CN114290423B - 一种振幅测量与刀具对刀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振幅测量与刀具对刀的方法，包括如下步骤：S1、启动机床，测量激光传感器与加工刀具之间的瞬时距离；S2、获取激光传感器与加工刀具之间的距离序列和超声振幅量序列；S3、计算得激光传感器到加工刀具的距离值和超声振幅值；S4、根据计算得到激光传感器到加工刀具的距离值和超声振幅值，通过超声机床进行对刀以及加工刀具的振幅调整。采用上述技术方案，激光传感器通过发射激光调频连续波技术对目标测距，是基于目标回波的信号，有用信息包含在副载波频率中，因此不易受光传输环境的影响，检测精度大大提高，并且能够适配各种超声加工刀具在位测量要求，避免出现二次误差，大大提高了加工质量和加工效率。

Description

一种振幅测量与刀具对刀方法

技术领域

本发明涉及超声机床技术领域，具体指一种振幅测量与刀具对刀方法。

背景技术

超声复合机床是将超声加工技术与数控机床相融合的一种新型机床，其主要加工对象包括对复合碳纤维、高温合金、石墨等难加工硬脆材料。

对刀功能是机床的基本功能，其基本原理是在加工刀具更换或磨损时测量刀具长度的变化量。现有技术是通过检测刀尖在触发对刀仪信号时的位置不同,也就是机床Z轴坐标值的不同来检测当前刀尖长度与基准刀尖长度的变化量，机床在执行加工的时候把变化量补偿给Z轴。

超声机床通过在加工刀柄产生超声波频率的谐振，将传统的连续切削转为高频脉冲式的断续切削，实现材料的高效分离。超声切削力可通过超声振动幅值(简称振幅)来表征，针对碳纤维复合材料、钛合金和石墨等新型材料超声辅助加工中要求振幅精度控制到1μm之内，从而保证产品切削的平整度和质量。但是由于机械损耗和测量误差等原因，振幅精度难以控制，导致超声切削力出现偏差。

然而目前常见的是基于换能器电学参数的等效测量方法进行振幅的测量和振幅精度的控制。但是，由于不能高精度测量振幅真实值，因此超声切削力难以控制，仍存在较大的偏差。具体体现在：

1、现有对刀仪本身的技术缺陷

机床对刀仪可分为机械式和激光式两种类型，其触发信号都为开光量，导致其本身无法直接完成振幅测量功能。

2、现有振幅测量仪技术缺陷

现有激光位移传感器多基于三角法测距原理，受限于回光角度问题该种方法无法直接测量大部分刀具的超声振幅，需要把实际刀具更换成端面光滑的测量棒才能再进行测量。机床加工过程中，需要多次测量超声振幅，故这种通过更换测试棒实现振幅测量的方法，无法实时对超声振幅进行精确的测量；并且在更换测量棒时设备无法长时间保持正常运行状态，影响了生产效率；测量棒的拆卸和安装过程中，可能导致后期实际刀具安装出现二次误差，进而影响产品生产质量。

发明内容

本发明根据现有技术的不足，提出一种振幅测量与刀具对刀方法，采用基于激光调频连续波技术的激光测距方法实现传感器到刀具的距离和超声振幅的测量，可实现机床加工中的在位测量，进而实时对刀并调整超声振幅。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种振幅测量与刀具对刀方法，包括如下步骤：

S1、启动机床，测量激光传感器与加工刀具之间的瞬时距离，

激光传感器发出连续型的发射信号，并接收加工刀具反射的回光信号，进而对接收的回光信号进行处理，并得到激光传感器与加工刀具之间的瞬时距离；

S2、获取激光传感器与加工刀具之间的距离序列和超声振幅量序列，

根据步骤一测量得到的瞬时距离，并对其进行数据处理，进而按时间顺序得到激光传感器与加工刀具之间的距离序列，

基于超声机床工作频率选取有效超声振幅量序列；

S3、计算得激光传感器到加工刀具的距离值和超声振幅值，

根据步骤二中获取的激光传感器到加工刀具的距离序列和超声振幅量序列，并对序列进行数据处理得到准确的激光传感器与加工刀具之间的距离序列和超声振幅值；

S4、根据计算得到激光传感器到加工刀具的距离值和超声振幅值，通过超声机床进行对刀以及加工刀具的振幅调整。

作为优选，所述S1包括：

S1a、将所述发射信号和回光信号在混频器中进行混频；

S1b、并通过低通滤波电路滤去其高次谐波，得到中频信号；

S1c、从得到的中频信号中获取中频信号的瞬时频率；

S1d、进而进行数据处理得到激光传感器到加工刀具瞬时距离。

作为优选，所述步骤S2包括：

S2a、预设测量时间T_m，并在预设的测量时间T_m内重复步骤S1，从而获得测量时间T_m内n个时间点激光传感器到加工刀具的瞬时距离，将n个时间点激光传感器到加工刀具的瞬时距离按时间排序，进而得到瞬时距离序列；

