CN114850936A - 一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台及方法，包括机床本体、计算机、机床本体控制器、放大器、采集卡、超声电源控制器和超声电源，以及安装在所述机床本体的机床本体台面上的测力仪传感器，测力仪传感器主要由一级多分区压电陶瓷阵列和二级多分区压电陶瓷阵列组成，实现工件不同区域、不同方向的切削力及力矩值的测量，准确定位工件受力部位及受力大小，摆脱了常规测力仪只能监测同一工件不同区域合力的限制；并对超声辅助加工参数实现两次在线调节，改变了常规超声辅助加工恒定参数模式，两次加工参数自适应补偿，保证了振动频率和切削力均在要求范围内，进一步发挥超声辅助加工优势，提升加工质量。

Description

一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台及方法
技术领域
本发明涉及自适应的加工平台技术领域，具体为一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台及方法。
背景技术
超声辅助加工因具有降低切削力及切削热、提高加工质量及加工效率等方面具有诸多优点，近年来获得广泛应用。然而负载加工状态下，超声振动频率会产生漂移，不利于加工稳定性，此外，随着磨损程度增加，切削力逐渐增大，易发生表面粗糙度增加、表面烧伤、表面精度降低等问题。若要保持加工质量的稳定，可及时修改加工参数，以补偿振动频率和切削力变化的影响；发明专利(CN 111300149 B)公布了一种铣削切削力在线监测方法和在线监控系统，可通过获得刀具角加速度计算出刀具切削力的大小，发明专利(CN112828679 B)公布了一种主轴切削力在线测量系统及方法，在主轴前端安装电磁轴承施加主动电磁力，通过计算，实现了铣削加工切削力的在线间接测量。
当前测力仪只能实现整体加工区域切削力的测量，不能对加工区域实现分区域测量，无法获得切削力具体受力部位的变化，如对于圆盘形零件端面铣削，无法准确定位受力部位。此外，超声辅助加工参数不仅包含机床本体参数(转速、进给、切深)，亦含有超声振动参数(超声振动频率、超声振幅)，然而，当前无有效方法监测负载加工过程中超声振动频率的漂移量，缺乏超声辅助加工过程的在线调控方法，因此，急需一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台及方法来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台及方法，可监测多区域切削力，准确定位工件受力部位及受力大小，摆脱了常规测力仪只能监测同一工件不同区域合力的限制，对超声辅助加工参数实现两次在线调节，保证了振动频率和切削力均在要求范围内，进一步发挥超声辅助加工优势，提升加工质量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台，包括机床本体、计算机、机床本体控制器、放大器、采集卡、超声电源控制器和超声电源，以及安装在所述机床本体的机床本体台面上的测力仪传感器，所述测力仪传感器主要由一级多分区压电陶瓷阵列和二级多分区压电陶瓷阵列组成；
所述机床本体控制器与所述机床本体相连，超声电源用于给所述机床本体的超声振动系统提供能量，且所述超声电源与超声电源控制器相连，测力仪传感器依次连接放大器和采集卡，其中，所述机床本体控制器、超声电源控制器和采集卡均接入所述计算机，受所述计算机调控。
优选的，所述一级多分区压电陶瓷阵列利用压电效应将加工过程中的力信号转换为电信号，监测多个区过程中的三向切削力，其中，监测区域个数包括2个或4个或6个或8个或10个。
优选的，所述一级多分区压电陶瓷阵列包括若干组压电陶瓷组，每组压电陶瓷组均包括x向力测试压电陶瓷、y向力测试压电陶瓷和z向力测试压电陶瓷，共同监测同一区域x、y、z三个方向切削力，其中，不同区域压电陶瓷组均匀分布于测力仪传感器四周。
优选的，所述二级多分区压电陶瓷阵列进行切向极化，包括扭矩测试压电陶瓷，将加工过程中的力信号转换为电信号，监测多个不同加工区域的扭矩，监测区域个数包括2个或4个或6个或8个或10个或12个。
优选的，每个压电陶瓷均设一专用传输通道，一级多分区压电陶瓷阵列和二级多分区压电陶瓷阵列输出多通道电信号，通过放大器放大，并经采集卡输入计算机。
优选的，所述计算机包括评估功能，监测负载加工过程中超声振动频率的变化，对切削力值及扭矩值进行切削力容限评估并做出相应决策，包括：
(1)采集超声辅助加工过程中的切削力，其中，切削力采集频率大于2倍超声振动频率；
(2)对切削力进行傅里叶变化，并进行频谱分析，找出幅值对应的超声频率，确定负载状态下的超声振动频率；
(3)计算目标频率与实际超声振动频率的差值，确定负载对超声振动频率的改变量，对超声振动频率进行一次调节，使负载状态下超声振动频率满足设定超声频率要求；
