CN106670894B - 超声扭转振动测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
超声扭转振动测量装置，包括超声电源、变幅杆、计算机、显示器、第一支架、第二支架和第三支架，第三支架上设置有换能器，换能器的上端通过双头螺栓与变幅杆的下端连接，变幅杆的上端连接有标准刀杆；第二支架上设置有激光位移传感器云台，激光位移传感器云台上设置有激光位移传感器；本发明还公开了一种超声扭转振动测量装置的测量方法，通过拟合扭转幅度函数曲线，可简单计算刀杆上每点的扭转振动的振幅，可实现对铣刀或者钻头等工具刀某个参与切削刃的扭转振动振幅的量化。通过超声振动装置的扭转幅度，也可计算小直径刀具切削刃或某点的扭转振动振幅。
Description
技术领域
本发明属于超声振动加工技术领域，尤其涉及超声扭转振动测量装置及其测量方法。
背景技术
超声扭转振动加工中扭转角度及扭转振幅的大小，作为超声振动加工的关键参数，由于扭转振动的角度较小，且频率过高等特点，其相关数据的测量等更为困难。迄今一直未有一个针对超声扭转振动较为完整的测量及评价方法。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种超声扭转振动测量装置及其测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：超声扭转振动测量装置，包括超声电源、变幅杆、计算机、显示器、第一支架、第二支架和第三支架，第三支架上设置有换能器，换能器的上端通过双头螺栓与变幅杆的下端连接，变幅杆的上端连接有标准刀杆；第二支架上设置有激光位移传感器云台，激光位移传感器云台上设置有激光位移传感器，激光位移传感器通过第一电缆与计算机连接，第一支架上设置有高清摄像头，高清摄像头通过第二电缆与显示器连接；超声电源通过电源线与换能器连接；
标准刀杆、变幅杆和换能器的中心线重合且该中心线沿垂直方向设置，标准刀杆的作业端朝上设置，标准刀杆上端部采用线切割工艺沿径向方向切割为平面结构，激光位移传感器和高清摄像头的测量端均朝向标准刀杆的平面结构。
换能器包括换能器本体，换能器本体上自上而下依次设置有四层压电陶瓷片，换能器本体下端通过预紧螺栓压紧四层压电陶瓷片，压电陶瓷片外侧连接有电极片，电极片与所述的电源线连接，换能器本体上侧部开设有下扳手卡槽；
变幅杆包括自下而上依次设置的下圆柱段、中圆锥段和上圆柱段，下圆柱段的外径等于中圆锥段下端的外径，中圆锥段上端的外径等于上圆柱段的外径，中圆锥段呈下粗上细的结构，下圆柱段侧部开设有上扳手卡槽，中圆锥段沿圆周方向均匀开设四个可使纵振转换为扭转复合振动的螺旋槽，每个螺旋槽均沿轴向呈螺旋布置。
中圆锥段和上圆柱段由上端向下沿轴线开设有圆柱槽，圆柱槽内注入有配重液体，圆柱槽内设置有封堵并密封配重液体的橡胶塞和密封圈；圆柱槽的上端口处为喇叭口结构，标准刀杆下端通过弹性夹头装配在喇叭口结构内，上圆柱段上端螺纹连接有套在标准刀杆外的压紧螺母。
超声扭转振动测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)、标准刀杆采用高速钢立铣刀，先对标准刀杆进行线切割加工，使用线切割装置对标准刀杆的作业端沿径向方向进行切割，在标准刀杆径向方向形成一个平面，对切割后的平面进行打磨；将刀杆的端面打磨成所述的平面结构；然后标准刀杆的下端通过ER弹性夹头夹装后插入到喇叭口结构内，使用压紧螺母螺纹连接到上圆柱段上端对ER弹性夹头进行定位；
(2)、借助高清摄像头对标准刀杆上端平面结构的一条半径等分，即划分多个测定点：通过显示器观察，将激光位移传感器的激光束集中在标准刀杆的轴线部位，量取每个测定点位置处的刀杆半径，等分后操控激光位移传感器云台将激光位移传感器发射的激光束分别定位在这几个测定点上，分别对每个测定点进行测量；
(3)、为保证测定数据的稳定性，且超声振动产生的热量会使超声振子产生损耗，超声扭转振动测量装置启动10分钟，稳定后进行振幅测定：每隔五分钟进行一次测量，测量3次，连续测定多个测定点的振幅，将3次测定的振幅平均；
