CN108760026B - 基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法及装置，其压电陶瓷片外侧连接有电极片，所述电极片通过电源线与超声电源连接，所述变幅杆从左至右依次设置法兰盘、变截面段和右圆柱段，所述变截面段呈左粗右细结构，且沿圆周方向均匀开设使纵振转换为纵扭复合振动的螺旋槽，每个所述螺旋槽均沿轴向呈螺旋布置；所述变幅杆的右端锥形孔内插接固定有刀具，所述刀具外端的夹持部分与三爪夹紧机构的环形侧壁固定连接，所述三爪夹紧机构的圆形固定板与圆盘型电容器或圆柱型电容器连接，所述圆盘型电容器或圆柱型电容器通过导线与放大器和计算机连接，构成环形线路，以测量超声系统的纵振振幅或扭振振幅。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超声振动的测量，特别是涉及一种基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法及装置。
背景技术：
超声加工应用越来越广，辅助加工种类越来越多。超声纵振及扭振振幅是加工中的重要参数，超声振幅的大小可以反映声功率输出的大小，对加工效率、工件的表面粗糙度具有重要影响，亦可反映超声电源、换能器、变幅杆以及刀具之间的匹配情况。因此，超声振幅的测量极为重要。
适用于测量振幅的主要方法有：物理观察法、光学法、电测法等。最精密的测量仪器是激光测振仪，但价格昂贵，很难普及。超声纵振及扭振振幅均是重要加工参数，但目前能同时测量两种振幅的仪器较少，且不易测量扭振振幅。现有测量方法下，若刀具加工精度低，测量环境掺杂其他振动，测量精度将会明显下降，很多测量设备只能针对特定刀具进行测量。而随着超声加工领域的快速发展，超声辅助加工种类的增多，测振仪器需求量大，当前急需一种成本较低、操作简单、受环境影响小、适用范围广、精度能满足一般科研及事业单位要求的测量设备。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、成本较低、操作简单、测量精度高且受环境影响小的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法及装置。
本发明的技术方案是：
一种基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，包括以下步骤：
（1）.通过连接螺栓将反射端、压电陶瓷、铜电极和变幅杆连接在一起，压电陶瓷片外侧连接有电极片，电极片通过电源线与超声电源连接，变幅杆从左至右依次设置法兰盘、变截面段和右圆柱段，变截面段右端外径等于右圆柱段的外径，呈左粗右细结构，且沿圆周方向均匀开设使纵振转换为纵扭复合振动的螺旋槽，每个螺旋槽均沿轴向呈螺旋布置；
（2）.刀具通过弹性夹头夹装后插入变幅杆右端的锥形孔内，用套在刀具外的压紧螺母将刀具与变幅杆连接；
（3）.调节三爪夹紧机构位置，使其环形侧壁位于刀具的夹持部位，再调节三个螺栓夹持刀具，使三爪夹紧机构与刀具固定在一起；
（4）.将圆盘型电容器的左极板固定在三爪夹紧机构的圆形固定板上，且保证左极板与水平面相垂直，由导线依次连接左极板、放大器、计算机和右极板，刀具发生纵振时，两极板的间距将发生高频周期性变化，极板之间电场强度E0不变，距离d同频变化，电压发生周期性变化，经放大器将电压信号放大k倍，再由计算机输出电压波形图，为减小测量误差，取多组波峰与波谷的平均电压差∆U，由∆U=kE0∆d，可得纵振振幅a=∆d/2=∆U÷2kE0；
