CN113828867A - 超声波加工装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波加工装置及其控制方法，该超声波加工装置设有用于获取安装在超声波刀柄上的刀具的实际振幅的检测装置，超声波发生器可接收检测装置检测到的刀具实际超声波振幅，并将其与预存的刀具超声波振幅作比较，以调整刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相一致。与现有技术相比，可实现对刀具的超声波振幅的精准闭环控制，进而保证良好的超声波加工质量，获得良好的超声波加工效果，刀具磨损大大减小，且刀具寿命得到显著提高。
Description
技术领域
本发明超声波加工技术领域，特别是涉及一种超声波加工装置及其控制方法。
背景技术
在加工作业的过程中导入高频的振动加工机制，不仅可改善切削加工面的表面粗糙度和提高加工精度，更可降低切削阻力，延长刀具的寿命，因此，超声波加工技术具有非常广泛的应用前景。
超声波加工，一般是通过超声波发生器给超声波主轴或超声波刀柄施加电压或电流，使得其中的超声波振动元件进行高频超声波振动，并带动安装在超声波刀柄或普通刀柄上的刀具进行振动，从而进行加工。但目前的刀具在超声波振动时，其实际振幅并没有得到很好的控制，没有进行检测和闭环控制，因此会导致无法控制刀具超声波振幅在目标范围内，而加工工件时，刀具的超声波振幅是一个非常关键的影响因素，需要保证有良好的超声波振幅，刀具才能很好地加工并达成良好的加工效果和加工质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声波加工装置及其控制方法，可确保实现在开始加工前（这里的加工前，可以是整体工艺开始前，也可以是中间的某个工艺开始前），利用检测装置（例如激光传感器或光学摄像头）对刀具的超声波振幅的闭环控制，从而可以将刀具的超声波振幅控制在目标范围内，进而保证超声波加工质量和效果。
为了实现上述目的，本发明提供了一种超声波加工装置，包括超声波主轴、超声波发生器、超声波刀柄以及数控系统，所述数控系统连接超声波发生器和所述超声波主轴，所述超声波发生器连接所述超声波主轴并根据数控系统指令输出第一控制电压或第一控制电流信号到所述超声波主轴，所述超声波刀柄安装在所述超声波主轴上并用于安装刀具；
所述超声波加工装置还包括连接于所述数控系统的检测装置，所述检测装置用于检测所述刀具的实际振幅并将其反馈给所述超声波发生器；
所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若不一致，所述超声波发生器则输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
进一步的，所述超声波刀柄包括超声波振动元件，所述超声波振动元件用于带动所述刀具进行超声波振动。
进一步的，所述超声波主轴包括无线发射装置，所述超声波刀柄包括无线接收装置，所述无线发射装置与所述无线接收装置配合并实现超声无线电能传输，所述无线电能用于使得安装在所述超声波刀柄上的所述刀具进行振动。
进一步的，所述超声波主轴包括能量传输装置，所述能量传输装置用于将所述超声波发生器的电能通过有线直连方式传输到所述超声波振动元件，所述能量传输装置通过有线直连方式与所述超声波发生器连接。
进一步的，所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若一致，所述超声波发生器则控制输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
进一步的，所述检测装置包括传感器，其用于检测刀具的实际超声波振幅。
进一步的，所述检测装置包括视觉测振组件，所述视觉测振组件包括设置在摄像头前方的摄像头开闭防护机构，所述摄像头开闭防护机构可接收所述数控系统的指令进行开闭。
进一步的，其特征在于，超声波主轴包括无线发射装置和无线接收装置，超声波刀柄和超声波主轴有线直连实现电能传输。
为了实现上述目的，本发明还提供一种超声波加工装置，包括一种超声波加工装置，其特征在于，包括超声波主轴、超声波发生器、普通刀柄以及数控系统，所述数控系统连接超声波发生器和所述超声波主轴，所述超声波发生器连接所述超声波主轴并根据数控系统指令输出第一控制电压或第一控制电流信号到超声波主轴，所述普通刀柄安装在所述超声波主轴上并用于安装刀具；
所述超声波加工装置还包括连接于所述数控系统的检测装置，所述检测装置用于检测所述刀具的实际振幅并将其反馈给所述超声波发生器；
所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若不一致，所述超声波发生器则输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
进一步的，所述超声波主轴包括超声波振动元件，所述超声波振动元件用于带动所述刀具进行超声波振动。
进一步的，所述超声波主轴还包括能量传输装置，所述能量传输装置用于将所述超声波发生器的电能通过无线或有线方式传输到所述超声波振动元件。
进一步的，所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若一致，所述超声波发生器则控制输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
进一步的，所述检测装置包括传感器，其用于检测刀具的实际超声波振幅。
进一步的，所述检测装置包括视觉测振组件，所述视觉测振组件包括设置在摄像头前方的摄像头开闭防护机构，所述摄像头开闭防护机构可接收所述数控系统的指令进行开闭。
