CN102172854B - 一种用于超声波加工的负载匹配装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声波加工的负载匹配装置，它包括气浮工作台、气浮工作台气浮导轨供气系统、气动控制系统和力监测系统，气浮工作台包括导轨-气缸，导轨-气缸的底端与底座顶端固定相连，在导轨-气缸外套有内导套，内导套的中心通孔的内壁与导轨-气缸的外壁为间隙配合形成气膜间隙，在内导套外套装有外导套，在外导套的顶部依次固定连接有支撑板和工作台面，外导套沿其周向设置有多个与气浮工作台气浮导轨供气系统相连通的供气口，在底座上设置有与气动控制系统相连的进气通道。采用本装置实现了超声波加工负载匹配系统的机床附件化和通用性，实现了超声波加工过程中精确的力控制。

Description

一种用于超声波加工的负载匹配装置

技术领域

本发明涉及负载匹配装置，具体涉及用于超声波加工的负载匹配装置。

背景技术

硬脆材料越来越广泛地用于国防、航空航天以及国民经济生产，这些难切削材料的精密高效加工对制造技术来说是一个极困难的问题。超声波加工在加工硬脆材料时，切削效率高，切削效率达到原先方法的5倍，因为热影响少，工具的接触时间短，切削力较少，不会形成龟裂和刃边的损坏。由于使用研磨剂，提高了表面质量(最高Ra＜0.2um)，可以省略再一次加工，而且，工具的负荷和摩擦也较小。超声波加工的这些优点使得它广泛应用于硬脆材料的高效精密加工。为了很好地利用超声波加工，需对超声波加工进行负载匹配，即控制超声波加工过程中的力。负载匹配好的超声波加工，可以保护刀具、工件和超声振动系统。传统的负载匹配采用液压、配重块等方法来控制超声波加工中的力，这两种负载匹配方法控制力的精度低，满足不了超声波加工用于超精密加工的需要；采用液压系统进行负载匹配时，液压系统成本高，自身维护困难；而采用配重块的方法需在专用机床上使用，不利于负载匹配在超声波加工中的广泛应用。目前德马吉采用一种自适应的负载匹配方法，通过监测加工过程中力的变化来调节饲服系统的进给速度从而实现精确力控制，这种负载匹配方法虽然控制超声波加工中力的精度高，但需要复杂的数控系统，成本高，且需在专用机床使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以作为机床的附件、具有通用性并且可以实现低成本精确力控制的一种用于超声波加工的负载匹配装置。

本发明的一种用于超声波加工的负载匹配装置，它包括气浮工作台、气浮工作台气浮导轨供气系统、气动控制系统和力监测系统，所述的气浮工作台包括导轨-气缸，所述的导轨-气缸的外壁形成导轨面并且外壁的横截面为正多边形，在所述的导轨-气缸内部开有形成气缸的通孔，所述的导轨-气缸的底端与底座顶端固定相连并且在两者连接部分为密封设置，在所述的导轨-气缸外套有内导套，所述的内导套开有与导轨-气缸外壁具有相同形状的中心通孔，内导套中心通孔的内壁与导轨-气缸的外壁为间隙配合形成气膜间隙以实现气体润滑，在所述的内导套外间隔的套装有外导套，所述的内导套与外导套在顶部固定连接，所述的内导套的底部支撑设置在外导套的底壁上并且两者的接触面之间为密封设置，外导套的底壁中间设置有开孔并与导轨-气缸的外壁留有间隙，在所述的底座的顶面和外导套的底壁之间设置有缓冲圈，在所述的外导套的顶部固定连接有支撑板并且在两者的接触面之间为密封设置，在所述的支撑板上固定连接有工作台面，所述的内导套、外导套、支撑板、工作台面构成了气浮工作台的浮动部分并且所述的浮动部分可以沿着导轨-气缸的导轨面上下移动，在内导套顶部沿周向均匀分布开有多个内通孔，在所述的外导套上开有多个与内导套上的多个内通孔一一对应设置并且两两相连通的多个外通孔，支撑板、内导套、外导套和导轨-气缸构成的第一腔室与内、外通孔在内外导套上的连接部分为密封设置，内导套与外导套之间构成的第二腔室与内、外通孔在内外导套上的连接部分为密封设置使第二腔室形成密闭气腔，位于密闭气腔处的内导套的外侧壁与内导套的中心通孔的形状一致，密闭气腔处的内导套的外侧壁的每个矩形平面上均匀对称的安装有相同数目的节流装置，节流装置入口与密闭气腔相通并且其出口与气膜间隙相连通，外导套沿其周向均匀设置有多个与密闭气腔相通的供气口，所述的供气口与气浮工作台气浮导轨供气系统相连通，在外导套上设置有控制气浮工作台的浮动部分上浮高度的限位结构，在所述的底座上设置有其出气口与气缸相连通的进气通道，所述的进气通道的进气口与气动控制系统相连，所述的力监测系统用于将检测到的超声波加工的力信号输送给计算机，所述的计算机将接收到的力监测系统输出的超声波加工的力信号与设定最大超声波加工力值比较，然后输出压力调整信号给气动控制系统以控制进入进气通道的进气量。

