CN107850484A - 用于测量超声振动加工的工具的共振频率的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量加工工件过程的在超声振动中运动的工具的共振频率的方法，包括以下步骤：将具有工作频率的工作信号通过发生器发射给包括工具的工具夹以便产生工具的超声振动；在工件的加工开始之后，将具有随着工作频率改变的测试频率和比工作信号的功率低的功率的测试信号通过发生器发射给工具夹；通过布置在工具夹中的传感器装置产生来自于工具的超声振动的传感器信号；通过读出装置读出传感器信号；将传感器信号通过分析装置分成具有主频和辅频的频谱；从工作频率中确定主频，从共振频率中确定辅频。

Description

用于测量超声振动加工的工具的共振频率的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于测量用于超声振动加工工件中的工具的共振频率的方法，其中，具有一工作频率的工作信号通过发生器被发射到具有工具的工具夹中，以便引起工具的超声振动。

背景技术

现有技术公开了加工工具，其中，当工件被一工具加工时，工具的旋转运动可以叠加工具的超声振动。

EP1763416B1就此描述了一工具，其包括工具夹，其在第一端有适合旋转的主轴头的工具夹支撑，并在相对于第一端的第二端有工具支撑，以及包括工具头，其可以被插入到工具支撑中，其中工具夹包括振动电动机。

在这种加工工具中，在工具夹中的超声换能器产生工具的超声振动，振动体和插入到工具夹中的工具组成振动系统，其被电信号引起机械振动，其中当振动系统以它的共振频率激励时，最大可能的机械振动的振幅被获得。

这样做，产生的问题是共振频率可能因为加工操作而改变。大致有三个原因。一方面，振动系统或其零件在加工期间可能变热，因此改变材料的性质。这导致共振频率的温度漂移。

另一方面，振动在工具接触待加工的工件时被加工力抑制，其中在阻尼振动的情况下系统的共振频率比系统的自由共振频率小。

此外，新的耦合振动系统通过将振动系统结合到工件形成，所述振动系统的共振频率通常比自由的共振频率高。实际上，这三种影响组合发生，并且哪一个的作用为主取决于具体的加工情况。

还应该注意的是除了共振频率的改变，功率的变化也在其中起作用，因为由于工具和工件之间的相互作用，可能需要更高的输出电压以得到相同的功率。

如果在加工的过程中，用自由共振频率来激励，并且系统实际的共振频率与之不同，那么工具的振动将会有较低的振幅，从而使得加工效率降低。

为此，检测振动系统的共振频率的变化是很重要的，以便能够相应地调整振动参数，以再次获得最大可能的振动振幅。

为此，已知从超声焊接应用根据发生器(发生器为机械振动提供电信号)的初始值确定自由的共振频率和系统的共振频率到工具夹中的压电驱动的变化。发生器保证通过感应传输电路连接的振动系统具有取决于频率的电阻抗在机械共振频率下具有最小值。因此，发生器在共振频率偏移的情况下，重新调整其频率直到其再次达到阻抗最小值。除阻抗最小值的频率之外，阻抗值本身也由于加工操作变化，即需要更高的输出电压来驱动相同的功率。

然而，该方法不适于机械加工，因为不同于超声焊接，采用的超声波发生器在具有插入的工具时的阻抗曲线要复杂的多。一方面，由于具有复杂形态的工具的许多不同的振动模式，所以阻抗最小值明显更多。另一方面，引起共振频率的偏移的影响变量具有更极端的影响，即频移可以很大使得阻抗最小值进一步跳跃。超声波发生器在整个焊接加工过程中施加几乎相同的压力于工件上。这导致单一频移，这与在循环加工中是相同的，并且其中的阻抗最小值通常可以清楚识别。相反地，由于工具进入材料的前进情况变化，频移在加工的过程中不断变化，并且如上所述，仅凭阻抗测量进行分配通常不再可行。

这是因为使用了具有不同形态的大量工具，即具有不同尺寸的钻机和铣刀以及具有不同切削几何图形的切削工具，与超声焊接相比，其导致阻抗曲线的形状的变化更高。此外，作用在振动系统上的力通常在加工操作中明显更高，且因此阻抗曲线的变化更加明显。

此外，因为在焊接过程中的循环加工步骤，所以主频移影响可以很好地预计，其限制了系统的可能反应。相反地，所有的影响在加工操作中必须考虑在内，这就是为什么预计可能和/或限制控制参数的可能是不充足的。