为了实现上述目的，本发明还提供一种超声波加工装置，包括普通主轴、超声波发生器、超声波刀柄、外挂能量传输装置以及数控系统，所述数控系统连接超声波发生器和所述超声波主轴，所述超声波发生器连接所述外挂能量传输装置并根据数控系统指令输出第一控制电压或第一控制电流信号到所述外挂能量传输装置，所述超声波刀柄安装在所述超声波主轴上并用于安装刀具；
所述超声波加工装置还包括连接于所述数控系统的检测装置，所述检测装置用于检测所述刀具的实际振幅并将其反馈给所述超声波发生器；
所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若不一致，所述超声波发生器则输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波刀柄，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
进一步的，其特征在于，所述外挂能量传输装置将所述超声波发生器的电能通过无线或有线方式传输到所述超声波刀柄，所述超声波刀柄包括超声波振动元件，所述超声波振动元件用于带动所述刀具进行超声波振动。
进一步的，所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若一致，所述超声波发生器则控制输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
进一步的，所述检测装置包括传感器，其用于检测刀具的实际超声波振幅。
进一步的，所述检测装置包括视觉测振组件，所述视觉测振组件包括设置在摄像头前方的摄像头开闭防护机构，所述摄像头开闭防护机构可接收所述数控系统的指令进行开闭。
为了实现上述目的，本发明提供一种超声波加工装置的控制方法，包括如下步骤：
数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号；
超声波发生器接收目标刀具振幅信号，并将其转换为第一控制电压或第一控制电流信号并输出到超声波主轴；
超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动；
检测装置接收所述数控系统的检测刀具振幅指令，并检测所述刀具的实际超声波振幅；
超声波发生器接收所述检测装置反馈的所述刀具的实际超声波振幅，并将其与预存的刀具超声波振幅相比较；
若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅不一致，则所述超声波发生器输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
进一步的，其特征在于，在超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动的步骤中，包括超声波主轴将第一控制电压或第一控制电流信号转换为无线电能并传输给超声波刀柄内的超声振动元件以带动安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动。
进一步的，若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅一致，则所述超声波发生器输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
进一步的，在所述数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号步骤之前，所述数控系统识别即将用于加工的超声波刀柄和/或对应的刀具，并根据预存的刀具超声波振幅确定目标刀具振幅信号。
为了实现上述目的，本发明还提供一种超声波加工装置的控制方法，包括如下步骤：
数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号；
超声波发生器接收目标刀具振幅信号，并将其转换为第一控制电压或第一控制电流信号并输出到超声波主轴；
超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在普通刀柄上的刀具进行超声波振动；
检测装置接收所述数控系统的检测刀具振幅指令，并检测所述刀具的实际超声波振幅；
超声波发生器接收所述检测装置反馈的所述刀具的实际超声波振幅，并将其与预存的刀具超声波振幅相比较；
若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅不一致，则所述超声波发生器输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
进一步的，在超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在普通刀柄上的刀具进行超声波振动的步骤中，包括第一控制电压或第一控制电流信号驱动超声波主轴内的超声振动元件进行振动以带动普通刀柄上的刀具进行超声波振动。
进一步的，若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅一致，则所述超声波发生器输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
进一步的，在所述数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号步骤之前，所述数控系统识别即将用于加工的超声波刀柄和/或对应的刀具，并根据预存的刀具超声波振幅确定目标刀具振幅信号。
为了实现上述目的，本发明还提供一种超声波加工装置的控制方法，包括如下步骤：