（5）.将圆柱型电容器固定在三爪夹紧机构的圆形固定板上，由导线依次连接内圆柱接线端、放大器、计算机和外圆柱环接线端，刀具发生扭振时，极板间的正对面积将发生高频周期性变化，极板间电场强度E同频改变，距离d不变，电压发生周期性变化，经放大器将电压信号放大k倍，再由计算机输出电压波形图；若初始状态下内极板所对应的圆周角为θ0，极板间的电场强度为E0，正对面积S0，扭转时板间正对面积为S，内外极板正对圆心角差值的绝对值为∆θ，则刀具扭转角为∆θ；极板带电量不变，则电场强度E与板间正对面积S成反比，内极板发生偏转时，S0/S=θ0/(θ0 -∆θ),有E/E0=θ0/(θ0-∆θ)，则∆E=E0θ0/(θ0－∆θ)－E0，同样取多组波峰与波谷的平均电压差∆U，由∆U=k∆Ed，可得扭转的角度∆θ=∆Uθ0/(∆U+kdE0)，刀具上距离中心轴为r的任一点的扭转振幅a=
。
圆盘型电容器的两极板均为圆形，面积相等且带有等量异种电荷，既减弱了电荷在边缘处的集聚，且扭振不改变极板间电压，进而提高纵振测量精度。
圆柱型电容器由三对电极板组成，测量的∆U是多次测量三对极板电压差的均值，且外极板长度比内极板稍长，使纵振不会引起极板间电压变化，提高扭振的测量精度。
三爪夹紧机构包括一个圆形固定板、三个支臂、三个螺栓，其中圆形固定板左端面带有锥形凸台，固定板右端面与电容器固定连接，支臂及固定板均由密度较小的材料制成，固定板采用绝缘材料。
三个支臂均匀分布于中心锥形凸台周围，在空间上成锥形，左端直径小，右端直径大；支臂左端有环形侧壁，夹紧刀具时增大支臂左端与刀具的接触面积，支臂右端与固定板左端面固连；每一支臂上均有一预紧螺栓，且距离固定板等距，在中心圆柱的对应处有三个螺纹孔；旋转螺栓以调节三个支臂左端直径，使三爪夹紧机构夹紧刀具；在支臂上，螺栓周围标有刻度，以保证三个标准螺栓的旋转角度及预紧力相同，或采用力矩扳手预紧。
一种基于电容器原理的超声纵振及扭振测量装置，包括反射端、压电陶瓷、铜电极和变幅杆，所述压电陶瓷片外侧连接有电极片，所述电极片通过电源线与超声电源连接，所述变幅杆从左至右依次设置法兰盘、变截面段和右圆柱段，所述变截面段呈左粗右细结构，且沿圆周方向均匀开设使纵振转换为纵扭复合振动的螺旋槽，每个所述螺旋槽均沿轴向呈螺旋布置；所述变幅杆的右端锥形孔内插接固定有刀具，所述刀具外端的夹持部分与三爪夹紧机构的环形侧壁固定连接，所述三爪夹紧机构的圆形固定板与圆盘型电容器或圆柱型电容器连接，所述圆盘型电容器或圆柱型电容器通过导线与放大器和计算机连接，构成环形线路，以测量超声系统的纵振振幅或扭振振幅。
所述三爪夹紧机构包括一个圆形固定板、三个支臂、三个螺栓，其中所述圆形固定板左端面带有锥形凸台，所述固定板右端面与电容器固定连接，所述支臂及固定板均由密度较小的材料制成，所述固定板采用绝缘材料。
三个所述支臂均匀分布于所述锥形凸台周围，在空间上成锥形，左端直径小，右端直径大；所述支臂左端有环形侧壁，所述支臂右端与固定板左端面固连；每一所述支臂上均有一预紧螺栓，且距离所述圆形固定板等距，在中心圆柱的对应处有三个螺纹孔；旋转螺栓以调节三个支臂左端直径，使环形侧壁夹紧刀具；所述支臂上，螺栓周围标有刻度，保证三个螺栓的旋转角度及预紧力相同，或采用力矩扳手预紧。
所述圆盘型电容器的两个极板为圆形，面积相等且带有等量异种电荷，其中，所述左极板带负电荷与所述固定板固定连接。