本发明的突出优点是：实现了超声波加工负载匹配系统的机床附件化和通用性，实现了超声波加工过程中精确的力控制，本发明结构简单，体积小巧，成本低廉。

附图说明

图1是本发明的一种用于超声波加工的负载匹配装置的气浮工作台装配图主视图；

图2是图1所示的气浮工作台在A-A剖面处的俯视图；

图3是图1所示的气浮工作台的导轨-气缸的主视图；

图4是图3的俯视图；

图5是图1所示的内导套的主视图；

图6是图5沿C-C剖面处的俯视图；

图7是图1所示的外导套的主视图；

图8是图7的俯视图；

图9是本发明的一种用于超声波加工的负载匹配装置的总装图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本发明做进一步的说明：

如图所示的本发明的一种用于超声波加工的负载匹配装置，它包括气浮工作台、气浮工作台气浮导轨供气系统、气动控制系统和力监测系统。

所述的气浮工作台包括导轨-气缸6，所述的导轨-气缸6的外壁形成导轨面并且外壁的横截面为正多边形，在所述的导轨-气缸6内部开有形成气缸的通孔D，所述的导轨-气缸6的底端与底座2顶端固定相连并且在连接部分密封设置，在所述的导轨-气缸6外套有内导套5，所述的内导套5开有与导轨-气缸6外壁具有相同形状的中心通孔，内导套5中心通孔的内壁与导轨-气缸6的外壁为间隙配合形成气膜间隙以实现气体润滑，在所述的内导套5外间隔的套装有外导套10，所述的内导套5与外导套10在顶部固定连接，所述的内导套5的底部支撑设置在外导套10的底壁上并且两者的接触面之间为密封设置，外导套10的底壁中间设置有开孔并与导轨-气缸6的外壁留有间隙，在所述的底座2的顶面和外导套10的底壁之间设置有缓冲圈3，在所述的外导套10的顶部固定连接有支撑板7并且在两者的接触面之间为密封设置，在所述的支撑板7上固定连接有工作台面8，所述的内导套5、外导套10、支撑板7、工作台面8构成了气浮工作台的浮动部分并且所述的浮动部分可以沿着导轨-气缸6的导轨面上下移动，在内导套5顶部沿周向均匀分布开有多个内通孔H4，在所述的外导套10上开有多个与内导套5上的多个内通孔H4一一对应设置并且两两相连通的多个外通孔H5，支撑板7、内导套5、外导套10和导轨-气缸6构成的第一腔室F与内、外通孔在内外导套上的连接部分为密封设置，内导套5与外导套10之间构成的第二腔室E与内、外通孔在内外导套上的连接部分为密封设置使第二腔室形成密闭气腔E，位于密闭气腔处的内导套5的外侧壁与内导套5的中心通孔的形状一致，密闭气腔E处的内导套5的外侧壁的每个矩形平面上均匀对称的安装有相同数目的节流装置，节流装置入口与密闭气腔E相通并且其出口与气膜间隙相连通，外导套10沿其周向均匀设置有多个与密闭气腔E相通的供气口H3，所述的供气口H3与气浮工作台气浮导轨供气系统相连通，在外导套上设置有控制气浮工作台的浮动部分上浮高度的限位结构，在所述的底座上设置有其出气口H2与气缸相连通的进气通道，所述的进气通道的进气口H1与气动控制系统相连，所述的力监测系统用于将检测到的超声波加工的力信号输送给计算机，所述的计算机将接收到的力监测系统输出的超声波加工的力信号与设定最大超声波加工力值比较，然后输出压力调整信号给气动控制系统以控制进入进气通道的进气量。