S2b、瞬时距离序列经过数据处理得到激光传感器到加工刀具得静态距离值。

S2c、重复步骤S2a和S2b，并将n个时间点所得到的相应的激光传感器到加工刀具得静态距离值按时间排序，即获得激光传感器到加工刀具的距离序列。

作为优选，所述步骤S2中还包括步骤S2d、

超声振幅的选取，以超声机床告知的超声频率作为中心频率，并预设频宽作为选频范围，将选取的超声振幅对应步骤S2c中激光传感器到加工刀具的距离序列的余弦项幅值，即可得到超声振幅量，超声振幅量按时间排序得到超声振幅量序列。

作为优选，所述步骤S2d中超声振幅的选频范围为±500Hz。

作为优选，所述步骤S2b中通过对步骤S2a中得到的瞬时距离序列利用快速傅里叶变换进而激光传感器到加工刀具得静态距离值。

作为优选，所述步骤S3中激光传感器到加工刀具的距离序列和超声振幅量序列利用中位值滤波算法计算得到准确的激光传感器到加工刀具的距离值和超声振幅值。

本发明具有以下的特点和有益效果：

采用上述技术方案，激光传感器通过发射激光调频连续波技术对目标测距，是基于目标回波的信号，而不是基于脉冲峰值检测，有用信息包含在副载波频率中，因此不易受光传输环境的影响，检测精度大大提高，并且能够适配各种超声加工刀具在位测量要求，避免出现二次误差，单次测量即可获得激光传感器到加工刀头的距离和超声幅值，减少了测量时间，大大提高了加工质量和加工效率。能够对激光传感器到加工刀头的距离和超声幅值进行实时测量，进而可及时对超声机床进行调整，进而确保产品加工质量和平整度，并且整个测量流程简单，精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的工作流程图。

图2为本发明实施例的工作过程时序图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种振幅测量与刀具对刀方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、启动机床，测量激光传感器与加工刀具之间的瞬时距离，

激光传感器发出连续型的发射信号，并接收加工刀具反射的回光信号，进而对接收的回光信号进行处理，并得到激光传感器与加工刀具之间的瞬时距离；

S2、获取激光传感器与加工刀具之间的距离序列和超声振幅量序列，

根据步骤一测量得到的瞬时距离，并对其进行数据处理，进而按时间顺序得到激光传感器与加工刀具之间的距离序列，基于超声机床工作频率选取有效超声振幅量序列；

S3、计算得激光传感器到加工刀具的距离值和超声振幅值，

根据步骤二中获取的激光传感器到加工刀具的距离序列和超声振幅量序列，利用中位值滤波算法计算得到准确的激光传感器与加工刀具之间的距离序列和超声振幅值；

S4、根据计算得到激光传感器到加工刀具的距离值和超声振幅值，通过超声机床进行对刀以及加工刀具的振幅调整。

上述技术方案中，应用激光传感器发射的激光调频连续波技术对目标测距，并接收目标回波的信号，进而激光传感器到加工刀具的距离值进行实时的测量，由于不是基于脉冲峰值检测，因此有用信息包含在副载波频率中，不易受光传输环境的影响，检测精度大大提高，并且能够适配各种超声加工刀具在位测量要求。

另外，在激光传感器到加工刀具的距离值的基础上，还同时对超声振幅进行测量，并且整个测量过程无需替换测量棒，进而避免出现二次误差，单次测量即可获得激光传感器到加工刀头的距离和超声幅值，减少了测量时间，大大提高了加工质量和加工效率。

可以理解的，通过对激光传感器到加工刀头的距离和超声幅值进行实时测量，可及时监测出加工刀头磨损或者偏移等现象，并进行对刀；此时通过超声振幅的测量，进而可同步对对超声机床进行调整，因此，及时加工刀头出现磨损等异常情况，通过对刀并同时调整超声振幅，仍然能够确保产品加工质量和平整度。

具体的，所述S1包括：

S1a、将所述发射信号和回光信号在混频器中进行混频，

其中，发射信号的瞬时表达式为：

回光信号的瞬时表达式为：

可以理解的，通过将发射信号和回光信号进行混频，得到新得振荡，该振荡不仅与发射信号和回光信号相关；

S1b、并通过低通滤波电路滤去其高次谐波后得到中频信号，其表达式为：

S1c、通过公式(3)中获取中频信号瞬时频率：

f_IF＝k₁τ，τ≤t≤T (4)

S1d、进而得到激光传感器到加工刀具瞬时距离：

式中：A₀为发射信号的幅度；f₀为初始频率；k₁＝ΔF/T，ΔF为扫频带宽，T为扫频周期，激光信号经过长度R后到达加工刀具，加工刀具回波信号时延τ，c为光速，ξ为衰减系数。

进一步的，所述步骤S2包括：

S2a、在测量时间T_m内重复步骤S1，并将获得的激光传感器到加工刀具瞬时距离r按时间顺序排列，进而得到瞬时距离序列r(n)；

可以理解的，激光传感器发射的激光调频连续波技术对目标测距，并接收目标回波的信号，因此，在预设得而测量时间T_m即可完成n次激光传感器到加工刀具瞬时距离的测量，将测量结果按时间顺序排列，即可得到瞬时距离序列r(n)