(4)对切削力进行评估，并在切削力超出合理容限范围情况下，依据超声辅助加工参数与切削力的对应关系，在对机床本体加工参数进行修正时，输出机床本体参数及超声振动参数的改变量，并将指令发送至控制机床本体控制器及超声电源控制器，对机床本体加工参数进行修正，对超声振动频率进行二次调节，使切削力在容限范围内。
优选的，切削力的合理容限由实际工况决定，具体为：进行超声辅助加工试验，建立加工参数与加工质量之间的对应关系，依据试验结果，确定满足目标加工质量时对应的切削力范围。
优选的，所述机床本体控制器与机床本体的加工机床本体控制系统建立通信关系，机床本体控制器接受计算机具体参数调整指令，将参数信息反馈至机床本体加工系统进行在线参数调整。
优选的，所述超声电源控制器接受计算机具体参数调整指令，依据指令的参数信息对超声电源进行在线参数调整。
一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台的加工方法，包括如下步骤：
S1、搭建机床本体，连接超声换能器和变幅杆、安装刀具、组装无线传输盘、匹配超声电源，形成超声振动系统，利用超声刀柄，实现机床本体系统与超声振动系统的耦合；
S2、在机床本体的机床本体台面上安装夹具工装固定测力仪传感器，并在测力仪传感器上安装工件，连接放大器、采集卡和计算机，进而形成切削力采集系统；
S3、计算机连接机床本体控制器和超声电源控制器，形成计算机控制的机床本体加工系统及超声振动系统，根据实际加工要求，确定切削力的合理容限，设定初始加工参数；
S4、开启机床本体和超声电源，切削力采集系统实时采集加工过程中多分区切削力，对切削力进行频谱分析，实现超声振动频率一次调节，对切削力进行力容限分析，将修正参数指令发送至超声电源控制器及机床本体控制器，进行加工参数二次调节，使得切削力在合理容限范围内，完成自适应加工在线调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明中，测力仪传感器主要由一级多分区压电陶瓷阵列和二级多分区压电陶瓷阵列组成，利用压电陶瓷不同工作模式，可以测量同一工件不同加工区域的切削力，用以监测不同加工区域的切削力变化过程，准确定位工件受力部位及受力大小，摆脱了常规测力仪只能监测同一工件不同区域合力的限制。
另外，本发明中，对超声辅助加工参数实现两次在线调节，改变了常规超声辅助加工恒定参数模式，两次加工参数自适应补偿，保证了振动频率和切削力均在要求范围内，避免了超声振动频率漂移、刀具磨损、切削力过大造成表面烧伤、形位精度降低等问题，进一步发挥超声辅助加工优势，提升加工质量。
其中，本发明中，利用超声电源控制器来调节超声电源功率、超声电源输出频率，改变了传统超声电源手动调节的控制方法，提升了超声电源的智能化水平；以及提供了一种在线动态改变加工参数的方法，改变了传统静态参数加工形式，实现加工机床本体依据具体工况的自适应加工。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明自适应超声辅助加工平台的结构示意图；
图2是本发明超声振动系统的结构示意图；
图3是本发明含力控调节机床本体的主视图；
图4是本发明含力控调节机床本体的侧视图；
图5是本发明一级多分区压电陶瓷阵列(4分区)的结构示意图；
图6是本发明二级多分区压电陶瓷阵列(12通道)的结构示意图；
图7是本发明自适应平台加工过程流程图；
图中标号：1、一级多分区压电陶瓷阵列；2、y向力测试压电陶瓷；3、z向力测试压电陶瓷；4、x向力测试压电陶瓷；5、二级多分区压电陶瓷阵列；6、扭矩测试压电陶瓷；7、机床主轴；8、超声无线传输盘；9、超声刀柄；10、换能器；11、变幅杆；12、刀具；13、机床本体；14、超声振动系统；15、工件；16、测力仪传感器；17、工作台面；18、机床本体控制器；19、计算机；20、放大器；21、采集卡；22、超声电源；23、超声电源控制器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1-图6所示，一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台，其特征在于，包括机床本体13、计算机19、机床本体控制器18、放大器20、采集卡21、超声电源控制器23和超声电源22，以及安装在机床本体13的工作台面17上的测力仪传感器16，测力仪传感器16主要由一级多分区压电陶瓷阵列1和二级多分区压电陶瓷阵列5组成；
其中，参考图5所示，一级多分区压电陶瓷阵列1利用压电效应将加工过程中的力信号转换为电信号，监测多个区过程中的三向切削力，其中，监测区域个数包括2个、4个、6个、8个和10个等，具体个数由设置的压电陶瓷阵列确定；其中，水平方向力(x、y)测试分别利用x向力测试压电陶瓷4和y向力测试压电陶瓷2的d31工作模式(受力方向与感应电场方向垂直)，当x、y方向受力时，可将对应方向力信号转换为电信号；轴向力测试利用z向力测试压电陶瓷3的d33工作模式(受力方向与感应电场方向平行)，当z向受力时，可将z向力信号转换为电信号；一级多分区压电陶瓷阵列1包括若干组压电陶瓷组，每组压电陶瓷组均包括x向力测试压电陶瓷4、y向力测试压电陶瓷2和z向力测试压电陶瓷3，共同监测同一区域x、y、z三个方向切削力，其中，不同区域压电陶瓷组均匀分布于测力仪传感器16四周；