优选的所述的节流装置为节流器1，所述的节流器1的大端入口与密闭气腔E相连通并且其小端出口与气膜间隙相连通。

优选的所述的限位结构包括连接在底座2上并且在其上设置有槽的限位挡块12，在外导套10外壁底部连接有限位销钉11，所述的限位销钉的一端设置在槽中，限位高度小于气浮工作台浮动部分静止在底座上时，内导套上端面至导轨上端面的距离h。

优选的所述的气浮工作台气浮导轨供气系统包括气泵13，所述的气泵的出口端通过其上顺次连接有减压阀14、第一气动三元件15和第一节流阀16的管线与外导套上的供气口H3相连通。

优选的所述的气动控制系统包括与减压阀14的出口端通过管路顺次相连的第二气动三元件23、第二节流阀24，第二节流阀24输出端分成两条支路，一条支路与高精度电气比例阀18的正压入口+AIR相连通并且另一条支路通过真空发生器17与高精度电气比例阀负压入口-AIR相连通，高精度电气比例阀18的气体输出端OUT分两条输出支路，一条输出支路的输出端通过气压传感器19与高精度电气比例阀的气压反馈输入端口a2相连通，另一条输出支路与气缸的进气通道相连通，高精度电气比例阀的控制信号输入端口a1与数据采集卡21的数模输出端子b1相连，数据采集卡21的通讯端口b2与计算机22的端口相连，直流稳压电源25与高精度电气比例阀18相连以提供所需的电压。

第一和第二气动三元件为现有原件，包括过滤器、调压阀和油雾器。

高精度电气比例阀的精度须达到75Pa。

优选的力监测系统包括安装在支撑板7和工作台面8之间的中央位置的压电力传感器9，所述的压电力传感器通过电荷放大器20与数据采集卡21的模数输入端b3相连，所述的数据采集卡通过其通讯端口与计算机相连。力监测系统与气动控制系统共用同一台计算机22。

所述的计算机22在气动控制系统中用于设定和向高精度电器比例阀18输出气压初始值信号，从而控制高精度电器比例阀18输送给气缸的气体压力；所述的计算机22在力监测系统中用于设定最大超声波加工力值和接收压电力传感器9输出的超声波加工实际力值并且结合气浮工作台浮动部分自重、被加工工件自重、气压初始值与最大超声波加工力值进行计算与比较后输出压力调整信号给气动控制系统的高精度电气比例阀。

