CN116079432A - 一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，包括智能刀柄装置、二维超声辅助平台装置和自适应调控装置；智能刀柄装置包括标准刀柄模块，力传感器测量模块，电路载体传输模块和附件模块；二维超声辅助平台装置包括超声振动转换模块，平台模块和超声发生模块；本发明可监测加工过程异常并自适应调控加工振幅，以提高加工过程成品率并延长刀具使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及精密数控铣床结构设计领域，具体是一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置。
背景技术
切削过程监测具有提高产品质量、降低生产成本和提高加工效率的作用。同时，它还能为复杂的加工过程提供准确、可靠和详细的信息。此外，切削力与刀具磨损、加工振动和表面质量等切削条件密切相关，这使其成为所有监测变量中极为重要的物理量。由于台式测力计具有易于制造和采集精度高的优点，所以基于应变片传感器，特别是压电传感器，已经开发出几种类型的工作台测力计。然而，台式测力计不仅在使用过程中需要额外的夹持设备，而且台面的几何形状也限制了其在工业应用中的推广。此外，高精度台式测力计价格昂贵，设置过程费时费力，因此，它更适合于环境稳定、工作条件简单的基础实验研究。
为了解决这个问题，有学者提出了将传感器嵌入刀柄的新方案。该方案可实现切削数据、刀具磨破损状态、加工精度演变等原位监测，成为当前学术研究和产业应用关注热点。但由于智能刀柄是通过测量铣削过程中的铣削力来间接保证表面质量和切削效率。在制造难加工材料时，仅靠监测铣削力很难保证表面质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，包括智能刀柄装置、二维超声辅助平台装置和自适应调控装置；
所述智能刀柄装置包括标准刀柄模块、力传感器测量模块、电路载体传输模块和附件模块；
所述标准刀柄模块包括7：24标准刀柄夹持部分和ER32标准接口螺母；
所述7：24标准刀柄夹持部分与ER32标准接口螺母固定；
所述力传感器测量模块测量标准刀柄模块的铣削力电荷变化，并传输至电路载体传输模块；
所述电路载体传输模块包括智能刀柄壳、聚合物电池、上法兰、核心控制板、智能刀柄壳封装底盖、信号放大板、高速wifi板；
所述智能刀柄壳为底端敞口的腔体；
所述智能刀柄壳用于供7：24标准刀柄夹持部分插入；
所述聚合物电池安装在上法兰顶面凹槽内，从而封装在智能刀柄壳内部；
所述聚合物电池为核心控制板、信号放大板、高速wifi板供电；
所述上法兰的顶面与智能刀柄壳接触，底面通过智能刀柄壳安装螺钉穿透核心控制板和信号放大板，进而与智能刀柄壳封装底盖接触；
所述核心控制板和信号放大板封装在智能刀柄壳内部；
所述核心控制板实时监测信号放大板上的铣削力电压信号，并实时监测切削力数值的大小与稳定性，通过高速wifi板将切削力数值实时传输至自适应调控装置；
所述智能刀柄壳封装底盖用于封闭智能刀柄壳的开口；
所述信号放大板接收和处理铣削力电荷变化，得到铣削力电压信号，并传输至核心控制板；
所述高速wifi板安装在上法兰的顶面，用于与上位机进行数据交互；
所述附件模块包括下法兰和定位盘；
所述下法兰通过螺钉与力传感器测量模块连接；
所述下法兰下端面通过螺钉与定位盘上端面连接；
所述下法兰安装有下法兰径向螺钉；
所述下法兰径向螺钉用于调节智能刀柄装置标准刀柄模块、力传感器测量模块和附件模块的多节分体模块设计同轴度；
所述二维超声辅助平台装置包括超声振动转换模块、平台模块和超声发生模块；
所述超声振动转换模块包括X方向超声振动转换模块和Y方向超声振动转换模块；
所述超声振动转换模块将交流电转换为超声交流振动信号，进而驱动二维超声辅助平台装置对工件进行铣削；
所述X方向超声振动转换模块包括X方向超声振动转换模块保护壳、X方向超声振动转换模块接线端子、X方向双头螺柱、X方向变幅杆、若干X方向铜片、X方向后盖板、X方向预紧螺钉、若干X方向压电陶瓷；
所述X方向双头螺柱的两端分别连接平台模块的振动平台和X方向变幅杆的小端；
所述X方向变幅杆的大端与X方向铜片连接；
所述X方向变幅杆大端上安装有X方向超声振动转换模块保护壳和X方向超声振动转换模块接线端子；
每个X方向铜片的侧面均与一个X方向压电陶瓷连接；
所述X方向铜片、X方向压电陶瓷、X方向后盖板通过X方向预紧螺钉压在X方向变幅杆上；
所述Y方向超声振动转换模块包括Y方向双头螺柱、Y方向超声振动转换模块接线端子、Y方向超声振动转换模块保护壳、若干Y方向压电陶瓷、Y方向预紧螺钉、Y方向后盖板、若干Y方向铜片、Y方向变幅杆；
所述Y方向双头螺柱的两端分别连接振动平台和Y方向变幅杆的小端；
所述Y方向变幅杆的大端与Y方向铜片连接；
所述Y方向变幅杆的大端安装有Y方向超声振动转换模块接线端子、Y方向超声振动转换模块保护壳；
所述平台模块包括振动平台、固定平台、X方向支撑法兰、Y方向支撑法兰；
所述振动平台沿X方向与X方向超声振动转换模块连接，沿Y方向与Y方向超声振动转换模块连接；
所述固定平台通过X方向支撑法兰固定支撑X方向超声振动转换模块；
所述固定平台通过Y方向支撑法兰固定支撑Y方向超声振动转换模块；
所述超声发生模块包括信号线、超声发生器；
所述超声发生器通过信号线同时驱动X方向超声振动转换模块和Y方向超声振动转换模块工作；
