿轮固定安装在周向转动伺服电机的输出轴上，周转齿轮位于内转盘的下侧，内齿圈固定安装在工具头支架的水平安装板下侧的内齿圈安装槽内，所述内齿圈与周转齿轮相啮合，径向移动伺服电机水平固定安装在内转盘的上侧，所述径移小齿轮固定安装在径向移动伺服电机的输出轴上，所述滚珠丝杠通过其两端的轴承座固定安装在内转盘的下侧的安装槽内，径移大齿轮连接在滚珠丝杠的靠近内转盘中心的一端，所述径移大齿轮与径移小齿轮相啮合，两条直线导轨分别固定安装在滚珠丝杠的两侧，且与滚珠丝杠平行，所述直线导轨上滑动连接有滑块，滑块上固定连接有溜板，所述溜板与滚珠丝杠上的滚柱螺母固定连接，上球铰组件的球铰座固定安装在溜板上，竖向超声振子的一端通过螺栓固定连接在上球铰组件的球头装置的下端的连接板上，另一端通过螺纹连接连接在刀具的上端，工具头支架的水平安装板的下端面的前侧和左侧分别连接有一个超声振子支座，Y向超声振子通过螺栓固定安装在前侧的超声振子支座下端的安装孔上，X向超声振子通过螺栓固定安装在左侧的超声振子支座下端的安装孔上，X向超声振子和Y向超声振子的里端通过螺纹固定连接在柔性铰链组件的柔性铰链的两个连接孔内，X向超声振子和Y向超声振子的轴线相交于上球铰组件的球头装置的球心；

所述柔性铰链组件包括柔性铰链、刀具、中通球、球铰上盖和螺钉，其中球铰上盖通过螺钉与柔性铰链固定连接，所述中通球安装在柔性铰链与球铰上盖所形成的球形空间内，所述刀具滑动连接在中通球的通孔内，且刀具的刀具头位于柔性铰链的下方。

2.根据权利要求1所述的一种工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统，其特征在于：所述球铰上盖和柔性铰链相配的水平方向的配合面通过中通球的球心，且中通球的半径与球铰上盖和柔性铰链所形成的球形空间的半径相等，所述中通球的内通孔面以及刀具的与中通球相配合部分的刀杆的外表面均镀有耐磨材料层。

3.根据权利要求1所述的一种工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统，其特征在于：所述上球铰组件包括球铰座、上球铰盖和球头装置，其中球铰座与上球铰盖通过螺栓固定连接，所述球头装置安装在球铰座与上球铰盖形成的球形空间内，三者组成球铰，所述球铰座与上球铰盖相配合的表面通过球头装置的球心，且配合面内的内圆轮廓的半径与球头装置的球半径相等。

4.根据权利要求1所述的一种工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统，其特征在于：所述内转盘组件包括内转盘、上推力球轴承、深沟球轴承和下推力球轴承，其中上推力球轴承固定安装在内转盘外圈凸台的上侧，所述下推力球轴承固定安装在内转盘外圈凸台的下侧，所述深沟球轴承固定安装在内转盘外圈凸台的外轮廓面上，所述深沟球轴承和下推力球轴承通过工具头支架上的定位轴间孔的肩部定位，所述上推力球轴承通过轴承盖内圈的凸台定位。

5.根据权利要求1所述的一种工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统，其特征在于：所述滚珠丝杠的轴线与内转盘的轴心线垂直，即当球头装置随滚珠螺母运动到滚珠丝杠里端的极限位置时，球头装置的球心处于内转盘的轴心线上，球头装置球心沿内转盘径向的运动范围为R，即球头装置的球心的运动范围是半径为R的圆面。

6.如权利要求1～5任一项所述的工具头作用空间为二次曲面的多维超声工具系统的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

(一)、将待加工工件的待加工表面的信息通过扫描仪扫描输入机床控制系统，并将工件欲加工的复杂曲面模型输入到机床控制系统中，安装待加工工件到机床的夹具上，将工件定位夹紧；

(二)、确定工具系统中工具头的宏观运动规律，以中通球的球心为坐标原点O建立空间直角坐标系，令球头装置的球心的运动范围所形成的圆的圆心为点O’，半径为R，令中通球的球心为点O，球头装置的球心点为A，刀具的刀头球心点为B,工具头球心点经过的直线OO’上的点为O”,以过O且平行于滚珠丝杠轴线的直线为X轴，以过O且垂直于滚珠丝杠轴线的直线OO’为Z轴，设线段O’O”长为L，线段OO’为a，点A由O’向右运动直线AB与Z轴形成的夹角为θ，设点B(x，z)则：

O'A＝a tanθ

可得：

则工作刀具的刀头球心点在空间中的运动轨迹所对应的曲面方程为：

当球头装置的球心点为A沿X轴由O’向右移动距离x_A时，刀具的刀头球心点B的纵向位移的大小△z为：

其中，

此时，刀具的刀头球心点B的横向位移的大小△x为：

同样，

当球头装置的球心点为A沿X轴由O’向右移动距离x_A时，刀具的刀杆在中通球通孔方向上通过的位移△L为：

同样，

其中，当x_A＝R时，△L最大

即中通球球心点在刀具的刀杆上大小为的范围内移动；

(三)、建立笛卡尔直角坐标系，床身坐标系O，坐标原点O，工具系统局部坐标系T，坐标原点O_T，经过运算得到工件坐标系与工具系统所在坐标系之间的坐标变换关系，在工具系统局部坐标系T中，坐标原点O_T为中通球的球心，X轴、Y轴、Z轴分别是以X向超声振子的轴线、Y向超声振子的轴线以及过中通球的球心且垂直于X向超声振子轴线和Y向超声振子轴线的直线确定，由步骤(二)可得：

式中，θ为刀具所在轴线与Z轴所成的锐角，为刀具的轴线在XOY面内的投影与X轴的正向的夹角，r即为步骤二中的x_A，即球头装置的球心距离球心的运动范围所形成圆面圆心间的距离；

(四)、确定工具系统中工具头在多维超声振动下的微观运动规律，在工具系统局部坐标系内，竖向超声振子、X向超声振子和Y向超声振子输入的驱动信号为分别在沿其轴线方向上产生的运动的位移表达式为：

式中，A_X、A_Y、A_Z表示刀具的刀头球心分别在竖向超声振子、X向超声振子、Y向超声振子轴线方向上输出的振幅，表示刀具的刀头球心分别在竖向超声振子、X向超声振子、Y向超声振子轴线方向上输出的初相位，△x₁(t)、△y₁(t)、△z₁(t)表示刀具的刀头球心分别在竖向超声振子、X向超声振子、Y向超声振子轴线方向上输出的位移；

刀具的刀头球心的运动轨迹可以表示为：

式中，△x(t)、△y(t)、△z(t)表示刀具的刀头球心在笛卡尔直角坐标系三个方向上输出的位移，△z_1X(t)、△z_1Y(t)、△z_1Z(t)表示△z₁(t)沿X、Y、Z三个坐标轴方向上的位移分量，具体地：

式中，θ为刀具所在轴线与Z轴所成的锐角，为刀具的轴线在XOY面内的投影与X轴的正向的夹角；

(五)、由以上步骤(四)确定的刀具的刀头球心位置的超声微观运动规律f(△x(t)，△y(t)，△z(t))，工具系统中刀具的刀头球心的宏观运动规律g(△x，△y，△z)，以及机床三个导轨坐标之间的运动关系，结合坐标系的坐标变换关系，根据待加工工件的表面的形貌信息确定刀具走刀轨迹，确定各执行机构的进给量、进给速度参数，从而对工件进行加工。