激光辅助在线测量三维椭圆超声振动辅助微细加工平台的制作方法

本发明属于超声振动辅助加工技术领域，具体涉及到一种应用于难加工材料的激光辅助在线测量三维椭圆超声振动辅助微细加工平台及应用方法。

背景技术：

由于难加工材料零部件在现代工业中的使用范围和使用数量日益剧增，使得难加工材料零部件的高效率、高质量加工成为现代制造业中亟需解决的关键问题之一。然而，由于难加工材料本身具有较差的可加工性，使用传统加工技术对难加工材料进行高质量、高效率和低成本的加工仍然充满着许多的困难和挑战。20世纪50年代，日本宇都宫大学的隈部淳一郎教授首先提出了超声波振动切削方法。20世纪90年代，在一维超声振动辅助加工的基础上，日本学者社本英二教授提出了一种全新的加工方法“椭圆振动切削”(evc)的加工方法，即在包括切削方向和切屑流动方向的平面中对切削刃施加同步的双向振动。

超声振动辅助加工技术在精密和超精密加工技术中具有巨大的应用前景，能够很好的解决难加工材料、非金属材料、表面质量要求高的零件的加工问题。近年来，随着2d椭圆振动切削的不断研究和应用，许多学者提出“3d椭圆振动切削”(3devc)的加工方法，即在包括切削方向、切屑流动方向和进给方向的空间中对切削刃施加同步的空间椭圆振动。3d椭圆振动切削过程中存在断续切削特性和摩擦力逆转特性，能够在很大程度上延长刀具寿命，减小切削力，提高加工表面质量，是目前极具潜力的一种机械加工方式。

目前，超声振动辅助加工装置的研究主要以一维、二维超声振动装置研究为主，对于三维椭圆超声振动装置的研究相对较少。主轴一维超声振动装置一般需要对主轴进行较大的改动，易影响精密机床的主轴固有加工精度。二维超声振动主轴除了存在一维超声振动的缺点之外，还存在超声振幅小、不同方向的振幅相互干涉的缺点。目前，对于三维超声振动辅助加工装置的研究还处于探索阶段，将三维超声振动施加在主轴上还存在许多的技术问题需要解决。因此，本发明提出将三维超声振动施加在工件上是一种有效的替代方法。该方法即能够保证机床主轴固有的加工精度，同时又能够解决不同方向的振动相互干涉的问题，同时改发明装置能够实现一维、二维和三维超声振动加工装置。

本发明所述的三维椭圆超声振动辅助微细加工平台将超声振动施加在相互垂直振动块上，利用振动方向之间的振动耦合实现待加工工件的三维空间椭圆振动，能够避免对精密机床加工主轴的改动，保证机床固有的加工精度。

技术实现要素：

本发明技术为克服现有椭圆加工技术中存在的不同方向振动振幅相互干涉、振动振幅偏小以及需要改变机床固有加工精度等突出问题，提出了一种激光辅助在线测量三维椭圆超声振动辅助微细加工平台及其应用方法，该发明能够在普通的机床上实现待加工工件的一维、二维和三维超声振动辅助加工。针对振动振幅经换能器能量转换和变幅杆聚能作用之后，超声振动系统输出的实际振动振幅发生了明显变化的问题，本发明提出使用激光位移传感器在线测量超声振动的振幅和频率，能够实时检测和记录超声振动系统的振动特性，便于对超声振动系统振动参数的调节。

