CN113290390B - 一种旋转超声加工振幅控制方法及标定平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转超声加工振幅控制方法及标定平台，具体步骤为：针对加工要求，规划工艺参数；标定刀具受载状态，确定受载信息；通过标定平台检测换能器静态电学参数，确定补偿方式及元件参数，依据受载信息获取动态电学参数；由电学参数计算换能器时间离散点谐振频率、保持设定振幅所需的激励电压或电流及有功功率、频率跟踪算法激励误差，存储于数据库；加工过程中，依据数据库参数信息，超声加工装置控制系统由粗跟踪、细跟踪两步实现振幅控制。并公开了一种换能器标定平台及配套刀柄，主要用于上述旋转超声加工振幅控制方法。

Description

一种旋转超声加工振幅控制方法及标定平台

技术领域

本发明属于旋转超声加工领域，具体涉及一种旋转超声加工振幅控制方法及标定平台。

背景技术

旋转超声加工是一种特种加工技术，它结合了传统超声加工与普通机械加工的材料去除方式，被证明是一种有效的硬脆性材料加工方法。旋转超声加工装置主要包括超声电源、电能传输单元、刀柄、超声换能器及刀具。其中，超声电源为整个装置提供电能，刀柄连接主轴与超声换能器，换能器末端夹持刀具；而电能传输装置则将电能从固定端传输至高速旋转中的换能器。

随着技术的进步，电能传输单元从传统的碳刷-滑环结构发展为非接触式结构。后者是典型的松耦合感应能量传输系统，其主要优点是部件间无接触，运行过程无磨损、无电火花产生。但较之接触式传输单元，非接触传输单元由于漏感的存在，传输能力和效率较低。为了改善其工作效率，通常在原、副边增加补偿电路，且补偿网络参数一经确定，在装置运行过程中无法改变。

超声换能器是旋转超声加工装置的核心部件，是一种典型的机电装置。在加工过程中，换能器承受力-热载荷，其电学参数、谐振频率及阻抗特性会发生变化。超声电源需要依据反馈信号，及时调整输出、完成频率跟踪，以避免超声振幅过渡衰减。目前，主要的频率跟踪算法有锁相法、最大电流法、二分法等，上述算法在负载变化较慢、且变化量较小的条件下具有良好的跟踪效果，但当负载变化速度快及变化幅度较大时，往往会出现失效。而加工过程切削力波动大且变化速度快，换能器工况属于后一种情况，上述算法往往不能实现频率跟踪。另一方面，当换能器电学参数发生变化时，补偿网络与换能器将会出现匹配失调现象，在该条件下，目前各频率跟踪算法所得谐振频率与换能器实际谐振频率往往存在偏差，该偏差在本文中被称为激励误差。上述现象将会增加频率跟踪实现难度，导致驱动电路功率因数降低、换能器输出功率下降，进而致使旋转超声加工工艺效果劣化。

发明内容

针对现有技术不足，本发明旨在提供一种旋转超声加工振幅控制方法及相关设备。通过加工过程仿真获取换能器载荷信息，利用标定平台对换能器施加模拟载荷，进而获取换能器电学参数变化规律，依据装置电学模型、电学参数计算各时间离散点电源输出频率、电压或电流；根据上述信息，加工过程中由粗跟踪、细跟踪两步实现频率跟踪，解决振幅控制过程难以捕捉谐振频率、补偿网络不匹配引入额外误差等问题，提高振幅控制精度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种旋转超声加工振幅控制方法，具体的步骤为：

一种旋转超声加工振幅控制方法，其特征在于：通过以下步骤进行实现：

S1:针对生产要求，选择刀具类型及尺寸，规划加工路径及参数；

S2:根据所述S1步骤工艺信息，标定刀具各工步受载状态，由理论或仿真模型计算刀具承受的力载荷，按照时间顺序及离散时间间隔记录刀具受载信息，刀具受载信息包括加工过程中刀具受到的三坐标轴的力和转矩及方向；

S3:将超声刀柄固定于标定平台，检测夹持刀具的换能器静态电学参数，根据所述换能器静态电学参数，确定非接触式电能传输单元补偿方式；依据所述加工过程刀具受载信息，按照时间顺序由标定平台对刀具施加模拟载荷，记录换能器动态电学参数。