而且，仅仅根据阻抗测量区分来自纵向振动模式的弯曲振动或诸如此类是不可能的。还有不能产生任何振动的纯电气共振。这些寄生效应不能够通过已知的方法检测到。

在根据发生器的输出监控振动时，产生的另一个问题是不知道哪一部分的功率实际上被包含在振动产生中，以及哪一部分进入到其它进程中，例如有关的组件的加热。因此，所以振动的变化不能被检测到是可能的，这是因为虽然发生器提供的用于产生振动的功率的部分变化，但是发生器提供的全部功率没有变化。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种用于测量超声振动中的工具的共振频率的方法，上述问题可以通过所述方法避免。

特别地，本发明的一个目的是提供一种方法，通过该方法可以在工件的超声加工中获得更高的加工精度。

此外，本发明的一个目的是提供一种设备和加工工具，借助于该设备和加工工具，根据本发明的所述方法可以被执行。

这些目的通过根据权利要求1的方法，权利要求11的设备以及权利要求19的设备获得。附属权利要求分别涉及根据本发明所述的方法和根据本发明所述的设备的优选实施例。

在工件的加工过程中，根据本发明用于测量超声振动中的共振频率的方法包括的步骤有：a)将具有工作频率的工作信号通过发生器发射给包括工具的工具夹以便产生工具的超声振动；b)在工件的加工开始之后，将具有随着工作频率改变的测试频率和比工作信号的功率低的功率的测试信号通过发生器发射给工具夹；c)通过布置在工具夹中的传感器装置产生来自于工具超声振动的传感器信号；d)通过读出装置读出传感器信号；e)将传感器信号通过分析装置分成具有主频和辅频的频谱；f)从工作频率中确定主频，从共振频率中确定辅频。

传感器装置可以设计为例如压电传感器元件或者具有电子电路的应变计。因而，工具的共振频率可以直接从机械振动确定，而不用为了该目的要考虑发生器的可能不准确的电当量变量。此外，共振频率的测量在超声加工的过程中是可行的，使得所确定的共振频率值可以及时在任何期望的工具振动的点处更新。其最主要的有益之处在于以下情况：在工具进入之前，振动的共振频率可以通过发生器观察到的电阻抗或通过发生器输出的电流和电压之间的相移被确定。然而，这种共振频率在工具进入到工件时通常发生变化。这种变化可以通过根据本发明的方法来测量。

利用可变频率发射附加的测试信号的有益之处在于共振频率的电位偏移可以完全单独地从振动产生中确定。由于用于发射的功率将一起减小，所以这意味着不必改变工作频率来找到偏移的共振频率。测试信号可以通过例如扫描法来改变。

优选地，根据本发明的方法包括进一步的步骤：g1)通过第一控制装置将工作频率调整至所测量的共振频率，用于提高工具超声振动的振幅。

优选地，根据本发明的方法包括进一步的步骤：h)调整发生器的输出电压，用于稳定加工的过程中的功率。

除在频率轴上的共振的位置之外，工具和工件之间的相互作用也改变阻抗曲线的y轴上的阻抗值。因此，在加工的过程中获得恒定的功率不仅对控制工作频率而且对控制发生器的输出电压有利。

因此，工具的超声振动的频率可以被调整至实际的共振频率(如果工具的超声振动的频率不同于实际的共振频率)以便提高加工效率。此外，机械振动也可以在工具末端保持稳定，并且机械振动的振幅的波动可以补偿，其有利于工件加工的精度。当在没有精确地知道当前的共振频率，工作频率就被调整时，会存在所改变的工作频率导致系统的固有振动(例如扭转或弯曲振动)的不准确模式的危险。这种问题不会发生在基于传感器信号的频率调整中。

优选地，根据本发明的方法包括步骤：g2)根据工作频率的频谱的峰值，通过第二控制装置提高工作信号的功率，以便提高工具的超声振动的振动振幅。

因此，可以不用峰值的宽度信息(即所谓的值)就能推测出机械振幅。

优选地，根据本发明的方法包括步骤：g3)根据工作频率和所测量的共振频率之间的差值，通过第二控制装置提高工作信号的振动振幅，以便提高工具的超声振动的振动振幅。

因此，不用改变振动频率就提高和/或稳定机械振动的振幅是可以的，以便用这种方式提高加工操作的效率和精度。

优选地，步骤d)至g1)，步骤d)至g2)或步骤d)至g3)在工件的加工过程中重复多次，而存在测试信号的连续或准连续发射和测试频率的连续或准连续发射，其中步骤g1)中的工作频率被自动调整至最后所测量的共振频率或步骤g2)中的工作信号的功率根据最后所测量的工作频率的频谱的峰值值自动提高或步骤g3)中的工作振动振幅根据最后所测量的共振频率自动提高。

