CN113857919A - 一种飞切加工机床的音圈电机式微进给装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置，该装置包括刀架、夹刀结构；所述刀架壳体沿中部竖直方向具有贯通的通孔，通孔内固定有音圈电机定子和转子，可沿通孔往复运动；音圈电机转子下方固定连接有金属圆盘，金属圆盘下方固定连接有进给短轴；金属圆盘两侧设有压电陶瓷微位移器并置于端盖上，通过音圈电机进行往复运动；所述夹刀结构自上而下包括固定件和微调固件，固定件与进给短轴的下端固定连接；所述微调固件内设有用于与刀具紧配合的通孔，微调固件与固定件通过转动轴可拆卸连接。本发明大幅度的缩小了刀架结构之间的间隙，提升刀架进给精度，提高了超精密飞刀切削加工时精度调节准确度，切削深度控制更加精确。

Description

一种飞切加工机床的音圈电机式微进给装置

技术领域

本发明涉及音圈电机式微进给装置，特别涉及一种飞切加工机床的音圈电机式微进给装置。

背景技术

在激光核聚变及强激光武器等技术需求的牵引下，许多国家先后建造了多台大型激光装置，需要采用大量的光学零件。在这些光学零件中，KDP即磷酸二氢钾晶体因具有较高的非线性和激光损伤阈值，被广泛的应用于激光和非线性光学领域。KDP晶体光学零件要求具有高精度的面形质量和良好的表面粗糙度，但KDP晶体具有质软、易碎等不利于光学加工的特点，传统的磨削和抛光方法不适于加工KDP晶体，必须采用超精密加工技术加工KDP晶体，所以在对KDP晶体进行加工时，就要采用专用的KDP晶体超精密飞切加工机床，而高精度微量进给装置是此种机床的一个关键性装置。

目前KDP晶体加工工艺中要求机床具有小于2μm的切削深度，而现有的KDP晶体超精密飞切加工机床的刀架采用丝杆螺母的微进给方案实现进给，其进给分辨率最高仅为10μm，远未达到加工工艺要求，而且其调节粒度偏大，不能实现切削过程中进给量的精确调节，严重影响机床的加工精度。此外,目前绝大多数压电陶瓷式微进给装置采用柔性铰链作为压电陶瓷致动器的支撑和导向元件，其刚度较低，整体上也不适用于高速飞切机床，不能满足KDP晶体超精密飞切加工机床使用要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明要解决的技术问题是：现有微进给装置的机械连接部件由于存在较大的结构间隙以及精度调节不准确，导致了刀架进给精度低，切削加工深度控制不精确的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置，包括刀架、夹刀结构和压电陶瓷微位移器；

所述刀架壳体的中部沿刀架壳体的竖直方向具有贯通的通孔，所述通孔内固定设置有音圈电机定子，音圈电机定子内设有能沿通孔竖直方向上下运动的音圈电机转子，所述音圈电机转子下方固定连接有金属圆盘，所述金属圆盘下方固定连接有进给短轴；

所述夹刀结构自上而下包括固定件和微调固件，所述固定件与进给短轴的下端固定连接；

所述微调固件内设有用于与刀具紧配合的通孔，微调固件与固定件通过转动轴可拆卸连接。

微调固件是安装在固定件下方，通过中间可以转动的轴将固定件和微调固件连接起来，轴可以转动，通过微调固件可以提高对切削时刀具的精度调整，对于各种条件的适应性较强。

作为优选，还包括横向固定音圈电机定子的横向固定结构：所述横向固定结构包括半圆形夹环和锁紧螺销，所述音圈电机定子外侧有凹槽，所述半圆形夹环设置在凹槽中，所述半圆形夹环顶点有螺纹孔，所述刀架壳体一侧设有螺纹孔，所述锁紧螺销穿过螺纹孔且前端与半圆形夹环上的螺纹孔螺纹连接。