S4：依据超声加工装置电学模型及所述换能器动态电学参数，计算各时间离散点处换能器谐振频率、保持设定振幅所需的激励电压或电流及有功功率，同时，计算锁相法或最大电流法等频率跟踪算法激励误差，将各时间离散点处换能器谐振频率、保持设定振幅所需的激励电压或电流及有功功率、频率跟踪算法的激励误差。储存至工艺数据库；

S5：加工过程中，依据所述工艺信息数据库，超声加工装置控制系统由粗跟踪、细跟踪两步实现振幅控制；

在上述的一种旋转超声加工振幅控制方法，所述S2中由理论或仿真模型计算所得力载荷包括：加工过程中，刀具沿各坐标轴所受轴向力值、所受扭矩值。所记录的离散时间间隔点处载荷值为相邻离散时间间隔内载荷均值。

在上述的一种旋转超声加工振幅控制方法，所述标定平台对刀具施加模拟载荷，具体为：依据加工过程中刀具受载信息及换能器实际工况，在标定平台上按照时间顺序依次激励换能器、对刀具施加或卸载各轴载荷及扭矩。

在上述的一种旋转超声加工振幅控制方法，所述粗跟踪、细跟踪过程，具体为：

各时间间隔点处，超声加工装置控制系统根据工艺数据库提供的当前时刻谐振频率、激励电压或电流及有功功率调整输出，完成粗跟踪；

在单个时间间隔内，依据所述频率跟踪算法，并结合该时间间隔内算法激励误差，精细调整电源输出频率及电压或电流值，完成若干次频率细跟踪。

一种用于标定换能器电学参数的标定平台，其特征在于：使用权利要求1或2 或3所述的旋转超声加工振幅控制方法，包括机架、用于夹持刀柄和刀具的夹持模块、载荷施加模块、检测模块、控制器和上位机，载荷施加模块部件固定于机架，夹持模块设置于载荷施加模块及机架，检测模块固定于载荷施加模块，与控制器、上位机连接。

在上述的一种用于标定换能器电学参数的标定平台，所述载荷施加模块包括 X向载荷施加装置、Y向载荷施加装置、Z向载荷施加装置及向对应的扭矩施加装置；轴向力施加装置由步进电机、滚珠丝杠、导轨构成，Y向步进电机固定于机架，导轨沿Y向固定于机架另一侧，移动台一端固定于Y向滚珠丝杠滑台，另一端固定于导轨，X向步进电机及滚珠丝杠固定于活动杆下方；夹持模块的刀具夹持装置与X向滚珠丝滑台连接，Z向步进电机设置于底座外，固定于机架，底座四周布置有导轨；扭矩施加装置置于移动底座内。

在上述的一种用于标定换能器电学参数的标定平台，所述检测模块包括四向力传感器和阻抗分析模块，四向力传感器固定于X向滚珠丝杠滑台，阻抗分析模块外置于标定平台，标定过程中，阻抗分析模块接入刀柄检测接口，检测换能器电学参数。

在上述的一种用于标定换能器电学参数的标定平台，所述夹持模块，包括刀柄夹持装置和刀具夹持装置。所述刀柄夹持装置固定于底座，用于固定刀柄；所述刀具夹持装置，为三爪卡盘，固定于四向力传感器。

在上述的一种用于标定换能器电学参数的标定平台，刀柄内部集成有电能传输单元副边、副边补偿单元，底部连接换能器及检测接口；所述电能传输单元副边引线、副边补偿单元引线、换能器引线及检测接口引线均连接在刀柄内部转换开关；所述内部转换开关连接外置开关，所述外置开关控制各部件引线导通状态。所述刀柄内部转换开关上，电能传输单元副边引线与副边补偿单元引线处于常导通状态，当刀柄处在工作状态时，所述两部件引线与换能器引线导通，为换能器提供电能，所述检测接口引线则与换能器引线断开；当检测、标定状态时，所述两部件引线与换能器引线断开，检测接口引线与换能器引线导通，所述标定平台阻抗分析模块通过线缆与检测接口连接，以检测换能器电学参数。

本发明的有益效果在于：

在标定过程中，按照换能器实际工况启停换能器、施加模拟载荷，可同时考虑力、热载荷对换能器电学参数的影响，使标定数据更加准确，利于提高振幅控制精度；标定过程可获取激励误差，在频率跟踪过程中进行补偿，进一步提高了跟踪精度；频率跟踪过程由粗跟踪、细跟踪两步实现，粗跟踪依据标定信息调整电源输出，各时间间隔内完成频率细跟踪，可有效提高频率跟踪速度和鲁棒性；此外，本发明提供的刀柄便于操作，可通过外置开关快速切换工作、标定状态。