所述自适应调控装置对铣削力电压信号进行处理，得到智能刀柄装置切削力数值；
所述自适应调控装置根据切削力数值增大的持续时间控制二维超声辅助平台打开或关闭，并控制二维超声辅助平台的输出振幅。
进一步，所述自适应调控装置根据切削力数值增大的持续时间控制二维超声辅助平台打开或关闭，并控制二维超声辅助平台的输出振幅的步骤包括：
1)判断二维超声辅助平台装置是否关闭，若是，则进入步骤2)，否则进入步骤3)；
2)判断切削力数值是否增大，若否，则保持二维超声辅助平台装置关闭；
若是，则进一步判断切削力数值增大时间是否小于t，若是，则保持二维超声辅助平台装置关闭，并返回步骤1)；否则，打开二维超声辅助平台装置，输出振幅为x的超声信号，并进入步骤3)；
3)判断切削力数值继续增大还是持续减小，若继续增大，则进入步骤4)，若持续减小则进入步骤5)；
4)判断切削力数值继续增大的时间是否小于t，若是，则二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅不变，否则，更新二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅x＝x+Δx，并返回步骤3)；Δx为振幅梯度；
5)判断切削力数值持续减小的时间是否小于t，若是，则二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅不变，否则，更新二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅x＝x-Δx，并返回步骤3)。
进一步，所述力传感器测量模块包括标准ATIMini58力传感器。
进一步，电路载体传输模块的信号采样频率fs如下所示：
式中，n代表主轴转速，z代表切削齿数，p代表每个切削齿的采样点。
进一步，智能刀柄装置在铣削过程中的径向合力RF如下所示：
式中，RF代表径向合力；Fx代表x方向力，Fy代表y方向力。
进一步，X方向后盖板、Y方向后盖板的材料包括40Cr；
X方向变幅杆、Y方向变幅杆的材料包括TC4钛合金。
进一步，所述自适应调控装置利用LabVIEW软件对铣削力电压信号进行处理，得到智能刀柄装置切削力数值。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的有益效果如下：
1)本发明装置提出了一种可同时测量三轴铣削力与相应扭矩的分体式智能刀柄装置设计方法，具有装配尺寸小、集成度高、连接可靠、数据传输稳定、适应性与互换性好等特点。
2)本发明装置的LabVIEW软件可实时监测铣削过程数据，为掌握动态切削过程及刀具磨损、破损和扎刀识别提供了数据支持。
3)本发明装置可弥补单一智能刀柄装置间接保证难加工材料的切削效率与表面质量不足。
4)本发明装置的二维超声辅助平台相位差为90°且振幅可调，因此可以获得多种形状的圆形与椭圆运动轨迹，基于此可探究多种振动轨迹对工件表面质量和切削效率的影响。
5)本发明装置可基于智能刀柄装置实时采集的切削力数据自适应调控二维超声辅助平台装置振幅，可实现加工过程中刀具磨损后的原位补偿并保证整个精密切削过程的恒力控制，从而提高刀具的耐久性与使用寿命。
6)本发明装置以加工过程中较重要的切削力数据为基础，可在调控二维超声辅助平台装置振幅的同时，监测加工过程异常，如扎刀与碰撞等，以提高加工过程切削效率与成品率。
7)本发明装置在不改变机床原有结构的条件下，合理使用了机床空间，可在现有通用机床上进行安装，因而通用性与适配性好。
8)本发明装置整体集成度高，设计过程中考虑了维修与互换性，装配过程有基准可依，因此，单一零件损坏可实现快修、快换与快装，符合国家高质量发展战略需求。
本发明装置可满足现有精密机床市场的智能制造要求，且能自适应调控切削振幅，以改善加工过程切削力，从而提高刀具寿命与加工质量，因此，工业应用推广价值高。
9)本发明提出了一种可同时测量三轴铣削力与相应扭矩的分体式智能刀柄设计方法，具有装配尺寸小、适应性好、集成度高、连接可靠、数据传输稳定、互换性好等特点。
本发明的智能刀柄需要安装在机床主轴上，因此本发明选择二维超声辅助平台来构建超声振动辅助铣削模块，以提高难加工材料的质量和效率。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构图；
图2为本发明智能刀柄装置的分体式结构图；
图3为本发明智能刀柄装置的电路载体传输模块控制图；
图4为本发明智能刀柄装置的动态测试图；
图5为本发明二维超声辅助平台装置的分体式结构图；
图6为本发明超声振动转换模块的模态图；
图7为本发明超声振动转换模块的谐响应图；
图8为本发明二维超声辅助平台装置的X向振幅测量图；
图9为本发明二维超声辅助平台装置的Y向振幅测量图；
图10为本发明自适应调控装置的智能控制图。
