CN103557931A - 一种基于恒力控制的超声振幅测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声加工中超声振幅的测量，是一种基于恒力控制的超声振幅测量装置及方法。利用精密微三维运动平台Z轴运动与压力传感器结合形成闭环控制系统，在无超声与有超声作用于超声振动系统条件下，通过记录精密微三维运动平台Z轴两次运动的坐标差来实现对超声振幅的测量，对环境噪声干扰要求不高；并且提高精密微三维运动平台的精度和压力传感器采样频率即可提高测量精度，理论上可以精确到纳米级。

Description

一种基于恒力控制的超声振幅测量装置及方法

技术领域

本发明涉及对振幅的测量，尤其是一种基于恒力控制的超声振幅测量装置及方法。

背景技术

超声加工是利用超声振动的工具，在有磨料的液体中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击以及由此产生的气蚀作用去除材料，或给工具或工件沿一定方向施加超声振动进行加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方法。超声加工既不依赖于材料的导电性、无宏观机械作用力，没有热作用、又可加工高深宽比三维立体结构，零件表面质量及加工精度均较好，决定了超声加工工艺在金属及非金属硬脆材料加工方面具有得天独厚的优势。

超声加工中，在其他条件不变的情况下,增大工具振幅可提高超声加工的速度，但工具端面振幅并非可以无限加大。因此，使工具端面做最大振幅运动就成为提高生产率的一个至关重要的问题。

超声振幅的大小，可以反映声功率输出的大小，而且也反映了发生器、换能器、变幅杆和工具各级联环节频率和电学匹配的效果好坏，对加工过程中材料去除率、表面粗糙度、工具磨损等具有重要影响，因而振幅的测量是超声加工装置研制和使用中的一个重要问题。

目前适合于测量振幅的方法主要有：物理观察法、光学法、电测法等。

物理观察法主要是利用高频振动特性，及视觉滞留效应进行测量，或者用杠杆原理测量振幅；光学法属于非接触法，利用光杠杆原理、读数显微镜、光波干涉原理，激光多普勒效应等进行测量，现代光学测量系统已远超出了过去的那种简单的激光检测仪加信号处理电路的概念，光、机、电与计算机技术的结合，特别是图形图像技术的应用、信号调制技术、调频技术、反馈原理等的应用，使得测量和控制已经成为一个完整的有机体；电测法属于接触法，将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量。再由后续处理模块对测量的结果做进一步的分析和处理的一种方法，是目前广泛应用的方法之一。

物理观察法测振幅，方法简单，但测试时会给工件加上一定的负荷，影响测试结果，只适用于大振幅粗略测量；光学法，不受电磁场干扰,测量精度高,适于对质量小及不易安装传感器的试件作非接触测量。在精密测量和传感器、测振仪标定中用得较多，但设备昂贵，测量成本高；电测法的灵敏度高，频率范围及动态、线性范围宽，便于分析和遥测，测量精度较高，但易受电磁场干扰，影响测量精度，是目前最广泛采用的方法。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种基于恒力控制的超声振幅测量装置；同时，本发明还提供了采用所述装置进行测量振幅的方法，并且能有效的解决了对超声振动装置振幅的简单、精密的测量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于恒力控制的超声振幅测量装置，包括超声振动加工装置、压力传感器、精密微三维运动平台；所述精密微三维运动平台上方设置压力传感器，所述的压力传感器正对着超声振动加工装置；所述的压力传感器通过数据采集系统与计算机相连；所述的精密微三维运动平台通过运动控制系统与计算机相连。

作为本发明所述的基于恒力控制的超声振幅测量装置的优选实施方式，所述精密微三维运动平台中X轴、Y轴与Z轴的最小分辨率都不大于0.1微米。

作为本发明所述的基于恒力控制的超声振幅测量装置的优选实施方式，所述超声振动加工装置包括立式滑台、超声振动系统、主轴、超声电源、夹头、工具头，所述的工具头通过夹头固定在超声振动系统上，超声振动系统固定在主轴上，主轴固定在立式滑台上，所述的立式滑台驱动主轴上下运动，超声电源与超声振动系统相连。

作为本发明所述的基于恒力控制的超声振幅测量装置的优选实施方式，所述超声振动加工装置包括立式滑台、主轴、夹头、工具头、超声振动工作台、超声电源，所述的工具头通过夹头固定在主轴上，主轴固定在立式滑台上，所述的立式滑台驱动主轴上下运动，所述的超声电源与超声振动工作台相连，所述的超声振动工作台正对着主轴固定在所述的压力传感器上。