数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号；
超声波发生器接收目标刀具振幅信号，并将其转换为第一控制电压或第一控制电流信号并输出到外挂能量传输装置；
外挂能量传输装置接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动；
检测装置接收所述数控系统的检测刀具振幅指令，并检测所述刀具的实际超声波振幅；
超声波发生器接收所述检测装置反馈的所述刀具的实际超声波振幅，并将其与预存的刀具超声波振幅相比较；
若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅不一致，则所述超声波发生器输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述外挂能量传输装置，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
进一步的，在所述外挂能量传输装置接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动的步骤中，包括外挂能量传输装置将第一控制电压或第一控制电流信号转换为无线电能并传输给超声波刀柄内的超声振动元件进行振动以带动超声波刀柄上的刀具进行超声波振动。
进一步的，若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅一致，则所述超声波发生器输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
进一步的，在所述数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号步骤之前，所述数控系统识别即将用于加工的超声波刀柄和/或对应的刀具，并根据预存的刀具超声波振幅确定目标刀具振幅信号。
本发明提供一种超声波加工装置及其控制方法，与现有技术相比，其至少具有以下有益效果：
超声波加工场合下，刀具的实际超声波振幅通过独立的检测装置得到检测并反馈给超声波发生器，数控系统将刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，并判断两者是否一致。若不一致，则超声波发生器输出第二控制电压或第二控制电流，使得刀具的实际超声波振幅达到与预存的刀具超声波振幅一致的要求。如此，就彻底实现了刀具的超声波振幅的闭环控制，这在现场加工情况下非常重要。因为对刀具的实际超声波振幅这个关键因素实现了闭环精准控制，加工质量和效果得到了可靠的保证，更重要的是刀具寿命得到显著提高。
附图说明
以下结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，本领域技术人员需要领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为本发明范围的限制。除非特别指出，附图仅是意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。此外，在不同的附图中，相同的参考标号表示相同或大致相同的组件。
附图1为本发明实施例一中的超声波加工装置的模块化示意图；
附图2为本发明实施例二中的超声波加工装置的模块化示意图；
附图3为本发明实施例三中的超声波加工装置的模块化示意图；
附图4为本发明实施例一中超声波加工装置加工某材料样品得到的有超声波振幅闭环控制和无超声波振幅闭环控制的刀具前刀面磨损曲线。
具体实施方式
以下将参考附图来详细描述本发明的优选实施例。本领域的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应当被解释为限定了本发明的保护范围。
首先，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，以区分同一类型的技术特征，而不能理解为指示或暗示这些技术特征的相对重要性、顺序以及数量，也即，“第一” 技术特征可以被称为“第二” 技术特征，“第二” 技术特征也可以被称为“第一” 技术特征，并且，限定有“第一”、“第二”的技术特征可以明示或隐含地包括一个或更多个该技术特征。
其次，还需要理解的是，对于本文的实施例中描述或隐含的任意单个技术特征，或在附图中示出或隐含的任意单个技术特征，仍能够在这些技术特征（或其等同物）之间继续进行组合，从而获得未在本文中直接提及的本发明的其他实施例。
另外，还应当指出的是，虽然附图的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
参阅附图1，本发明实施例一提供一种超声波加工装置，其包括超声波主轴、超声波发生器、超声波刀柄以及数控系统，所述数控系统连接超声波发生器和所述超声波主轴，所述超声波发生器连接所述超声波主轴并根据数控系统指令输出第一控制电压或第一控制电流信号到所述超声波主轴，所述超声波刀柄安装在所述超声波主轴上并用于安装刀具，所述超声波刀柄包括超声波振动元件（一般是晶振子），所述超声波振动元件用于带动所述刀具进行超声波振动。需要说明的是，超声波加工装置，包括但不限于数控超声波加工机床。
所述超声波主轴包括无线发射装置，所述超声波刀柄包括无线接收装置，此时，超声波刀柄包括无线接收装置，所述无线发射装置与所述无线接收装置配合并实现超声无线电能传输，所述无线电能用于使得安装在超声波刀柄上的刀具进行振动。
当然，另一方式，超声波主轴可以包括无线发射装置和无线接收装置，此时超声波刀柄则不包括无线接收装置且和超声波主轴有线直连实现电能传输。