S2b、瞬时距离序列r(n)利用快速傅里叶变换对其进行处理，得到激光传感器到加工刀具得静态距离值L：

其中N为信号长度，由对称性和周期性可知：

故只考虑R(k)在[0,1,...,N/2-1]项的频率，后续点的频率信息存在冗余，

根据R(k)的共轭特性：

根据欧拉公式令X(k)＝a_k+jb_k，因为共轭特性X(N-k)=a_k-jb_k，根据离散傅里叶逆变换故R(n)的多项展开式中含有X(k)，X(N-k)的两项之和

其中令且/>为相位，/>

设定采样周期f_s，则

其中即为传感器到刀具静态距离值L；

上述技术方案中，由于超声机床是在不断的工作状态下进行测量，对测量结果会出现一定的误差，因此通过上述技术方案，将瞬时距离转换为传感器到刀具静态距离值L，可以理解的，静态距离值，即在静态状态下得到的测量结果，而静态状态下得到的测量结果是最精确的。

S2c、重复步骤S2a和S2b，即获得激光传感器到加工刀具的距离序列L(k)。

可以理解的，重复步骤S2a和S2b，进而得到n个静态传感器到刀具静态距离值L，然后按时间排序，即可得到激光传感器到加工刀具的距离序列L(k)。

进一步的，所述步骤S2中还包括步骤S2d、

超声振幅的选取，以超声机床告知的超声频率作为中心频率，并预设频宽作为选频范围，将选取的超声振幅对应步骤S2b中余弦项幅值即可得到超声振幅量A，并根据激光传感器到加工刀具的距离序列L(k)所对应的余弦项幅值即可得到超声振幅量序列A(k)。

其中，所述步骤S2d中超声振幅的选频范围为±500Hz。从而可滤去部分异常情况下生成的超声波，进而确保得到超声振幅量序列的精度。

本发明的进一步设置，基于激光传感器到刀具距离序列L(k)和超声振幅量序列A(k)，利用中位值滤波算法计算准确传感器到刀具距离值和超声振幅值。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种振幅测量与刀具对刀方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、启动机床，测量激光传感器与加工刀具之间的瞬时距离，

激光传感器发出连续型的发射信号，并接收加工刀具反射的回光信号，进而对接收的回光信号进行处理，并得到激光传感器与加工刀具之间的瞬时距离；

S2、获取激光传感器与加工刀具之间的距离序列和超声振幅量序列，

S2a、预设测量时间T_m，并在预设的测量时间T_m内重复步骤S1，从而获得测量时间T_m内n个时间点激光传感器到加工刀具的瞬时距离，将n个时间点激光传感器到加工刀具的瞬时距离按时间排序，进而得到瞬时距离序列；

S2b、瞬时距离序列经过数据处理得到激光传感器到加工刀具得静态距离值；

S2c、重复步骤S2a和S2b，并将n个时间点所得到的相应的激光传感器到加工刀具的静态距离值按时间排序，即获得激光传感器到加工刀具的距离序列；

S2d、超声振幅的选取，以超声机床告知的超声频率作为中心频率，并预设频宽作为选频范围，将选取的超声振幅对应步骤S2c中激光传感器到加工刀具的距离序列的余弦项幅值，即可得到超声振幅量，超声振幅量按时间排序得到超声振幅量序列；

S3、计算得激光传感器到加工刀具的距离值和超声振幅值，

根据步骤二中获取的激光传感器到加工刀具的距离序列和超声振幅量序列，并对序列进行数据处理得到准确的激光传感器与加工刀具之间的距离序列和超声振幅值；

S4、根据计算得到激光传感器到加工刀具的距离值和超声振幅值，通过超声机床进行对刀以及加工刀具的振幅调整。

2.根据权利要求1所述的振幅测量与刀具对刀方法，其特征在于，所述S1包括：

S1a、将所述发射信号和回光信号在混频器中进行混频；

S1b、并通过低通滤波电路滤去其高次谐波，得到中频信号；

S1c、从得到的中频信号中获取中频信号的瞬时频率；

S1d、进而进行数据处理得到激光传感器到加工刀具瞬时距离。

3.根据权利要求2所述的振幅测量与刀具对刀方法，其特征在于，所述步骤S2d中超声振幅的选频范围为±500Hz。

4.根据权利要求2所述的振幅测量与刀具对刀方法，其特征在于，所述步骤S2b中通过对步骤S2a中得到的瞬时距离序列利用快速傅里叶变换进而激光传感器到加工刀具得静态距离值。

5.根据权利要求2所述的振幅测量与刀具对刀方法，其特征在于，所述步骤S3中激光传感器到加工刀具的距离序列和超声振幅量序列利用中位值滤波算法计算得到准确的激光传感器到加工刀具的距离值和超声振幅值。