附图说明

图1为本发明刀柄结构及工作原理示意图；

图2为本发明换能器电学参数标定平台示意图1；

图标记：Ⅰ、X向载荷施加装置；Ⅱ、Y向载荷施加装置；Ⅲ、Z向载荷施加装置；Ⅳ、阻抗分析模块；Ⅴ、控制器；Ⅵ、上位机；

图3为本发明换能器电学参数标定平台示意图2；

图标记：1、Y向滚珠丝杠滑台；2、底座导轨；3、Z向滚珠丝杠滑台；4、移动底座；5、扭矩施加装置6、刀柄夹持装置；7、刀具加持装置；8、移动台导轨；9、移动台；10、四向力传感器；11、X向滚珠丝杠滑台；12、机架；

图4为本发明换能器电学参数标定平台示意图3；

图标记：13、X向步进电机；14、X向滚珠丝杠；

图5为本发明旋转超声加工振幅控制方法流程图。

具体实施例

下面，结合附图以及具体实时方式，对本发明做进一步描述。

为了便于理解，在阐述旋转超声加工振幅控制方法前，首先对该方法中涉及的刀柄及换能器标定平台进行描述。

一种用于旋转超声加工、便于标定的刀柄，其内部结构及工作框图如附图1 所示。刀柄内部集成有电能传输单元副边、副边补偿单元、换能器及检测接口。电能传输单元副边引线、副边补偿单元引线、换能器引线及检测接口引线均连接在刀柄内部转换开关。内部转换开关导通状态由刀柄外置开关控制。刀柄内部转换开关上，电能传输单元副边引线与副边补偿单元引线处于常导通状态，当刀柄处于工作状态时，电能传输单元副边引线、副边补偿单元引线与换能器引线导通，为换能器提供电能，检测接口引线则与换能器引线断开；当检测、标定状态时，前述两部件引线与换能器引线断开，检测接口引线与换能器引线导通，标定平台阻抗分析模块通过线缆与检测接口连接，以检测换能器电学参数。

如图2、图3、图4所示，一种应用于旋转超声加工振幅控制方法的换能器标定平台，包括载荷施加模块、检测模块、夹持模块、控制器和上位机。机架 12结构为立方体结构，底座4为可移动式底座，机架12四周设有底座导轨2，用于底座4垂直方向移动。

载荷施加模块由各向载荷施加装置及扭矩施加装置组成。X向载荷施加装置Ⅰ由滚珠丝杠滑台11、步进电机13、滚珠丝杠14构成。Y向载荷施加装置Ⅱ、 Z向载荷施加装置Ⅲ与X向载荷施加装置Ⅰ结构相同。Y向载荷施加装置Ⅱ固定于机架12上，移动台9一端置于导轨8，一端与Y向载荷施加装置Ⅱ的滚珠丝杠滑台1固定，滚珠丝杠带动移动台9于导轨8上移动。X向载荷施加装置Ⅰ固定于移动台9，四向力传感器10固定于X向滚珠丝杠滑台11。Z向载荷施加装置Ⅲ位于底座4一侧，固定于机架12。标定过程中，在步进电机及丝杠的驱动下，X向滚珠丝杠滑台11、Y向滚珠丝杠滑台1带动刀具加持装置7移动，给刀具施加X、Y轴载荷；Z向滚珠丝杠滑台带动底座4移动，对刀具施加Z轴载荷。扭矩施加装置5内置于底座4内，连接刀柄夹持装置6。标定过程中，刀柄柄部由刀柄夹持装置6固定，刀具夹持装置7夹持刀具，扭矩施加装置通过旋转刀柄夹持装置施加扭矩。

夹持模块包含刀柄夹持装置6、刀具夹持装置7。刀具夹持装置8位于机架上方，与刀柄夹持装置7同轴线安置。刀具夹持装置7为三爪卡盘，固定于X 向滚珠丝杠滑台11。该结构能够准确模拟刀具实际受载状态，便于标定换能器电学参数。夹持模块包含刀柄夹持装置6、刀具夹持装置7。刀柄加持装置6固定于移动底座4内，刀具夹持装置7位于机架上方，与刀柄夹持装置6同轴线安置。刀具夹持装置7固定于X向滚珠丝杠滑台11。该结构能够准确模拟刀具实际受载状态，便于标定换能器电学参数。刀柄夹持装置6采用刀柄放置盘，刀柄通过螺栓固定于刀柄夹持装置6。刀具夹持为轻量型三爪卡盘。