当然，另一方式，所述超声波主轴包括能量传输装置，所述能量传输装置用于将所述超声波发生器的电能通过有线直连方式传输到所述超声波振动元件，所述能量传输装置通过有线直连方式与所述超声波发生器连接。
所述超声波加工装置还包括连接于所述数控系统的检测装置，所述检测装置用于检测所述刀具的实际振幅并将其反馈给所述超声波发生器。所述检测装置包括传感器，所述传感器用于检测刀具的实际超声波振幅。当然，检测装置不限于包括传感器，还可以包括图像识别装置等其它方式，其可以根据拍照图像获取刀具的实际超声波振幅。当然，检测装置还可以包括视觉测振组件，所述视觉测振组件包括设置在摄像头前方的摄像头开闭防护机构，所述摄像头开闭防护机构可接收所述数控系统的指令进行开闭。由于加工现场存在大量的冷却液和油污，所以要保持摄像头清洁，就必须设置摄像头开闭防护机构，且摄像头开闭防护机构接收所述数控系统的指令进行开闭动作，这是现有技术没有关注过的技术问题，既没有关注保持摄像头清洁的问题，更没有考虑用例如机床的数控系统来控制摄像头开闭防护机构的开闭，例如，数控系统可以根据加工情况与否，选在在不加工时向摄像头开闭防护机构发出打开动作的指令。此外，具体的，摄像头开闭防护机构是独立与摄像头设置的，其不同于现有技术中的照相机前端手动开闭的开闭板。
所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若不一致，所述超声波发生器则输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
需要说明的是，这里的第二并不是指第二次，其可以是多次，不限制，其有赖于现实情况的刀具的实际超声波振幅的调整情况，最终会在某第二控制电压或第二控制电流信号的情况下，所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
此外，所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若一致，所述超声波发生器则控制输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。此时，刀具开始进行加工工作。
与实施例一的超声波加工装置对应，本发明提供一种超声波加工装置的控制方法，包括如下步骤：数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号；超声波发生器接收目标刀具振幅信号，并将其转换为控制电压或控制电流信号并输出到超声波主轴；超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动；检测装置接收所述数控系统的检测刀具振幅指令，并检测所述刀具的实际超声波振幅；超声波发生器接收所述检测装置反馈的所述刀具的实际超声波振幅，并将其与预存的刀具超声波振幅相比较；若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅不一致，则所述超声波发生器输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以使所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
具体的，在超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号并带动安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动的步骤中，包括超声波主轴将第一控制电压或第一控制电流信号转换为无线电能并传输给超声波刀柄内的超声振动元件以带动安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动。
此外，若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅一致，则所述超声波发生器输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
此外，在所述数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号步骤之前，所述数控系统识别即将用于加工的超声波刀柄和/或对应的刀具，并根据预存的刀具超声波振幅确定目标刀具振幅信号。
需要说明的是，所谓预存的刀具超声波振幅，是指预先在数控系统设置保存的每一把刀具都对应一个超声波振幅，或者每一个超声波刀柄都对应一个超声波振幅（当然装夹在超声波刀柄上的刀具和超声波刀柄一一对应，这样识别了超声波刀柄，也就相当于识别了刀具），也就是说，数控系统可以根据加工工艺过程识别此时使用的是那一个超声波刀柄或哪一个刀具，而数控系统中有数据库预存有刀具的超声波振幅，而预存的刀具超声波振幅是一个具体数值。在比较刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅时，只要求刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅之间在合理偏差范围内即可，并不要求必须完全一致。此外，所谓预存的刀具超声波振幅，是根据大量试验数据得出的最佳值。
参见附图2，本发明实施例二提供一种超声波加工装置，其包括超声波主轴、超声波发生器、普通刀柄以及数控系统，所述数控系统连接超声波发生器和所述超声波主轴，所述超声波发生器连接所述超声波主轴并根据数控系统指令输出第一控制电压或第一控制电流信号到超声波主轴，所述普通刀柄安装在所述超声波主轴上并用于安装刀具，所述超声波主轴包括超声波振动元件（一般是晶振子），所述超声波振动元件用于带动所述刀具进行超声波振动。所谓普通刀柄是指其内未设置超声波振动元件的刀柄，即非超声波刀柄。