有益之处在于，共振频率不必手动调整以适于变化的共振频率，以便简化使用者的加工操作。

优选地，步骤a)中的工作信号通过第一传输路径发射和步骤d)中的传感器装置的传感器信号通过第二传输路径发射到读出装置，其中，第二传输路径与第一传输路径为电绝缘。

这里，测试信号也可以通过第一传输路径发射(即被叠加于工作信号)，或测试信号可以通过与第二传输路径电绝缘的另一个传输电路发射，其有益之处在于，在每一种情况下的传感器信号都不受工作信号和测试信号的影响，并且因此，共振频率的检测可以并行于振动产生开始。

优选地，步骤b)至f)在工件加工过程中重复，以便连续监控共振频率。

因此，实际的共振频率也可以仅仅被记录用于某些加工任务而不是适应于工作频率。

优选地，工具被设定为在工件开始加工之前是旋转的。

特别地，硬脆材料可以利用旋转的工具很好地加工，工具的旋转叠加超声振动。

优选地，根据本发明的方法包括进一步的步骤：通过补偿电路补偿在发生器和工具夹之间流动的无功功率；根据工作频率和所测量的共振频率之间的差值调整无功功率补偿。

补偿电路可以设计为并联电路，串联电路或来自于一个或多个电容和/或一个或多个电感的组合电路。例如，补偿电路可以设计为并联于第一变压器转换的电容。有益之处在于，基于复杂的电路阻抗和频率的无功功率的补偿可以通过改变电容和/或电感来调整。

优选地，无功功率补偿可以通过转换继电器来调整。

因此有益之处在于，电容和/或电感的值可以用简单的方式来改变。

根据本发明用于测量工件加工过程的超声振动中的工具的共振频率的设备包括：一具有用于加工工件的工具的工具夹；一发生器，用于将具有工作频率的工作信号发射至工具夹，以便产生所述工具的所述超声振动，且用于将具有随着工作频率改变的测试频率和比工作信号的所述功率低的功率的测试信号发射至所述工具夹；一布置在工具夹中的传感器装置，以产生来自于工具的超声振动的传感器信号；一用于将传感器信号读出的读出装置；一分析装置，用于将传感器信号分成包括主频和辅频的频谱，以及一用于从工作频率中确定主频，从共振频率中确定辅频的装置。

传感器装置可以被设计为，即压电传感器元件或具有电子电路的应变计。这里，主频为在频谱中的最高峰值的频率，辅频为在频谱中的第二峰值的频率。如果频谱只有一个峰值，那么主频和辅频至少大约相等，并且振动系统已经将被激励接近于共振频率。因此，工具的共振频率可以从机械振动中确定，而不用考虑发生器的电当量。此外，共振频率的测量在超声加工的过程中是可以的，使得共振频率的所确定的值可以及时在任何期望的工具振动的点处更新。

优选地，设备具有第一控制设备，用于将工作频率调整至所测量的共振频率，以便提高工具的超声振动的振动振幅。

因此，工具的超声振动的频率在其不同于实际的共振频率的情况下可以被调整至实际的共振频率，以便提高加工操作的精度和效率。

优选地，设备具有第二控制设备，用于根据工作频率的频谱的峰值或根据工作频率和所测量的共振频率之间的差异提高工作信号的功率，以便提高工具的超声振动的振动振幅。

因此，可以不用改变振动频率就提高机械振动的振幅，从而提高加工精度和加工效率。

优选地，设备具有一连接到第一控制设备和/或第二控制设备的用户界面，用于设备的使用者调整工作频率或提高工作信号的功率。

有益之处在于，使用者可以决定是否，何时以及在何种情况下工作频率应该被改变(例如一定间隔或当所测量的共振频率与已经达到的工作频率之间的一定偏差时)或者频率是否应该自动控制。这确保了高度灵活性和基于需求的调整，例如加工模式改变的情况下。

优选地，一第一传输路径，被设计为第一变压器，用于发生器和工具夹之间的工作信号的非接触传递；优选地，一第二传输路径，被设计为第二变压器，用于工具夹和读出装置之间的传感器信号的非接触传递。