图中：1、机床主轴；2、工件固定螺钉；3、工件；4、测试样件；5、测力仪安装螺钉；6、多维测力仪Kistler9257B；7、机床工作台；8、转接板；9、夹具安装螺钉；10、夹具；101、智能刀柄壳；102、7：24标准刀柄夹持部分；103、聚合物电池；104、上法兰；105、核心控制板；106、智能刀柄壳封装底盖；107、力传感器测量模块；108、下法兰；109、定位盘；110、ER32标准接口螺母；111、刀具；112、下法兰径向螺钉；113、信号放大板；114、高速wifi板；115、智能刀柄壳安装螺钉；201、X方向超声振动转换模块保护壳；202、X方向超声振动转换模块接线端子；203、Y方向超声振动转换模块接线端子；204、Y方向超声振动转换模块保护壳；205、振动平台；206、固定平台；207、X方向支撑法兰；208、X方向变幅杆；209、X方向铜片；210、X方向后盖板；211、X方向预紧螺钉；212、X方向压电陶瓷；213、信号线；214、超声发生器；215、Y方向压电陶瓷；216、Y方向预紧螺钉；217、Y方向后盖板；218、Y方向铜片；219、Y方向变幅杆；220、Y方向支撑法兰。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图10，一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，包括智能刀柄装置、二维超声辅助平台装置和自适应调控装置；
所述智能刀柄安装在机床主轴1上，且与刀具111连接；
所述智能刀柄装置包括标准刀柄模块、力传感器测量模块、电路载体传输模块和附件模块；
所述标准刀柄模块包括7：24标准刀柄夹持部分102和ER32标准接口螺母110；
所述7：24标准刀柄夹持部分102与ER32标准接口螺母110固定；
所述力传感器测量模块测量标准刀柄模块的铣削力电荷变化，并传输至电路载体传输模块；
所述电路载体传输模块包括智能刀柄壳101、聚合物电池103、上法兰104、核心控制板105、智能刀柄壳封装底盖106、信号放大板113、高速wifi板114；
所述智能刀柄壳101为底端敞口的腔体；
所述智能刀柄壳101用于供7：24标准刀柄夹持部分102插入；
所述聚合物电池103安装在上法兰104顶面凹槽内，从而封装在智能刀柄壳101内部；
所述聚合物电池103为核心控制板105、信号放大板113、高速wifi板114供电；
所述上法兰104的顶面与智能刀柄壳101接触，底面通过智能刀柄壳安装螺钉115穿透核心控制板105和信号放大板113，进而与智能刀柄壳封装底盖106接触；
所述核心控制板105和信号放大板113封装在智能刀柄壳101内部；
所述核心控制板105实时监测信号放大板113上的铣削力电压信号，并实时监测切削力数值的大小与稳定性，基于切削力数值的大小与稳定性，通过高速wifi板114实时传输切削力数值至自适应调控装置；
所述智能刀柄壳封装底盖106用于封闭智能刀柄壳101的开口；
所述信号放大板113接收和处理铣削力电荷变化，得到铣削力电压信号，并传输至核心控制板105；
所述高速wifi板114安装在上法兰104的顶面，用于与上位机进行数据交互；
所述附件模块包括下法兰108和定位盘109；
所述下法兰108通过螺钉与力传感器测量模块连接；
所述下法兰108下端面通过螺钉与定位盘109上端面连接；
所述下法兰108安装有下法兰径向螺钉112；
所述下法兰径向螺钉112用于调节智能刀柄装置标准刀柄模块、力传感器测量模块和附件模块的多节分体模块设计同轴度；
所述二维超声辅助平台装置包括超声振动转换模块、平台模块和超声发生模块；
所述超声振动转换模块包括X方向超声振动转换模块和Y方向超声振动转换模块；
所述超声振动转换模块将交流电转换为超声交流振动信号，进而驱动二维超声辅助平台装置对工件进行铣削；
具体的，所述超声振动转换模块将50Hz的交流电转换为频率大于16kHz的超声交流振动信号，进而驱动二维超声辅助平台装置对工件进行铣削。
所述工件3通过工件固定螺钉2固定在机床上。
所述X方向超声振动转换模块包括X方向超声振动转换模块保护壳201、X方向超声振动转换模块接线端子202、X方向双头螺柱、X方向变幅杆208、若干X方向铜片209、X方向后盖板210、X方向预紧螺钉211、若干X方向压电陶瓷212；
所述X方向双头螺柱的两端分别连接平台模块的振动平台205和X方向变幅杆208的小端；
所述X方向变幅杆208的大端与X方向铜片209连接；
所述X方向变幅杆208大端上安装有X方向超声振动转换模块保护壳201和X方向超声振动转换模块接线端子202；
每个X方向铜片209的侧面均与一个X方向压电陶瓷212连接；
所述X方向铜片209、X方向压电陶瓷212、X方向后盖板210通过X方向预紧螺钉211压在X方向变幅杆208上；
所述Y方向超声振动转换模块包括Y方向双头螺柱、Y方向超声振动转换模块接线端子203、Y方向超声振动转换模块保护壳204、若干Y方向压电陶瓷215、Y方向预紧螺钉216、Y方向后盖板217、若干Y方向铜片218、Y方向变幅杆219；
所述Y方向双头螺柱的两端分别连接振动平台205和Y方向变幅杆219的小端；
所述Y方向变幅杆219的大端与Y方向铜片218连接；
所述Y方向变幅杆219的大端安装有Y方向超声振动转换模块接线端子203、Y方向超声振动转换模块保护壳204；
所述平台模块包括振动平台205、固定平台206、X方向支撑法兰207、Y方向支撑法兰220；
所述振动平台205沿X方向与X方向超声振动转换模块连接，沿Y方向与Y方向超声振动转换模块连接；
所述固定平台206通过X方向支撑法兰207固定支撑X方向超声振动转换模块；
所述固定平台206通过Y方向支撑法兰220固定支撑Y方向超声振动转换模块；
所述超声发生模块包括信号线213、超声发生器214；
所述超声发生器214通过信号线213同时驱动X方向超声振动转换模块和Y方向超声振动转换模块工作；
所述自适应调控装置对铣削力电压信号进行处理，得到智能刀柄装置切削力数值；
所述自适应调控装置根据切削力数值增大的持续时间控制二维超声辅助平台打开或关闭，并控制二维超声辅助平台的输出振幅。
