CN114509148A - 负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置及方法，装置包括装设于机床工作台上的测力仪、安装在测力仪上的基座、安装在基座之上的测量平台、位于测力仪旁侧的激光测振仪、安装在机床主轴上的被测纵扭超声振动刀柄，被测纵扭超声振动刀柄的前端夹持方头棒料。对被测纵扭超声振动刀柄施加负载，激光测振仪所发出的测量激光束经直角棱镜的反射面反射后到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面。本发明具有结构设计新颖、便于安装及操作等特点，将亚克力板与不锈钢块分别用于承受轴向负载及径向负载，并通过直角棱镜及激光测振仪的组合，能够测得在不同负载条件下纵扭超声振动刀柄的纵向及扭转振幅。

Description

负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置及方法
技术领域
本发明涉及纵扭超声振动辅助加工技术领域，具体是一种负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置及方法。
背景技术
在纵扭超声振动辅助加工过程中，随着切削速度、进给量和切削深度的改变，刀具所受到的切削力也发生改变，此时叠加在刀具上的纵扭复合超声振幅会产生变化。
当切削力过大时，纵扭复合超声振动将会受到抑制，纵向及扭转超声振幅会发生大幅度的衰减，这将会直接影响到纵扭超声振动辅助加工的加工质量。
需指出的是，由于纵扭超声振动辅助加工时的刀具会埋入被加工工件内，而目前所使用的测量负载下的纵扭超声振动刀柄振幅的方法，多采用激光测振仪、激光位移传感器等，无法直接测量纵扭超声振动辅助加工时的刀具的纵向及扭转振幅。且已有的用于在静态时测量负载下的纵扭超声振动刀柄振幅方法，无法测量轴向与径向负载时的扭转振幅，故有必要研发一种负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量方法。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置及方法，结构设计新颖、便于安装及操作，且能够在不同负载情况下对被测纵扭超声振动刀柄的纵向、扭转超声振幅及实际负载大小进行实时测量与记录。
本发明提供了一种负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置，包括装设于机床工作台上的测力仪、安装在测力仪上的基座、安装在基座之上的测量平台、位于测力仪旁侧的激光测振仪、安装在机床主轴上的被测纵扭超声振动刀柄，被测纵扭超声振动刀柄的前端夹持方头棒料；所述基座中央开设有方槽，方槽中固定有直角棱镜；所述测量平台中心开设有通孔，测量平台上方固定有亚克力板或不锈钢块，所述通孔正对直角棱镜，激光测振仪所发出的测量激光束经直角棱镜的反射面反射后到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面。
测力仪及其数据采集系统与计算机连接，移动机床主轴使纵扭超声振动刀柄对亚克力板或不锈钢块施加压力时，即可通过测力仪测得施加的负载大小及其方向。
进一步改进，所述的直角棱镜通过石蜡固定并放置在方槽中央。
进一步改进，所述的方头棒料的材料需与实际加工中所使用的刀具材料相同。
进一步改进，所述的激光测振仪被安装在能自由调节高度及角度的三脚架上，便于调整测量的位置。
进一步改进，为了保证激光能透过亚克力板，所述的亚克力板为完全透明，厚度为3mm。
进一步改进，为透过经由直角棱镜反射面所反射的由激光测振仪发射出的测量激光束，所述的通孔直径为25mm。
进一步改进，所述的测量平台和基座之间通过若干圆柱支撑块固定，测量平台上开有若干连接通孔，圆柱支撑块一端通过贯穿圆柱支撑块的螺钉与基座固定，另一端插入测量平台上的连接通孔中固定。基座通过圆柱支撑块将测量平台垫高，并为直角棱镜的放置留出足够的空间。
进一步改进，所述的亚克力板或不锈钢块通过销钉和压块固定在测量平台上。
