CN108672766A - 便携式振动辅助钻孔装置及制孔方法与加工信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式振动辅助钻孔装置及制孔方法与加工信号检测方法，属于振动辅助钻削加工领域。该装置由包括外壳(1)、固定内壳（3）、移动内壳（5）、导电环（8）、振动单元（6）、电机（12）。本发明专利的优点：①采用压电陶瓷驱动方式，调节预紧力、后盖板和中间垫块的尺寸可以调整装置的振动频率，从而获得优良的钻削性能；②可实时监测钻削过程中转速、进给和制孔数量，实现智能化加工，减小了人为因素给加工质量带来的不良影响；③采用移动内壳结构，消除了非加工过程中的干扰信号，信号检测更加准确；④采用通用刀具安装结构，可以实现快速换刀，在实际应用中简便易行。

Description

便携式振动辅助钻孔装置及制孔方法与加工信号检测方法

技术领域

本发明属于振动辅助钻削加工领域，特别涉及便携式振动辅助钻孔装置及制孔方法与加工信号检测方法领域。

背景技术

目前，手钻制孔广泛应用于航空、航天等领域，用于解决自动化钻孔设备难以达到的区域的制孔问题，然而传统机械制孔存在诸多问题，如发热严重、切削力过大、刀具磨损较快等。在难加工材料的制孔方面传统机械制孔存在加工质量差、加工效率低等难题。相关研究表明振动辅助切削加工在降低切削力、提高加工质量、延长刀具寿命等方面具有明显的优势,因此本文将振动与传统手钻结合起来，形成一套便携式振动辅助钻削装置。

此外现有的手钻大多数无法定量检测转速、进给等加工参数，工作过程中全凭操作人员手感，这将造成加工的孔质量参差不齐，加工精度无法得到满足。为了克服现有技术的不足，解决目前手钻加工中人为因素对加工质量影响较大的难题，设计便携式振动辅助钻削装置及制孔方法与加工信号检测方法。该装置通过法兰盘将振动单元固定在导电滑环上，通过导电滑环将电信号传输到振动单元中进而实现振动辅助钻削，基于检测齿轮、转速传感器、距离传感器、压电陶瓷计数器和PLC，可在钻孔过程中实时检测加工参数并将加工状态在屏幕中显示出来，实现更加精确的制孔加工。此外，该装置具有通用刀具安装结构，换刀方便，适用于多种尺寸孔的加工。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种便携式振动辅助钻孔装置及制孔方法与加工信号检测方法，可解决振动辅助钻削和智能化钻削的问题。

一种便携振动辅助钻削装置，其特征在于:包括外壳、固定内壳、移动内壳、导电环、振动单元、电机；上述固定内壳固定安装于外壳内，移动内壳通过轴向导轨安装于固定内壳内；上述电机固定安装于移动内壳中；该电机前端为第一输出轴，后端为第二输出轴；上述刀具安装于振动单元的前端；振动单元的前半部分伸出移动内壳，后半部分位于移动内壳内；上述导电环安装于振动单元的后半部分外侧；导电环由外侧的导电环定子和内侧的导电环转子组成；导电环定子与移动内壳固定连接；导电环转子通过轴承支撑于移动内壳内，并与振动单元和第一输出轴连接旋转；第二输出轴上安装有电机电刷滑环和检测齿轮；移动内壳在与电刷滑环部分对应的位置安装有电刷的碳刷部分，在与检测齿轮对应的位置安装有转速传感器；移动内壳底部和固定内壳底部之间安装有弹簧,还安装有压电陶瓷；该装置还包括安装于外壳前端的距离传感器；还包括运算处理单元、显示单元、无极调速单元、电源；上述转速传感器、压电元件、距离传感器与运算处理单元输入端相连,显示单元与运算处理单元输出端相连。.