一种激光辅助在线测量三维椭圆超声振动辅助微细加工平台，包括沿进给方向超声振动系统、沿侧吃刀量方向超声振动系统、沿竖直方向超声振动系统和激光位移传感器测量系统；所述沿侧吃刀量方向超声波振动系统布置于沿进给方向超声波振动系统上方，所述沿进给方向超声波振动系统布置于沿竖直方向超声波振动系统上方，所述三个超声振动系统在空间中呈相互垂直分布；其中沿侧吃刀量方向超声振动系统包括换能器a(1)、变幅杆a(2)；长支撑板(3)、上谐振块(4)、待加工工件(5)、紧固螺钉(6)；沿进给方向超声波振动系统包括换能器b(7)、变幅杆b(8)、短支撑板(9)、下谐振块(10)、直线导轨a(13)、直线导轨b(14)；沿竖直方向超声波振动系统包括换能器c(11)、变幅杆c(12)；换能器a(1)和变幅杆a(2)组成的超声振子a在变幅杆a(2)节点位置通过长支撑板(3)固定在直角形底板(28)上；换能器b(7)和变幅杆b(8)组成的超声振子b在变幅杆b(8)节点位置通过短支撑板(9)固定在直角形底板(28)上；换能器c(11)和变幅杆c(12)组成的超声振子c通过变幅杆c(12)上的法兰固定在直角形底板(28)上；超声振子a与超声振子b在水平面内呈垂直布置，超声振子c与超声振子a和超声振子b组成的平面相垂直，三组超声振子的结构和性能完全相同；

所述上谐振块(4)的固定端与变幅杆a(2)、变幅杆a(2)与换能器a(1)之间分别通过双头螺柱连接，两个双头螺柱的中心轴共线；所述下谐振块的固定端(10)与变幅杆b(8)、变幅杆b(8)与换能器b(7)之间分别通过双头螺柱连接，两个双头螺柱的中心轴共线；所述下谐振块(10)的末端下侧面通过直线导轨b(14)安装在变幅杆c(12)端面上，直线导轨b(14)的导轨方向与下谐振块(10)振动方向一致；所述上谐振块(4)和下谐振块(10)通过直线导轨a(13)相连接，直线导轨a(13)固定于下谐振块(10)的末端与直线导轨b(14)相对的上侧面，直线导轨a(13)的导轨方向与上谐振块(4)振动方向一致；所述待加工工件(5)通过螺纹连接直接固定于上谐振块的末端；超声振子a与超声振子b通过导线与双输出协调相位超声波发生器a(26)相连接，超声振子c通过导线与超声波发生器b(27)相连接；

所述激光位移传感器测量系统包括激光位移传感器a(19)、激光位移传感器b(24)和支座结构；激光位移传感器a(19)、激光位移传感器b(24)分别通过支座结构固定在直角形底板(28)上。所述激光位移传感器具有采样频率高和精度高的特点，使用激光位移传感器在线测量超声振动的振幅和频率，能够实时检测和记录超声振动系统的振动特性，便于对超声振动系统振动参数的调节。

进一步地，上述待加工工件的尺寸与上谐振块组成的整体尺寸满足设计频率和振动振型的要求，所述待加工工件的尺寸和上谐振块组成的整体尺寸与下振动块的整体尺寸相同，所述待加工工件与上谐振块的整体固有频率与超声发生器额定输出频率相差小于±100hz，所述下谐振块的固有频率与超声发生器额定输出频率相差小于±100hz，所述上、下谐振块的振型均为纵振振型，且上、下谐振块的末端具有振动位移最大值。

上述激光位移传感器测量系统中的支座结构，包括开关式磁力座、支撑杆、铰链、连杆、支座；开关式磁力座上端连接支撑杆，支撑杆另一端通过铰链与连杆连接，连杆连接支座，支座上端设置激光位移传感器。所述开关式磁力座能够方便的调节激光位移传感器的位置。

上述超声波发生器a(26)能实现同时输出两个频率相同且相位可调的超声波信号，超声波发生器b(27)与超声波发生器a(26)相比，除了输出信号数量不同之外，其功能参数与超声波发生器a的功能参数完全相同。

上述直角形底板(28)通过四个竖直方向支撑板与方形底板(29)相连接，通过方形底板(29)固定于机床工作台上。

上述直线导轨a(13)和直线导轨b(14)皆为滚动摩擦直线导轨。

上述变幅杆a(2)和换能器a(1)、变幅杆b(8)和换能器b(7)、变幅杆c(12)和换能器c(11)以及待加工工件(5)与上谐振块(4)之间的接触面均涂抹凡士林作为传递介质。保证连接的紧密接触，减少超声振动传递过程中能量的损失。

上述一种激光辅助在线测量三维椭圆超声振动辅助微细加工平台的应用，当三个方向的超声振子同时处于工作状态时，该平台实现空间椭圆超声振动辅助加工；设水平面内x，y和z方向的超声振子处于工作状态，则空间中三个相互垂直同频率简谐振动的位移方程表示为：