(4)、扭转幅度的计算：最外侧的测定点位于标准刀杆半径的边缘处，标准刀杆扭转振动时，激光位移传感器发射的激光有段时间没有集中在铣刀上，传感器接收不到反射引号，造成振幅测量的波动较大，故利用其他测定点的数据，以测定点与刀杆轴线的距离作为横坐标，以该测定点的扭转振幅大小为纵坐标，拟合超声扭转振动幅度函数曲线，由该函数曲线计算刀杆上任意一点的扭转角度及扭转振幅；
(5)、采用以下公式计算测定点计算扭转角度：
∠A是该超声扭转振动的扭转角，f为测定点的扭转振动的振幅，d是测定点距离刀杆轴线的距离；
扭转幅度函数曲线的斜率K可近似看作扭转振动的扭转角A的正切值，在标准刀杆最外侧的测定点的振幅出现了偏差，故在该测定点的扭转振幅可近似通过拟合的函数曲线进行计算。
在步骤(1)中选择标准刀杆时，在圆柱槽里注入不同密度的配重液体，利用橡胶塞和密封圈密封防漏。由于变幅杆夹装不同材料、直径的标准刀杆以及标准刀杆的伸出长度都会影响测量装置的谐振频率；因此在夹装不同的标准刀杆时，变幅杆的质量发生改变，通过调整橡胶塞和密封圈的位置来改变圆柱槽内配重液体体积，或者更换配重液体的种类，以改变纵-扭复合超声振子的质量，以补偿夹装不同标准刀杆时的频率的损失或者增加，从而实现夹装不同标准刀杆时，超声装置的谐振频率、振动模态及振形的一致性，大大提高了测量数据的精准度。
采用上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
1、螺旋槽的设置可使变幅杆的扭转分量增大，圆柱槽在面积系数不变的情况下，增大了变幅杆放大系数，增强了纵向振动和扭转振动效果，更有利于纵-扭复合超声振动的应用。通过注入或者抽取圆柱槽内的配重液体，改变超声纵-扭复合振子的质量，使振子谐振频率发生变化。由于改变是配重液体的体积，振子的质量和谐振频率在一个范围内可进行“无极调整”，结合ANSYS有限元仿结果，可实现对超声装置的振动模态及振形的精确地可控化。
2、通过上述方法，由于标准刀杆每点的扭转角度一致，可使用拟合正弦曲线的斜率，即“扭转角度正切值”，将其定义为“超声扭转幅度”，作为扭转振动的评价标准；通过拟合扭转幅度(角度)函数曲线，可简单计算刀杆上每点的扭转振动的振幅，可实现对铣刀或者钻头等工具刀某个参与切削刃的扭转振动振幅的量化。通过超声振动装置的扭转幅度，也可计算小直径刀具切削刃或某点的扭转振动振幅。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是图1中换能器和变幅杆的轴向剖视图；
图3是本发明中对标准刀杆超声扭转振动测量的原理图；
图4是测定点扭转振幅及超声扭转振动幅度函数曲线图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的超声扭转振动测量装置，包括超声电源1、变幅杆2、计算机3、显示器4、第一支架5、第二支架6和第三支架7，第三支架7上设置有换能器8，换能器8的上端通过双头螺栓9与变幅杆2的下端连接，变幅杆2的上端连接有标准刀杆10；第二支架6上设置有激光位移传感器云台11，激光位移传感器云台11上设置有激光位移传感器12，激光位移传感器12通过第一电缆13与计算机3连接，第一支架5上设置有高清摄像头14，高清摄像头14通过第二电缆15与显示器4连接；超声电源1通过电源线16与换能器8连接；
标准刀杆10、变幅杆2和换能器8的中心线重合且该中心线沿垂直方向设置，标准刀杆10的作业端朝上设置，标准刀杆10上端部采用线切割工艺沿径向方向切割为平面结构，激光位移传感器12和高清摄像头14的测量端均朝向标准刀杆10的平面结构。
换能器8包括换能器本体17，换能器本体17上自上而下依次设置有四层压电陶瓷片18，换能器本体17下端通过预紧螺栓19压紧四层压电陶瓷片18，压电陶瓷片18外侧连接有电极片20，电极片20与所述的电源线16连接，换能器本体17上侧部开设有下扳手卡槽21；