所述圆柱型电容器由内圆柱和外圆柱环组成，贴合所述内圆柱的外壁均匀分布三个内极板，三个所述内极板经导线相连，所述内圆柱上留有接线端；所述外圆柱环套在所述内圆柱上，贴合所述外圆柱环内壁均匀分布三个外极板，所述外电极板与内电极板位置相对应，三个所述外极板由导线相连，所述外圆柱环上留有接线端，六个极板电量相等；所述外圆柱环固定，所述内圆柱可绕轴线自由旋转；所述外电极板和内电极板正对宽度相同，但在轴向上，所述外极板长度比所述内极板长，所述内圆柱左侧面与所述固定板固定连接。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用电容器的基本原理测量超声振动频率下刀具的振幅，将振动的物理信号转化为电信号，由放大器将信号放大，计算机输出测量结果，改变电容器的种类能够测量超声振动频率下刀具的两种振幅，且具有精度高、成本低、操作方便、测量范围大、适用场合多等优势。
2、本发明测量超声纵振时，两极板均为圆形，既减弱了电荷在边缘处的集聚，也使扭转振动不改变电压值，进而提高纵振测量精度；测量超声扭振时，圆柱型电容器由三对电极板组成，测量的∆U是三对极板电压差的均值，且外极板比内极板长度稍长，使纵振不改变电压值，极大提高了扭振测量精度；有偏转角∆θ也可计算出刀具上任一点的扭转弧长；纵振及扭振振幅均可测量，由测量值可计算纵扭比，为变幅杆的设计和改进提供实验依据；计算机以波形图输出结果，亦能推测振动轨迹。
3、本发明三爪夹紧机构的支臂及圆锥凸台均可采用中空结构，还可增加圆柱型电容器极板的对数，增加带电量以及减小初始状态下的正对面积，但不可使电容器击穿，这样能够进一步提高测量精度。
4、本发明三爪夹紧机构的支臂左端有环形侧壁，夹紧刀具时增大支臂左端与刀具的接触面积，支臂右端与固定板左端面固连，每一支臂上均有一预紧螺栓，且距离固定板等距，在中心圆柱的对应处有三个螺纹孔，旋转螺栓以调节三个支臂左端直径，使三爪夹紧机构夹紧刀具；在支臂上，螺栓周围标有刻度，以保证三个标准螺栓的旋转角度及预紧力相同，或采用力矩扳手预紧。
5、本发明成本较低、操作简单、受环境影响小、适用范围广、精度能满足一般科研及事业单位要求，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明：
图1为基于电容器原理的超声纵振及扭振测量装置的结构示意图之一；
图2为基于电容器原理的超声纵振及扭振测量装置的结构示意图之二；
图3为图1中三爪夹紧机构的结构示意图；
图4为图2中圆柱形电容器的结构示意图；
图5为图4所示圆柱形电容器的侧视图。
具体实施方式：
实施例：参见图1-图5，图中，1-超声电源，2-连接螺栓，3-换能器，4-变幅杆，5-刀具，6-三爪夹紧机构，7-圆盘型电容器，8-圆柱形电容器，9-放大器，10-计算机，11-导线，12-压电陶瓷片，13-电极片，14-电源线，15-法兰盘，16-变截面段，17-右圆柱段，18-螺旋槽，19-圆形固定板，20-支臂，21-调节螺栓，22-锥形凸台，23-环形侧壁，24-左极板，25-内圆柱，26-外圆柱，27-内电极板，28-外电极板，29-压紧螺母，30-右极板。
基于电容器原理的超声纵振及扭振测量装置包括超声电源1、换能器3、变幅杆4、刀具5、三爪夹紧机构6、圆盘型电容器7、圆柱型电容器8、放大器9、计算机10等。变幅杆4的右端连接有标准刀具5，刀具5右端通过三爪夹紧机构6与电容器7或8的一个极板相连。圆盘型电容器7通过三爪夹紧机构6与刀具5连接在一起，再由导线11将圆盘型电容器7与放大器9，计算机10相连，构成环形线路，以测量超声系统的纵振振幅；将上述步骤中的圆盘型电容器7更换为圆柱型电容器8以测量超声系统的扭振振幅。超声电源1通过电源线14与换能器3连接。
换能器3、变幅杆4、刀具5和圆盘型电容器7或圆柱型电容器8的中心线重合且该中心线沿水平方向设置。换能器3及变幅杆4采用一体式，经高强度外六方螺栓2连接。