这里，测试信号可以叠加于工作信号，也可以通过第一传输电路发射，或测试信号可以通过与第二传输电路电绝缘的另一个传输电路发射，两种可能性的有益之处在于，在任意一种情况下的传感器信号都不受工作信号和测试信号的影响，并且因此，共振频率的检测可以并行于振动产生开始。变压器的使用的有益之处在于，传递可以以非接触的模式被执行，并且不必进一步提供用于传递的能量，其在旋转的工具的情况下是尤其有利的。

优选地，设备具有一补偿电路，用于补偿在发生器和工具夹之间流动的无功功率。

补偿电路可以被设计为并联电路，串联电路或来自于一个或多个电容和/或一个或多个电感的组合电路。例如，补偿电路可以设计为并联于第一变压器转换的电容。有益之处在于，基于复杂的电路阻抗和频率的无功功率的补偿可以通过改变电容和/或电感来调整。

优选地，设备具有一继电器，用于调整在发生器和工具夹之间流动的无功功率的补偿。

有益之处在于，补偿电路的电容和/或电感的值可以通过继电器进行改变。

根据本发明，用于加工工件的机床包括根据本发明的设备，其中机床被配置为测量工件加工过程的超声振动中的工具的共振频率。

根据本发明，用于输出输出信号和接收输入信号的另一个设备包括：一发生器，用于同时产生具有第一频率和第一功率的第一输出信号和具有可变的第二频率和第二功率的第二输出信号；一检测装置，用于检测输入信号；一分析装置，用于将输入信号分成包括主频和辅频的频谱，以及一第一控制设备，用于将第一输出信号的第一频率调整至辅频。

因此，输出信号及其适配的频率可以根据输入信号以密集的方式产生于同一设备。

优选地，根据本发明的另一个设备具有一第二控制设备，用于根据主频的频谱的峰值或根据主频和辅频之间的差异提高第一输出信号的第一功率。

因此，可以改变第一输出信号的另一个参数，而不是或以外的其频率。

优选地，根据本发明的另一个设备具有一连接到第一控制设备和/或第二控制设备的用户界面，用于设备的使用者调整第一频率或提高第一功率。

有益之处在于，使用者可以决定是否且何时应该改变第一频率或频率是否应该自动控制。

根据本发明，用于通过超声振动中的工具加工工件的机床具有根据本发明的设备，其中机床被配置为根据超声振动中的工具的所测量的共振频率调整工具的超声振动的频率。

附图说明

图1示出了可以用于根据本发明的方法中的工具夹的截面视图。

图2示出了加工工具的部分，根据本发明的方法可以通过该加工工具被执行。

图3示出了电阻抗曲线。

图4以框图的方式示出了根据本发明的设备的一个实施例。

图5示出了频谱。

图6示出了根据本发明的设备的一个实施例。

具体实施方式

本发明通过下面的实施例和示例性的附图来详细描述和说明。

图1示出了可以用于根据本发明的方法的工具夹10的一示例性设计。工具支撑部11被布置在工具夹10的一端，用于接纳工具90(未示出)。工具夹10以叠置的方式容纳多个，例如六个，穿孔的盘状第一压电元件21，第一压电元件21通过传动部12被连接到工具支撑部11，并组成用于将电压转换成机械振动的超声换能器20。第一压电元件21的机械振动通过传动部12被传递给工具90。第一压电元件21可以被设计为在它们之间安装有电极的压电陶瓷盘。能量通过变压器(第一变压器)被提供给超声换能器20，所述变压器包括在机床侧的第一罐形磁芯31和第一绕组32(未示出)，在工具侧的第二罐形磁芯33和第二绕组34，所述第二罐形磁芯33和第二绕组34在所述工具夹10的外侧被布置成环形元件。