检测模块由四向力传感器10和阻抗分析模块Ⅳ组成。四向力传感器10两端分别连接X向滚珠丝杠滑台11和刀具夹持装置7，能够测量X、Y、Z轴轴向力及XY平面内扭矩。阻抗分析模块Ⅳ外置于标定平台，标定过程中，通过刀柄检测接口连接换能器，以获取其电学参数。

四向力传感器10向上位机Ⅵ实时反馈标定平台向刀具施加的载荷，依据该信息，上位机Ⅵ通过控制器Ⅴ控制载荷施加模块步进电机，进而调节刀具受载大小及方向；同时，上位机Ⅵ记录阻抗分析模块Ⅳ检测所得换能器电学参数。

本发明所提出的旋转超声加工振幅控制方法，其流程如图5所示，具体如下所述：

S1：根据工件生产要求，选择刀具类型及尺寸；规划加工过程刀具路径及工艺参数。

S2：依据切削轨迹仿真模型分析刀具在加工过程中受载状态，通过切削力理论模型或者仿真模型计算各工步刀具所受力载荷，按照时间顺序及离散时间间隔记录刀具受载信息。

上述力载荷包括刀具沿各坐标轴所受轴向力值及方向、所受扭矩值及方向，且各离散时间点的力载荷值为其相邻时间间隔内载荷的均值。

所述时间离散间隔可根据实际加工工况、振幅控制精度要求、换能器标定过程采样率、细跟踪过程单次跟踪所需时间决定。

S3：将刀柄固定在标定平台刀柄夹持装置6上，调整刀柄外置开关，使得电能传输单元副边引线、副边补偿单元引线与换能器引线断开，检测接口引线与换能器引线导通；检测夹持刀具的换能器静态电学参数，依据上述参数，确定非接触电能传输单元补偿方式、计算补偿元件参数；通过标定平台刀具夹持装置7 夹持刀具，依据S2步骤记录的加工过程刀具受载信息及换能器实际工况，按照时间顺序激励换能器、并由标定平台载荷施加模块向刀具施或卸载各轴力载荷及扭矩，同时检测换能器动态电学参数。

S4：依据标定平台检测的换能器动态电学参数，结合超声加工装置电学模型，计算各时间离散点处换能器谐振频率、保持设定振幅所需的激励电压或电流及有功功率；计算锁相法或最大电流法等频率跟踪算法激励误差，将上述所得信息依照离散时间间隔建立工艺数据库并存储。

对于配备非接触式传输单元的旋转超声加工设备，为了提高传输单元传输能力与效率，通常在原边、副边添加补偿网络。如上所述，补偿元件参数依据换能器空载电学参数计算，一经确定便不再改变。加工过程中，当换能器电学参数发生变化时，补偿网络与换能器易出现匹配失调的情况，在频率跟踪过程中，算法搜索谐振频率与换能器实际谐振频率存在偏差，本文中称之为激励误差。

S5：超声加工装置控制系统、工艺信息数据库集成于数控系统中。系统和数据库实时同步工作。加工过程中，超声加工装置控制系统由粗跟踪、细跟踪两步实现频率跟踪。具体步骤为：在各时间间隔点处，超声加工装置控制系统根据工艺数据库提供的当前时刻谐振频率、激励电压或电流调整超声电源输出，完成粗跟踪；在单个时间间隔内，检测电源输出有功功率是否达到所需值，若未达到，则使用锁相法或最大电流法进行频率细跟踪。细跟踪过程中，基于工艺数据库中该时间间隔频率跟踪算法激励误差，精细调整电源输出频率及电压或电流值，完成若干次频率跟踪动作。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种旋转超声加工振幅控制方法，其特征在于：通过以下步骤进行实现：

S1:针对生产要求，选择刀具类型及尺寸，规划加工路径及参数；

S2:根据所述S1步骤工艺信息，标定刀具各工步受载状态，由理论或仿真模型计算刀具承受的力载荷，按照时间顺序及离散时间间隔记录刀具受载信息，刀具受载信息包括加工过程中刀具受到的三坐标轴的力和转矩及载荷方向；

S3:将超声刀柄固定于标定平台，检测夹持刀具的换能器静态电学参数，根据所述换能器静态电学参数，确定非接触式电能传输单元补偿方式，计算补偿元件参数；依据所述加工过程刀具受载信息，按照时间顺序由标定平台对刀具施加模拟载荷，记录换能器动态电学参数；