作为本发明所述的基于恒力控制的超声振幅测量装置的优选实施方式，所述超声振动加工装置为超声振动加工装置或者微细超声振动加工装置。

另外，本发明还提供了一种使用上述装置实施基于恒力控制的超声振幅测量方法，包括以下步骤：

（1）根据数据采集系统实时显示的力值设定压力传感器的目标值；

（2）驱动超声振动加工装置靠近压力传感器；

（3）驱动精密微三维运动平台，以设定的速度在Z轴方向趋近超声振动加工系统，通过数据采集系统采集压力传感器端的测量值，当测量值达到目标值时，Z轴自动停止运动，记录Z轴坐标Z1，然后通过运动控制系统使精密微三维运动平台运动到初始位置；

（4）打开超声电源，使超声振动加工装置做高频振动；驱动精密微三维运动平台，以设定的速度在Z轴方向趋近超声振动加工系统，通过数据采集系统采集压力传感器端的测量值，当测量值达到目标值时，Z轴自动停止运动，记录Z轴坐标Z2，然后通过运动控制系统使精密微三维运动平台和超声振动加工装置运动到初始位置；

（5）计算超声振动加工装置的振幅值为Z1-Z2，多次测量取平均值即可求出在特定功率作用下振动加工装置的振幅值。

作为本发明所述基于恒力控制的超声振幅测量方法的优选实施方式，所述精密微三维运动平台中X轴、Y轴与Z轴的最小分辨率都不大于0.1微米。

作为本发明所述基于恒力控制的超声振幅测量方法的优选实施方式，所述超声振动加工装置包括立式滑台、超声振动系统、主轴、超声电源、夹头、工具头，所述的工具头通过夹头固定在超声振动系统上，超声振动系统固定在主轴上，主轴固定在立式滑台上，所述的立式滑台驱动主轴上下运动，超声电源与超声振动系统相连。

作为本发明所述基于恒力控制的超声振幅测量方法的优选实施方式，所述超声振动加工装置包括立式滑台、主轴、夹头、工具头、超声振动工作台、超声电源，所述的工具头通过夹头固定在主轴上，主轴固定在立式滑台上，所述的立式滑台驱动主轴上下运动，所述的超声电源与超声振动工作台相连，所述的超声振动工作台正对着主轴固定在所述的压力传感器上。

作为本发明所述基于恒力控制的超声振幅测量方法的优选实施方式，所述超声振动加工装置为超声振动加工装置或者微细超声振动加工装置。

本发明利用精密微三维运动平台Z轴运动与压力传感器结合形成闭环控制系统，在无超声与有超声作用于超声振动系统条件下，通过记录精密微三维运动平台Z轴两次运动的坐标差来实现对超声振幅的测量，对环境噪声干扰要求不高；并且提高精密微三维运动平台的精度和压力传感器采样频率即可提高测量精度，理论上可以精确到纳米级。

附图说明

图1为本发明所述超声振动主轴振幅测量一种实施例的结构示意图。

图2为本发明所述超声振动工作台振幅测量另一种实施例的结构示意图。

图3为本发明所述超声振幅测量控制界面。

图4为本发明所述超声振幅测量的流程图。

图中，1为精密微三维运动平台、2为压力传感器、3为工具头、4为夹头、5为前匹配块、6为压电陶瓷片、7为后匹配块、8为预应力螺栓、9为超声电源、10为运动控制系统。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1、3、4所示，一种基于恒力控制的超声振动主轴振幅测量装置，包括立式滑台（图中未画出）、主轴、超声电源9、精密微三维运动平台1、压力传感器2、工具头3、夹头4、前匹配块5、压电陶瓷片6、后匹配块7、预应力螺栓8，所述的工具头3通过夹头4固定在超声振动系统上，超声振动系统固定在主轴上，主轴固定在立式滑台上，所述的立式滑台驱动主轴上下运动，在振幅测量起始阶段，由于精密微三维运动平台1的行程比较小，要借助立式滑台驱动主轴靠近压力传感器2。

超声振动系统包括前匹配块5、压电陶瓷片6与后匹配块7组成。整个超声振动系统为半个波长，超声振动系统通过前匹配块5中的节面固定在主轴上，主轴安装固定在立式滑台上，工具头3通过夹头4紧固在前匹配块5内。工具头3不需要在线加工，也不需要使其随主轴一起做旋转运动，只要其端面位于传感器水平截面内且能通过移动与压力传感器平面接触即可。

所述的压力传感器2当表面承受一定的压力时，能通过数据采集系统将表面的压力值在控制界面端显示出来。

超声电源9与超声振动系统相连，打开超声电源9，超声振动系统能够作高频振动，从而带动工具头高频振动。

所述的压力传感器2正对着主轴，如果主轴偏离压力传感器2，可以借助精密微三维运动平台中的X/Y轴的运动调节压力传感器的位置。

所述的压力传感器2通过数据采集系统与计算机相连，通过数据采集系统对压力传感器输出端的信号进行放大，然后借助数据采集卡，将放大的信号进行高频采集，然后在计算机的控制界面中显示出测量值。