所述自适应调控装置根据切削力数值增大的持续时间控制二维超声辅助平台打开或关闭，并控制二维超声辅助平台的输出振幅的步骤包括：
1)判断二维超声辅助平台装置是否关闭，若是，则进入步骤2，否则进入步骤3；
2)判断切削力数值是否增大，若否，则保持二维超声辅助平台装置关闭；
若是，则进一步判断切削力数值增大时间是否小于t，若是，则保持二维超声辅助平台装置关闭，并返回步骤1；否则，打开二维超声辅助平台装置，输出振幅为x的超声信号，并进入步骤3；
3)判断切削力数值继续增大还是持续减小，若继续增大，则进入步骤4，若持续减小则进入步骤5；
4)判断切削力数值继续增大的时间是否小于t，若是，则二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅不变，否则，更新二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅x＝x+Δx，并返回步骤3；Δx为振幅梯度；
5)判断切削力数值持续减小的时间是否小于t，若是，则二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅不变，否则，更新二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅x＝x-Δx，并返回步骤3。
所述力传感器测量模块包括标准ATIMini58力传感器107。
电路载体传输模块的信号采样频率fs如下所示：
式中，n代表主轴转速，z代表切削齿数，p代表每个切削齿的采样点。
智能刀柄装置在铣削过程中的径向合力RF如下所示：
式中，RF代表径向合力；Fx代表x方向力，Fy代表y方向力。
X方向后盖板210、Y方向后盖板217的材料包括40Cr；
X方向变幅杆208、Y方向变幅杆219的材料包括TC4钛合金。
所述自适应调控装置利用LabVIEW软件对铣削力电压信号进行处理，得到智能刀柄装置切削力数值。
实施例2：
一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，包括智能刀柄装置、二维超声辅助平台装置和所述自适应调控装置。
所述智能刀柄装置包括标准刀柄模块、力传感器测量模块、电路载体传输模块和附件模块；
所述标准刀柄模块包括7：24标准刀柄夹持部分102和ER32标准接口螺母110；
所述7：24标准刀柄夹持部分102与ER32标准接口螺母110固定；
所述力传感器测量模块测量标准刀柄模块的铣削力电荷变化，并传输至电路载体传输模块；
所述电路载体传输模块包括智能刀柄壳101、聚合物电池103、上法兰104、核心控制板105、智能刀柄壳封装底盖106、信号放大板113、高速wifi板114；
所述智能刀柄壳101为底端敞口的腔体；
所述智能刀柄壳101用于供7：24标准刀柄夹持部分102插入；
所述聚合物电池103安装在上法兰104顶面凹槽内，从而封装在智能刀柄壳101内部；
所述聚合物电池103为核心控制板105、信号放大板113、高速wifi板114供电；
所述上法兰104的顶面与智能刀柄壳101接触，底面通过智能刀柄壳安装螺钉115穿透核心控制板105和信号放大板113，进而与智能刀柄壳封装底盖106接触；
所述核心控制板105和信号放大板113封装在智能刀柄壳101内部；
所述核心控制板105实时监测信号放大板113上的铣削力电压信号，并实时监测切削力数值的大小与稳定性，通过高速wifi板114将切削力数值实时传输至自适应调控装置；
所述智能刀柄壳封装底盖106用于封闭智能刀柄壳101的开口；
所述信号放大板113接收和处理铣削力电荷变化，得到铣削力电压信号，并传输至核心控制板105；
所述高速wifi板114安装在上法兰104的顶面，用于与上位机进行数据交互；
所述附件模块包括下法兰108和定位盘109；
所述下法兰108通过螺钉与力传感器测量模块连接；
所述下法兰108下端面通过螺钉与定位盘109上端面连接；
所述二维超声辅助平台装置包括超声振动转换模块、平台模块和超声发生模块；
所述超声振动转换模块包括X方向超声振动转换模块和Y方向超声振动转换模块；
所述超声振动转换模块将交流电转换为超声交流振动信号，进而驱动二维超声辅助平台装置对工件进行铣削；
所述X方向超声振动转换模块包括X方向超声振动转换模块保护壳201、X方向超声振动转换模块接线端子202、X方向双头螺柱、X方向变幅杆208、若干X方向铜片209、X方向后盖板210、X方向预紧螺钉211、若干X方向压电陶瓷212；
所述X方向双头螺柱的两端分别连接平台模块的振动平台205和X方向变幅杆208的小端；
所述X方向变幅杆208的大端与X方向铜片209连接；
所述X方向变幅杆208大端上安装有X方向超声振动转换模块保护壳201和X方向超声振动转换模块接线端子202；
每个X方向铜片209的侧面均与一个X方向压电陶瓷212连接；
所述X方向铜片209、X方向压电陶瓷212、X方向后盖板210通过X方向预紧螺钉211压在X方向变幅杆208上；
所述Y方向超声振动转换模块包括Y方向双头螺柱、Y方向超声振动转换模块接线端子203、Y方向超声振动转换模块保护壳204、若干Y方向压电陶瓷215、Y方向预紧螺钉216、Y方向后盖板217、若干Y方向铜片218、Y方向变幅杆219；
所述Y方向双头螺柱的两端分别连接振动平台205和Y方向变幅杆219的小端；
所述Y方向变幅杆219的大端与Y方向铜片218连接；