横向固定结构可以将音圈电机与刀架壳体紧贴，保证其运行时的稳定性。

作为优选，还包括竖向固定固定音圈电机定子的竖向固定结构；所述竖向固定结构包括预紧螺钉和压盖，所述压盖设置在通孔上端，压盖中间设有轴孔，轴孔内侧有内螺纹，且与通孔位同轴设置，所述预紧螺钉穿过轴孔与压盖螺纹连接，且所述预紧螺钉下端紧贴音圈电机定子顶端。

对音圈电机的竖向固定的可防止音圈定子在纵向上的滑动，通过横向和纵向两方向来对音圈电机进行固定，以保证运行时音圈电机的稳定性。

作为优选，所述金属圆盘上设有螺纹孔，音圈电机转子通过螺纹孔与进给短轴紧配合连接。

金属圆盘可以降低对音圈电子的直接损坏，并且在进行与音圈电机连接时，可以适配不同型号的进给装置进行连接，灵活性非常强。

作为优选，所述固定件的四个角上具有第一螺纹孔，微调固件的四个角上设有第二螺纹孔，第一螺纹孔与对应的第二螺纹孔通过螺栓连接。

四角螺栓的设计设置，可以使微调固件在任意方向上进行微调，增强使用时的灵活性。

作为优选，还包括端盖和压电陶瓷微位移器；在刀架壳体的底面设有安装槽，所述端盖设于安装槽内，端盖通过端盖螺钉与刀架壳体固定连接，端盖具有与通孔内径相同的中心孔，且该中心孔与通孔同轴线，端盖上设有两个端盖凹槽，且端盖凹槽靠近通孔侧壁，所述金属圆盘上设有两个位移器通孔，并且两个位移器通孔靠近通孔侧壁；所述压电陶瓷微位移器底端与对应的端盖凹槽紧配合，压电陶瓷微位移器顶端与对应的位移器通孔滑动配合。

增加端盖可以在不影响进给结构主体的情况下固定压电陶瓷微位移器，增加压电陶瓷微位移器可以进一步提高刀具进给的操作精度。

作为优选，还包括滑环,所述滑环位于机床主轴上端，滑环通过法兰与机床主轴可拆卸连接。

主要作用是在机床主轴360°旋转的时候避免音圈电机引线和压电陶瓷微位移器引线相互缠绕，滑环可以实现在机床主轴不停止转动的情况下的精密进给，在保证进给精度的基础上，提高加工效率。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

1.本发明提高了刀架的进给精度；进给精度达到0.1μm。通过采用音圈电机直接与进给短轴连接以及结构的整体性设计避免了由于机械连接引起的结构间隙，还通过压电陶瓷微位移器输出的电信号来反馈进给量，提高了刀架的进给精度

2.本发明使刀架在高速旋转的离心力作用下保持应有的加工精度。结构简单、尺寸小，音圈电机通过机床上端的滑环连接音圈电机驱动器以及驱动电源，使刀架得以安装在高速飞切加工机床上，通过滑环实现了在机床主轴不停止转动的情况下的精密进给，在保证进给精度的基础上，提高加工效率。

3.减少了重复频繁的调节操作，使得刀削精度的误差进一步缩小。当前机械式刀架的进给操作，必须在主轴停止转动的状态下，手动调节刀具的进给。主轴长时间的稳定运转有利于保证其动态特性的一致性与稳定性，避免频繁启停带来机床动态特性的变化，从而影响超精密加工精度。并且音圈电机通过金属圆盘与进给短轴螺纹连接增加了结构的整体性。压电陶瓷微位移器受到音圈电机往复运动施加在压电陶瓷微位移器上的压力，通过机床上端的滑环连接驱动电源和压力表，利用压电陶瓷微位移器受到的压力输出的电信号来反馈进给量，这就使得进给量更加的精确。