所述超声波主轴还包括能量传输装置，所述能量传输装置用于将所述超声波发生器的电能通过无线或有线方式传输到所述超声波振动元件。
所述超声波加工装置还包括连接于所述数控系统的检测装置，所述检测装置用于检测所述刀具的实际振幅并将其反馈给所述超声波发生器；所述检测装置包括传感器，其用于检测刀具的实际超声波振幅。当然，检测装置不限于包括传感器，还可以包括图像识别装置等其它方式，其可以根据拍照图像获取刀具的实际超声波振幅。当然，检测装置还可以包括视觉测振组件，所述视觉测振组件包括设置在摄像头前方的摄像头开闭防护机构，所述摄像头开闭防护机构可接收所述数控系统的指令进行开闭。由于加工现场存在大量的冷却液和油污，所以要保持摄像头清洁，就必须设置摄像头开闭防护机构，且摄像头开闭防护机构接收所述数控系统的指令进行开闭动作，这是现有技术没有关注过的技术问题，既没有关注保持摄像头清洁的问题，更没有考虑用例如机床的数控系统来控制摄像头开闭防护机构的开闭，例如，数控系统可以根据加工情况与否，选在在不加工时向摄像头开闭防护机构发出打开动作的指令。此外，具体的，摄像头开闭防护机构是独立与摄像头设置的，其不同于现有技术中的照相机前端手动开闭的开闭板。
所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若不一致，所述超声波发生器则输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
此外，所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若一致，所述超声波发生器则控制输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
与实施例二的超声波加工装置对应，本发明提供一种超声波加工装置的控制方法，包括如下步骤：数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号；超声波发生器接收目标刀具振幅信号，并将其转换为控制电压或控制电流信号并输出到超声波主轴；超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在普通刀柄上的刀具进行超声波振动；检测装置接收所述数控系统的检测刀具振幅指令，并检测所述刀具的实际超声波振幅；超声波发生器接收所述检测装置反馈的所述刀具的实际超声波振幅，并将其与预存的刀具超声波振幅相比较；若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅不一致，则所述超声波发生器输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
此外，在超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号并带动安装在普通刀柄上的刀具进行超声波振动的步骤中，包括第一控制电压或第一控制电流信号驱动超声波主轴内的超声振动元件进行振动以带动普通刀柄上的刀具进行超声波振动。
此外，若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅一致，则所述超声波发生器输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
此外，在所述数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号步骤之前，所述数控系统识别即将用于加工的超声波刀柄和/或对应的刀具，并根据预存的刀具超声波振幅确定目标刀具振幅信号。
参见附图3，本发明实施例三提供一种超声波加工装置，其包括普通主轴、超声波发生器、超声波刀柄、外挂能量传输装置以及数控系统，所述数控系统连接超声波发生器和所述超声波主轴，所述超声波发生器连接所述外挂能量传输装置并根据数控系统指令输出第一控制电压或第一控制电流信号到所述外挂能量传输装置，所述超声波刀柄安装在所述超声波主轴上并用于安装刀具，所述外挂能量传输装置将所述超声波发生器的电能通过无线或有线方式传输到所述超声波刀柄，所述超声波刀柄包括超声波振动元件，所述超声波振动元件用于带动所述刀具进行超声波振动。所谓普通主轴是指其内未设置超声波振动元件的主轴，此时外挂能量传输装置套设在普通主轴上，具有一定的便利性，对现有加工装置，例如机床，简单改造就能实现超声波机床的加工。
所述超声波加工装置还包括连接于所述数控系统的检测装置，所述检测装置用于检测所述刀具的实际振幅并将其反馈给所述超声波发生器；所述检测装置包括传感器，其用于检测刀具的实际超声波振幅。当然，检测装置不限于包括传感器，还可以包括图像识别装置等其它方式，其可以根据拍照图像获取刀具的实际超声波振幅。当然，检测装置还可以包括视觉测振组件，所述视觉测振组件包括设置在摄像头前方的摄像头开闭防护机构，所述摄像头开闭防护机构可接收所述数控系统的指令进行开闭。由于加工现场存在大量的冷却液和油污，所以要保持摄像头清洁，就必须设置摄像头开闭防护机构，且摄像头开闭防护机构接收所述数控系统的指令进行开闭动作，这是现有技术没有关注过的技术问题，既没有关注保持摄像头清洁的问题，更没有考虑用例如机床的数控系统来控制摄像头开闭防护机构的开闭，例如，数控系统可以根据加工情况与否，选在在不加工时向摄像头开闭防护机构发出打开动作的指令。此外，具体的，摄像头开闭防护机构是独立与摄像头设置的，其不同于现有技术中的照相机前端手动开闭的开闭板。