穿孔的盘状压电传感器元件40被布置在由第一压电元件21构成的叠组远离工具支撑部11的一侧，其被机械耦合于第一压电元件21，并通过绝缘元件43与第一压电元件21绝缘，绝缘元件43可以由穿孔陶瓷盘构成。压电传感器元件40通过另一个绝缘元件43与紧固元件13(例如紧固螺母)绝缘。紧固元件13用来将压电传感器元件40附接到超声换能器20以及用于由于动载荷的第一压电元件21的偏压。第一压电元件21和压电传感器元件40具有相同的定向，一方面致使在相同方向的振动的产生和检测成为可能，另一方面导致元件在工具夹10内的布置节省空间。压电传感器元件40将由工具90、传动部12、超声换能器20和压电传感器元件40组成的振动系统的机械振动转换成传感器信号S2，传感器信号S2作为电压通过电线连接50从压电传感器元件40穿过工具夹10被传递到工具夹外侧的发射元件60。传感器信号S2以非接触的方式从发射元件60被传递给机床侧的接收元件80(未示出)。发射元件60是另一个变压器(第二变压器)的部分，并且包括第一铁氧体磁芯61和初级绕组62；接收元件80也是第二变压器的部分，并且包括第二铁氧体磁芯81和次级绕组82。从而，传感器信号S2可以从工具夹10感应地传递给在机床侧的传感器信号评估设备110(未示出)。可选择地，光传输也是可以的，其中发射元件60被设计为发光二极管，以及接收元件80被设计为光电二极管。发射元件60的尺寸和定位可以被设定以适于根据DIN69893标准的用于工具数据的数据芯片的钻孔70。工具夹10可以关于机床(未示出)的固定部旋转。

图2使用示例的方式示出了以工作信号S1的形式传递用于超声换能器20进入到工具夹10的能量的能量传递设备30的布置，以及用于传递来自于工具夹10的传感器信号S2的发射元件60和接收元件80的布置的截面视图。

能量传递设备30被设计成具有第一罐形磁芯31，第一绕组32，第二罐形磁芯33和第二绕组34的第一变压器(第一变压器)，其中罐形磁芯31和33的开口相对，并且绕组32和34被布置在相应的罐形磁芯31和33中。第二罐形磁芯33在此沿工具夹外围成环形布置；第一罐形磁芯31在机床侧被定位在外壳100中，以沿轴向方向与第二罐形磁芯33间隔开，并且围绕工具夹10被布置为环形段或整环。因此，工作信号S1沿着轴向方向(在图2中，从上到下)从第一绕组32到第二绕组34感应传递。

外壳100还容纳接收元件80。发射元件60被布置在工具夹10上的钻孔70中，与接收元件80相对且以一距离隔开。因此，传感器信号S2沿径向方向(在图2中，从左向右)以非接触的方式从发射元件60被传递给接收元件80。也可以将多个发射元件60周向布置在工具夹10上以减少，当传感器信号S2被传递时，工具夹10旋转过程中的信号损失。类似地，多个接收元件80可以被布置为与发射元件60或多个发射元件60相对。

在工具夹10旋转的过程中，能量传递设备30的第二罐形磁芯33和第二绕组34以及发射元件60与工具夹10一起旋转，而具有能量传递设备30的第一罐形磁芯31和第一绕组32以及接收元件80的外壳100是安装在，例如工具主轴(未示出)上并且不旋转。

下面通过图3来描述在加工操作过程中振动系统的行为。在本发明的一个实施例中，振动系统包括作为压电驱动的超声换能器20，传动部12，插入到工具支撑部11的工具90和用于产生传感器信号S2的压电传感器元件40，和用于压电传感器元件40的紧固元件13，振动系统受由发生器120产生并且通过能量传递设备30被传递给超声换能器20的工作信号S1的激励而机械振动。在这种情况下，工作信号S1的工作频率f1决定了机械振动频率，且由发生器120提供的功率P1决定了振幅。对于一给定功率P1，振动振幅在振动系统的共振频率f2处为最大值，其中系统的自由振动的共振频率f21通常不同于系统在加工过程中的共振频率f22。

图3示出了发生器120通过作为感应传输电路的第一变压器31-34连接的振动系统观察到的电阻抗曲线。自由振动的阻抗曲线具有在低频处的阻抗最大值(串联共振)和在高频处的阻抗最小值(并联共振)。阻抗最小值的位置对应于自由振动的共振频率。

在加工过程中，发生器120观察到具有较少标记的极值的变化的阻抗曲线。此外，最小值关于自由振动的最小值偏移。图3中，在加工过程中，最小值朝向高频率偏移，即在举例说明的例子中，加工过程中的共振频率f22比自由振动的共振频率f21高。然而，在加工过程中，共振频率f22也可以比自由振动的共振频率f21小。哪一种情况将会发生以及共振频率将何种程度地变化取决于在加工过程中加工力的阻尼，系统加热和涉及的相关耦合振动系统的共振行为的影响。

在工具90进入工件之前，自由振动频率f21可以根据为压电驱动提供工作信号S1的发生器120的初始值确定，或者通过根据本发明的方法确定，所述方法通过图4更详细地解释并且可以用作工作频率f1的评估，通过其可以获得最大可能的振动振幅。根据本发明的方法用来检测加工过程中的共振频率f2的变化，然后其值可以用于将工作频率f1接近实际共振频率f2或者提高工作频率S1的功率，以使得再次得到原始振幅。