换能器3从左到右依次设置四层压电陶瓷片12，压电陶瓷片12外侧连接有电极片13，电极片13与所述的超声电源1经电源线14连接；变幅杆4从左至右依次设置法兰盘15、变截面段16和右圆柱段17，变截面段16右端外径等于右圆柱段17的外径，呈左粗右细的结构且沿圆周方向均匀开设四个可使纵振转换为纵扭复合振动的螺旋槽18，每个螺旋槽均沿轴向呈螺旋布置，螺旋槽18的数量还可以是六个或八个等，不一一论述。
刀具5是任何可被三爪夹紧机构6夹持的工具，刀具5通过ER弹性夹头夹装后插入变幅杆右端的锥形孔内，用套在刀具5外的压紧螺母29将刀具5与变幅杆4连接。
三爪夹紧机构6包括一个圆形固定板19（固定板采用绝缘材料）、三个支臂20、三个螺栓21，其中圆形固定板19左端面带有锥形凸台22，固定板19右端面与电容器7或8固定在一起。支臂20及固定板19均采用密度较小的材料制成。
三个支臂20均匀分布于中心锥形凸台22周围，支臂20右端固定在固定板19左端面上。三个支臂20在空间上呈锥形，左端直径小，右端直径大，每一支臂上均有一预紧螺栓21且距离固定板等距。支臂20左端有环形侧壁23，夹紧刀具5时增大支臂20左端与刀具5的接触面积。在中心锥形凸台22的对应处有三个螺纹孔，旋转螺栓21以调节三个支臂20左端直径，使三爪夹紧6装置夹紧刀具5。螺栓21周围标有刻度，以保证三个标准螺栓21的旋转角度及预紧力相同，或采用力矩扳手预紧。
圆盘型电容器7的两个极板为圆形，面积相等且带有等量异种电荷。左极板24（带负电荷）与上述固定板19固定连接。
圆柱型电容器8由内圆柱25和外圆柱环26组成，贴合内圆柱25外壁均匀分布三个内电极板27（带负电荷），三个内极板经导线11相连，在内圆柱上25留有接线端。外圆柱环26套在内圆柱25上，贴合外圆柱环26内壁均匀分布三个外极板28（正对于内极板27，带正电荷），三个外极板28经导线11相连，在外圆柱环26上留有接线端，六个极板所带电量均相同。外圆柱环26固定，内圆柱25可绕轴线自由旋转。外极板28与内极板27正对宽度相同，但在轴向上，外极板28长度比内极板27稍长，此时纵振不会引起极板间电压变化，以保证扭振测量的准确性。内圆柱25的左侧面与上述三爪夹紧机构6的固定板19固定连接。
超声纵振及扭振测量装置的测量方法，测量纵振包括以下步骤：
（1）安装刀具5，刀具5通过ER弹性夹头夹装后插入变幅杆4右端的锥形孔内，用套在刀具外的压紧螺母29将刀具5与变幅杆4连接；
（2）调节三爪夹紧机构6的位置，使环形侧壁23位于刀具5的夹持部位，再调节三个螺栓20夹持刀具5，且保证左极板24与水平面相垂直；
（3）由导线11依次连接左极板24（带负电荷）、放大器9、计算机10和右极板30;
（4）换能器3与超声电源1相连，当刀具5发生纵振时，两极板之间的间距将发生高频周期性变化，极板之间电场强度E0不变，距离d同频改变，电压发生周期性变化，经放大器将电压信号放大k倍，再由计算机10输出电压波形图。取多组波峰与波谷的平均电压差∆U，由∆U=kE0∆d，可得纵振振幅a=∆d/2=∆U÷2kE0。
超声纵振及扭振测量装置的测量方法，测量扭振包括以下步骤：
（1）安装刀具5，刀具5通过ER弹性夹头夹装后插入变幅杆4右端的锥形孔内，用套在刀具外的压紧螺母29将刀具5与变幅杆4连接；
（2）调节三爪夹紧机构6的位置，使环形侧壁23位于刀具5的夹持部位，再调节三个螺栓20夹持刀具5，且保证左极板24与水平面相垂直；
（3）由导线11依次连接内圆柱25接线端、放大器9、计算机10和外圆柱环26接线端；