4.本发明工艺性能好，易于成规模的加工制造，降低制造成本。不仅适用于KDP晶体超精密飞切加工机床，同时还适用于其他飞切加工机床及微进给装置。

附图说明

图1为音圈电机式微进给装置的主剖视图。

图2为音圈电机式微进给装置在KDP晶体超精密飞切加工机床上的安装示意图。

图3为音圈电机式微进给装置与夹刀结构连接处的放大图。

图4为音圈电机式微进给装置与端盖连接处的放大图。

图5为音圈电机式微进给装置金属圆盘的结构简图。

图6为音圈电机式微进给装置音圈电机的结构简图。

图中，1-刀架壳体，2-压盖螺钉，3-内螺纹，4-预紧螺钉，5-压盖，6-通孔，7-音圈电机定子，8-音圈电机转子，10-金属圆盘方形通孔，11-第一引线孔，12-压电陶瓷微位移器，13-第二引线孔，15-夹刀结构，15a-固定件，15b-微调固件，15c-螺栓，15d-转轴，16-螺纹孔，17-端盖，17a-端盖凹槽，17b-第三引线孔，17d-端盖螺钉，18-进给短轴，1-金属圆盘，20-半圆形夹环，21-锁紧螺销，22-滑环，23-机床，23a-机床主轴，23b-法兰，24-刀架，25-音圈电机驱动器，26-驱动电源。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

本发明中的‘上’、‘下’等方位的定义

本发明中‘前’、‘后’、‘左’、‘右’、‘上’、‘下’均指在图1中的方位，其中‘前’是指在图1中相对于纸面朝外，‘后’是指在图1中相对于纸面朝里。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1-6，本发明提供的一种实施例，一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置，包括刀架24和夹刀结构15；

所述刀架24包括刀架壳体1、压盖螺钉2、内螺纹3、预紧螺钉4、压盖5、通孔6、音圈电机定子7、音圈电机转子8、金属盘方形位移器通孔10、第一引线孔11、压电陶瓷微位移器12、第二引线孔13、螺纹孔16、端盖17、端盖凹槽17a、第三引线孔17b、端盖螺钉17d、进给短轴18、金属圆盘1、半圆形夹环20、锁紧螺销21；

所述刀架壳体1的中部沿刀架壳体1的竖直方向具有贯通的通孔6，所述通孔6内固定设置有音圈电机定子7，音圈电机定子7内设有能沿通孔6竖直方向上下运动的音圈电机转子8，所述音圈电机转子8下方固定连接有金属圆盘1，所述金属圆盘1下方固定连接有进给短轴18。

具体实施时，音圈电机定子7与音圈电机转子8为整体结构,所述音圈电机定子7下方设有引线，所述引线通过滑环22和法兰23b连接到音圈电机驱动器25；同时，通过金属圆盘1上的螺纹孔16，将音圈电机转子8、金属圆盘1和进给短轴18固定连接在一起。

进一步地，还包括横向固定音圈电机定子7的横向固定结构：所述横向固定结构包括半圆形夹环20和锁紧螺销21，所述音圈电机定子7外侧有凹槽，所述半圆形夹环20设置在凹槽中，所述半圆形夹环20顶点有螺纹孔，所述刀架壳体1一侧设有螺纹孔，所述锁紧螺销21穿过螺纹孔，且前端与半圆形夹环20上的螺纹孔螺纹连接。

具体实施时，将半圆形夹环20固定在音圈电机定子7外侧的凹槽内，锁紧螺销21穿过刀架壳体1，且锁紧螺销21顶端螺旋进入半圆形夹环20顶点的螺纹孔内。通过如此连接可以加强固定音圈电机的稳定性，在进给短轴18上下运动时，提高加工精度。

进一步地，还包括竖向固定音圈电机定子7的竖向固定结构；所述竖向固定结构包括预紧螺钉4和压盖5，所述压盖5设置在通孔6上端，压盖5中间设有轴孔，轴孔内侧有内螺纹3，且与通孔6位同轴设置，所述预紧螺钉4穿过轴孔与压盖5螺纹连接，且所述预紧螺钉4下端紧贴音圈电机定子7顶端。