所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若不一致，所述超声波发生器则输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述外挂能量传输装置，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
此外，所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若一致，所述超声波发生器则控制输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
与实施例三的超声波加工装置对应，本发明提供一种超声波加工装置的控制方法，包括如下步骤：数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号；超声波发生器接收目标刀具振幅信号，并将其转换为第一控制电压或第一控制电流信号并输出到外挂能量传输装置；外挂能量传输装置接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动；检测装置接收所述数控系统的检测刀具振幅指令，并检测所述刀具的实际超声波振幅；超声波发生器接收所述检测装置反馈的所述刀具的实际超声波振幅，并将其与预存的刀具超声波振幅相比较；若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅不一致，则所述超声波发生器输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述外挂能量传输装置，以使所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
具体的，在所述外挂能量传输装置接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动的步骤中，包括外挂能量传输装置将第一控制电压或第一控制电流信号转换为无线电能并传输给超声波刀柄内的超声振动元件进行振动以带动超声波刀柄上的刀具进行超声波振动。
此外，若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅一致，则所述超声波发生器输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
此外，在所述数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号步骤之前，所述数控系统识别即将用于加工的超声波刀柄和/或对应的刀具，并根据预存的刀具超声波振幅确定目标刀具振幅信号。
此外，在上述3个实施例中，还包括，在所述数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号步骤之前，所述数控系统识别即将开始的加工工艺是否为需要闭环控制刀具超声波振幅的超声波加工工艺（例如：精铣钛合金平面加工工艺），若是，则数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号，若否，则不进行数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号的步骤，而数控系统发出直接进行加工的指令。其中，识别加工工艺不限于通过数控系统读取加工代码得到。这样就大大提高了该需要闭环控制刀具超声波振幅的加工工艺的加工质量。
此外，关于实施例一，提供如附图4所述的超声波加工数据，其清楚地表明，若对超声波振幅进行闭环控制，加工一段时间后，刀具的前刀面的磨损显著减小，刀具寿命显著提高。图4中实线曲线为无超声波振幅闭环控制的刀具前刀面磨损量曲线图，虚线曲线为有超声波振幅闭环控制的刀具前刀面磨损量曲线图；对于刀具后刀面磨损情况也是类似情况，有超声波振幅闭环控制的刀具磨损量远远小于无超声波振幅闭环控制的刀具磨损量，在此不再列举。其中，横坐标是只加工工艺的加工长度，纵坐标是刀具前刀面的磨损量。此外，我们还在实验测试中得到被加工件的表面粗糙度对比数据如下：有超声波振幅闭环控制的刀具加工钛合金得到的表面粗糙度为0.031微米，无超声波振幅闭环控制的刀具加工钛合金得到的表面粗糙度为0.062微米。对于实施例二和三，存在上述相同结论，在此不再列举。
本发明的范围由请求保护的技术方案限定，并且包括本领域的技术人员想到的其他实施例。只要此类其他实施例包括并非不同于请求保护的技术方案字面语言的结构元件，或此类其他实施例包含与请求保护的技术方案的字面语言没有实质性区别的等价结构元件，则此类其他实施例应当被认为处于本发明请求保护的技术方案所确定的保护范围内。
Claims (31)
1.一种超声波加工装置，包括超声波主轴、超声波发生器、超声波刀柄以及数控系统，所述数控系统连接超声波发生器和所述超声波主轴，所述超声波发生器连接所述超声波主轴并根据数控系统指令输出第一控制电压或第一控制电流信号到所述超声波主轴，所述超声波刀柄安装在所述超声波主轴上并用于安装刀具，其特征在于，
所述超声波加工装置还包括连接于所述数控系统的检测装置，所述检测装置用于检测所述刀具的实际振幅并将其反馈给所述超声波发生器；
所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若不一致，所述超声波发生器则输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
2.根据权利要求1所述的超声波加工装置，其特征在于，所述超声波刀柄包括超声波振动元件，所述超声波振动元件用于带动所述刀具进行超声波振动。