S4：依据超声加工装置电学模型及所述换能器动态电学参数，计算各时间离散点处换能器谐振频率、保持设定振幅所需的激励电压或电流及有功功率，同时，计算锁相法或最大电流法频率跟踪算法激励误差，将各时间离散点处换能器谐振频率、保持设定振幅所需的激励电压或电流及有功功率、频率跟踪算法的激励误差，储存至工艺数据库；

S5：加工过程中，依据工艺数据库，超声加工装置控制系统由粗跟踪、细跟踪两步实现振幅控制。

2.如权利要求1所述的一种旋转超声加工振幅控制方法，其特征在于：所述S2中由理论或仿真模型计算所得力载荷包括：加工过程中，刀具沿各坐标轴所受轴向力值、所受扭矩值，所记录的离散时间间隔点处载荷值为相邻离散时间间隔内载荷均值。

3.如权利要求1所述的一种旋转超声加工振幅控制方法，其特征在于：所述标定平台对刀具施加模拟载荷，具体为：依据加工过程中刀具受载信息及换能器实际工况，在标定平台上按照时间顺序依次激励换能器、对刀具施加或卸载各轴载荷及扭矩。

4.如权利要求1所述的一种旋转超声加工振幅控制方法，其特征在于：所述粗跟踪、细跟踪过程，具体为：

各时间间隔点处，超声加工装置控制系统根据工艺数据库提供的当前时刻谐振频率、激励电压或电流及有功功率调整输出，完成粗跟踪；

在单个时间间隔内，依据所述频率跟踪算法，并结合该时间间隔内算法激励误差，精细调整电源输出频率及电压或电流值，完成若干次频率细跟踪。

5.一种用于标定换能器电学参数的标定平台，其特征在于：使用权利要求1或2或3所述的旋转超声加工振幅控制方法，包括机架、用于夹持刀柄和刀具的夹持模块、载荷施加模块、检测模块、控制器和上位机，载荷施加模块部件固定于机架，夹持模块设置于载荷施加模块及机架，检测模块固定于载荷施加模块，与控制器、上位机连接。

6.如权利要求5所述的一种用于标定换能器电学参数的标定平台，其特征在于：所述载荷施加模块包括X向载荷施加装置、Y向载荷施加装置、Z向载荷施加装置及其对应的扭矩施加装置；轴向力施加装置由步进电机、滚珠丝杠、导轨构成，Y向步进电机固定于机架，导轨沿Y向固定于机架另一侧，移动台一端固定于Y向滚珠丝杠滑台，另一端固定于导轨，X向步进电机及滚珠丝杠固定于活动杆下方；夹持模块的刀具夹持装置与X向滚珠丝滑台连接，Z向步进电机设置于底座外，固定于机架，底座四周布置有导轨；扭矩施加装置置于移动底座内。

7.如权利要求5所述的一种用于标定换能器电学参数的标定平台，其特征在于：所述检测模块包括四向力传感器和阻抗分析模块，四向力传感器固定于X向滚珠丝杠滑台，阻抗分析模块外置于标定平台，标定过程中，阻抗分析模块接入刀柄检测接口，检测换能器电学参数。

8.如权利要求5所述的一种用于标定换能器电学参数的标定平台，其特征在于：所述夹持模块，包括刀柄夹持装置和刀具夹持装置，所述刀柄夹持装置固定于底座，用于固定刀柄；所述刀具夹持装置，为三爪卡盘，固定于四向力传感器。

9.如权利要求6所述的一种用于标定换能器电学参数的标定平台，其特征在于：刀柄内部集成有电能传输单元副边、副边补偿单元，底部连接换能器及检测接口；所述电能传输单元副边引线、副边补偿单元引线、换能器引线及检测接口引线均连接在刀柄内部转换开关；所述刀柄内部转换开关连接外置开关，所述外置开关控制各部件引线导通状态。

10.如权利要求6所述的一种用于标定换能器电学参数的标定平台，其特征在于：刀柄内部转换开关上，电能传输单元副边引线与副边补偿单元引线处于常导通状态，当刀柄处在工作状态时，所述两部件引线与换能器引线导通，为换能器提供电能，检测接口引线则与换能器引线断开；当检测、标定状态时，两部件引线与换能器引线断开，检测接口引线与换能器引线导通，标定平台阻抗分析模块通过线缆与检测接口连接，以检测换能器电学参数。

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