所述的便携振动辅助钻削装置的振动辅助制孔方法，其特征在于包括以下过程：按下无极调速单元开关，电机电路导通，电机旋转并带动导电环转子运动，固结在导电环转子上的振动单元及刀具也一并旋转，操作人员通过手持外壳实现钻削进给；其钻削过程中刀具的振动运动是通过振动单元产生；当电源信号传输到导电环定子的信号入线端，导电环定子通过内部电刷将信号传给导电环转子，导电环转子信号出线端连接振动单元的信号输入端。

所述的便携振动辅助钻削装置的加工信号检测方法，其特征在于：当钻削开始，刀具接触工件后，带动导电滑环向后移动，与导电滑环相连接的移动内壳也向后移动；移动内壳和固定内壳之间的相对移动，使得两者底部之间的弹簧被挤压，并且压电陶瓷受力被触发输出电信号；当压电陶瓷的输出信号从零变化，产生一个上升沿信号并达到预定数值时，给位移传感器和转速传感器一个启动信号，位移传感器开始工作，记录初始位置x₀、上一时刻位置x₁、实时位置x₂和最远位置x_max，并通过运算处理单元进行信号处理；当x₁＜x₂时认为装置处于进给阶段，此时实时进给x

x＝x₂-x₀ (4)

计算实时进给后对数据进行更新，

当x₁＝x₂时认为装置行至最大进给处，此时位移传感器停止工作，实时进给x保持上一时刻数值，并向运算处理单元发送一标记信号a；

当x₁＞x₂时认为装置处于退刀阶段。

在工作阶段转速传感器与检测齿轮配合工作并在显示单元上显示实时转速；

当压电元件信号实时变化，此时系统判定处于钻削阶段；当压电元件的信号从有到无并在预设时间无任何变化，即认为制孔结束，并给运算处理单元发送一标记信号b，当运算处理单元检测到一组a,b信号时，钻孔计数参数增加1。

上述导电滑环与电机之间还布置有散热风扇，用于防止装置在长时间工作中压电陶瓷和电机发热严重、影响加工质量和效率。

上述振动单元具有法兰盘，导电环转子的前端通过螺钉与其相连，导电环转子后端通过键与第一输出轴连接。

上述导电环定子的入线端通过第一导线与电源相连；其中第一导线位于固定内壳与外壳之间；上导电环转子的出线端与压电陶瓷的信号线相连接，提供压电换能器所需要的正弦激励信号。

上述振动单元包括ER夹具、变幅杆、压电陶瓷、中间垫块、电极片、后盖板和预紧力螺栓；ER夹具用于将刀具部分与变幅杆连接，预紧力螺栓将变幅杆与压电陶瓷、中间垫块、电极片、后盖板连接在一起。

当在压电换能器施加正弦电压驱动信号为U(t)，压电陶瓷在激励信号作用下产生轴向位移为M(t)，其中，

式中，A表示驱动信号U(t)的幅值，表示轴向方向驱动信号的初相位，f为该正弦波信号的频率；

M(t)＝n_z·d₃₃·U(t) (4)

式中，n_z表示压电陶瓷的个数，d₃₃为压电陶瓷轴向应变系数；

变幅杆在轴向压电陶瓷组作用下，将会产生轴向方向上的振动，振动位移传递到刀具端，形成轴向方向上的一维振动轨迹，刀具端输出在笛卡尔坐标系中，刀具端由变幅杆轴向振动引起的位移为N(t)，其中，

N(t)＝Am·cos(2πft+θ) (5)

此外，中间垫块(6-6)、后盖板(6-10)尺寸的改变、预紧力的变化会对振动单元共振频率产生影响，从而适应更多的材料钻削情况。

本发明专利的优点：①采用压电陶瓷驱动方式，调节预紧力、后盖板和中间垫块的尺寸可以调整装置的振动频率，从而获得优良的钻削性能；②可实时监测钻削过程中转速、进给和制孔数量，实现智能化加工，减小了人为因素给加工质量带来的不良影响；③采用移动内壳结构，消除了非加工过程中的干扰信号，信号检测更加准确；④采用通用刀具安装结构，可以实现快速换刀，在实际应用中简便易行。