消去时间t，化简得：

当则

调整与的相位差，得具有不同姿态的三维空间超声振动椭圆运动轨迹。

通过调节超声发生器a输出信号的振幅和相位差，以及超声波发生器b的开关可以根据实际需要耦合出不同的运动轨迹。

本发明的有益效果是：本发明通过将超声振动分别施加在经优化设计的相互垂直的振动块上，利用振动块的位移耦合实现待加工工件的三维椭圆超声振动辅助加工，避免不同方向振动位移之间的相互干涉以及振动振幅较小的问题；本发明使用直线导轨能够有效减小振动传递过程中能量损失和增加振动的稳定性的作用；本发明能够在普通的机床上实现待加工工件的一维、二维和三维超声振动辅助加工，无需对精密机床加工主轴任何的改动，能够保证机床或加工中心固有的加工精度；针对经换能器能量转换和变幅杆聚能作用之后，超声振动系统输出的实际振动振幅发生了明显变化的问题，本发明提出使用激光位移传感器在线测量超声振动的振幅和频率，能够实时检测和记录超声振动系统的振动特性，便于对超声振动系统振动参数的调节。综上所述，本发明无需对机床主轴进行任何的改动，便能够在普通的机床上实现待加工工件的一维、二维和三维超声振动辅助加工，同时能够解决多维椭圆振动过程中不同方向上振动位移之间相互干涉的问题，同时增加激光位移传感器在线测量超声振动的振幅和频率，便于对超声振动系统振动参数的调节，最终实现在普通机床上对难加工材料高效率、高精度的三维椭圆超声振动辅助加工。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的立体结构主视图；

图2是本发明的沿侧吃刀量方向超声振子和待加工工件主视图；

图3是本发明的沿进给方向超声振子和直线导轨连接示意图；

图4是本发明的沿竖直方向超声振子结构示意图；

图5是本发明的超声振动系统支撑座结构示意图；

图6是本发明的位移传感器支座结构示意图；

图7是本发明的应用实例一维超声振动辅助加工运动轨迹；

图8是本发明的应用实例二维平面椭圆超声振动辅助加工运动轨迹；

图9是本发明的应用实例三维空间椭圆超声振动辅助加工运动轨迹；

图中：1换能器a；2变幅杆a；3长支撑板；4上谐振块；5待加工工件；6紧固螺钉；7换能器b；8变幅杆b；9短支撑板；10下谐振块；11换能器c；12变幅杆c；13直线导轨a；14直线导轨b；15磁力座a；16支撑杆a；17铰链a；18连杆a；19激光位移传感器a；20支座a；21磁力座b；22支撑杆b；23铰链b；24激光位移传感器b；25支座b；26超声波发生器a；27超声波发生器b；28直角形底板；29方形底板；30支撑板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳应用实例进行阐述，以使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确界定。

本发明通过将超声振动分别施加在相互垂直的振动块上，利用振动块的位移耦合实现待加工工件的三维椭圆振动加工，解决当前超声椭圆加工技术中振动位移之间相互干涉的难题。本发明可以在普通的加工机床上，方便的根据实际加工需要耦合出不同的椭圆运动轨迹(一维、二维和三维)，实现高效率、高精度超声加工。此外，本发明使用激光位移传感器在线测量超声振动系统，能够实时检测和记录超声振动系统的振动特性，便于对超声振动系统振动参数调节。

如图1所示，一种激光辅助在线测量三维椭圆超声振动辅助微细加工平台包括沿进给方向超声振动系统，沿侧吃刀量方向超声振动系统，沿竖直方向超声振动系统和激光位移传感器测量系统四部分组成。

一种激光辅助在线测量三维椭圆超声振动辅助微细加工平台，如图1至图6所示，本发明实施例包括：包括直角形底板a28、方形底板b29、上谐振块4、下谐振块10、直线导轨a13和直线导轨b14、长支撑板3、短支撑板9、变幅杆a2，变幅杆b8和变幅杆c12、换能器a1，换能器b7和换能器c11、超声波发生器a26和超声波发生器b27、激光位移传感器a19和激光位移传感器b24及待加工工件5等组成。

