CN109764917A - 一种弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，可模拟加工时刀具对超声加工装置的作用力，并快速准确地测试弯曲振动超声加工装置的动态特性；主要由换能器、变幅杆、电动推杆、球头顶杆、电磁铁、多种传感器组成。超声波发生器启动，变幅杆输出端作高频振动，电动推杆带动套有弹簧的球头顶杆，顶向变幅杆产生弹簧作用力；将弹簧替换为铝管，可实现对变幅杆恒定作用力施加；将球头顶杆替换为电磁铁，对电磁铁通以交变信号产生对变幅杆周期性作用力，这三种作用力可快速方便切换。力传感器实时监测压力值，位移传感器实时采集变幅杆输出端振动位移数据，数据经计算机软件分析处理可得超声振动装置在各作用力下的振幅和频率等动态特性。
Description
技术领域
本发明属于系统动态特性的测试领域，尤其涉及一种用于弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统。
背景技术
超声加工是使用作高频率小振幅运动的振动工具，对工具(或工件)沿一定方向施加可控超声频振动来进行加工，从而实现材料去除的加工方法。超声加工具有切削力小、切削热低、精度高、加工稳定、生产率高等工艺优势，因此超声振动加工工艺在难加工材料、曲面成形、深小孔等加工制造方面存在广泛的应用，尤其是在传统加工手段无法取得理想加工效果的脆硬材料和复合材料的加工问题上，超声振动加工技术表现出明显的加工优势。本发明中的弯曲振动超声加工装置与机床配合实现超声振动辅助加工，工件固定在振动系统输出端，加工时工件作高频振动并与刀具通过相对运动实现切削。在与机床配合切削时，刀具对超声加工装置的作用主要体现在三个方面：(1)刀具与变幅杆接触，对变幅杆产生恒定作用力；(2)由于旋转刀具存在几何精度偏差，切割时刀具对变幅杆产生周期作用力；(3)加工过程中，由于刀具不可避免的存在弹性振动变形，刀具对变幅杆的作用相当于在变幅杆末端连接一根弹簧，这改变了超声加工装置的振动特性。超声加工装置的动态特性受刀具的影响而发生改变，系统未发生原设计谐振，导致变幅杆输出端振动频率和振动幅值降低。目前，常规手段测试超声加工装置的动态特性通常在空载时完成，并没有考虑加工时刀具对超声加工装置的作用，导致超声加工装置实际应用时的振动频率和振动幅值均低于设计值，较低的振动频率和较小的振动幅值导致超声加工的加工精度和效率均降低。振动频率和振动幅值是系统动态特性的重要参量，测试超声加工装置在实际应用时的动态特性很有必要，但在实际加工时测量超声加工装置的动态特性比较困难，因此需要一种带有加工载荷模拟功能的超声加工装置动态特性测试系统。
综上所述，需要一种弯曲振动超声加工装置测试系统，该系统可模拟实际加工过程中刀具对超声加工装置的作用，并快速准确地测试弯曲振动超声加工装置在该作用下的频率和振幅等动态特性。设计开发出一种弯曲振动超声加工装置测试系统，对弯曲振动超声加工装置的设计、测试与优化具有重要的指导意义与实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，该系统可模拟实际加工时刀具对超声加工装置的作用，并快速、准确、有效地测试弯曲振动超声加工装置的动态特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，由机械装置和电器设备组成。其中机械装置包括底座、振动支撑架、L型支撑架、弯曲振动换能器、弯曲振动变幅杆、长支架、电涡流传感器固定架、支撑板、连接板、挡片、H型连接套、螺纹连接套、弹簧、球头顶杆、电器支撑板等；电器设备包括电涡流位移传感器、激光位移传感器、力传感器、电磁铁、电动推杆、功率放大器、超声波发生器、变压器、数据采集卡、计算机与直流电源等。测试系统分为弯曲振动超声加工装置、载荷加载装置、振幅测试装置和电器固定装置四个部分。