所述Y方向变幅杆219的大端安装有Y方向超声振动转换模块接线端子203、Y方向超声振动转换模块保护壳204；
所述平台模块包括振动平台205、固定平台206、X方向支撑法兰207、Y方向支撑法兰220；
所述振动平台205沿X方向与X方向超声振动转换模块连接，沿Y方向与Y方向超声振动转换模块连接；
所述固定平台206通过X方向支撑法兰207固定支撑X方向超声振动转换模块；
所述固定平台206通过Y方向支撑法兰220固定支撑Y方向超声振动转换模块；
所述超声发生模块包括信号线213、超声发生器214；
所述超声发生器214通过信号线213同时驱动X方向超声振动转换模块和Y方向超声振动转换模块工作；
所述自适应调控装置对铣削力电压信号进行处理，得到智能刀柄装置切削力数值；
所述自适应调控装置根据切削力数值增大的持续时间控制二维超声辅助平台打开或关闭，并控制二维超声辅助平台的输出振幅。
实施例3：
一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，主要内容见实施例2，其中，所述自适应调控装置根据切削力数值增大的持续时间控制二维超声辅助平台打开或关闭，并控制二维超声辅助平台的输出振幅的步骤包括：
1)判断二维超声辅助平台装置是否关闭，若是，则进入步骤2，否则进入步骤3；
2)判断切削力数值是否增大，若否，则保持二维超声辅助平台装置关闭；
若是，则进一步判断切削力数值增大时间是否小于t，若是，则保持二维超声辅助平台装置关闭，并返回步骤1；否则，打开二维超声辅助平台装置，输出振幅为x的超声信号，并进入步骤3；
3)判断切削力数值继续增大还是持续减小，若继续增大，则进入步骤4，若持续减小则进入步骤5；
4)判断切削力数值继续增大的时间是否小于t，若是，则二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅不变，否则，更新二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅x＝x+Δx，并返回步骤3；Δx为振幅梯度；
5)判断切削力数值持续减小的时间是否小于t，若是，则二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅不变，否则，更新二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅x＝x-Δx，并返回步骤3。
实施例4：
一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，主要内容见实施例2，其中，所述力传感器测量模块包括标准ATIMini58力传感器107。
实施例5：
一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，主要内容见实施例2，其中，电路载体传输模块的信号采样频率如下所示：
式中，n代表主轴转速，z代表切削齿数，p代表每个切削齿的采样点。
实施例6：
一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，主要内容见实施例2，其中，智能刀柄装置在铣削过程中的径向合力RF如下所示：
式中，RF代表径向合力；Fx代表x方向力，Fy代表y方向力。
实施例7：
一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，主要内容见实施例2，其中，X方向后盖板210、Y方向后盖板217的材料包括40Cr；
X方向变幅杆208、Y方向变幅杆219的材料包括TC4钛合金。
实施例8：
一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，主要内容见实施例2，其中，所述自适应调控装置利用LabVIEW软件对铣削力电压信号进行处理，得到智能刀柄装置切削力数值。
实施例9：
一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，主要内容见实施例2，其中，所述下法兰108安装有下法兰径向螺钉112；
所述下法兰径向螺钉112用于调节智能刀柄装置标准刀柄模块、力传感器测量模块和附件模块的多节分体模块设计同轴度。
实施例10：
一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，包括智能刀柄装置、二维超声辅助平台装置和自适应调控装置；
具体的，参见图2，所述智能刀柄装置包括标准刀柄模块，力传感器测量模块，电路载体传输模块和附件模块。
所述标准刀柄模块采用了工业中最流行的BT40系列刀柄作为主体结构，由7：24标准刀柄夹持部分102和ER32标准接口螺母110组成。
所述力传感器测量模块选用标准ATIMini58力传感器107，其铣削力测量范围、扭矩测量范围、铣削方向力刚度指标、方向扭矩刚度指标、力测量误差、扭矩测量误差均能满足精密加工使用要求。
所述电路载体传输模块依据切削齿频率公式设计信号采样率，以确保铣削力采集信号不失真，即
式中，fs代表智能刀柄的设计信号采样频率，n代表主轴转速，z代表切削齿数，p代表每个切削齿的采样点。因此，为了实现高频采样率和实时监测每个切削齿的铣削力，本智能刀柄的采样率被设定为38.4kHz，其中n、z、p分别被设定为12000r/min、8个切削齿、8个采样点。