下面再结合每一幅图对本发明加以详细说明：

如图1和图2所示为本发明的一种用于超声波加工的负载匹配装置的气浮工作台的装配图，图1为所述气浮工作台的主视图，图2为图1所示的气浮工作台在A-A剖面处的俯视图。

所述的气浮工作台包括工作台面8、支撑板7、导轨-气缸6、外导套10、内导套5、密封圈4、缓冲圈3、底座2、节流器1、限位销钉11、限位块12。

导轨-气缸6的一端固定安装在底座2上，在导轨-气缸6的外周套有内导套5，在内导套5的外周套装有外导套10并且内、外导套在顶部固定连接，支撑板7固定设置在外导套10的顶端，工作台面8固定设置在支撑板7上，内导套5、外导套10、支撑板7和工作台面8固连在一起构成了气浮工作台的浮动部分，所述的浮动部分作为一个整体可沿导轨-气缸6的外壁上下自由移动，在支撑板7与工作台面8之间的中心位置设置有力监测系统的压电力传感器9，在外导套10和底座2之间设置有缓冲圈3，在外导套10的外侧设置有限位销钉11，底座2上设置有限位块12。当需要进行超声波加工时，将气浮工作台以机床附件的形式装夹在机床工作台上，被加工工件装夹在工作台面8上。

导轨-气缸6的内部沿中心轴线开有形成气缸的通孔D(如图4的圆形区域)，导轨-气缸6的外壁为导轨面，作为本发明的一种实施方式，导轨面由四个相等的矩形平面组成，两两矩形平面之间共用一条边，在垂直于导轨-气缸6中心轴的截面(图1的A-A截面)上，导轨面为正方形(图4所示的正方形)，即导轨6为正方形导轨，本实施例中的正方形导轨-气缸6的结构如图3和图4所示。本发明的气浮工作台的导轨6并不仅局限于正方形导轨，只要导轨面在A-A截面上为正多边形，即只要导轨6为正多边形导轨就可以，可为正三角形导轨、正方形导轨、正五边形导轨和正N边形导轨(N≥3)。正多边形导轨可以限制气浮工作台的浮动部分(5、7、8、10)的周向转动，在气缸内气压的驱动下只能沿导轨6上下移动，同时采用正多边形导轨保证了工作台面8在各个方向上的承载力和承载刚度一致，这样提高了气浮台浮动部分(5、7、8、10)的运动精度和灵敏度。

导轨-气缸6的一端固定安装在底座2上，导轨-气缸6的轴线垂直于底座2上表面并且在两者接触面之间为密封设置，本实施例中密封方式可以为：底座2的上表面设置有圆柱形凸台，导轨-气缸6的内表面与底座2的凸台的外表面为配合面，两者采用过盈配合以实现固定连接和密封。过盈配合可能会导致装配精度降低，在本发明宗旨不变的前提下，底座2上的凸台并不是必需的，另一种方式是底座2上表面为平面，底座2上表面与导轨-气缸6下端面为配合面，通过这两个平面作为定位面来保证导轨-气缸6的轴线与底座2上表面的垂直度，采用螺钉固定连接，当这两个配合面精度足够高时，两平面之间就不会有间隙从而起到密封的作用，若需要可采用密封圈密封。

底座2的圆柱形凸台的中心具有与气缸相通的出气孔H2，底座2外侧具有连接气浮工作台外部气动控制系统的进气孔H1，H1与H2两个孔相通，作为气浮工作台外部的气动控制系统为气缸供气的进气通道。

当采用正方形导轨时，内导套5的结构如图5和图6所示，外导套10的结构如图7和图8所示。

内导套5套装在导轨-气缸6的外壁上，内导套5的中心通孔的内表面与导轨-气缸6的导轨面为配合面，导轨面与内导套5的内表面之间为间隙配合，在该间隙中形成气膜以实现气体润滑，使得气浮工作台浮动部分5、7、8、10只需克服空气阻尼就可以沿着导轨-气缸6的导轨面上下自由移动。

外导套10套装在内导套5的外部，在内导套5靠近顶端的部位沿周向均匀分布若干内通孔H4，孔的个数不限，在外导套10靠近顶端的部位分布着与上述内导套5的内通孔H4一一对应的外通孔H5，导轨-气缸6与内导套5之间的气膜间隙与内导套5上的内通孔H4相通，内导套5上的内通孔H4与外导套10上的外通孔H5相通，外导套10上的外通孔H5与大气相通，内通孔H4和外通孔H5作为导轨-气缸6的导轨面气膜和气缸的排气通道。