进一步地，所述金属圆盘1上设有螺纹孔16，音圈电机转子8通过螺纹孔16与进给装置18紧配合连接。

所述夹刀结构15自上而下包括固定件15a和微调固件15b，所述固定件15a与进给短轴18的下端固定连接；具体实施时，固定件15a与进给短轴18为一体结构。

所述微调固件15b内设有用于与刀具紧配合的通孔，微调固件15b与固定件15a通过转动轴15d可拆卸连接。

进一步地，所述固定件15a的四个角上具有第一螺纹孔，微调固件15b的四个角上设有第二螺纹孔，第一螺纹孔与对应的第二螺纹孔通过螺栓15c连接。

具体实施时，通过对四个螺栓15c的松紧调节，实现微调固件15b与固定件15a之间夹角的变化，从而可以实现安装在微调固件15b上的刀具的调节，进而实现刀具加工时的前角，后角的微调节。

进一步的，还包括端盖17和压电陶瓷微位移器12；在刀架壳体1的底面设有安装槽，所述端盖17设于安装槽内，端盖17通过端盖螺钉17d与刀架壳体1固定连接，端盖17具有与通孔6内径相同的中心孔，且该中心孔与通孔6同轴线，端盖17上设有两个端盖凹槽17a，且端盖凹槽17a靠近通孔6侧壁，所述金属圆盘19上设有两个位移器通孔10，并且两个位移器通孔10靠近通孔6侧壁；所述压电陶瓷微位移器12底端与对应的端盖凹槽17a紧配合，压电陶瓷微位移器12顶端与对应的位移器通孔10滑动配合。压电陶瓷微位移器引线通过第三引线孔17b与外部驱动电源26连接。

具体实施时，端盖17置于刀架壳体1底端通过端盖螺钉17d与刀架壳体1连接，压电陶瓷微位移器12的底端置于端盖凹槽17a内，顶端嵌入位移器通孔10内，音圈电机转子8接通驱动电源26带动金属圆盘1向下运动，此时就可以开始计算刀架24进给量，进而压电陶瓷微位移器12通过位移器通孔10向上运动直到压电陶瓷微位移器12受到音圈电机转子8的压力产生位移变形进而压电陶瓷微位移器12向外输出电信号；根据压电陶瓷微位移器12的压电效应，即位移变形与电信号的线性关系，可以得到刀架24得进给量。

端盖凹槽17a处不仅起到固定压电陶瓷微位移器12的作用，还避免了压电陶瓷微位移器12受力过大时端盖17的损坏,音圈电机引线通过第二引线孔13,压电陶瓷微位移器引线通过第三引线孔17b，引线和引线都沿机床主轴23a通过滑环22与外部驱动电源26连接

进一步地，还包括滑环22,所述滑环22位于机床主轴23a上端，滑环22通过法兰23b与机床主轴23a可拆卸连接。

具体实施时，法兰23b置于机床主轴23a，滑环22置于法兰23b上，引线沿机床主轴23a贯穿滑环22和法兰23b而过并与音圈电机驱动器25连接。

本发明限定的一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置的工作原理如下：

本发明提出的微进给装置基于音圈电机的驱动来实现消除机械连接部件产生的结构间隙，音圈电机的引线通过机床上端的滑环与音圈电机驱动器以及电源连接，进而实现了音圈电机的运转。基于滑环22实现在机床主轴不停止转动的情况下的精密进给，在保证进给精度的基础上，提高加工效率。机床主轴长时间的稳定运转有利于保证其动态特性的一致性与稳定性，避免频繁启停带来机床动态特性的变化，从而影响加工精度。基于进给装置18和微调固件15b实现对目标晶体的精准切削，在音圈电机的实际运行过程中所产生的振动通过用于横向的锁紧螺销21固定结构和用于纵向的预紧螺钉4固定结构予以降低或消除，提高音圈电机转子8在运动时的稳定性，音圈电机转子8带动进给短轴18和夹刀结构15进行上下往复运动，来实现刀具的稳定准确切削。

