发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种硬脆复杂结构无主轴多极伺服研抛装置及研抛方法。

通过X轴平移运动台、Z轴平移运动台、C轴工件转台和压电陶瓷C配合，实现平面螺旋加工轨迹，压电陶瓷C的微运动精确控制刀具的位置，实现复杂面形工件的微纳形貌追踪；通过压电陶瓷A、B的配合，刀具可以实现替代主轴功能，形成无主轴圆周旋转轨迹，并且可以在延性域加工工件，避免脆性断裂，提高面形质量；

为达到上述目的，本发明技术方案如下：

一种硬脆复杂结构无主轴多极伺服研抛装置，包括无主轴刀具机构、真空吸附盘、工件转台、X轴平移运动台、机架、Z轴平移运动台、底部适配器、高度调节器、转接板和高度微调件构成；

无主轴刀具机构安装在高度微调件上，高度微调件安装在转接板上，转接板安装在高度调节器上，高度调节器安装在底部适配器上，底部适配器安装在Z轴平移运动台上、Z轴平移运动台安装在机架上；真空吸附盘安装在工件转台上，工件转台通过支架安装在X轴运动平台上，X轴运动平台安装在机架上；

所述的无主轴刀具机构包括刀头、刀头固定架、压电陶瓷A、压电陶瓷B、垫片、刀架、柔性铰链、末端执行器、压电陶瓷C、内轴、端盖和位移传感器；

刀头安装在刀头固定架上，刀头固定架固定设置在压电陶瓷A上，压电陶瓷A固定设置在压电陶瓷B上，压电陶瓷B固定设置在垫片上，垫片固定安装在刀架上，刀架与末端执行器固定连接，所述的末端执行器实心钢块一体化加工而成，包括左右两边的固定架、柔性铰链和执行块；末端执行器通过柔性铰链与固定架连接，所述的压电陶瓷C为中空圆柱体，压电陶瓷C内设有中空内轴，内轴的外径与压电陶瓷C内径相等，内轴的一端与末端执行器之间设有位移传感器，内轴另一端设有端盖，端盖固定设置在固定架上。

一种硬脆复杂结构无主轴多极伺服研抛装置的研抛方法，该方法具体为：

第一级伺服控制通过X轴平移运动台、Z轴平移运动台、工件转台和压电陶瓷C实现；工件被固定在工件转台的真空吸附盘上，工件转台带动真空吸附盘旋转，配合X轴平移运动台，形成平面螺旋加工轨迹，刀具在XY平面内的任意位置对工件进行加工；Z轴平移运动台控制刀具进给，形成工件的基本低频轮廓；真空吸附盘旋转信号经过编码器细分，脉冲信号触发压电陶瓷C产生微运动，形成被加工工件复杂轮廓，实现工件微纳形貌追踪；

第二级伺服控制通过压电陶瓷A和压电陶瓷B实现；控制压电陶瓷A、压电陶瓷B驱动电压的相位差相差π/2，使得刀头在XY平面内做无主轴圆周旋转运动，实现替代主轴的功能；同时无主轴圆周旋转运动轨迹的交叠使得工具在延性域内加工工件，研抛去除材料深度小于临界深度，材料先发生塑性变形，避免脆性断裂，降低工具研抛作用力、提高工具的寿命、提高加工表面面形质量。

作为优选，无主轴刀具机构的整体刚度在10N/μm-200N/μm，避免装置在工作过程中出现共振；X平移运动台行程100cm，Z轴平移运动台行程30cm；压电陶瓷C低频振动，频率在0-200Hz，沿着Z轴方向微运动，行程在0-1000μm；

作为优选，压电陶瓷A、B高频振动，频率在1kHz-100kHz，压电陶瓷A在电压激励下沿着X轴方向实现剪切微运动，压电陶瓷B在电压激励下沿着Y轴方向微运动，两块压电陶瓷振动幅度为5-50μm，等效转速在0-3000rpm区间可调。

作为优选，所述的柔性铰链为直圆形柔性铰链。

作为优选，所述的刀头固定架、压电陶瓷A、压电陶瓷B之间通过胶水固定。

本发明的有益效果为：

本发明与现有的振动辅助加工装置相比，最大的区别优势在于：第一，传统的加工硬脆材料方法一般都需要高速主轴维持刀具转动，这会极大增加刀具的体积和设计复杂程度，本发明通过压电陶瓷A、B的配合，保证驱动电压相差π/2个相位差，实现替代主轴的功能，使得刀具形成无主轴圆周旋转轨迹，并且可以在延性域加工工件，避免脆性断裂；第二，压电陶瓷C的微运动可以精确控制刀具的位置，在加工复杂面形工件时，追踪工件表面的微纳结构。