所述的支撑板底部有两个U型槽，用于通过螺栓和底座连接；侧部有三个圆形通孔、四个螺纹孔和一个方形通孔，用于固定电动推杆和安装激光位移传感器的连接板。
所述的力传感器两端均带有螺纹柱和定位螺母，一端用于穿过挡片和电动推杆有螺纹孔的端面连接，另一端用于和H型连接套有螺纹孔的端面连接。
所述的球头顶杆套上铝管后，一端插进H型连接套带有盲孔的一端，且该盲孔高度应小于球头顶杆长度以便弹簧伸缩，另一端顶在变幅杆输出端对变幅杆施加恒定作用力，将铝管换成弹簧，可模拟加工时带刚度刀具对超声加工装置的弹簧作用力。
所述的螺纹连接套带有内螺纹的一端用于和力传感器的外螺纹连接，带有外螺纹一端用于和电磁铁连接，计算机控制电磁铁产生交变激励对变幅杆施加周期作用力。
所述的振动支撑架底部有两个U型槽，用于通过螺栓和底座连接；顶部有两个U型槽，用于通过螺栓和L型支撑架连接。
所述的弯曲振动变幅杆节点位置有一个法兰盘，用于通过螺栓和L型支撑架连接；弯曲振动变幅杆大径端有外螺纹，用于和换能器带有内螺纹平面的一端连接。
所述的长支架底部有两个U型槽，用于通过螺栓和底座连接；顶部有两个U型槽，用于通过螺栓与电涡流传感器固定架连接。
所述的电器支撑板底部有两个U型槽，用于通过螺栓和底座连接；板上有若干螺纹通孔，用于通过螺栓和功率放大器、变压器等电子器件连接。
本发明的优势在于：可模拟实际加工时刀具对超声加工装置的作用，并快速准确地测试弯曲振动超声加工装置的动态特性。本测试系统可测量的超声加工装置动态参数有振动幅值和振动频率。整套测试系统加工、装配、拆卸方便，并可通过U型槽和定位螺纹孔调节各部件至合适位置，整个测试过程操作简单灵活。此外，本套装置也可用于测量其它超声加工装置的动态特性，适用范围广。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图(弹簧加载)
图2为本发明整体结构示意图(周期作用力加载)
图3为弯曲振动超声加工装置结构示意图
图4为振幅测试装置结构示意图
图5为弹簧加载装置结构示意图
图6为周期作用力加载装置结构示意图
图7为电器固定装置结构示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明：
如图1所示，本发明为一种弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，弯曲振动超声加工装置、加载装置、振幅测试装置和电器固定装置四个部分均通过螺栓连接固定在底座上。弹簧加载装置的各部分依次为：底座(1)、支撑板(2)、连接螺栓(3)、固定螺栓(4)、电推杆(5)、固定螺栓(6)、挡片(7)、力传感器(8)、长支架(9)、H型连接套(10)、弹簧(11)、电涡流传感器固定架(12)、连接螺栓(13)、定位螺母(14)、电涡流位移传感器(15)、球头顶杆(16)、弯曲振动变幅杆(17)、固定螺母(18)、振动支撑架(19)、连接螺栓(20)、L型支撑架(21)、连接螺栓(22)、弯曲振动换能器(23)、信号过滤器(24)、功率放大器(25)、电器支撑板(26)、功率放大器(27)、固定螺栓(28)、变压器(29)、功率放大器(30)、激光位移传感器(31)、连接板(32)、连接线(39)、超声波发生器(40)；将弹簧替换为铝管，其余不变，则为恒定作用力加载结构；其它诸如计算机、采集卡、直流稳压电源、继电器、导线、等部件并未在图中表示。
如图2所示，施加周期作用力时将弹簧加载装置的H型连接套(10)、弹簧(11)、球头顶杆(16)替换为螺纹连接套(33)、定位螺母(34)、电磁铁(35)即可，其余结构保持不变。