所述电路载体传输模块聚合物电池103通过智能刀柄壳101和上法兰104顶面配作凹槽进行固定，上法兰104底面借助长螺钉穿透核心控制板105和信号放大板113与智能刀柄壳封装底盖106接触，进而通过螺母对核心控制板105，信号放大板113与智能刀柄壳101封装固定，为实现数据方便快捷高速传输，上法兰104顶面还安装有高速wifi板114。
所述附件模块包括下法兰108和定位盘109，下法兰108通过螺钉与ATIMini58力传感器107下端面连接，下法兰108下端面通过螺钉与定位盘109上端面连接，下法兰径向螺钉112用于调节智能刀柄装置多节分体设计同轴度，在刀柄偏摆仪和杠杆千分表的帮助下进行了安装和调试，并在刀柄动平衡机上进行高速动平衡测试。
具体的，参见图3，所述在铣削过程中，ATIMini58力传感器107检测到电荷变化，随后通过放大电路转换成电压信号，再由STM32H750完成数据转换和采集。借助ESP8266高速wifi模块进行无线数据传输，在上位机中基于LabVIEW软件对数据进行分析和处理。为保证智能刀架的持续稳定续航，充电电路和升压稳压电路设计使用三节3.3V聚合物电池作为电源，可以满足12小时的连续工作时间，为满足工业通用性，其充电接口采用标准Type-C。
具体的，参见图4，所述为了测试智能刀柄装置性能，在立式数控加工中心上进行槽铣试验。多维测力仪Kistler9257B6通过测力仪安装螺钉5固定在机床工作台7上。转接板8通过螺钉固定在多维测力仪Kistler9257B6的顶部，借助夹具10与夹具安装螺钉9将测试样件4固定在转接板8的顶部。在测试过程中，智能刀柄装置和多维测力仪Kistler9257B6的采样频率被设置为38.4kHz，智能刀柄装置和多维测力仪Kistler9257B6可以同时收集铣削力信号。智能刀柄装置可以通过无线数据传输模式进行有效传输，但多维测力仪Kistler9257B6需要辅以多通道电荷放大器5070、A/D数据采集卡和Dynoware信号分析软件。
所述考虑到智能刀柄装置的力坐标系在铣削过程中始终是旋转的，而多维测力仪Kistler9257B6的力坐标系是固定的，所以无法直接分析和比较径向力Fx和Fy。用公式(2)来计算径向合力(RF)。
式中，RF代表径向合力，Fx代表x方向力，Fy代表y方向力。
所述为评估测量结果的准确性，需要借助公式(3)计算智能刀柄装置与多维测力仪Kistler9257B6所收集数据的测量误差。
式中，Mean(FST)和Mean(FKT)分别是智能刀柄装置和多维测力仪Kistler9257B6的平均铣削力，Me为智能刀柄装置与多维测力仪Kistler9257B6所收集数据的测量误差。Me值小于10％时，证明智能刀柄装置设计、制造与装配的准确性。
所述二维超声辅助平台装置包括超声振动转换模块，平台模块和超声发生模块。
参见图6和图7，所述超声振动转换模块为二维超声辅助平台的核心部分，主要由后盖板、压电陶瓷、铜片、变幅杆和预紧螺钉组成。压电陶瓷材料的性能参数决定了超声振动转换模块的性能，因此，必须使用具有高机电耦合系数和低介质损耗的压电材料。选用四个直径为50毫米、厚度为6.5毫米的压电陶瓷。为了找到最佳的超声振动转换模块，使用ANSYS仿真软件对设计模型进行了模态分析和谐响应分析，制造后盖板的材料是40Cr，变幅杆的材料是TC4钛合金。
所述X方向超声振动转换模块由X方向双头螺柱连接振动平台205与X方向变幅杆208小端，X方向变幅杆208大端连接有X方向铜片209，X方向铜片209侧面连接有X方向压电陶瓷212，如此循环直至连接X方向后盖板210，X方向铜片209、X方向压电陶瓷212与X方向后盖板210通过X方向预紧螺钉211压在X方向变幅杆208上，为避免切削液影响输电并起到防尘效果，X方向变幅杆208大端上安装有X方向超声振动转换模块保护壳201和X方向超声振动转换模块接线端子202。
所述Y方向超声振动转换模块由Y方向双头螺柱连接振动平台205与Y方向变幅杆219小端，Y方向变幅杆219大端连接有Y方向铜片218，Y方向铜片218侧面连接有Y方向压电陶瓷215，如此循环直至连接Y方向后盖板217，Y方向铜片218、Y方向压电陶瓷215与Y方向后盖板217通过Y方向预紧螺钉216压在Y方向变幅杆219上，为避免切削液影响输电并起到防尘效果，Y方向变幅杆219大端上安装有Y方向超声振动转换模块接线端子203和Y方向超声振动转换模块保护壳204。
所述平台模块由振动平台205、固定平台206和支撑法兰组成。振动平台205沿X方向连接有X方向超声振动转换模块，振动平台206沿Y方向连接有Y方向超声振动转换模块，X方向超声振动转换模块通过X方向支撑法兰207安装在固定平台206上；Y方向超声振动转换模块通过Y方向支撑法兰220安装在固定平台206上。由于二维超声辅助平台装置相位差为90°可以获得圆形与椭圆运动轨迹，且在加工过程中对刀尖运动轨迹的分析比较清晰，因此，二维超声辅助平台装置的安装相位差设置为90°。
所述超声发生模块由超声发生器214和信号线213组成，超声发生器214功率百分比可调，但输出振幅最大的参数为频率18.80kHz，功率百分比为90％，通过信号线213同时驱动X方向超声振动转换模块和Y方向超声振动转换模块。