（4）换能器3与超声电源1相连，刀具5发生扭振时，两极板间的正对面积将发生高频周期性变化，极板间电场强度E同频改变，距离d不变，电压发生周期性变化，经放大器将电压信号放大k倍，再由计算机10输出电压波形图。若初始状态下内极板27所对应的圆周角为θ0，极板间的电场强度为E0，正对面积S0，扭转时正对面积为S，内外极板正对圆心角差值的绝对值为∆θ，则刀具5的扭转角度为∆θ。极板带电量不变，则电场强度E与板间正对面积S成反比，内极板发生偏转时，S0/S=θ0/(θ0-∆θ)，有E/E0=θ0/(θ0-∆θ)，则∆E=E0θ0/(θ0－∆θ)－E0，同样取多组波峰与波谷的平均电压差∆U，由∆U=k∆Ed，可得纵振扭转的角度∆θ=∆Uθ0/(∆U+kdE0)，刀具上距离中心轴为r的任一点的扭转振幅a=
。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明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，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，包括以下步骤：
(1).通过连接螺栓将反射端、压电陶瓷、铜电极和变幅杆连接在一起，压电陶瓷片外侧连接有电极片，电极片通过电源线与超声电源连接，变幅杆从左至右依次设置法兰盘、变截面段和右圆柱段，变截面段右端外径等于右圆柱段的外径，呈左粗右细结构，且沿圆周方向均匀开设使纵振转换为纵扭复合振动的螺旋槽，每个螺旋槽均沿轴向呈螺旋布置；
(2).刀具通过弹性夹头夹装后插入变幅杆右端的锥形孔内，用套在刀具外的压紧螺母将刀具与变幅杆连接；
(3).调节三爪夹紧机构位置，使其环形侧壁位于刀具的夹持部位，再调节三个螺栓夹持刀具，使三爪夹紧机构与刀具固定在一起；
(4).将圆盘型电容器的左极板固定在三爪夹紧机构的圆形固定板上，且保证左极板与水平面相垂直，由导线依次连接左极板、放大器、计算机和右极板，刀具发生纵振时，两极板的间距将发生高频周期性变化，极板之间电场强度E0不变，距离d同频变化，电压发生周期性变化，经放大器将电压信号放大k倍，再由计算机输出电压波形图，为减小测量误差，取多组波峰与波谷的平均电压差ΔU，由ΔU＝kE0Δd，可得纵振振幅a＝Δd/2＝ΔU÷2kE0；Δd为电容器两个极板距离的变化量；
(5).将圆柱型电容器固定在三爪夹紧机构的圆形固定板上，由导线依次连接内圆柱接线端、放大器、计算机和外圆柱环接线端，刀具发生扭振时，极板间的正对面积将发生高频周期性变化，极板间电场强度E同频改变，距离d不变，电压发生周期性变化，经放大器将电压信号放大k倍，再由计算机输出电压波形图；若初始状态下内极板所对应的圆周角为θ0，极板间的电场强度为E0，正对面积S0，扭转时板间正对面积为S，内外极板正对圆心角差值的绝对值为Δθ，则刀具扭转角为Δθ；极板带电量不变，则电场强度E与板间正对面积S成反比，内极板发生偏转时，S0/S＝θ0/(θ0-Δθ),有E/E0＝θ0/(θ0-Δθ)，则ΔE＝E0θ0/(θ0－Δθ)－E0，同样取多组波峰与波谷的平均电压差ΔU，由ΔU＝kΔEd，可得扭转的角度Δθ＝ΔUθ0/(ΔU+kdE0)，ΔE为电容器两个极板间电场强度的变化量，刀具上距离中心轴为r的任一点的扭转振幅a= 
。
2.根据权利要求1所述的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，其特征在是：圆盘型电容器的两极板均为圆形，面积相等且带有等量异种电荷，既减弱了电荷在边缘处的集聚，且扭振不改变极板间电压，进而提高纵振测量精度。