所述的精密微三维运动平台1通过运动控制系统10与计算机相连；所述精密微三维运动平台中X轴、Y轴与Z轴的最小分辨率都不大于0.1微米，精密微三维运动平台与立式滑台在测量起始阶段配合使用，当主轴靠近压力传感器2时，立式滑台停止运动，精密微三维运动平台继续运动，进一步测量。

另外，如图1、3、4所示，实施基于恒力控制的超声振幅测量方法，首先按照图1所示安装好测量装备，连接好测量电路、启动恒力控制系统以及打开软件控制界面。然后按照软件界面中显示的压力值设定一个目标值，再设定精密微三维运动平台Z轴的驱动速度与坐标；接着驱动精密微三维运动平台与立式滑台运动，使图1中的工具头3靠近传感器2但不接触，此时已完成测量过程的粗对刀；通过运动控制系统10驱动精密微三维运动平台Z轴向上运动，通过数据采集系统采集压力传感器2端的测量值，从图3的控制界面中观察测量值，当测量值小于目标值时，Z轴继续运动；当测量值达到目标值时，Z轴自动停止运动；记录Z轴坐标Z1，然后通过运动控制系统10使精密微三维运动平台运动到初始位置；打开超声电源9驱动主轴振动，保持所有的控制参数不变，再次驱动精密微三维平台Z轴向上运动，通过数据采集系统采集压力传感器2端的测量值，从图3的控制界面中观察测量值，当测量值小于目标值时，Z轴继续运动；当测量值达到目标值时，Z轴自动停止运动，记录Z轴坐标Z2，然后通过运动控制系统10使精密微三维运动平台和主轴运动到初始位置；计算超声振动加工装置的振幅值为A=Z1-Z2，多次测量取平均值即可求出在特定功率作用下超声振动主轴的振幅值。

实施例2

如图2、3、4所示，一种基于恒力控制的超声振动工作台振幅测量装置，包括超声振动工作台、立式滑台（图中未画出）、主轴4、超声电源9、精密微三维运动平台1、压力传感器2、工具头3、夹头，所述的工具头3通过夹头固定在主轴4上，主轴4固定在立式滑台上，所述的立式滑台驱动主轴4上下运动，超声振动工作台固定在压力传感器上。在振幅测量起始阶段，由于精密微三维运动平台1的行程比较小，要借助立式滑台驱动主轴靠近压力传感器2。

超声振动工作台中的超声振动系统包括前匹配块5、压电陶瓷片6与后匹配块7组成。超声振动工作台安装在压力传感器2上。

所述的压力传感器2当表面承受一定的压力时，能通过数据采集系统将表面的压力值在控制界面端显示出来。

超声电源9与超声振动工作台相连，打开超声电源9，超声电源9驱动超声振动系统高频振动，从而带动工作台能够作高频振动。

所述的位于压力传感器2上的超声振动工作台正对着主轴，如果主轴偏离超声振动工作台，可以借助精密微三维运动平台中的X/Y轴的运动调节超声振动工作台的位置。

所述的压力传感器2通过数据采集系统与计算机相连，通过数据采集系统对压力传感器输出端的信号进行放大，然后借助数据采集卡，将放大的信号进行高频采集，然后在计算机的控制界面中显示出测量值。

所述的精密微三维运动平台1通过运动控制系统10与计算机相连；所述精密微三维运动平台中X轴、Y轴与Z轴的最小分辨率都不大于0.1微米，精密微三维运动平台与立式滑台在测量起始阶段配合使用，当主轴靠近超声振动工作台时，立式滑台停止运动，精密微三维运动平台继续运动，进一步测量。

另外，如图2、3、4所示，实施基于恒力控制的超声振动工作台振幅测量方法，首先按照图2所示安装好测量装备，连接好测量电路、启动恒力控制系统以及打开软件控制界面。然后按照软件界面中显示的压力值设定一个目标值，再设定精密微三维运动平台Z轴的驱动速度与坐标；接着驱动精密微三维运动平台与立式滑台运动，使图2中的工具头3靠近工作台但不接触，此时已完成测量过程的粗对刀；通过运动控制系统10驱动精密微三维运动平台Z轴向上运动，通过数据采集系统采集压力传感器2端的测量值，从图3的控制界面中观察测量值，当测量值小于目标值时，Z轴继续运动；当测量值达到目标值时，Z轴自动停止运动；记录Z轴坐标Z1，然后通过运动控制系统10使精密微三维运动平台动到初始位置；打开超声电源9驱动工作台振动，保持所有的控制参数不变，再次驱动精密微三维平台Z轴向上运动，通过数据采集系统采集压力传感器2端的测量值，从图3的控制界面中观察测量值，当测量值小于目标值时，Z轴继续运动；当测量值达到目标值时，Z轴自动停止运动，记录Z轴坐标Z2，然后通过运动控制系统10使精密微三维运动平台和工作台运动到初始位置；计算超声振动加工装置的振幅值为A=Z1-Z2，多次测量取平均值即可求出在特定功率作用下超声振动工作台的振幅值。