内导套5与外导套10在顶部固定连接，在内通孔H4和外通孔H5的上方和下方沿周向都密封，使支撑板7、内导套5、外导套10和导轨-气缸6所围成的第一腔室F与排气通道H4-H5之间不漏气，使内导套5与外导套10之间的第二腔室E与与排气通道H4-H5之间不漏气，内导套5与外导套10在底部连接面之间密封，使第二腔室E形成密闭气腔。本实施例中内导套5的内通孔H4附近的外周面和外导套10的外通孔H5附近的内周面为配合面，两者采用过盈配合以实现固定连接和密封，当然也可以采用密封圈等方式密封。内导套5的底部支撑设置在外导套10的底壁上并且在两者的接触面之间采用密封圈4密封(如图1所示)。在本发明宗旨不变的前提下也可采用其他固定连接和密封方法。

内导套5的构成密闭气腔E的外侧壁是与内导套5的中心通孔的内表面相对应的矩形平面，在该外侧壁的每个矩形平面上均匀对称安装相同数目的节流器1，节流器的数目并不限定于图1和图2中所示的每个矩形平面上分布4个节流器，节流器的数目只要能满足实现气体润滑即可，节流器1大端入口与密闭气腔E相通，节流器1小端出口和导轨-气缸6与内导套5之间形成的气膜间隙相通。节流器1也可以用其它节流方式替代，如环面节流、多孔质节流等，只要达到节流效果就行。

在外导套10的中部沿周向均匀设置若干供气口H3，供气口的个数不限，H3与密闭气腔E相通，作为气浮工作台内导套5与导轨-气缸6之间气膜的供气口。

外导套10底部与导轨面之间留有较大间隙G，以便内导套5与导轨面之间气膜的排气。

支撑板7设置在外导套10的上方，与外导套10的顶部固定连接，且在它们的连接部分密封设置。本实施例采用过盈配合固定连接和密封，如图1所示。

上述所有的固定连接可以是过盈配合、螺钉连接或其它，密封方法可以是过盈配合或密封圈等，只要在本发明宗旨不变的前提下，能实现固定连接和密封即可。

在外导套10和底座2之间设置缓冲圈3，以防气浮工作台的浮动部分(5、7、8、10)突然回落造成撞击。

在外导套10外表面靠近底部设置限位销钉11，在底座2上设置有带槽的限位块12，限位销钉11置于槽中，当限位销钉11接触到槽的顶部，气浮台的浮动部分(5、7、8、10)就不会再继续沿导轨上浮，限位高度小于气浮工作台浮动部分(5、7、8、10)静止在底座2上时，内导套5上端面至导轨面上端面的距离h。

气动控制系统提供的气体从底座2上的进气通道H1-H2进入气缸，气缸中的气体对支撑板7产生向上的支撑力，使气浮工作台浮动部分(5、7、8、10)沿导轨面浮起，气缸中的气体通过导轨与内导套5之间的间隙流入排气通道H4-H5排出，同时导轨与内导套5之间的间隙起到狭缝节流的作用，使气缸中的气体具有足够的压强。

气浮工作台气浮导轨供气系统提供的气体从外导套10中部的供气口H3进入内导套5与外导套10之间的密闭气腔E，再通过内导套5上的节流器1节流后进入导轨-气缸6的导轨面与内导套5之间的间隙形成气膜，使得内导套5沿导轨面6运动时形成气体润滑，气膜中的气体最后沿着导轨面往上经过排气通道H4-H5流出到大气中，往下经过外导套10和导轨之间的空隙G流出到大气中。