3.根据权利要求1所述的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，其特征在是：圆柱型电容器由三对电极板组成，测量的ΔU是多次测量三对极板电压差的均值，且外极板长度比内极板稍长，使纵振不会引起极板间电压变化，提高扭振的测量精度。
4.根据权利要求1所述的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，其特征在是：三爪夹紧机构包括一个圆形固定板、三个支臂、三个螺栓，其中圆形固定板左端面带有锥形凸台，圆形固定板右端面与电容器固定连接，支臂及圆形固定板均由密度较小的材料制成，圆形固定板采用绝缘材料。
5.根据权利要求4所述的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量方法，其特征在是：三个支臂均匀分布于中心锥形凸台周围，在空间上成锥形，左端直径小，右端直径大；支臂左端有环形侧壁，夹紧刀具时增大支臂左端与刀具的接触面积，支臂右端与圆形固定板左端面固连；每一支臂上均有一预紧螺栓，且距离圆形固定板等距，在中心圆柱的对应处有三个螺纹孔；旋转螺栓以调节三个支臂左端直径，使三爪夹紧机构夹紧刀具；在支臂上，螺栓周围标有刻度，以保证三个标准螺栓的旋转角度及预紧力相同，或采用力矩扳手预紧。
6.一种基于电容器原理的超声纵振及扭振测量装置，包括反射端、压电陶瓷、铜电极和变幅杆，其特征是：所述压电陶瓷片外侧连接有电极片，所述电极片通过电源线与超声电源连接，所述变幅杆从左至右依次设置法兰盘、变截面段和右圆柱段，所述变截面段呈左粗右细结构，且沿圆周方向均匀开设使纵振转换为纵扭复合振动的螺旋槽，每个所述螺旋槽均沿轴向呈螺旋布置；所述变幅杆的右端锥形孔内插接固定有刀具，所述刀具外端的夹持部分与三爪夹紧机构的环形侧壁固定连接，所述三爪夹紧机构的圆形固定板与圆盘型电容器或圆柱型电容器连接，所述圆盘型电容器或圆柱型电容器通过导线与放大器和计算机连接，构成环形线路，以测量超声系统的纵振振幅或扭振振幅；
所述三爪夹紧机构包括一个圆形固定板、三个支臂、三个螺栓，其中所述圆形固定板左端面带有锥形凸台，所述圆形固定板右端面与电容器固定连接，所述支臂及圆形固定板均由密度较小的材料制成，所述圆形固定板采用绝缘材料；
所述圆盘型电容器的两个极板为圆形，面积相等且带有等量异种电荷，其中，左极板带负电荷与所述圆形固定板固定连接。
7.根据权利要求6所述的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量装置，其特征是：三个所述支臂均匀分布于所述锥形凸台周围，在空间上成锥形，左端直径小，右端直径大；所述支臂左端有环形侧壁，所述支臂右端与圆形固定板左端面固连；每一所述支臂上均有一预紧螺栓，且距离所述圆形固定板等距，在中心圆柱的对应处有三个螺纹孔；旋转螺栓以调节三个支臂左端直径，使环形侧壁夹紧刀具；所述支臂上，螺栓周围标有刻度，保证三个螺栓的旋转角度及预紧力相同，或采用力矩扳手预紧。
8.根据权利要求6所述的基于电容器原理的超声纵振及扭振测量装置，其特征是：所述圆柱型电容器由内圆柱和外圆柱环组成，贴合所述内圆柱的外壁均匀分布三个内极板，三个所述内极板经导线相连，所述内圆柱上留有接线端；所述外圆柱环套在所述内圆柱上，贴合所述外圆柱环内壁均匀分布三个外极板，所述外极板与内极板位置相对应，三个所述外极板由导线相连，所述外圆柱环上留有接线端，六个极板电量相等；所述外圆柱环固定，所述内圆柱可绕轴线自由旋转；所述外极板和内极板正对宽度相同，但在轴向上，所述外极板长度比所述内极板长，所述内圆柱左侧面与所述圆形固定板固定连接。
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