附图说明

图1是本发明中便携式振动辅助钻孔装置装配总图；

图2是本发明中振动辅助钻削装置振动单元图；

图中标号名称：1外壳；2距离传感器；3固定内壳；4轴向导轨；5移动内壳；6振动单元；7螺钉；8导电环；9轴承；10电机输出轴；11散热风扇；12电机；13电刷；14检测齿轮；15轴承；16无极调速单元；17电源；18显示单元；19运算处理单元；20弹簧；21压电陶瓷；22转速传感器；6-1刀具部分；6-2ER接头；6-3变幅杆；6-4,6-8压电陶瓷；6-5,6-7,6-9电极片；6-10后盖板；6-11预紧力螺栓。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

一种便携式振动辅助钻削装置，其特征在于：

该装置由外壳1、位移传感器2、内壳3-5、振动单元6、导电滑环8、电机12、检测齿轮14、PLC19、压电陶瓷计数器21、转速传感器22组成；

上述振动单元由刀具、变幅杆和压电换能器组成，而压电换能器上布置了压电陶瓷、电极片、中间垫、后盖板，并又预紧力螺栓固定在变幅杆上，通过压电陶瓷的逆压电效应可以将电能转化为机械能，从而实现振动辅助钻削。

上述内壳由固定部分、中间导轨和移动部分构成，固定部分和移动部分通过中间导轨实现相对移动，固定部分底部还装有弹簧与压电陶瓷计数器。弹簧的作用在非工作状态下防止移动部分与压电陶瓷计数器相接触，从而造成信号干扰。

上述转速检测单元由检测齿轮和转速传感器组成，通过电磁感应检测实时转速。

上述进给检测单元由距离传感器、压电陶瓷计数器与PLC构成，压电陶瓷计数器感应到加工开始，并给距离传感器一个信号，距离传感器开始工作并配合PLC进行信号处理，并在屏幕上显示实时进给。

所述的便携式振动辅助钻削装置的制孔方法，其特征在于：

在便携式振动辅助钻削装置中，按下无极调速单元16开关，电机电路导通，电源通过电刷进入电机12中，电机12旋转并带动导电滑环8导电环转子运动，固结在导电环转子上的振动单元6也一并旋转，操作人员通过手持外壳实现钻削进给。

其钻削过程中刀具的振动运动是通过振动单元6产生，当超声电源信号经由内壳4-6并连接到导电滑环8的导电环定子的信号端，导电环定子通过内部电刷将信号传给导电环转子，导电环转子信号端连接振动单元6的压电环能器的输入端。

当在压电换能器施加正弦电压驱动信号为U(t)，压电陶瓷在激励信号作用下产生轴向位移为M(t)，其中，

式中，A表示驱动信号U(t)的幅值，表示轴向方向驱动信号的初相位，f为该正弦波信号的频率；

M(t)＝n_z·d₃₃·U(t) (2)

式中，n_z表示压电陶瓷的个数，d₃₃为压电陶瓷轴向应变系数；

变幅杆在轴向压电陶瓷组作用下，将会产生轴向方向上的振动，振动位移传递到刀具端，形成轴向方向上的一维振动轨迹，刀具端输出在笛卡尔坐标系中，刀具端由变幅杆轴向振动引起的位移为N(t)，其中，

N(t)＝Am·cos(2πft+θ) (3)

此外，中间垫块6-6、后盖板6-10尺寸的改变、预紧力的变化会对振动单元共振频率产生改变，从而适应更多的材料钻削情况。

所述的便携式振动辅助钻削装置加工信号检测方法，其特征在于：

当钻削开始，振动单元6的刀具部分6-1接触工件并带动导电滑环8向后移动，与导电滑环相连接的内壳移动部分5挤压内壳固定部分3底部的弹簧20并与压电陶瓷计数器21相接触，压电陶瓷21受力产生形变并输出电信号。