如图1和图2所示，所述待加工工件通过螺纹连接固定在上谐振块4的自由端上。

如图1至图3所示，所述下谐振块10的自由端下侧面通过直线导轨b14安装在变幅杆c12端面上，直线导轨b14的导轨方向与下谐振块10振动方向一致；所述上、下谐振块通过直线导轨a13相连接，直线导轨a13固定于下谐振块10的自由端与直线导轨b14相对的上侧面，直线导轨a13的导轨方向与上谐振块4振动方向一致。

如图1至图5所示，换能器a1和变幅杆a2组成的超声振子在变幅杆a2节点位置通过长支撑板3固定在直角形底板a28上；换能器b7和变幅杆b7组成的超声振子在变幅杆b7节点位置通过短支撑板9固定在直角形底板a28上；换能器c11和变幅杆c12组成的超声振子通过变幅杆c12上的法兰固定在直角形底板a28上。

如图1至图5所示，所述变幅杆a2和换能器a1组成的超声振子a与变幅杆b7和换能器b7组成的超声振子b在水平面内呈垂直布置，换能器11c和变幅杆12c组成的超声振子c与超声振子a和超声振子b组成的平面相互垂直；所述上谐振块4与下谐振块10分别沿进给和侧吃刀量方向呈相互垂直布置，且上谐振块4与下谐振块10组成的平面垂直于变幅杆c12。

如图1、图5和图6所示，激光位移传感器a19和激光位移传感器b24通过开关式磁力座15和21固定在直角形底板a28上；所述方形底板b29使用螺栓紧固在机床工作台上，直角形底板a28通过4个支撑板固定在方形底板29b上；

如图1至图4所示，所述换能器a1与换能器b7通过导线与双输出协调相位超声波发生器a19相连接，超声波发生器a19能实现同时输出两个频率相同且相位可调的超声波信号；所述换能器c11通过导线与超声波发生器b24相连接，超声波发生器b24的输出频率与超声发生器a19的输出频率相同。

如图1和图5所示，所述沿侧吃刀量方向超声波振动装置布置于沿进给方向超声波振动装置上方，所述沿进给方向超声波振动装置布置于沿竖直方向超声波振动装置上方，直角形底板28通过4个竖直方向支撑板与方形底板29相连接，整体超声振动装置通过方形底板29固定于机床工作台上。

进一步的，如图1和图2所示，待加工工件的尺寸5与上振动块4组成的整体尺寸能够满足设计频率和振动振型的要求，且与下振动块10的整体尺寸相同，待加工工件与上振动块的整体固有频率与超声发生器额定频率相差小于±100hz，下振动块的固有频率与超声发生器额定频率相差小于±100hz，上、下振动块的振型均为纵振振型，且上、下振动块的自由端具有振动位移最大值。

如图1至图4所示，所述上振动块4的固定端与变幅杆a2、变幅杆a2与换能器a1之间分别通过双头螺柱连接，两个双头螺柱的中心轴共线；所述下振动块10与变幅杆b8、变幅杆b8与换能器b7之间分别通过双头螺柱连接，两个双头螺柱的中心轴共线；为了保证连接的紧密接触，减少超声振动传递过程中能量的损失，变幅杆a2和换能器a1、变幅杆b8和换能器b7、变幅杆c12和换能器c11以及待加工工件5与上振动块4之间的接触面均涂抹凡士林作为传递介质。

如图1和图3所示，所述直线导轨a13和直线导轨b14皆为滚动摩擦直线导轨。

如图1所示，所述水平面内的超声振子a与超声振子b通过导线与双输出协调相位超声波发生器a26相连接，超声波发生器a能实现同时输出两个频率相同且相位可调的超声波信号，所述竖直超声振子c通过导线与超声波发生器b27相连接，与超声波发生器a26相比，除了输出信号数量不同之外，超声波发生器27b的功能参数与超声发生器a的功能参数完全相同。

如图1至图4所示，所述换能器a和变幅杆a组成一组超声振子a，换能器b和变幅杆b组成一组超声振子b，换能器c和变幅杆c组成一组超声振子c，三组超声振子的结构和性能完全相同。

