[发明专利]一种适用于复合材料超声切割的三旋转轴摆角头

说明书

本发明涉及一种适用于复合材料超声切割的三旋转轴摆角头，包括C轴部件、A轴部件、C1轴部件、超声刀柄和对接模块；C轴部件下端与A轴部件连接，带动A轴部件旋转，A轴部件为单臂结构，单驱带动C1轴部件旋转，C1轴部件和A轴部件相对C轴部件的轴线偏心布置在其两侧，C1轴部件的输出端与超声刀柄连接，带动超声刀柄旋转，对接模块为分体结构，分别固定于C1轴部件和超声刀柄的侧面；其中，C轴部件、A轴部件和C1轴部件均通过力矩电机驱动且采用角度编码器全闭环控制。该适用于复合材料超声切割的三旋转轴摆角头能够解决超声切割机床的加工效率低和稳定性差的问题。

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种适用于复合材料超声切割的三旋转轴摆角头。

背景技术

近年来，随着复合材料在航空航天领域用量大幅增加，采用传统高速铣钻为基础的切削技术已明显力不从心，新的加工方式——超声切割通过在刀具上施加振动能量以打开材料分子结构，使得切割力大大降低，切割过程几乎不受切削负载，具有效率高、质量好、污染小等特点。

现有的复合材料超声切割设备多为二维裁切设备，主要用于复合材料的下料、分切、裁边等简单加工。具有摆角机构的多轴联动超声切割机床可满足复杂型面的加工需求，基本依赖进口，国内尚无技术成熟的同类设备达到工程化应用水平。与常规的五轴联动(X/Y/Z/C/A)机床相比，超声切割机床除需要五个坐标轴用于控制刀具轨迹外，还需要将主轴替换为第六轴(本文定义为C1轴)，用于超声刀柄的连接和刀具角度的精确控制。超声刀柄集成换能器和变幅杆，末端安装超声刀具，通过超声能量的传输，给刀具施加一定方向的超声频振动从而实现超声加工。超声切割刀具主要分为直刃刀和圆盘刀，当采用直刃刀具加工时，C1轴参与插补运动，用于精确控制刀刃方向与进给方向保持一致，转速一般不超过20rpm；当采用圆盘刀具加工时，C1轴带动刀具以小于1500rpm的速度旋转。C1轴需要超低速回转、切削负载小、控制精度高，与铣削主轴特性存在很大不同，除传递扭矩外，还需要为超声刀柄提供超声电源和冷却接口。因此，常规的双摆角铣头无法满足超声切割要求。

超声切割摆角头作为多轴联动超声切割机床的核心功能部件，是实现该类设备国产化的关键。为满足复合材料空间曲面特征的超声加工，超声切割摆角头需要具备三个旋转轴精确控制刀具姿态，类似于铣削加工的换刀，超声切割过程中需要根据刀具不同频繁更换超声刀柄，因此摆角机构与超声刀柄之间的接口必须满足快换要求。

目前的多轴联动超声切割机床，摆角机构多采用传统铣削AC摆角叉形结构，A、C轴通过伺服电机加齿轮传动，体积大、扭矩高、转速低，与超声切割高速轻载的使用需求不匹配。此外，超声刀柄的供电和冷却一般采用刀柄后端的快插接口与C1轴连接，并通过C1轴前端的法兰结构或卡爪机构进行装夹。通过螺钉联接的法兰结构不具备刀柄快换特性，定制化的卡爪机构虽然具备快换性，但受限于刀柄制造精度和一致性水平，刀柄装夹的可靠性和快换性较差，影响了超声切割机床的加工效率和稳定性。

因此，发明人提供了一种适用于复合材料超声切割的三旋转轴摆角头。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种适用于复合材料超声切割的三旋转轴摆角头，通过将超声加工系统和传统双摆角头有机结合，采用C-A-C1三旋转轴形式，单臂AC摆角结构，三个旋转轴均为力矩电机驱动，配置角度编码器全闭环控制，AC摆角结构采用单电机驱动单臂布局形式，在保证结构刚性的前提下压缩轴向尺寸，降低旋转部件的质量和转动惯量，简化了传动机构，消除了反向间隙，传动效率高、控制精度好，解决了超声切割机床的加工效率低和稳定性差的技术问题。

(2)技术方案

本发明的实施例提供了一种适用于复合材料超声切割的三旋转轴摆角头，包括C轴部件、A轴部件、C1轴部件、超声刀柄和对接模块；