当压电陶瓷21产生上升沿信号时，需给位移传感器2和转速传感器22一个启动信号，位移传感器2开始工作，记录初始位置x₀、上一时刻位置x₁、实时位置x₂和最远位置x_max，并通过PLC19进行信号处理。当x₁＜x₂时认为装置处于进给阶段，此时进给x

x＝x₂-x₀ (4)

计算实时进给后需对数据进行更新，

当x₁＝x₂时认为装置行至最大进给处，此时位移传感器22停止工作，实时进给x保持上一时刻数值，并向运算处理单元19发送一标记信号a；

当x₁＞x₂时认为装置处于退刀阶段。

在工作阶段转速传感器22与检测齿轮14相配合并在屏幕18上显示实时转速；

当压电陶瓷21信号实时变化，此时系统判定处于钻削阶段；当压电陶瓷21信号从有到无并在一段时间无任何变化，即认为制孔结束，并给PLC19发送一标记信号b，当PLC19检测到一组a,b信号时，钻孔计数参数N+1。

以上实例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种便携振动辅助钻削装置，其特征在于:包括外壳(1)、固定内壳(3)、移动内壳(5)、导电环(8)、振动单元(6)、电机(12)；

上述固定内壳(3)固定安装于外壳(1)内，移动内壳(5)通过轴向导轨(4)安装于固定内壳(3)内；

上述电机(12)固定安装于移动内壳(5)中；该电机前端为第一输出轴(10-1)，后端为第二输出轴(10-2)；

上述刀具(6-1)安装于振动单元(6)的前端；振动单元(6)的前半部分伸出移动内壳(5)，后半部分位于移动内壳(5)内；上述导电环(8)安装于振动单元(6)的后半部分外侧；导电环由外侧的导电环定子和内侧的导电环转子组成；导电环定子与移动内壳(5)固定连接；导电环转子通过轴承(9)支撑于移动内壳(5)内，并与振动单元(6)和第一输出轴连接旋转；

第二输出轴上安装有电机电刷滑环和检测齿轮(14)；移动内壳(5)在与电刷滑环部分对应的位置安装有电刷的碳刷部分，在与检测齿轮(14)对应的位置安装有转速传感器(22)；

移动内壳(5)底部和固定内壳(3)底部之间安装有弹簧(20),还安装有压电陶瓷(21)；

该装置还包括安装于外壳前端的距离传感器(2)；还包括运算处理单元(19)、显示单元(18)、无极调速单元(16)、电源(17)；上述转速传感器(22)、压电元件(21)、距离传感器(2)与运算处理单元(19)输入端相连,显示单元(18)与运算处理单元(19)输出端相连。.

2.根据权利要求1所述的便携振动辅助钻削装置，其特征在于:上述导电滑环(8)与电机(12)之间还布置有散热风扇(11)。

3.根据权利要求1所述的便携振动辅助钻削装置，其特征在于:上述振动单元(6)具有法兰盘，导电环转子的前端通过螺钉(7)与其相连，导电环转子后端通过键与第一输出轴连接。

4.根据权利要求1所述的便携振动辅助钻削装置，其特征在于:上述导电环定子的入线端通过第一导线与电源相连；其中第一导线位于固定内壳与外壳之间；上导电环转子的出线端与压电陶瓷的信号线相连接，提供压电换能器所需要的正弦激励信号。

5.根据权利要求1所述的便携振动辅助钻削装置，其特征在于:上述振动单元(6)包括ER夹具(6-2)、变幅杆(6-3)、压电陶瓷(6-4、6-8)、中间垫块(6-6)、电极片(6-5、6-7、6-9)、后盖板(6-10)和预紧力螺栓(6-11)；ER夹具(6-2)用于将刀具部分(6-1)与变幅杆(6-2)连接，预紧力螺栓(6-11)将变幅杆(6-3)与压电陶瓷(6-4、6-8)、中间垫块(6-6)、电极片(6-5、6-7、6-9)、后盖板(6-10)连接在一起，其中6-4到6-11组成压电换能器结构。