图4通过图解的方式示出了根据本发明的设备，根据本发明的方法可以通过该设备被执行。所述设备可以是机床的部分。该图示出了具有压电传感器元件40的工具夹10，其设计对应于图1所示的工具夹10。用于超声加工工件的工具90被容纳在工具夹10处。

发生器120发射工作信号S1作为用于工具夹10中的压电驱动的驱动信号。工作信号S1具有工作频率f1，并通过能量传递设备30利用功率P1以非接触方式被传递给旋转的工具夹10，能量传递设备30被设计为由第一绕组32，第一罐形磁芯31，第二绕组34和第二罐形磁芯33组成的变压器。另外，发生器120发射功率Pt<P1的测试信号，其叠加到工作信号S1，且其频率在f1附近的一个范围内变化。

因为信号S1和St，工具夹10中的振动系统受激励而振动，且该振动的频率大致有两个频率。一示例性的频率在图5中示出。频谱中的较高峰值由系统的强制振动造成，其在较高的功率P1受工作频率f1激励。较小峰值由系统的强制振动造成，其受f1变化的频率激励，然而，在如此低的功率Pt下，由于阻尼，在除了系统的当前共振频率f2之外的所有频率处，该振动很快地消失。

由于振动系统的振动，压电传感器元件40也以同样的方式振动，从而产生包含振动的频谱信息的电传感器信号S2。传感器信号S2通过另一个变压器(其由初级绕组62加上第一铁氧体磁芯61和次级绕组82加上第二铁氧体磁芯81组成)以非接触方式从旋转的工具夹10通过读出装置130读出，并被传递给分析装置140a。分析装置140a确定包含在S2的频谱中的频率，使得在用于确定共振频率的设备140b(其可以作为分析装置140a的部分实现)中，在频谱(主频)中的最高峰值的频率可以被分配给工作频率f1，且在频谱(辅频)中的较小峰值的频率可以与共振频率f2关联。读出装置130，分析装置140a和用于确定共振频率的装置140b也可以被结合成两个装置或作为一个装置实现。

所确定的共振频率f2的值被传递给控制发生器120的第一控制设备150，使得工作信号S1的频率f1被调整到共振频率f2的值。

可替代地或另外地，所确定的共振频率f2的值可以被传递给第二控制设备160，所述第二控制设备160控制发生器120使得功率P1(通过功率P1，工作信号S1被发射给工具夹10)被提高到功率P1’，使得即使在一个f1≠f2的激励的情况下,机械振动振幅达到其在受共振频率f2的激励的情况下的最大值。

这样，工具末端的机械振动振幅可以稳定在一定值，其对在使用工具90执行加工操作时的精度具有积极的影响。当振动振幅可以利用一定的功率稳定在最大值时，工具加工的效率也提高了。

设备的使用者可以通过用户界面170控制第一控制装置150和/或第二控制装置160，使得工作信号S1仅仅在使用者的命令下或者当确定的情况发生时被调整。使用者也可以决定根据最后确定的共振频率f2以规律或不规律的间隔自动调整工作信号S1。

发生器120，读出装置(或检测装置)130，分析装置140a和第一控制装置150可以结合到用于输出输出信号和接收输入信号的装置120中，其中设备200的第一输出信号对应于工作信号S1，第二输出信号对应于测试信号St，以及输入信号对应于传感器信号S2。

图6示出了具有示例性补偿电路的上述组件的电路图。其示出了在工具夹10中的压电驱动，在左侧具有第一绕组32在右侧具有第二绕组34的第一变压器31-34和超声发生器120的可替代电路图。电容180并联于变压器31-34在机床侧切换，电容值可以通过继电器190(未示出)进行改变。

基于电压和电流之间的相移，无功功率在发生器120和工具夹10之间往复，并且不能进行任何机械做功，只是对系统进行加热。无功功率可以利用电容180补偿。然而，由于补偿电阻抗也具有频率响应，所以补偿在工作频率f1的变化小时仅通过具有足够精度的电容180的恒定值运行。随着共振频率f2相对工作频率f1的大变化和/或大偏差，电容180的值通过继电器190相应地转换。