3.根据权利要求1所述的超声波加工装置，所述超声波主轴包括无线发射装置，所述超声波刀柄包括无线接收装置，所述无线发射装置与所述无线接收装置配合并实现超声无线电能传输，所述无线电能用于使得安装在超声波刀柄上的刀具进行振动。
4.根据权利要求2所述的超声波加工装置，所述超声波主轴包括能量传输装置，所述能量传输装置用于将所述超声波发生器的电能通过有线直连方式传输到所述超声波振动元件，所述能量传输装置通过有线直连方式与所述超声波发生器连接。
5.根据权利要求1所述的超声波加工装置，所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若一致，所述超声波发生器则控制输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
6.根据权利要求1所述的超声波加工装置，所述检测装置包括传感器，其用于检测刀具的实际超声波振幅。
7.根据权利要求1所述的超声波加工装置，所述检测装置包括视觉测振组件，所述视觉测振组件包括设置在摄像头前方的摄像头开闭防护机构，所述摄像头开闭防护机构可接收所述数控系统的指令进行开闭。
8.根据权利要求1所述的超声波加工装置，其特征在于，所述超声波主轴包括无线发射装置和无线接收装置，所述超声波刀柄和所述超声波主轴有线直连实现电能传输。
9.一种超声波加工装置，其特征在于，包括超声波主轴、超声波发生器、普通刀柄以及数控系统，所述数控系统连接超声波发生器和所述超声波主轴，所述超声波发生器连接所述超声波主轴并根据数控系统指令输出第一控制电压或第一控制电流信号到超声波主轴，所述普通刀柄安装在所述超声波主轴上并用于安装刀具，其特 征在于，
所述超声波加工装置还包括连接于所述数控系统的检测装置，所述检测装置用于检测所述刀具的实际振幅并将其反馈给所述超声波发生器；
所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若不一致，所述超声波发生器则输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
10.根据权利要求9所述的超声波加工装置，其特征在于，所述超声波主轴包括超声波振动元件，所述超声波振动元件用于带动所述刀具进行超声波振动。
11.根据权利要求10所述的超声波加工装置，其特征在于，所述超声波主轴还包括能量传输装置，所述能量传输装置用于将所述超声波发生器的电能通过无线或有线方式传输到所述超声波振动元件。
12.根据权利要求9所述的超声波加工装置，其特征在于，所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若一致，所述超声波发生器则控制输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
13.根据权利要求9所述的超声波加工装置，其特征在于，所述检测装置包括传感器，其用于检测刀具的实际超声波振幅。
14.根据权利要求9所述的超声波加工装置，所述检测装置包括视觉测振组件，所述视觉测振组件包括设置在摄像头前方的摄像头开闭防护机构，所述摄像头开闭防护机构可接收所述数控系统的指令进行开闭。
15.一种超声波加工装置，包括普通主轴、超声波发生器、超声波刀柄、外挂能量传输装置以及数控系统，所述数控系统连接超声波发生器和所述超声波主轴，所述超声波发生器连接所述外挂能量传输装置并根据数控系统指令输出第一控制电压或第一控制电流信号到所述外挂能量传输装置，所述超声波刀柄安装在所述超声波主轴上并用于安装刀具，其特征在于，
所述超声波加工装置还包括连接于所述数控系统的检测装置，所述检测装置用于检测所述刀具的实际振幅并将其反馈给所述超声波发生器；
所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若不一致，所述超声波发生器则输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述外挂能量传输装置以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
16.根据权利要求15所述的超声波加工装置，其特征在于，所述外挂能量传输装置将所述超声波发生器的电能通过无线或有线方式传输到所述超声波刀柄，所述超声波刀柄包括超声波振动元件，所述超声波振动元件用于带动所述刀具进行超声波振动。
17.根据权利要求15所述的超声波加工装置，其特征在于，所述超声波发生器还用于将所述刀具的实际超声波振幅与预存的刀具超声波振幅相比较，若一致，所述超声波发生器则控制输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
18.根据权利要求15所述的超声波加工装置，所述检测装置包括传感器，其用于检测刀具的实际超声波振幅。
19.根据权利要求15所述的超声波加工装置，所述检测装置包括视觉测振组件，所述视觉测振组件包括设置在摄像头前方的摄像头开闭防护机构，所述摄像头开闭防护机构可接收所述数控系统的指令进行开闭。
20.一种超声波加工装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号；
超声波发生器接收目标刀具振幅信号，并将其转换为第一控制电压或第一控制电流信号并输出到超声波主轴；
超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动；
检测装置接收所述数控系统的检测刀具振幅指令，并检测所述刀具的实际超声波振幅；
超声波发生器接收所述检测装置反馈的所述刀具的实际超声波振幅，并将其与预存的刀具超声波振幅相比较；