6.根据权利要求1所述的便携振动辅助钻削装置的制孔方法，其特征在于包括以下过程：

按下无极调速单元(16)开关，电机电路导通，电机(12)旋转并带动导电环转子运动，固结在导电环转子上的振动单元(6)及刀具(6-1)也一并旋转，操作人员通过手持外壳实现钻削进给；

其钻削过程中刀具(6-1)的振动运动是通过振动单元(6)产生；当电源信号传输到导电环定子的信号入线端，导电环定子通过内部电刷将信号传给导电环转子，导电环转子信号出线端连接振动单元(6)的信号输入端。

7.根据权利要求6所述的制孔方法，其特征在于包括以下过程：

便携振动辅助钻削装置中的振动单元(6)包括ER夹具(6-2)、变幅杆(6-3)、压电陶瓷(6-4、6-8)、中间垫块(6-6)、电极片(6-5、6-7、6-9)、后盖板(6-10)和预紧力螺栓(6-11)；ER夹具(6-2)用于将刀具部分(6-1)与变幅杆(6-2)连接，预紧力螺栓(6-11)将变幅杆(6-3)与压电陶瓷(6-4、6-8)、中间垫块(6-6)、电极片(6-5、6-7、6-9)、后盖板(6-10)连接在一起；

当在压电换能器施加正弦电压驱动信号为U(t)，压电陶瓷在激励信号作用下产生轴向位移为M(t)，其中，

式中，A表示驱动信号U(t)的幅值，表示轴向方向驱动信号的初相位，f为该正弦波信号的频率；

M(t)＝n_z·d₃₃·U(t) (2)

式中，n_z表示压电陶瓷的个数，d₃₃为压电陶瓷轴向应变系数；

变幅杆在轴向压电陶瓷组作用下，将会产生轴向方向上的振动，振动位移传递到刀具端，形成轴向方向上的一维振动轨迹，刀具端输出在笛卡尔坐标系中，刀具端由变幅杆轴向振动引起的位移为N(t)，其中，

N(t)＝Am·cos(2πft+θ) (3)

此外，中间垫块(6-6)、后盖板(6-10)尺寸的改变、预紧力的变化会对振动单元共振频率产生影响，从而适应更多的材料钻削情况。

8.权利要求6所述的便携振动辅助钻削装置的制孔方法的加工信号检测方法，其特征在于：

当钻削开始，刀具(6-1)接触工件后，带动导电滑环(8)向后移动，与导电滑环相连接的移动内壳(5)也向后移动；移动内壳(5)和固定内壳(3)之间的相对移动，使得两者底部之间的弹簧(20)被挤压，并且压电陶瓷(21)受力被触发输出电信号；

当压电陶瓷(21)的输出信号从零变化，产生一个上升沿信号并达到预定数值时，给位移传感器(2)和转速传感器(22)一个启动信号，位移传感器(2)开始工作，记录初始位置x₀、上一时刻位置x₁、实时位置x₂和最远位置x_max，并通过运算处理单元(19)进行信号处理；当x₁＜x₂时认为装置处于进给阶段，此时实时进给x

x＝x₂-x₀ (4)

计算实时进给后对数据进行更新，

当x₁＝x₂时认为装置行至最大进给处，此时位移传感器(22)停止工作，实时进给x保持上一时刻数值，并向运算处理单元(19)发送一标记信号a；

当x₁＞x₂时认为装置处于退刀阶段。

在工作阶段转速传感器(22)与检测齿轮(14)配合工作并在显示单元(18)上显示实时转速；

当压电元件(21)信号实时变化，此时系统判定处于钻削阶段；当压电元件(21)的信号从有到无并在预设时间无任何变化，即认为制孔结束，并给运算处理单元(19)发送一标记信号b，当运算处理单元(19)检测到一组a,b信号时，钻孔计数参数增加1。