如图1和图6所示，激光位移传感器a19和激光位移传感器b24通过开关式磁力座固定在直角形底板28上，开关式磁力座能够方便的调节激光位移传感器a19和激光位移传感器b24的位置，所述激光位移传感器具有采样频率高和精度高的特点，使用激光位移传感器在线测量超声振动的振幅和频率，能够实时检测和记录超声振动系统的振动特性，便于对超声振动系统振动参数的调节。

本发明工作时，超声波发生器输出的超声频电振荡信号经过超声换能器转换成超声频机械振动，超声换能器辐射面所产生的超声振幅经过变幅杆的聚能和放大作用，在变幅杆的小端能够输出振幅放大的机械振动，超声变幅杆将超声振动的振幅放大并传递给振动块，振动块的固有频率近似等于超声频率，振动块的振型为纵振模态，振动块在超声机械振动的激励作用下带动工件发生超声谐振，工作时，待加工工件固定在上振动块的末端，本发明通过将超声振动分别施加在相互垂直的振动块上，利用振动块的位移耦合实现待加工工件的三维椭圆振动加工。此外，本发明同样可以应用到一维、二维超声振动加工中。考虑到超声振幅经换能器转换和变幅杆放大作用之后，超声振动系统输出的实际振动振幅发生了明显变化，本发明使用激光位移传感器在线测量超声振动的振幅和频率，能够实时检测和记录超声振动系统的振动特性，便于对超声振动系统振动参数的调节。

为了便于清楚的描述本发明一维、二维和三维超声振动辅助加工应用实例，定义o-xyz直角坐标系，其中定义x方向为刀具的进给方向，定义y方向为刀具的侧吃刀量方向，定义z方向为平行于刀具轴线方向。因此，沿进给方向、侧吃刀量方向和竖直方向超声振子的输出的振动位移可以分别表示为，

式中，a1，a2和a3分别表示进给方向、侧吃刀量方向和竖直方向超声振子输出位移的振幅，f表示超声发生器输出超声信号的额定振动频率，和分别表示进给方向、侧吃刀量方向和竖直方向超声振子输出位移的初相位，t表示超声振动系统的工作时间。

根据实际加工要求，利用所述的一种激光辅助在线测量三维椭圆超声振动辅助微细加工平台可以产生多种超声振动轨迹，提供多种超声加工技术实施方案。

一维超声振动辅助加工技术方案：

当只有单个方向的超声振子处于工作状态时，即其余两个超声振子处于非工作状态，此时，本发明能够实现一维超声振动辅助加工，超声振子输出的运动轨迹如图7所示。此时，超声振子的输出位移方程可以表示为：

式中，d可以取为dx，dy或dz；a可以取为a1，a2或a3；可以取为或

平面椭圆超声振动辅助加工技术方案：

当同时有两个方向的超声振子处于工作状态时，即只有一个超声振子处于非工作状态，此时，本发明能够实现平面椭圆超声振动辅助加工，两个超声振子输出的运动轨迹如图8所示。

假设水平面内x和y方向的超声振子处于工作状态，z方向的超声振子处于非工作状态，则两个相互垂直同频率简谐振动的位移方程可以表示为：

将两式联立，消去t,可得

再将上面两式平方后相加即可得

根据以上分析可知，当超声振动信号的相位差为π的整数倍时，超声振动的耦合运动为直线；当超声振动信号的相位差为π/2的奇数倍时，超声振动的耦合运动为规则的椭圆；当超声振动信号的相位差其他值时，超声振动的耦合运动为斜椭圆。

空间椭圆超声振动辅助加工技术方案：

当三个方向的超声振子同时处于工作状态时，此时，本发明能够实现空间椭圆超声振动辅助加工，三个超声振子输出的运动轨迹如图9所示。

假设水平面内x，y和z方向的超声振子处于工作状态，则空间中三个相互垂直同频率简谐振动的位移方程可以表示为：

根据上述方法，同理可得，

当时，则

调整与的相位差，得具有不同姿态的三维空间超声振动椭圆运动轨迹如图9所示。