如图9所示，为用于超声波加工的负载匹配装置的总装图。

气浮工作台气浮导轨供气系统包括气泵13、减压阀14、第一气动三元件15和第一节流阀16。

气动控制系统由气泵13、减压阀14、第二气动三元件23、第二节流阀24、高精度电气比例阀18、真空发生器17、气压传感器19、直流稳压源25、数据采集卡21和计算机22组成。

力监测系统由安装在支撑板7和工作台面8之间的中央位置的压电力传感器9、电荷放大器20、数据采集卡21和计算机22组成。

气泵13输出的气体经过减压阀14后气压恒定，该恒压气体分两路输出，一路与气泵13和减压阀14构成气浮工作台气浮导轨供气系统，另一路与气泵13和减压阀14构成气动控制系统。

第一路的恒压气体经过第一气动三元件15净化、润滑和调压后，以事先计算出的气浮导轨所需的支撑压力输入到第一节流阀16，经第一节流阀16节流后气体以一定流量(该流量根据气浮工作台导轨实现气体润滑所需来调节)从外导套10的供气口H3进入到外导套10和内导套5之间的密闭气腔E，然后从密闭气腔E经过内导套5上的节流器1进入导轨6与内导套5之间的间隙形成气膜，使得内导套5沿导轨面运动时形成气体润滑，气膜中的气体最后沿着导轨面往上经过内导套5和外导套10之间的排气通道H4-H5流出到大气中，往下经过外导套10和导轨面之间的空隙G流出到大气中。

第二路恒压气体经过第二气动三元件23净化、润滑和调压后，输入给第二节流阀24的气压不超过高精度电气比例阀18最大输出气压的两倍，气体从节流阀24输出后分成两条支路，一条支路从正压入口+AIR进入高精度电气比例阀18，另一条支路经过真空发生器17从负压入口-AIR进入高精度电气比例阀18，气体经过高精度电气比例阀18后，从高精度电气比例阀18的气体输出端OUT分两条支路输出，一条支路输入到气压传感器19的气体输入端，另一条支路输入到底座的进气通道H1-H2进入气缸的通孔D，气体从气缸的通孔D流入到内导套5、外导套10、导轨6和支撑板7组成的第一腔室F，对支撑板7产生向上的支撑力，使气浮工作台浮动部分(5、7、8、10)沿导轨面浮起，最后气体从内导套5和外导套10之间的间隙流入内导套5和外导套10顶部的排气通道H4-H5，从排气通道H4-H5排出到大气中。

直流稳压电源25与高精度电气比例阀18相连以提供所需的电压，高精度电气比例阀18的气压反馈输入端口a2与气压传感器19信号输出端口相连，气压传感器19气体信号输入端与高精度电气比例阀18的气体输出端OUT相连，高精度电气比例阀18的控制信号输入端口a1与数据采集卡21的数模输出端子b1用屏蔽信号线相连，数据采集卡21的通讯端口b2与计算机22的USB端口相连。

高精度电气比例阀18通入气体之后，启动计算机22里的负载匹配程序初始化模块，并在程序初始化模块中设置一个气压初始值P₀，该气压初始值P₀通过数据采集卡21的数模输出端b1输送给高精度电气比例阀18，根据所设定的气压初始值P₀来控制高精度电气比例阀18的输出气压大小，此气压初始值P₀能够支撑起气浮工作台浮动部分(5、7、8、10)和安装在工作台面8上的工件。

气压传感器19用来检测高精度电气比例阀18输出气体的气压值，并将检测到的气压值反馈给高精度电气比例阀18，高精度电气比例阀18将气压传感器19反馈回来的数值与计算机22所设定的气压初始值P₀进行比较，并根据比较结果调整其输出气体的气压值，直到气压传感器19检测到的气压值与计算机22的所设定的初始值P₀相等。