若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅不一致，则所述超声波发生器输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
21.根据权利要求20所述的超声波加工装置的控制方法，其特征在于，在超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号并带动安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动的步骤中，包括超声波主轴将第一控制电压或第一控制电流信号转换为无线电能并传输给超声波刀柄内的超声振动元件以带动安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动。
22.根据权利要求20所述的超声波加工装置的控制方法，其特征在于，若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅一致，则所述超声波发生器输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
23.根据权利要求20所述的超声波加工装置的控制方法，其特征在于，在所述数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号步骤之前，所述数控系统识别即将用于加工的超声波刀柄和/或对应的刀具，并根据预存的刀具超声波振幅确定目标刀具振幅信号。
24.一种超声波加工装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号；
超声波发生器接收目标刀具振幅信号，并将其转换为第一控制电压或第一控制电流信号并输出到超声波主轴；
超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在普通刀柄上的刀具进行超声波振动；
检测装置接收所述数控系统的检测刀具振幅指令，并检测所述刀具的实际超声波振幅；
超声波发生器接收所述检测装置反馈的所述刀具的实际超声波振幅，并将其与预存的刀具超声波振幅相比较；
若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅不一致，则所述超声波发生器输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述超声波主轴，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
25.根据权利要求24所述的超声波加工装置的控制方法，其特征在于，在超声波主轴接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在普通刀柄上的刀具进行超声波振动的步骤中，包括第一控制电压或第一控制电流信号驱动超声波主轴内的超声振动元件进行振动以带动普通刀柄上的刀具进行超声波振动。
26.根据权利要求24所述的超声波加工装置的控制方法，其特征在于，若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅一致，则所述超声波发生器输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
27.根据权利要求24所述的超声波加工装置的控制方法，其特征在于，在所述数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号步骤之前，所述数控系统识别即将用于加工的超声波刀柄和/或对应的刀具，并根据预存的刀具超声波振幅确定目标刀具振幅信号。
28.一种超声波加工装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号；
超声波发生器接收目标刀具振幅信号，并将其转换为第一控制电压或第一控制电流信号并输出到外挂能量传输装置；
外挂能量传输装置接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动；
检测装置接收所述数控系统的检测刀具振幅指令，并检测所述刀具的实际超声波振幅；
超声波发生器接收所述检测装置反馈的所述刀具的实际超声波振幅，并将其与预存的刀具超声波振幅相比较；
若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅不一致，则所述超声波发生器输出第二控制电压或第二控制电流信号到所述外挂能量传输装置，以调整所述刀具的实际超声波振幅，使其与所述预存的刀具超声波振幅相一致。
29.根据权利要求28所述的超声波加工装置的控制方法，其特征在于，在所述外挂能量传输装置接收所述第一控制电压或第一控制电流信号以使安装在超声波刀柄上的刀具进行超声波振动的步骤中，包括外挂能量传输装置将第一控制电压或第一控制电流信号转换为无线电能并传输给超声波刀柄内的超声振动元件进行振动以带动超声波刀柄上的刀具进行超声波振动。
30.根据权利要求28所述的超声波加工装置的控制方法，其特征在于，若所述刀具的实际超声波振幅与所述预存的刀具超声波振幅一致，则所述超声波发生器输出振幅调整完毕的信号到所述数控系统，所述数控系统接收所述振幅调整完毕的信号后，向所述超声波主轴发出启动旋转指令。
31.根据权利要求28所述的超声波加工装置的控制方法，其特征在于，在所述数控系统向超声波发生器发出目标刀具振幅信号步骤之前，所述数控系统识别即将用于加工的超声波刀柄和/或对应的刀具，并根据预存的刀具超声波振幅确定目标刀具振幅信号。
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