本发明还提供了一种负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量方法，对被测纵扭超声振动刀柄施加负载，激光测振仪所发出的测量激光束经直角棱镜的反射面反射后到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面，由方头棒料的端面反射后的激光束再由直角棱镜的反射面进行反射且最终被激光测振仪接收。
进一步改进，所述的负载条件包括施加轴向负载和施加径向负载。
施加轴向负载时，将亚克力板固定在测量平台上，通过机床手轮沿着Z方向移动被测纵扭超声振动刀柄，使方头棒料的端面压在亚克力板上，激光测振仪所发出的测量激光束经直角棱镜的反射面反射后透过亚克力板到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面，由方头棒料的端面反射后的激光束再由直角棱镜的反射面进行反射且最终被激光测振仪接收，即可测得在不同轴向负载下纵扭超声振动刀柄的轴向振幅；再次调整激光测振仪的三脚架，使测量激光光束对准被测纵扭超声振动刀柄夹持的方头棒料侧面的棱边处，并调整激光测振仪的焦距，使测量能量接近满格，即可测得在不同轴向负载状态下纵扭超声振动刀柄的扭转振幅；
施加径向负载时，将不锈钢块固定在测量平台上，通过机床手轮沿着Y方向移动被测纵扭超声振动刀柄，使方头棒料的侧面压在不锈钢块上，激光测振仪所发出的测量激光束由直角棱镜发射后直接到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面，由方头棒料的端面反射后的激光束再由直角棱镜的反射面进行反射且最终被激光测振仪接收，即可测得在不同径向负载下纵扭超声振动刀柄的轴向振幅；再次调整激光测振仪的三脚架，使测量激光光束对准被测纵扭超声振动刀柄夹持的方头棒料侧面的棱边处，并调整激光测振仪的焦距，使测量能量接近满格，即可测得在不同径向负载状态下纵扭超声振动刀柄的扭转振幅。
本发明有益效果在于：具有结构设计新颖、便于安装及操作等特点，将亚克力板与不锈钢块分别用于承受轴向负载及径向负载，并通过直角棱镜及激光测振仪的组合，能够测得在不同负载条件下纵扭振动超声刀的纵向及扭转振幅。
附图说明
下面利用附图来对本发明进行进一步的说明，但是附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
图1为本发明施加轴向负载的结构示意图。
图2为本发明施加轴向负载的分解示意图。
图3为本发明施加径向负载的结构示意图。
图4为本发明施加径向负载的分解示意图。
图5为本发明测量纵向超声振幅的剖面示意图。
在图1至图5中包括有：1、激光测振仪； 2、被测纵扭超声振动刀柄；21、方头棒料；3、测力仪；4、基座；41、方槽；42、柱状支撑块；5、测量平台；51、压块；52、销钉；53、通孔；6、直角棱镜；7、亚克力板；8、不锈钢块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1至图5所示，一种负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量方法，包括分别装设于机床工作台上的测力仪、安装在测力仪上的基座、安装在基座之上的测量平台，位于测力仪旁侧的激光测振仪，安装在机床主轴上的被测纵扭超声振动刀柄。为方便测量不同负载下的被测纵扭超声振动刀柄的纵向与扭转超声振幅，被测纵扭超声振动刀柄的前端夹持方头棒料。
进一步的，基座中心开设有方槽，方槽中通过石蜡固定并放置直角棱镜，基座通过圆柱支撑块将测量平台垫高，并为直角棱镜的放置留出足够的空间；测量平台通过两侧开设的通孔与圆柱支撑块对准，并通过贯穿圆柱支撑块的螺钉与基座固定；为透过经由直角棱镜反射的由激光测振仪发射出的测量激光束，在测量平台的中心开设有直径为25mm的通孔；施加轴向负载时，将亚克力板靠在安装在测量平台上的销钉，并用压块将亚克力板固定在测量平台上；施加径向负载时，将不锈钢块靠在安装在测量平台上的销钉，并用压块将不锈钢块固定在测量平台上；施加轴向负载时，通过机床手轮沿着Z方向移动被测纵扭超声振动刀柄，使方头棒料的端面压在亚克力板上；施加径向负载时，通过机床手轮沿着Y方向移动被测纵扭超声振动刀柄，使方头棒料的侧面压在不锈钢块上。