变幅杆2包括自下而上依次设置的下圆柱段22、中圆锥段23和上圆柱段24，下圆柱段22的外径等于中圆锥段23下端的外径，中圆锥段23上端的外径等于上圆柱段24的外径，中圆锥段23呈下粗上细的结构，下圆柱段22侧部开设有上扳手卡槽25，中圆锥段23沿圆周方向均匀开设四个可使纵振转换为扭转复合振动的螺旋槽26，每个螺旋槽26均沿轴向呈螺旋布置。
中圆锥段23和上圆柱段24由上端向下沿轴线开设有圆柱槽27，圆柱槽27内注入有配重液体28，圆柱槽27内设置有封堵并密封配重液体28的橡胶塞29和密封圈30；圆柱槽27的上端口处为喇叭口结构31，标准刀杆10下端通过弹性夹头装配在喇叭口结构31内，上圆柱段24上端螺纹连接有套在标准刀杆10外的压紧螺母32。
超声扭转振动测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)、标准刀杆10采用高速钢立铣刀，高速钢立铣刀直径为6mm，先对标准刀杆10进行线切割加工，使用线切割装置对标准刀杆10的作业端沿径向方向进行切割，在标准刀杆10径向方向形成一个平面，对切割后的平面进行打磨；将刀杆的端面打磨成所述的平面结构；然后标准刀杆10的下端通过ER弹性夹头夹装后插入到喇叭口结构31内，使用压紧螺母32螺纹连接到上圆柱段24上端对ER弹性夹头进行定位；
(2)、借助高清摄像头14对标准刀杆10上端平面结构的一条半径等分，即划分多个测定点：通过显示器4观察，将激光位移传感器12的激光束集中在标准刀杆10的轴线部位，量取划点位置的刀杆半径为2100um，计算后将划点所在的半径长度进行7等分，既是分成8个测定点，分别按照1－8进行编号，如图3所示，等分后操控激光位移传感器云台11将激光位移传感器12发射的激光束分别定位在这几个测定点上，分别对每个测定点进行测量；
(3)、为保证测定数据的稳定性，且超声振动产生的热量会使超声振子产生损耗，超声扭转振动测量装置启动10分钟，稳定后进行振幅测定：每隔五分钟进行一次测量，测量3次，连续测定多个测定点的振幅，将3次测定的振幅平均；
(4)、扭转幅度的计算：最外侧的测定点位于标准刀杆10半径的边缘处，标准刀杆10扭转振动时，激光位移传感器12发射的激光有段时间没有集中在铣刀上，传感器接收不到反射引号，造成振幅测量的波动较大，故利用其他测定点的数据，以测定点与刀杆轴线的距离作为横坐标，以该测定点的扭转振幅大小为纵坐标，拟合超声扭转振动幅度函数曲线，如图4所示，由该函数曲线计算刀杆上任意一点的扭转角度及扭转振幅；
(5)、采用以下公式计算测定点计算扭转角度：
∠A是该超声扭转振动的扭转角，f为测定点的扭转振动的振幅，d是测定点距离刀杆轴线的距离；测定点扭转角度正切值计算结果如表1所示：
表1测定点计算扭转角度结果
由表1可知，扭转幅度函数曲线的斜率K可近似看作扭转振动的扭转角A的正切值，前文中已经提到，在刀杆8点测定的振幅出现了偏差，故在8点的扭转振幅可近似通过图4拟合的曲线进行计算：
f8＝d8·K＝2100×0.0045＝9.45um
另外，在步骤(1)中选择标准刀杆10时，在圆柱槽27里注入不同密度的配重液体28，利用橡胶塞29和密封圈30密封防漏。由于变幅杆2夹装不同材料、直径的标准刀杆10以及标准刀杆10的伸出长度都会影响测量装置的谐振频率；因此在夹装不同的标准刀杆10时，变幅杆2的质量发生改变，通过调整橡胶塞29和密封圈30的位置来改变圆柱槽27内配重液体28体积，或者更换配重液体28的种类，以改变纵-扭复合超声振子的质量，以补偿夹装不同标准刀杆10时的频率的损失或者增加，从而实现夹装不同标准刀杆10时，超声装置的谐振频率、振动模态及振形的一致性，大大提高了测量数据的精准度。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (3)