补偿电路可以设计为通过继电器190转换的并联电路，串联电路或电容和/或电感的组合电路。

本发明不局限于上述实施例，而是上述实施例的各个方面和/或各个特征可以相互组合以提供本发明的进一步的实施例。

附图标记列表

10 工具夹

11 工具支撑部

12 传动部

13 紧固元件

20 超声换能器

21 第一压电元件

30 能量传递设备

31 第一罐形磁芯

32 第一变压器的第一绕组

33 第二罐形磁芯

34 第一变压器的第二绕组

40 作为传感器装置的压电传感器元件

43 绝缘元件

50 电线连接

60 发射元件

61 第一铁氧体磁芯

62 第二变压器的初级绕组

70 钻孔

80 接收元件

81 第二铁氧体磁芯

82 第二变压器的次级绕组

90 工具

100 外壳

110 传感器信号评估设备

120 发生器

130 读出装置/检测装置

140a 分析装置

140b 用于确定共振频率的装置

150 第一控制装置

160 第二控制装置

170 用户界面

180 电容

190 继电器

200 用于输出输出信号和接收输入信号的设备

S1 工作信号/第一输出信号

f1 工作频率/第一频率

P1，P2 工作信号的功率/第一功率

St 测试信号/第二输出信号

Pt 测试信号的功率/第二功率

S2 传感器信号/输入信号

f2 共振频率

f21 自由振动的共振频率

f22 加工过程中的共振频率

Claims (23)

1.一种用于测量加工工件过程的超声振动中的工具(90)的共振频率的方法，其包括以下步骤：

a)将具有工作频率(f1)的工作信号(S1)通过发生器(120)发射给包括工具(90)的工具夹(10)以便产生所述工具(90)的超声振动；

b)在所述工件的所述加工开始之后，将具有随着所述工作频率(f1)改变的测试频率和比所述工作信号的功率(P1)低的功率(Pt)的测试信号(St)通过所述发生器(120)发射给所述工具夹(10)；

c)通过布置在所述工具夹(10)中的传感器装置(40)产生来自于所述工具(90)的所述超声振动的传感器信号(S2)；

d)通过读出装置(130)读出所述传感器信号(S2)；

e)将所述传感器信号(S2)通过分析装置(140a)分成包括主频和辅频的频谱；

f)从所述工作频率(f1)中确定所述主频，从所述共振频率(f2)中确定所述辅频。

2.根据权利要求1所述的方法，包括进一步的步骤：

g1)通过第一控制设备(150)将所述工作频率(f1)调整至所述所测量的共振频率(f2)，以便提高所述工具(90)的所述超声振动的所述振动振幅。

3.根据权利要求2所述的方法，包括进一步的步骤：

h)调整所述发生器(120)的输出电压，以便稳定加工过程中的所述功率。

4.根据权利要求1所述的方法，包括进一步的步骤：

g2)根据所述工作频率(f1)的所述频谱的峰值，通过第二控制设备提高所述工作信号(P1)的所述功率，以提高所述工具(90)的所述超声振动的所述振动振幅。

5.根据权利要求1所述的方法，包括进一步的步骤：

g3)根据所述工作频率(f1)和所述所测量的共振频率(f2)之间的差值，通过第二控制设备(160)提高所述工作信号(S1)的振动振幅，以提高所述工具(90)的所述超声振动的所述振动振幅。

6.根据权利要求2至5中的任意一项所述的方法，其中，步骤d)至g1)，步骤d)至g2)或步骤d)至g3)在所述工件的所述加工的过程中重复多次，而存在所述测试信号(St)的连续或准连续发射和所述测试频率的连续或准连续变化，其中

在步骤g1)，所述工作频率(f1)被自动调整至所述最后所测量的共振频率(f2)或在步骤g2)，所述工作信号的所述功率(P1)根据所述工作频率(S1)的所述频谱的所述峰值的所述所测量的峰值自动提高，或在步骤g3)，所述工作信号(S1)的所述振动振幅根据所述最后所测量的共振频率(f2)自动提高。