另外，工作时，若施加轴向负载时，激光测振仪所发出的测量激光束经直角棱镜的反射面反射后透过亚克力板到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面，由方头棒料的端面反射后的激光束再由直角棱镜的反射面进行反射且最终被激光测振仪接收。若施加径向负载时，则该测量激光束由直角棱镜发射后直接到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面。
需指出的时，为了使测量结果更为准确，所述方头棒料的材料需与实际加工中所使用的刀具材料相同。所述激光测振仪被安装在能自由调节高度及角度的三脚架上，便于调整测量的位置。
需进一步指出的时，所述亚克力板应为完全透明，且厚度为3mm，以保证所述激光测振仪所发出的测量激光束经所述直角棱镜的反射面反射后透过所述亚克力板到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面及该测量激光束返回时，测量信号稳定且与直接测量端面振幅无差异，当施加轴向负载达到500N时，所述亚克力板依旧不会发生破损。
下面结合具体的工作过程来对本发明进行详细的说明，具体的：
步骤1、将被测纵扭超声振动刀柄2及其超声加工设备安装在机床主轴上；将测力仪3安装在机床工作台上；
步骤2、通过螺钉将基座4安装在测力仪3上，再将柱状支撑块42对准基座4的四个螺纹孔，将测量平台5置于柱状支撑块42之上，并将其两侧开的通孔与柱状支撑块42对齐，放入螺钉使其穿过柱状支撑块42 将测量平台5与基座4相连；
步骤3、将直角棱镜6通过石蜡固定在基座4预先开设好的方槽41中，并在测量前使用酒精擦拭镜面，以保证测量的准确性；施加轴向负载时，将亚克力板7靠紧放置在测量平台5上的销钉52，并使用螺钉及压块51压紧亚克力板7；施加径向负载时，将不锈钢块8靠紧放置在测量平台5上的销钉52，并使用螺钉及压块51压紧不锈钢块8；
步骤4、测量受到轴向负载下的被测纵扭超声振动刀柄2的纵扭振幅时：移动机床手轮将被测纵扭超声振动刀柄2沿着Z方向进给，使方头棒料21端面压在亚克力板7上，并通过测力仪3读出实时的轴向负载大小，通过微调机床手轮改变被测纵扭超声振动刀柄2的Z方向位置，即可获得不同的轴向负载；此时打开超声电源的开关，被测纵扭超声振动刀柄2开始纵扭复合超声振动；调整激光测振仪1的三脚架，使测量激光光束通过直角棱镜6反射，并透过亚克力板7达到被测纵扭超声振动刀柄2夹持的方头棒料21底部的中心位置；调整激光测振仪1的焦距，使测量能量接近满格，即可测得在不同负载状态下纵扭超声振动刀柄2的纵向振幅；调整激光测振仪1的三脚架，使测量激光光束对准被测纵扭超声振动刀柄2夹持的方头棒料21侧面的棱边处，并调整激光测振仪1的焦距，使测量能量接近满格，即可测得在不同负载状态下纵扭超声振动刀柄2的扭转振幅；
步骤5、测量受到径向负载下的被测纵扭超声振动刀柄2的纵扭振幅时：将亚克力板7换成不锈钢块8，使其同样与销钉52靠紧，并通过压块51压紧，移动机床手轮将被测纵扭超声振动刀柄2沿着Y方向进给，使方头棒料21的侧面压在不锈钢块8的侧面，并通过测力仪3读出实时的径向负载大小，通过微调机床手轮改变被测纵扭超声振动刀柄2的Y方向位置，即可获得不同的径向负载；此时打开超声电源的开关，被测纵扭超声振动刀柄2开始纵扭复合超声振动；调整激光测振仪1的三脚架，使测量激光光束通过直角棱镜6反射，达到被测纵扭超声振动刀柄2夹持的方头棒料底部的中心位置；调整激光测振仪1的焦距，使测量能量接近满格，即可测得在不同径向负载状态下纵扭超声振动刀柄2的纵向振幅；调整激光测振仪1的三脚架，使测量激光光束对准被测纵扭超声振动刀柄2夹持的方头棒料21侧面的棱边处，并调整激光测振仪1的焦距，使测量能量接近满格，即可测得在不同径向负载状态下纵扭超声振动刀柄2的扭转振幅；
综合上述情况可知，通过上述结构设计，本发明具有结构设计新颖、便于安装及操作的优点，且能够在不同负载情况下对被测纵扭超声振动刀柄2的纵向、扭转超声振幅及实际负载大小进行实时测量与记录。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置，其特征在于：包括装设于机床工作台上的测力仪（3）、安装在测力仪（3）上的基座（4）、安装在基座（4）之上的测量平台（5）、位于测力仪（3）旁侧的激光测振仪（1）、安装在机床主轴上的被测纵扭超声振动刀柄（2），被测纵扭超声振动刀柄（2）的前端夹持方头棒料（21）；所述基座（4）中央开设有方槽（41），方槽（41）中固定有直角棱镜（6）；所述测量平台（5）中心开设有通孔（53），测量平台（5）上方固定有亚克力板（7）或不锈钢块（8），所述通孔（53）正对直角棱镜（6），激光测振仪（1）所发出的测量激光束经直角棱镜（6）的反射面反射后到达被测纵扭超声振动刀柄（2）前端夹持的方头棒料（21）端面。