参考图6所示，二级多分区压电陶瓷阵列5进行切向极化，包括扭矩测试压电陶瓷6，将加工过程中的力信号转换为电信号，监测多个不同加工区域的扭矩，监测区域个数包括2个、4个、6个、8个、10个和12个等；具体个数由设置的扭矩测试压电陶瓷6的个数确定。
参考图1所示，机床本体控制器18与机床本体13相连，超声电源22用于给机床本体的超声振动系统14提供能量，且超声电源22与超声电源控制器23相连，测力仪传感器16依次连接放大器20和采集卡21，其中，机床本体控制器18、超声电源控制器23和采集卡21均接入计算机19，受计算机19调控。
其中，每一压电陶瓷设一专用传输通道，压电陶瓷将力信号通过压电效应转换为电压信号，压电陶瓷阵列输出多通道电信号并经放大器20放大，经采集卡21输入计算机19，分析多通道信号可以准确定位受力部位，并确定受力部位的三向分力及扭矩值，实时监测不同加工区域，不同方向的切削力；
机床本体控制器18与机床本体13的加工机床本体13控制系统建立通信关系，机床本体控制器18接受计算机19具体参数调整指令(主轴转速、位置参数)，将参数信息反馈至机床本体13加工系统进行在线参数调整；机床本体控制器18发挥了计算机19与机床本体13控制系统的信息传递功能，在不同加工类型机床本体13建立力控调节平台时，仅需改造相关机床本体控制器18，建立相关通信功能即可，无需更改计算机19软件系统及机床本体13加工系统；
超声电源控制器23是超声电源22的控制设备，超声电源控制器23接受计算机19具体参数调整指令(输出功率、输出频率)后，依据参数信息调节超声电源22进行在线参数调整；在使用不同类型超声电源22时，仅需调节超声控制器，建立相关通信功能即可，无需对现有超声电源22进行更改；
计算机19包括评估功能，监测负载加工过程中超声振动频率的变化，对切削力值及扭矩值进行切削力容限评估并做出相应决策，包括：
(1)采集超声辅助加工过程中的切削力，其中，切削力采集频率大于2倍超声振动频率；
(2)对切削力进行傅里叶变化，并进行频谱分析，找出幅值对应的超声频率，确定负载状态下的超声振动频率；
(3)计算目标频率与实际超声振动频率的差值，确定负载对超声振动频率的改变量，对超声振动频率进行一次调节，使负载状态下超声振动频率满足设定超声频率要求；
(4)对切削力进行评估，并在切削力超出合理容限范围情况下，依据超声辅助加工参数与切削力的对应关系，在对机床本体13加工参数进行修正时，输出机床本体13参数及超声振动参数的改变量，并将指令发送至控制机床本体控制器18及超声电源控制器23，对机床本体13加工参数进行修正，对超声振动频率进行二次调节，使切削力在容限范围内。
其中，切削力的合理容限由实际工况决定，具体步骤：首先，进行超声辅助加工试验，建立加工参数与加工质量之间的对应关系；然后，依据试验结果，确定满足目标加工质量时对应的切削力范围，以此作为评估基准；设定切削力容限的目的是避免加工过程中切削力过大造成表面烧伤、刀具12磨损加剧、加工零件精度降低等问题。
参考图2-图4和图7，一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台的加工方法，包括如下步骤：
首先，参考图2-图4所示，搭建机床本体13，连接超声换能器10和变幅杆11、安装刀具12(砂轮、铣刀、钻头、车刀等其中一种)、组装超声无线传输盘8、匹配超声电源22，形成超声振动系统14，在机床主轴7处利用超声刀柄9，实现机床本体系统与超声振动系统14的耦合；
接着，在机床本体13的机床本体13台面上安装夹具工装固定测力仪传感器16，并在测力仪传感器16上安装工件15，连接放大器20、采集卡21和计算机19，进而形成切削力采集系统；
然后，计算机19连接机床本体控制器18和超声电源控制器23，形成计算机19控制的机床本体13加工系统及超声振动系统14，根据实际加工要求，确定切削力的合理容限，设定初始加工参数；
最后，参考图7所示，开启机床本体和超声电源22，计算机19做出上述相应决策，切削力采集系统实时采集加工过程中多分区切削力，对切削力进行频谱分析，实现超声振动频率一次调节，对切削力进行力容限分析，将修正参数指令发送至超声电源控制器23及机床本体控制器18，进行加工参数二次调节，使得切削力在合理容限范围内，完成自适应加工在线调节。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台，其特征在于，包括机床本体、计算机、机床本体控制器、放大器、采集卡、超声电源控制器和超声电源，以及安装在所述机床本体的机床本体台面上的测力仪传感器，所述测力仪传感器主要由一级多分区压电陶瓷阵列和二级多分区压电陶瓷阵列组成；