7.根据上述权利要求中的任意一项所述的方法，其中

在步骤a)，所述工作信号(S1)通过第一传输路径被发射到所述工具夹(10)；以及

在步骤d)，所述传感器信号(S2)通过第二传输路径从所述传感器装置(40)被发射到所述读出装置(130)，其中，所述第二传输路径与所述第一传输路径电绝缘。

8.根据上述权利要求中的任意一项所述的方法，其中

步骤b)至f)在所述工件的所述加工的过程中重复，以连续监控所述共振频率(f2)。

9.根据上述权利要求中的任意一项所述的方法，其中

所述工具(90)被设定为在所述工件的所述加工之前是旋转的。

10.根据上述权利要求中的任意一项所述的方法，包括进一步的步骤：

通过补偿电路的方式补偿所述发生器(120)和所述工具夹(10)之间的无功功率；

根据所述工作频率(f1)和所述所测量的共振频率(f2)之间的差值调整无功功率。

11.根据权利要求10所述的方法，其中

所述无功功率补偿通过转换继电器(190)调整。

12.一种用于测量工件加工过程的超声振动中的工具(90)的共振频率的设备，其包括：

一具有用于加工所述工件的所述工具(90)的工具夹(10)，

一发生器(120)，用于将具有工作频率(f1)的工作信号(S1)发射至所述工具夹(10)，以便产生所述工具的所述超声振动，且用于将具有随着所述工作频率(f1)改变的测试频率和比所述工作信号的所述功率(P1)低的功率(Pt)的测试信号(St)发射至所述工具夹(10)，

一布置在所述工具夹(10)中的传感器装置(40)，以产生来自于所述工具(90)的所述超声振动的传感器信号(S2)，

一用于将所述传感器信号(S2)读出的读出装置(130)，

一分析装置(140a)，用于将所述传感器信号(S2)分成包括主频和辅频的频谱，以及

一用于从所述工作频率(f1)中确定所述主频，从所述共振频率(f2)中确定所述辅频的装置(140b)。

13.根据权利要求12所述的设备，包括：

一第一控制设备(150)，用于将所述工作频率(f1)调整至所述所测量的共振频率(f2)，以便提高所述工具(90)的所述超声振动的所述振动振幅。

14.根据权利要求12至13中的任意一项所述的设备，包括：

一第二控制设备(160)，用于根据所述工作频率的频谱的峰值或根据所述工作频率(f1)和所述所测量的共振频率(f2)之间的差值提高所述工作信号的所述功率(P1)，以提高所述工具(90)的所述超声振动的所述振动振幅。

15.根据权利要求13至14中的任意一项所述的设备，包括：

一连接到所述第一控制设备(150)和/或所述第二控制设备(160)的用户界面(170)，用于所述设备的使用者调整所述工作频率(f1)或提高所述工作信号的所述功率(P1)。

16.根据权利要求12至15中的任意一项所述的设备，其中

一第一传输路径，其被设计为第一变压器(31-34)，用于所述发生器(120)和所述工具夹(10)之间的所述工作信号(S1)的非接触传递，以及

一第二传输路径，其被设计为第二变压器(61,62,81,82)，以用于所述工具夹(10)和所述读出装置(130)之间的所述传感器信号(S2)的非接触传递。

17.根据权利要求16所述的设备，包括：

一补偿电路，用于补偿在所述发生器(120)和所述工具夹(10)之间流动的无功功率。

18.根据权利要求17所述的设备，包括：

一继电器(190)，用于调整在所述发生器(120)和所述工具夹(10)之间流动的所述无功功率的所述补偿。

19.一种用于加工工件的机床，包括：

根据权利要求12至18中的任意一项所述的设备，其中

所述机床被配置为测量工件加工过程的超声振动中的工具(90)的共振频率。

20.一种用于输出输出信号(S1，St)和接收输入信号(S2)的设备(200)，包括：

一发生器(120)，用于同时产生具有第一频率(f1)和第一功率(P1)的第一输出信号(S1)和具有可变的第二频率和第二功率(Pt)的第二输出信号(St)，

一检测装置(130)，用于检测输入信号(S2)，

一分析装置(140a)，用于将所述输入信号(S2)分成包括主频和辅频的频谱，以及

一第一控制设备(150)，用于将所述第一输出信号(S1)的所述第一频率(f1)调整至所述辅频。

21.根据权利要求20所述的设备(200)，包括：

一第二控制设备(160)，用于根据所述频谱在所述主频的峰值或根据所述主频和所述辅频之间的差值提高所述第一输出信号(S1)的所述第一功率(P1)。

22.根据权利要求20至21中的任意一项所述的设备(200)，包括：

一用户界面(170)，其连接到所述第一控制设备(150)和/或所述第二控制设备(160)，用于所述设备的使用者调整所述第一频率(f1)或提高所述第一功率(P1)。

23.一种用于通过超声振动中的工具(90)加工工件的机床，包括：

根据权利要求20至22中的任意一项所述的设备，其中

所述机床被配置为根据超声振动中的所述工具(90)的所测量的共振频率调整所述工具(90)的超声振动的频率。