2.根据权利要求1所述的负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置，其特征在于：所述的直角棱镜（6）通过石蜡固定并放置在方槽（41）中央。
3.根据权利要求1所述的负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置，其特征在于：所述的方头棒料（21）的材料需与实际加工中所使用的刀具材料相同。
4.根据权利要求1所述的负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置，其特征在于：所述的激光测振仪（1）被安装在能自由调节高度及角度的三脚架上。
5.根据权利要求1所述的负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置，其特征在于：所述的亚克力板（7）为完全透明，厚度为3mm。
6.根据权利要求1所述的负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置，其特征在于：所述的通孔（53）直径为25mm。
7.根据权利要求1所述的负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置，其特征在于：所述的测量平台（5）和基座（4）之间通过若干圆柱支撑块（42）固定，测量平台（5）上开有若干连接通孔，圆柱支撑块（42）一端通过贯穿圆柱支撑块（42）的螺钉与基座（4）固定，另一端插入测量平台（5）上的连接通孔中固定。
8.根据权利要求1所述的负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量装置，其特征在于：所述的亚克力板（7）或不锈钢块（8）通过销钉（52）和压块（51）固定在测量平台（5）上。
9.一种负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量方法，其特征在于：对被测纵扭超声振动刀柄施加负载，激光测振仪所发出的测量激光束经直角棱镜的反射面反射后到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面，由方头棒料的端面反射后的激光束再由直角棱镜的反射面进行反射且最终被激光测振仪接收。
10.根据权利要求所述的负载条件下纵扭超声振动刀柄振幅测量方法，其特征在于：所述的负载条件包括施加轴向负载和施加径向负载；
施加轴向负载时，将亚克力板固定在测量平台上，通过机床手轮沿着Z方向移动被测纵扭超声振动刀柄，使方头棒料的端面压在亚克力板上，激光测振仪所发出的测量激光束经直角棱镜的反射面反射后透过亚克力板到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面，由方头棒料的端面反射后的激光束再由直角棱镜的反射面进行反射且最终被激光测振仪接收，即可测得在不同轴向负载下纵扭超声振动刀柄的轴向振幅；再次调整激光测振仪的三脚架，使测量激光光束对准被测纵扭超声振动刀柄夹持的方头棒料侧面的棱边处，并调整激光测振仪的焦距，使测量能量接近满格，即可测得在不同轴向负载状态下纵扭超声振动刀柄的扭转振幅；
施加径向负载时，将不锈钢块固定在测量平台上，通过机床手轮沿着Y方向移动被测纵扭超声振动刀柄，使方头棒料的侧面压在不锈钢块上，激光测振仪所发出的测量激光束由直角棱镜发射后直接到达被测纵扭超声振动刀柄前端夹持的方头棒料端面，由方头棒料的端面反射后的激光束再由直角棱镜的反射面进行反射且最终被激光测振仪接收，即可测得在不同径向负载下纵扭超声振动刀柄的轴向振幅；再次调整激光测振仪的三脚架，使测量激光光束对准被测纵扭超声振动刀柄夹持的方头棒料侧面的棱边处，并调整激光测振仪的焦距，使测量能量接近满格，即可测得在不同径向负载状态下纵扭超声振动刀柄的扭转振幅。
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