切削角度的调节：微调节固件15b通过四角上的螺栓15c与固定件15a连接，且在微调固件15b与固定件15a中间有可活动转轴15d，在调节时，随着四角上的螺栓15c的松紧调节，微调固件15b会进行左右运动，使刀具的切削角度可以进行微调节，从而实现对目标晶体的精准切削。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置，包括刀架(24)、夹刀结构(15)；

所述刀架壳体(1)的中部沿刀架壳体(1)的竖直方向具有贯通的通孔(6)，所述通孔(6)内固定设置有音圈电机定子(7)，音圈电机定子(7)内设有能沿通孔(6)竖直方向上下运动的音圈电机转子(8)，所述音圈电机转子(8)下方固定连接有金属圆盘(19)，所述金属圆盘(19)下方固定连接有进给短轴(18)；

所述夹刀结构(15)自上而下包括固定件(15a)和微调固件(15b)，所述固定件(15a)与进给短轴(18)的下端固定连接；

所述微调固件(15b)内设有用于与刀具紧配合的通孔，微调固件(15b)与固定件(15a)通过转动轴(15d)可拆卸连接。

2.如权利要求1所述的一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置，其特征在于：还包括横向固定音圈电机定子(7)的横向固定结构：所述横向固定结构包括半圆形夹环(20)和锁紧螺销(21)，所述音圈电机定子(7)外侧有凹槽，所述半圆形夹环(20)设置在凹槽中，所述半圆形夹环(20)顶点有螺纹孔，所述刀架壳体(1)一侧设有螺纹孔，所述锁紧螺销(21)穿过螺纹孔且前端与半圆形夹环(20)上的螺纹孔螺纹连接。

3.如权利要求1或2所述的一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置，其特征在于：还包括竖向固定音圈电机定子(7)的竖向固定结构；所述竖向固定结构包括预紧螺钉(4)和压盖(5)，所述压盖(5)设置在通孔(6)上端，压盖(5)中间设有轴孔，轴孔内侧有内螺纹(3)，且与通孔(6)位同轴设置，所述预紧螺钉(4)穿过轴孔与压盖(5)螺纹连接，且所述预紧螺钉(4)下端紧贴音圈电机定子(7)顶端。

4.如权利要求1所述的一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置，其特征在于：所述金属圆盘(19)上设有螺纹孔(16)，音圈电机转子(8)通过螺纹孔(16)与进给短轴(18)紧配合连接。

5.如权利要求1所述的一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置，其特征在于：所述固定件(15a)的四个角上具有第一螺纹孔，微调固件(15b)的四个角上设有第二螺纹孔，第一螺纹孔与对应的第二螺纹孔通过螺栓(15c)连接。

6.如权利要求5所述的一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置，其特征在于：还包括端盖(17)和压电陶瓷微位移器(12)；

在刀架壳体(1)的底面设有安装槽，所述端盖(17)设于安装槽内，端盖(17)通过端盖螺钉(17d)与刀架壳体(1)固定连接，端盖(17)具有与通孔(6)内径相同的中心孔，且该中心孔与通孔(6)同轴线，端盖(17)上设有两个端盖凹槽(17a)，且端盖凹槽(17a)靠近通孔(6)侧壁，所述金属圆盘(19)上设有两个位移器通孔(10)，并且两个位移器通孔(10)靠近通孔(6)侧壁；

所述压电陶瓷微位移器(12)底端与对应的端盖凹槽(17a)紧配合，压电陶瓷微位移器(12)顶端与对应的位移器通孔(10)滑动配合。

7.如权利要求6所述的一种超精密飞切加工机床的音圈电机式微进给装置，其特征在于：还包括滑环(22),所述滑环(22)位于机床主轴(23a)上端，滑环(22)通过法兰(23b)与机床主轴(23a)可拆卸连接。

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