参见图8和图9，所述二维超声辅助平台装置的振幅对铣削过程中的切削力和表面粗糙度及切屑形态有重要影响，在加工实验前需要用加速度计或激光测振仪进行测量。激光测振仪因其测量精度高、速度快，以及非接触式的测量方法而被广泛使用。二维超声辅助平台装置的振幅是用德国Polytec公司的OFV-505/5000激光测振仪测量的。该激光测振仪设备具有自动聚焦的非接触测量方法，位移分辨率优于0.05pm，频率范围为DC-24MHz。在测试过程中，二维超声辅助平台装置振动方向和激光测振仪的红外光是水平的。此外，还需要通过调整三脚架将激光头发出的光路调整到有反射纸的测试位置，便于激光的自动聚焦和反射，从而提高采集的稳定性和数据的准确性。激光测振仪发出激光信号，遇到待测振动面开始反射，测振仪控制器采集信号，示波器输出振幅波形，为了验证二维超声辅助平台装置的稳定性，每组实验重复测量三次，取平均值。当功率频率为18.80kHz，功率百分比为90％时，比较X方向和Y方向的振幅，发现Y方向的振幅比X方向的振幅略大，与X方向的振幅相比，Y方向的振幅增加了3.8％。振幅增加的幅度小于5％，证明了二维超声辅助平台装置的稳定性。
所述自适应调控装置通过智能刀柄装置实时采集数据自适应调控二维超声辅助平台装置，LabVIEW软件实时采集监测智能刀柄装置切削力数据，若切削力数值增大时间持续3秒，二维超声辅助平台装置自动打开并控制输出振幅为5微米，但当切削力数值增大时间小于3秒时，二维超声辅助平台装置不输出超声信号。
在二维超声辅助平台装置自动打开的条件下，当LabVIEW软件监测到切削力数值继续增大时间持续3秒，二维超声辅助平台装置自适应调整振幅为6微米，但当切削力数值继续增大时间小于3秒时，二维超声辅助平台装置保持输出振幅为5微米不变。
在二维超声辅助平台装置振幅为6微米条件下，当LabVIEW软件监测到切削力数值继续增大时间持续3秒，二维超声辅助平台装置自适应调整振幅为7微米，但当切削力数值继续增大时间小于3秒时，二维超声辅助平台装置保持输出振幅为6微米不变。
在二维超声辅助平台装置振幅为7微米条件下，当LabVIEW软件监测到切削力数值继续增大时间持续3秒，二维超声辅助平台装置自适应调整振幅为8微米，但当切削力数值继续增大时间小于3秒时，二维超声辅助平台装置保持输出振幅为7微米不变。
在二维超声辅助平台装置自动打开的条件下，当LabVIEW软件监测到切削力数值减小时间持续3秒，二维超声辅助平台装置自适应调整振幅为4微米，但当切削力数值减小时间小于3秒时，二维超声辅助平台装置保持输出振幅为5微米不变。
在二维超声辅助平台装置振幅为4微米条件下，当LabVIEW软件监测到切削力数值减小时间持续3秒，二维超声辅助平台自适应调整振幅为3微米，但当切削力数值减小时间小于3秒时，二维超声辅助平台装置保持输出振幅为4微米不变。
在二维超声辅助平台装置振幅为3微米条件下，当LabVIEW软件监测到切削力数值减小时间持续3秒，二维超声辅助平台装置自适应调整振幅为2微米，但当切削力数值减小时间小于3秒时，二维超声辅助平台装置保持输出振幅为3微米不变。
Claims (8)
1.一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，其特征在于：包括智能刀柄装置、二维超声辅助平台装置和所述自适应调控装置。
所述智能刀柄装置包括标准刀柄模块、力传感器测量模块、电路载体传输模块和附件模块；
所述标准刀柄模块包括7：24标准刀柄夹持部分(102)和ER32标准接口螺母(110)；
所述7：24标准刀柄夹持部分(102)与ER32标准接口螺母(110)固定；
所述力传感器测量模块测量标准刀柄模块的铣削力电荷变化，并传输至电路载体传输模块；
所述电路载体传输模块包括智能刀柄壳(101)、聚合物电池(103)、上法兰(104)、核心控制板(105)、智能刀柄壳封装底盖(106)、信号放大板(113)、高速wifi板(114)；
所述智能刀柄壳(101)为底端敞口的腔体；
所述智能刀柄壳(101)用于供7：24标准刀柄夹持部分(102)插入；
所述聚合物电池(103)安装在上法兰(104)顶面凹槽内，从而封装在智能刀柄壳(101)内部；
所述聚合物电池(103)为核心控制板(105)、信号放大板(113)、高速wifi板(114)供电；
所述上法兰(104)的顶面与智能刀柄壳(101)接触，底面通过智能刀柄壳安装螺钉(115)穿透核心控制板(105)和信号放大板(113)，进而与智能刀柄壳封装底盖(106)接触；
所述核心控制板(105)和信号放大板(113)封装在智能刀柄壳(101)内部；
所述核心控制板(105)实时监测信号放大板(113)上的铣削力电压信号，并实时监测切削力数值的大小与稳定性，通过高速wifi板(114)将切削力数值实时传输至自适应调控装置；
所述智能刀柄壳封装底盖(106)用于封闭智能刀柄壳(101)的开口；
所述信号放大板(113)接收和处理铣削力电荷变化，得到铣削力电压信号，并传输至核心控制板(105)；
所述高速wifi板(114)安装在上法兰(104)的顶面，用于与上位机进行数据交互；
所述附件模块包括下法兰(108)和定位盘(109)；
所述下法兰(108)通过螺钉与力传感器测量模块连接；
所述下法兰(108)下端面通过螺钉与定位盘(109)上端面连接；
所述二维超声辅助平台装置包括超声振动转换模块、平台模块和超声发生模块；
所述超声振动转换模块包括X方向超声振动转换模块和Y方向超声振动转换模块；
所述超声振动转换模块将交流电转换为超声交流振动信号，进而驱动二维超声辅助平台装置对工件进行铣削；
所述X方向超声振动转换模块包括X方向超声振动转换模块保护壳(201)、X方向超声振动转换模块接线端子(202)、X方向双头螺柱、X方向变幅杆(208)、若干X方向铜片(209)、X方向后盖板(210)、X方向预紧螺钉(211)、若干X方向压电陶瓷(212)；