当上述气浮工作台气浮导轨供气系统和气动控制系统正常工作，并使气浮工作台的浮动部分5、7、8、10沿着导轨浮起到限位块12所限定的最高位置时，本发明的负载匹配装置已初始化。由牛顿定理知，气动控制系统支撑气浮台浮动部分5、7、8、10的有效作用面积为导轨6在A-A截面上的正多边形的面积S，对于正方形导轨S等于图4所示正方形的边长乘以四，由于气浮工作台的气缸D中的气体从内导套5与导轨6之间的狭窄间隙流向大气，起到了狭缝节流的作用，因此能保证气缸D中气体的支撑气压P为高精度电气比例阀18的输出气压大小(即初始化完毕后P＝P₀)。

力监测系统由压电力传感器9、电荷放大器20、数据采集卡21和计算机22组成，压电力传感器9安装在支撑板7和工作台面8之间的中心位置，并通过螺栓连接支撑板7和工作台面8给压电力传感器9施加适当的预紧力。

安装在支撑板7和工作台面8之间的压电力传感器9与电荷放大器20的输入端相连，电荷放大器20的输出端与数据采集卡21的模数输入端b3相连。

本发明的用于超声波加工的负载匹配装置初始化后，运行计算机22中的负载匹配程序控制模块，设定最大超声波加工力值F_max，启动机床对置于气浮台工作台面8上的工件进行超声波加工。刀具接触到安装在工作台面8上的工件后，压电力传感器9在线实时监测超声波加工的力信号，并以电荷的形式输送给电荷放大器20，电荷放大器20将电荷信号放大并转换为电压信号输送给数据采集卡21，数据采集卡21将该电压信号输送给计算机22上的负载匹配程序控制模块，负载匹配程序控制模块将其换算成实际超声加工的力值F，并将F与预先设定的F_max以及(P₀×S-G₀)进行比较(G₀为气浮工作台浮动部分和工件自重之和)。

当控制模块监测到的超声波加工的力值F小于预先设定的最大超声波加工力值F_max，也小于(P₀×S-G₀)时，气浮工作台浮动部分5、7、8、10维持原状态，加工继续进行。当F大于(P₀×S-G₀)，但小于F_max，说明气浮工作台的承载能力不够，控制模块控制高精密电气比例阀18增大输出给气缸的气体压力P，随着气缸中的气压P增大，超声波加工的力值F也会增大，此时会有两种情况发生，一是最终实时检测到的F等于(P×S-G₀)但小于F_max，高精密电气比例阀18不再继续增大输出气压并维持输出气压恒定，这样就保证了气浮工作台浮动部分5、7、8、10始终保持浮起并相对底座2静止，另一种情况是F在与(P×S-G₀)达到平衡前就增大到了F_max，高精密电气比例阀18停止输出气体，气浮台浮动部分(5、7、8、10)自降到缓冲圈3上，加工被终止。若监测到的F大于F_max，高精度电气比例阀18停止输出气体，气浮台浮动部分5、7、8、10自降到缓冲圈3上，加工被终止，此时如果需继续加工，需要改变进给速度或换刀。通过上述控制可以精确地控制超声波加工过程中的力在控制模块中预先设定的最大超声波加工力值F_max以内，达到负载匹配的目的，从而保护工具、工件和超声振动系统。

计算机22中的负载匹配程序初始化模块和控制模块只需利用编程软件根据所需要实现的功能编写两段程序即可，不再详述。

Claims (6)