所述机床本体控制器与所述机床本体相连，超声电源用于给所述机床本体的超声振动系统提供能量，且所述超声电源与超声电源控制器相连，测力仪传感器依次连接放大器和采集卡，其中，所述机床本体控制器、超声电源控制器和采集卡均接入所述计算机，受所述计算机调控。
2.根据权利要求1所述的一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台，其特征在于：所述一级多分区压电陶瓷阵列利用压电效应将加工过程中的力信号转换为电信号，监测多个区过程中的三向切削力，其中，监测区域个数包括2个或4个或6个或8个或10个。
3.根据权利要求2所述的一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台，其特征在于：所述一级多分区压电陶瓷阵列包括若干组压电陶瓷组，每组压电陶瓷组均包括x向力测试压电陶瓷、y向力测试压电陶瓷和z向力测试压电陶瓷，共同监测同一区域x、y、z三个方向切削力，其中，不同区域压电陶瓷组均匀分布于测力仪传感器四周。
4.根据权利要求3所述的一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台，其特征在于：所述二级多分区压电陶瓷阵列进行切向极化，包括扭矩测试压电陶瓷，将加工过程中的力信号转换为电信号，监测多个不同加工区域的扭矩，监测区域个数包括2个或4个或6个或8个或10个或12个。
5.根据权利要求4所述的一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台，其特征在于：每个压电陶瓷均设一专用传输通道，一级多分区压电陶瓷阵列和二级多分区压电陶瓷阵列输出多通道电信号，通过放大器放大，并经采集卡输入计算机。
6.根据权利要求5所述的一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台，其特征在于：所述计算机包括评估功能，监测负载加工过程中超声振动频率的变化，对切削力值及扭矩值进行切削力容限评估并做出相应决策，包括：
(1)采集超声辅助加工过程中的切削力，其中，切削力采集频率大于2倍超声振动频率；
(2)对切削力进行傅里叶变化，并进行频谱分析，找出幅值对应的超声频率，确定负载状态下的超声振动频率；
(3)计算目标频率与实际超声振动频率的差值，确定负载对超声振动频率的改变量，对超声振动频率进行一次调节，使负载状态下超声振动频率满足设定超声频率要求；
(4)对切削力进行评估，并在切削力超出合理容限范围情况下，依据超声辅助加工参数与切削力的对应关系，在对机床本体加工参数进行修正时，输出机床本体参数及超声振动参数的改变量，并将指令发送至控制机床本体控制器及超声电源控制器，对机床本体加工参数进行修正，对超声振动频率进行二次调节，使切削力在容限范围内。
7.根据权利要求6所述的一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台，其特征在于：切削力的合理容限由实际工况决定，具体为：进行超声辅助加工试验，建立加工参数与加工质量之间的对应关系，依据试验结果，确定满足目标加工质量时对应的切削力范围。
8.根据权利要求1所述的一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台，其特征在于：所述机床本体控制器与机床本体的加工机床本体控制系统建立通信关系，机床本体控制器接受计算机具体参数调整指令，将参数信息反馈至机床本体加工系统进行在线参数调整。
9.根据权利要求1所述的一种双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台及方法，其特征在于：所述超声电源控制器接受计算机具体参数调整指令，依据指令的参数信息对超声电源进行在线参数调整。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述双步多分区力调控的自适应超声辅助加工平台的加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、搭建机床本体，连接超声换能器和变幅杆、安装刀具、组装无线传输盘、匹配超声电源，形成超声振动系统，利用超声刀柄，实现机床本体系统与超声振动系统的耦合；
S2、在机床本体的机床本体台面上安装夹具工装固定测力仪传感器，并在测力仪传感器上安装工件，连接放大器、采集卡和计算机，进而形成切削力采集系统；
S3、计算机连接机床本体控制器和超声电源控制器，形成计算机控制的机床本体加工系统及超声振动系统，根据实际加工要求，确定切削力的合理容限，设定初始加工参数；
S4、开启机床本体和超声电源，切削力采集系统实时采集加工过程中多分区切削力，对切削力进行频谱分析，实现超声振动频率一次调节，对切削力进行力容限分析，将修正参数指令发送至超声电源控制器及机床本体控制器，进行加工参数二次调节，使得切削力在合理容限范围内，完成自适应加工在线调节。
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