所述X方向双头螺柱的两端分别连接平台模块的振动平台(205)和X方向变幅杆(208)的小端；
所述X方向变幅杆(208)的大端与X方向铜片(209)连接；
所述X方向变幅杆(208)大端上安装有X方向超声振动转换模块保护壳(201)和X方向超声振动转换模块接线端子(202)；
每个X方向铜片(209)的侧面均与一个X方向压电陶瓷(212)连接；
所述X方向铜片(209)、X方向压电陶瓷(212)、X方向后盖板(210)通过X方向预紧螺钉(211)压在X方向变幅杆(208)上；
所述Y方向超声振动转换模块包括Y方向双头螺柱、Y方向超声振动转换模块接线端子(203)、Y方向超声振动转换模块保护壳(204)、若干Y方向压电陶瓷(215)、Y方向预紧螺钉(216)、Y方向后盖板(217)、若干Y方向铜片(218)、Y方向变幅杆(219)；
所述Y方向双头螺柱的两端分别连接振动平台(205)和Y方向变幅杆(219)的小端；
所述Y方向变幅杆(219)的大端与Y方向铜片(218)连接；
所述Y方向变幅杆(219)的大端安装有Y方向超声振动转换模块接线端子(203)、Y方向超声振动转换模块保护壳(204)；
所述平台模块包括振动平台(205)、固定平台(206)、X方向支撑法兰(207)、Y方向支撑法兰(220)；
所述振动平台(205)沿X方向与X方向超声振动转换模块连接，沿Y方向与Y方向超声振动转换模块连接；
所述固定平台(206)通过X方向支撑法兰(207)固定支撑X方向超声振动转换模块；
所述固定平台(206)通过Y方向支撑法兰(220)固定支撑Y方向超声振动转换模块；
所述超声发生模块包括信号线(213)、超声发生器(214)；
所述超声发生器(214)通过信号线(213)同时驱动X方向超声振动转换模块和Y方向超声振动转换模块工作；
所述自适应调控装置对铣削力电压信号进行处理，得到智能刀柄装置切削力数值；
所述自适应调控装置根据切削力数值增大的持续时间控制二维超声辅助平台打开或关闭，并控制二维超声辅助平台的输出振幅。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，其特征在于：所述自适应调控装置根据切削力数值增大的持续时间控制二维超声辅助平台打开或关闭，并控制二维超声辅助平台的输出振幅的步骤包括：
1)判断二维超声辅助平台装置是否关闭，若是，则进入步骤2)，否则进入步骤3)；
2)判断切削力数值是否增大，若否，则保持二维超声辅助平台装置关闭；
若是，则进一步判断切削力数值增大时间是否小于t，若是，则保持二维超声辅助平台装置关闭，并返回步骤1)；否则，打开二维超声辅助平台装置，输出振幅为x的超声信号，并进入步骤3)；
3)判断切削力数值继续增大还是持续减小，若继续增大，则进入步骤4)，若持续减小则进入步骤5)；
4)判断切削力数值继续增大的时间是否小于t，若是，则二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅不变，否则，更新二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅x＝x+Δx，并返回步骤3)；Δx为振幅梯度；
5)判断切削力数值持续减小的时间是否小于t，若是，则二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅不变，否则，更新二维超声辅助平台装置输出的超声信号振幅x＝x-Δx，并返回步骤3)。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，其特征在于：所述力传感器测量模块包括标准ATIMini58力传感器(107)。
4.根据权利要求1所述的一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，其特征在于：电路载体传输模块的信号采样频率fs如下所示：
式中，n代表主轴转速，z代表切削齿数，p代表每个切削齿的采样点。
5.根据权利要求1所述的一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，其特征在于：智能刀柄装置在铣削过程中的径向合力RF如下所示：
式中，RF代表径向合力；Fx代表x方向力，Fy代表y方向力。
6.根据权利要求1所述的一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，其特征在于：X方向后盖板(210)、Y方向后盖板(217)的材料包括40Cr；
X方向变幅杆(208)、Y方向变幅杆(219)的材料包括TC4钛合金。
7.根据权利要求1所述的一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，其特征在于：所述自适应调控装置利用LabVIEW软件对铣削力电压信号进行处理，得到智能刀柄装置切削力数值。
8.根据权利要求1所述的一种基于智能刀柄的超声铣削自适应调控装置，其特征在于：所述下法兰(108)安装有下法兰径向螺钉(112)；
所述下法兰径向螺钉(112)用于调节智能刀柄装置标准刀柄模块、力传感器测量模块和附件模块的多节分体模块设计同轴度。
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