本发明中的弯曲振动超声加工装置部分如图3所示。L型支撑架(21)通过四个连接螺栓(22)与振动支撑架(19)固连；八个连接架螺栓(20)穿过弯曲振动变幅杆(17)法兰盘的通孔旋进L型支撑架(21)的八个均布带螺纹的盲孔，实现弯曲振动变幅杆(17)和L型支撑架(21)的连接；弯曲振动换能器(23)前端和弯曲振动变幅杆(17)的后端通过螺纹连接在一起，弯曲振动换能器(23)通过连接线(39)与超声波发生器(40)连接；振动系统在超声波发生器(40)的激振下即可实现超声频振动的传递和放大，超声振动装置装配和固定完成。
本发明中的振幅测试装置如图4所示。电涡流传感器固定架(12)通过连接螺栓(13)和连接螺母(38)与长支架(9)连接；电涡流位移传感器(15)外表面有螺纹，旋进电涡流传感器固定架(12)的内螺纹，并用定位螺母(14)进行固定，至此，位移传感器完成固定。
本发明中的弹簧加载装置如图5所示。连接板(32)穿过四个连接螺栓(3)旋进L型支撑架(2)侧部的四个螺栓孔，实现连接板(32)和L型支撑架(2)的连接；四个固定螺栓(37)完全穿过激光位移传感器(31)和连接板(32)，并用螺母拧紧，实现激光位移传感器(31)和连接板(32)的固连；电动推杆(5)背部的方形定位块穿过L型支撑架(2)侧部的方形通孔，电动推杆(5)另一侧的端面打有螺纹孔，力传感器(8)一端的螺纹柱穿过定位螺母(36)和挡片(7)与该螺纹孔连接，挡片(7)通过定位螺母(36)实现轴向定位；力传感器(8)另一端的螺纹柱旋进定位螺母(36)和H型连接套(10)的内螺纹盲孔，实现力传感器(8)和H型连接套(10)的连接；球头顶杆(16)在套上弹簧(11)后底端插进H型连接套(10)另一端的盲孔，弹簧加载装置组装完毕，将弹簧换为铝管即可实现恒定作用力加载。
本发明中的周期作用力加载装置如图6所示。卸掉弹簧加载装置中的H型连接套(10)、弹簧(11)、球头顶杆(16)，将力传感器(8)一端的螺纹柱旋进定位螺母(36)和螺纹连接套(33)的内螺纹盲孔，实现螺纹连接套(33)和力传感器(8)的连接；螺纹连接套(33)的另一端是螺纹柱，将螺纹连接套(33)另一端的螺纹柱旋进定位螺母(36)和电磁铁(35)的螺纹孔，形成电磁铁(35)和螺纹连接套(33)的连接，周期作用力加载装置组装完毕。
本发明中的电器固定装置如图7所示。若干固定螺栓(28)穿过信号过滤器(24)、功率放大器(25)、电器支撑板(26)、功率放大器(27)、变压器(29)、功率放大器(30)等电子元器件的安装孔旋进对应的电器支撑板(26)螺纹孔内，实现各电子元器件和电器支撑板(26)的连接，电子元器件的安装和固定完毕。
以下结合附图1、附图2描述本实施例中测试装置的具体工作过程：
测试弯曲振动超声加工装置的动态特性，首先是弯曲振动超声加工装置的工作。超声波发生器(40)产生高频振动电信号并转换为声信号，通过连接线(39)连接超声波发生器(40)和弯曲振动换能器(23)，弯曲振动换能器(23)将高频声信号转换为高频机械振动，并通过螺纹连接将振动传递给弯曲振动变幅杆(17)，弯曲振动变幅杆(17)起到聚能和振幅放大的作用，从而使其输出端产生振动幅度较大的超声弯曲振动，这样，便实现了超声振动。
将长支架(9)和电涡流传感器固定架(12)调整到适当位置，使电涡流位移传感器(15)的轴线与力传感器(8)的轴线在一条直线上，旋转电涡流位移传感器(15)，使其与弯曲振动变幅杆(17)输出端的距离保持在传感器量程以内，便可以实现对弯曲振动变幅杆(17)输出端振动位移的测量，同时利用计算机数据处理软件，可获得弯曲振动变幅杆(17)输出端振动幅值和振动频率。