本发明利用精密微三维运动平台Z轴运动与压力传感器结合形成闭环控制系统，在无超声与有超声作用于超声振动系统条件下，通过记录精密微三维运动平台Z轴两次运动的坐标差来实现对超声振幅的测量，对环境噪声干扰要求不高；并且提高精密微三维运动平台的精度和压力传感器采样频率即可提高测量精度，理论上可以精确到纳米级；即可对超声加工装置的振幅进行测量，也可对微超声振幅进行测量。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种基于恒力控制的超声振幅测量装置，包括超声振动加工装置，其特征在于，还包括压力传感器、精密微三维运动平台；

所述精密微三维运动平台上方设置压力传感器，所述的压力传感器正对着超声振动加工装置；

所述的压力传感器通过数据采集系统与计算机相连；

所述的精密微三维运动平台通过运动控制系统与计算机相连。

2.如权利要求1所述的基于恒力控制的超声振幅测量装置，其特征在于，所述精密微三维运动平台中X轴、Y轴与Z轴的最小分辨率都不大于0.1微米。

3.如权利要求1所述的基于恒力控制的超声振幅测量装置，其特征在于，所述超声振动加工装置包括立式滑台、超声振动系统、主轴、超声电源、夹头、工具头，所述的工具头通过夹头固定在超声振动系统上，超声振动系统固定在主轴上，主轴固定在立式滑台上，所述的立式滑台驱动主轴上下运动，超声电源与超声振动系统相连。

4.如权利要求1所述的基于恒力控制的超声振幅测量装置，其特征在于，所述超声振动加工装置包括立式滑台、主轴、夹头、工具头、超声振动工作台、超声电源，所述的工具头通过夹头固定在主轴上，主轴固定在立式滑台上，所述的立式滑台驱动主轴上下运动，所述的超声电源与超声振动工作台相连，所述的超声振动工作台正对着主轴固定在所述的压力传感器上。

5.如权利要求1所述的基于恒力控制的超声振幅测量装置，其特征在于，所述超声振动加工装置为超声振动加工装置或者微细超声振动加工装置。

6.一种使用如权利要求1所述装置实施基于恒力控制的超声振幅测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据数据采集系统实时显示的力值设定压力传感器的目标值；

（2）驱动超声振动加工装置靠近压力传感器；

（3）驱动精密微三维运动平台，以设定的速度在Z轴方向趋近超声振动加工系统，通过数据采集系统采集压力传感器端的测量值，当测量值达到目标值时，Z轴自动停止运动，记录Z轴坐标Z1，然后通过运动控制系统使精密微三维运动平台运动到初始位置；

（4）打开超声电源，使超声振动加工装置做高频振动；驱动精密微三维运动平台，以设定的速度在Z轴方向趋近超声振动加工系统，通过数据采集系统采集压力传感器端的测量值，当测量值达到目标值时，Z轴自动停止运动，记录Z轴坐标Z2，然后通过运动控制系统使精密微三维运动平台和超声振动加工装置运动到初始位置；

（5）计算超声振动加工装置的振幅值为Z1-Z2，多次测量取平均值即可求出在特定功率作用下振动加工装置的振幅值。

7.如权利要求6所述的基于恒力控制的超声振幅测量方法，其特征在于，所述精密微三维运动平台中X轴、Y轴与Z轴的最小分辨率都不大于0.1微米。

8.如权利要求6所述的基于恒力控制的超声振幅测量方法，其特征在于，所述超声振动加工装置包括立式滑台、超声振动系统、主轴、超声电源、夹头、工具头，所述的工具头通过夹头固定在超声振动系统上，超声振动系统固定在主轴上，主轴固定在立式滑台上，所述的立式滑台驱动主轴上下运动，超声电源与超声振动系统相连。

9.如权利要求6所述的基于恒力控制的超声振幅测量方法，其特征在于，所述超声振动加工装置包括立式滑台、主轴、夹头、工具头、超声振动工作台、超声电源，所述的工具头通过夹头固定在主轴上，主轴固定在立式滑台上，所述的立式滑台驱动主轴上下运动，所述的超声电源与超声振动工作台相连，所述的超声振动工作台正对着主轴固定在所述的压力传感器上。

10.如权利要求6所述的基于恒力控制的超声振幅测量方法，其特征在于，所述超声振动加工装置为超声振动加工装置或者微细超声振动加工装置。

Images