1.超声扭转振动测量装置，其特征在于：包括超声电源、变幅杆、计算机、显示器、第一支架、第二支架和第三支架，第三支架上设置有换能器，换能器的上端通过双头螺栓与变幅杆的下端连接，变幅杆的上端连接有标准刀杆；第二支架上设置有激光位移传感器云台，激光位移传感器云台上设置有激光位移传感器，激光位移传感器通过第一电缆与计算机连接，第一支架上设置有高清摄像头，高清摄像头通过第二电缆与显示器连接；超声电源通过电源线与换能器连接；标准刀杆、变幅杆和换能器的中心线重合且该中心线沿垂直方向设置，标准刀杆的作业端朝上设置，标准刀杆上端部采用线切割工艺沿径向方向切割为平面结构，激光位移传感器和高清摄像头的测量端均朝向标准刀杆的平面结构，换能器包括换能器本体，换能器本体上自上而下依次设置有四层压电陶瓷片，换能器本体下端通过预紧螺栓压紧四层压电陶瓷片，压电陶瓷片外侧连接有电极片，电极片与所述的电源线连接，换能器本体上侧部开设有下扳手卡槽；变幅杆包括自下而上依次设置的下圆柱段、中圆锥段和上圆柱段，下圆柱段的外径等于中圆锥段下端的外径，中圆锥段上端的外径等于上圆柱段的外径，中圆锥段呈下粗上细的结构，下圆柱段侧部开设有上扳手卡槽，中圆锥段沿圆周方向均匀开设四个可使纵振转换为扭转复合振动的螺旋槽，每个螺旋槽均沿轴向呈螺旋布置，中圆锥段和上圆柱段由上端向下沿轴线开设有圆柱槽，圆柱槽内注入有配重液体，圆柱槽内设置有封堵并密封配重液体的橡胶塞和密封圈；圆柱槽的上端口处为喇叭口结构，标准刀杆下端通过弹性夹头装配在喇叭口结构内，上圆柱段上端螺纹连接有套在标准刀杆外的压紧螺母。
2.如权利要求1所述的超声扭转振动测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)、标准刀杆采用高速钢立铣刀，先对标准刀杆进行线切割加工，使用线切割装置对标准刀杆的作业端沿径向方向进行切割，在标准刀杆径向方向形成一个平面，对切割后的平面进行打磨；将刀杆的端面打磨成所述的平面结构；然后标准刀杆的下端通过ER弹性夹头夹装后插入到喇叭口结构内，使用压紧螺母螺纹连接到上圆柱段上端对ER弹性夹头进行定位；
(2)、借助高清摄像头对标准刀杆上端平面结构的一条半径等分，即划分多个测定点：通过显示器观察，将激光位移传感器的激光束集中在标准刀杆的轴线部位，量取每个测定点位置处的刀杆半径，等分后操控激光位移传感器云台将激光位移传感器发射的激光束分别定位在这几个测定点上，分别对每个测定点进行测量；
(3)、为保证测定数据的稳定性，且超声振动产生的热量会使超声振子产生损耗，超声扭转振动测量装置启动10分钟，稳定后进行振幅测定：每隔五分钟进行一次测量，测量3次，连续测定多个测定点的振幅，将3次测定的振幅平均；
(4)、扭转幅度的计算：最外侧的测定点位于标准刀杆半径的边缘处，标准刀杆扭转振动时，激光位移传感器发射的激光有段时间没有集中在铣刀上，传感器接收不到反射引号，造成振幅测量的波动较大，故利用其他测定点的数据，以测定点与刀杆轴线的距离作为横坐标，以该测定点的扭转振幅大小为纵坐标，拟合超声扭转振动幅度函数曲线，由该函数曲线计算刀杆上任意一点的扭转角度及扭转振幅；
(5)、采用以下公式计算测定点计算扭转角度：
∠A是该超声扭转振动的扭转角，f为测定点的扭转振动的振幅，d是测定点距离刀杆轴线的距离；
扭转幅度函数曲线的斜率K可近似看作扭转振动的扭转角A的正切值，在标准刀杆最外侧的测定点的振幅出现了偏差，故在该测定点的扭转振幅可近似通过拟合的函数曲线进行计算。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：在步骤(1)中选择标准刀杆时，在圆柱槽里注入不同密度的配重液体，利用橡胶塞和密封圈密封防漏； 由于变幅杆夹装不同材料、直径的标准刀杆以及标准刀杆的伸出长度都会影响测量装置的谐振频率；因此在夹装不同的标准刀杆时，变幅杆的质量发生改变，通过调整橡胶塞和密封圈的位置来改变圆柱槽内配重液体体积，或者更换配重液体的种类，以改变纵-扭复合超声振子的质量，以补偿夹装不同标准刀杆时的频率的损失或者增加，从而实现夹装不同标准刀杆时，超声装置的谐振频率、振动模态及振形的一致性，大大提高了测量数据的精准度。
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