首先调整电动推杆(5)的位置，使得电动推杆(5)的伸缩杆在完全缩回的状态下，球头顶杆(16)轴向距离弯曲振动变幅杆(17)输出端平面设定距离；然后利用计算机控制电动推杆(5)的步进电机工作进而使得电动推杆(5)的伸缩杆一步一步缓慢伸出，带动最前端的球头顶杆(16)与弯曲振动变幅杆(17)输出端接触并产生压力，使弹簧(11)产生变形；弯曲振动变幅杆(17)输出端受到的压力通过球头顶杆(16)传递到力传感器(8)上，因此力传感器(8)实时测量的压力值就是弯曲振动变幅杆(17)输出端受到的作用力；通过调整电动推杆(5)的推进量可以调整刀具对弯曲振动变幅杆(17)输出端的作用力，此时保持电推杆轴向位置不变，即实现了弹簧作用力的加载，将弹簧替换为铝管，可实现恒定作用力的加载；启动超声振动装置，弯曲振动变幅杆(17)输出端压力受到超声振动的影响而发生变化，此时力传感器(8)采集到的数据能实时反映弯曲振动变幅杆(17)输出端作用力变化情况，电涡流位移传感器(15)采集到的数据能实时反映弯曲振动变幅杆(17)输出端振动位移的变化，采集到的数据经过采集卡传输到计算机，便可知振动过程中弯曲振动变幅杆(17)输出端振动位移变化情况；激光位移传感器(31)的激光射在套在电动推杆前端的挡片上(7)，实时测量电动推杆位移，该位移值也是弹簧(11)的变形下压量；传感器采集到的数据经过采集卡传输到计算机；最后根据刚度等于压力除以变形的关系，利用计算机软件处理所采集的数据，还可求出弹簧(11)的真实刚度值。
利用电磁铁(35)模拟周期作用力时，首先调整电动推杆(5)的位置，使得电动推杆(5)的伸缩杆在完全缩回的状态下，电磁铁(35)轴向距弯曲振动变幅杆(17)输出端平面在一定范围内；然后利用计算机控制电动推杆(5)的步进电机工作进而使得电动推杆(5)的伸缩杆一步一步缓慢伸出，当电磁铁(35)到达距弯曲振动变幅杆(17)输出端一定位置时停止进给，保持电推杆轴向位置不变；控制计算机给电磁铁(35)接通正弦交流电源信号，使其对弯曲振动变幅杆(17)输出端产生周期作用力，周期作用力加载完成；当超声振动装置工作时，弯曲振动变幅杆(17)输出端振动位移受到该周期作用力影响而变化，此时电涡流位移传感器(15)采集到的数据能实时反映弯曲振动变幅杆(17)输出端振动位移的变化，采集卡采集数据并传输到计算机，计算机对数据进行处理和计算，便可获得振动过程中弯曲振动变幅杆(17)输出端振动位移和振动频率。
Claims (7)
1.一种弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，主要由底座(1)、支撑板(2)、连接螺栓(3)、电推杆(5)、挡片(7)、力传感器(8)、长支架(9)、H型连接套(10)、弹簧(11)、电涡流传感器固定架(12)、定位螺母(14)、电涡流位移传感器(15)、球头顶杆(16)、弯曲振动变幅杆(17)、固定螺母(18)、振动支撑架(19)、L型支撑架(21)、弯曲振动换能器(23)、信号过滤器(24)、电器支撑板(26)、功率放大器(27)、变压器(29)、激光位移传感器(31)、连接板(32)、螺纹连接套(33)、电磁铁(35)、定位螺母(36)、连接线(39)、超声波发生器(40)等组成。
2.根据权利要求1所述的弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，其特征在于：L型支撑架(21)通过四个连接螺栓(22)与振动支撑架(19)固连；八个连接架螺栓(20)穿过弯曲振动变幅杆(17)法兰盘的通孔旋进L型支撑架(21)的八个均布带螺纹的盲孔，实现弯曲振动变幅杆(17)和L型支撑架(21)的连接；弯曲振动换能器(23)前端通过螺纹连接与弯曲振动变幅杆(17)的后端相连，超声波发生器(40)通过连接线(39)连接到换能器上，弯曲振动超声加工装置组装完成。
3.根据权利要求2所述的弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，其特征在于：工作时，超声波发生器(40)产生高频振动电信号并转换为声信号，超声波发生器通过连接线(39)和弯曲振动换能器(23)连接，弯曲振动换能器(23)将高频声信号转换为高频机械振动，并通过螺纹连接将振动传递给弯曲振动变幅杆(17)，弯曲振动变幅杆(17)起到聚能和振幅放大的作用，从而使其输出端产生振动幅度较大的超声弯曲振动，变幅杆末端粘接棒料与机床配合切削，便实现了超声加工。