1.一种用于超声波加工的负载匹配装置，其特征在于：它包括气浮工作台、气浮工作台气浮导轨供气系统、气动控制系统和力监测系统，所述的气浮工作台包括导轨-气缸,所述的导轨-气缸的外壁形成导轨面并且外壁的横截面为正多边形，在所述的导轨-气缸内部开有形成气缸的通孔，所述的导轨-气缸的底端与底座顶端固定相连并且在连接部分密封设置，在所述的导轨-气缸外套有内导套，所述的内导套开有与导轨-气缸外壁具有相同形状的中心通孔，内导套中心通孔的内壁与导轨-气缸的外壁为间隙配合形成气膜间隙以实现气体润滑，在所述的内导套外间隔的套装有外导套，所述的内导套与外导套在顶部固定连接，所述的内导套的底部支撑设置在外导套的底壁上并且两者的接触面之间为密封设置，外导套的底壁中间设置有开孔并与导轨-气缸的外壁留有间隙，在所述的底座的顶面和外导套的底壁之间设置有缓冲圈，在所述的外导套的顶部固定连接有支撑板并且在两者的接触面之间为密封设置，在所述的支撑板上固定连接有工作台面，所述的内导套、外导套、支撑板、工作台面构成了气浮工作台的浮动部分并且所述的浮动部分可以沿着导轨-气缸的导轨面上下移动，在内导套顶部沿周向均匀分布开有多个内通孔，在所述的外导套上开有多个与内导套上的多个内通孔一一对应设置并且两两相连通的多个外通孔，支撑板、内导套、外导套和导轨-气缸构成的第一腔室与内、外通孔在内外导套上的连接部分为密封设置，内导套与外导套之间构成的第二腔室与内、外通孔在内外导套上的连接部分为密封设置使第二腔室形成密闭气腔，位于密闭气腔处的内导套的外侧壁与内导套的中心通孔的形状一致，密闭气腔处的内导套的外侧壁的每个矩形平面上均匀对称的安装有相同数目的节流装置，节流装置入口与密闭气腔相通并且其出口与气膜间隙相连通，外导套沿其周向均匀设置有多个与密闭气腔相通的供气口，所述的供气口与气浮工作台气浮导轨供气系统相连通，在外导套上设置有控制气浮工作台的浮动部分上浮高度的限位结构，在所述的底座上设置有其出气口与气缸相连通的进气通道，所述的进气通道的进气口与气动控制系统相连，所述的力监测系统用于将检测到的超声波加工的力信号输送给计算机，所述的计算机将接收到的力监测系统输出的超声波加工的力信号与设定最大超声波加工力值比较，然后输出压力调整信号给气动控制系统以控制进入进气通道的进气量。

2.根据权利要求1所述的用于超声波加工的负载匹配装置，其特征在于：所述的节流装置为节流器，所述的节流器的大端入口与密闭气腔相连通并且其小端出口与气膜间隙相连通。

3.根据权利要求1所述的用于超声波加工的负载匹配装置，其特征在于：所述的限位结构包括连接在底座上并且在其上设置有槽的限位挡块，在外导套外壁底部连接有限位销钉，所述的限位销钉的一端设置在槽中。

4.根据权利要求1所述的用于超声波加工的负载匹配装置，其特征在于：所述的气浮工作台气浮导轨供气系统包括气泵，所述的气泵的出口端通过其上顺次连接有减压阀、第一气动三元件和第一节流阀的管线和外导套上的供气口相连通。

5.根据权利要求4所述的用于超声波加工的负载匹配装置，其特征在于：所述的气动控制系统包括与减压阀的出口端通过管路顺次相连的第二气动三元件、第二节流阀，第二节流阀输出端分成两条支路，一条支路与高精度电气比例阀的正压入口相连通并且另一条支路通过真空发生器与高精度电气比例阀负压入口相连通，高精度电气比例阀的气体输出端分两条输出支路，一条输出支路的输出端通过气压传感器与高精度电气比例阀的气压反馈输入端口相连通，另一条输出支路与进气通道相连通，高精度电气比例阀的控制信号输入端口与数据采集卡的数模输出端子相连，数据采集卡的通讯端口与计算机的端口相连。

6.根据权利要求1所述的用于超声波加工的负载匹配装置，其特征在于：所述的力监测系统包括安装在支撑板和工作台面之间的中央位置的压电力传感器，所述的压电力传感器通过电荷放大器与数据采集卡的模数输入端相连，所述的数据采集卡通过其通讯端口与计算机相连。

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