4.根据权利要求1所述的弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，其特征在于：电涡流传感器固定架(12)通过连接螺栓(13)和连接螺母(38)与长支架(9)连接；电涡流位移传感器(15)外表面有螺纹，旋进电涡流传感器固定架(12)的内螺纹，电涡流位移传感器(15)由定位螺母(14)固定，并实时采集弯曲振动变幅杆(17)输出端的振动幅值，测量的数据由采集卡采集并传输到计算机上，经计算机软件处理可得曲振动变幅杆(17)输出端的振动幅值和振动频率。
5.根据权利要求1所述的弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，其特征在于：电动推杆(5)背部的方形定位块穿过L型支撑架(2)侧部的方形通孔，电动推杆(5)另一侧的端面打有螺纹孔，力传感器(8)一端的螺纹柱穿过定位螺母(36)和挡片(7)与该螺纹孔连接，挡片(7)通过定位螺母(36)实现轴向定位；力传感器(8)另一端的螺纹柱旋进定位螺母(36)和H型连接套(10)的内螺纹盲孔，形成力传感器(8)和H型连接套(10)的连接；球头顶杆(16)在套上弹簧(11)后底端插进H型连接套(10)另一端的盲孔，弹簧(11)和球头顶杆(16)顶在变幅杆输出端上模拟加工过程中刀具对弯曲振动变幅杆(17)输出端的弹簧作用力，将弹簧替换为铝管可模拟加工过程中刀具对弯曲振动变幅杆(17)输出端的恒定作用力。
6.根据权利要求5所述的弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，其特征在于：电动推杆(5)的伸缩杆缓慢伸出，带动最前端球头顶杆(16)与弯曲振动变幅杆(17)输出端接触并产生作用力，弹簧(11)产生变形；弯曲振动变幅杆(17)输出端受到的作用力通过球头顶杆(16)传递到力传感器(8)上，因此力传感器(8)的测量值就是弯曲振动变幅杆(17)输出端受到的作用力；通过调整电动推杆(5)的推进量可以调整力的大小，保持电推杆轴向位置不变，启动超声加工装置，力传感器(8)和电涡流位移传感器(15)采集弯曲振动变幅杆(17)输出端载荷和振动位移数据，数据采集卡将采集到的数据经过传输到计算机并分析处理，可获得弯曲振动变幅杆(17)输出端在弹簧作用力下的振动幅值和频率等动态特性，将弹簧替换为铝管，可获得弯曲振动变幅杆(17)输出端在恒定作用力下的振动幅值和频率等动态特性。
7.根据权利要求1、5所述的弯曲振动超声加工装置的动态特性测试系统，其特征在于：卸掉弹簧加载装置中的H型连接套(10)、弹簧(11)、球头顶杆(16)，将力传感器(8)一端的螺纹柱旋进定位螺母(36)和螺纹连接套(33)的内螺纹盲孔，实现螺纹连接套(33)和力传感器(8)的连接；将螺纹连接套(33)另一端的螺纹柱旋进定位螺母(36)和电磁铁(35)的螺纹孔，形成电磁铁(35)和螺纹连接套(33)的连接，超声振动装置工作时，弯曲振动变幅杆(17)振动，计算机控制电动推杆(5)的步进电机工作进而使得电动推杆(5)的伸缩杆缓慢伸出，当电磁铁(35)到达与弯曲振动变幅杆(17)输出端指定距离时停止进给，保持电推杆轴向位置不变；利用计算机给电磁铁(35)接通正弦交流电源信号，使其对弯曲振动变幅杆(17)输出端产生周期作用力；弯曲振动变幅杆(17)输出端振动位移和频率受到该周期作用力的影响而发生变化，力传感器(8)实时采集弯曲振动变幅杆(17)输出端的受力数据，电涡流位移传感器(15)实时采集弯曲振动变幅杆(17)输出端振动位移数据，采集到的数据经过采集卡传输到计算机进行分析处理，可获得弯曲振动变幅杆(17)输出端在周期作用力下的振动幅值和振动频率等动态特性。
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