基于电磁感应原理的多用超声工作态振幅测量方法及装置与流程

本发明涉及一种超声振动加工机械领域，特别是涉及一种基于电磁感应原理的多用超声工作态振幅测量方法及装置。

背景技术：

超声辅助加工近年来在加工领域飞速发展，加工效果显著。超声振幅是超声辅助加工过程中的重要参数，直接影响加工效果和加工效率，通多对振幅的测量亦可推测超声电源、换能器和变幅杆的匹配情况，故超声振幅是超声系统设计、实际加工中的重要参数和指标。

当前测量振幅的方法繁多，却只能在仅施加超声激励但没有工作的状态下进行测量，以该状态下的测量值代替工作时的真实动态振幅。在实际加工过程中由于刀柄的装夹、频率漂移、温度变化、主轴高速旋转、机床的振动和施加负载的不同等多种加工因素的影响，使得下测得的振幅与实际工作时的振幅并不相等，而影响加工质量的因素是实际工作时的振幅，即使传统测量方法无误差，也无法保证实际加工时的振幅与测量值相等，故传统测量方法不利于准确表征加工参数。若能摆脱上述干扰因素的影响，在工作状态下测得振幅，将会极大地减小测量误差，进一步准确表征加工质量与加工参数的关系，对超声辅助加工的发展具有重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、采用无线传输、既避免了接触摩擦、也提高了测量精度、还延长了设备使用寿命的基于电磁感应原理的多用超声工作态振幅测量方法及装置。

本发明的技术方案是：

一种基于电磁感应原理的多用超声工作态振幅测量方法，包括以下步骤：

（1）将变幅器的上端安装到刀柄内，在变幅器的下端安装工具头，变幅器的中部环绕有内线圈和外线圈，外线圈通过支架固定，夹紧支臂的水平段夹持被测量的工具头，夹紧支臂的竖直段下端的导体棒位于永磁体中，永磁体、内线圈和刀柄通过保持架固定在一起，使工具头、夹紧支臂、导体棒、永磁铁，内线圈与刀柄一同随主轴同步旋转；

（2）调节保持架位置，使导体棒位于永磁铁均匀磁场处，夹紧支臂的竖直段的两个金属导轨上端不在磁场内，调节外线圈位置，使内线圈、外线圈同轴；

（3）内线圈两端接线口与金属导轨上端由连接线相连，用导线连接外线圈、放大电路、示波器；

（4）接通超声振动系统电源，加工稳定时，测量计算结果：动生电动势e1=blv，永磁铁的磁感应强度b及导体棒长度l一定，电动势e1与超声频率下的振动速度成正比，内外线圈互感e2=ψe1，ψ由内外线圈的相对位置及匝数唯一确定，由示波器输出放大k倍后ke2的电压波形，可知导体棒切割磁感线的速度v的变化规律，取n个周期时间内速度的绝对值进行积分计算，计算平均值为a，即得工具头的振幅为a/2。

所述夹紧支臂包括水平段和竖直段，呈l型，水平段由两条绝缘导轨组成，竖直段为金属导轨，水平段左端通过夹头夹紧工具头，竖直段为两个金属导轨，其下端连接导体棒。

所述保持架与夹紧支臂在主轴高速旋转下，刚度能达到使用要求；所述金属导轨、导体棒、永磁铁外设置有外壳，以防止切削液对测量产生影响，且永磁铁最下端距离工具头工作面足够远。

所述外线圈和内线圈位于同一水平高度且保持同轴设置，以使内线圈产生的磁感线全部通过外线圈，增大无线传输效率。变幅器包括压电陶瓷、换能器和变幅杆，并且，变幅杆设置有上圆柱段、法兰盘、圆锥段和下圆柱段。

一种基于电磁感应原理的多用超声工作态振幅测量装置，包括变幅器，所述变幅器上端安装在刀柄中，所述变幅器的下端安装有工具头，所述变幅器的中部环绕有内线圈和外线圈，所述外线圈通过支架固定，夹紧支臂的水平段夹持被测量的所述工具头，所述夹紧支臂的竖直段下端的导体棒位于永磁体中，所述永磁体、内线圈和刀柄通过保持架固定在一起，使工具头、夹紧支臂、导体棒、永磁铁，内线圈与刀柄一同随主轴同步旋转；内线圈两端接线口与金属导轨上端由连接线相连，用导线连接外线圈、放大电路、示波器；所述工具头发生超声频率振动时，振动速度大，所述导体棒快速切割磁感线产生感应电动势及感应电流，电信号传递至内线圈，所述内线圈和外线圈互感，放大电路将信号放大，由示波器输出电压波形，由电压波形图可知导体棒的速度图像，经积分计算后可得工作状态下工具头的振幅。

所述夹紧支臂包括水平段和竖直段，呈l型，水平段由两条绝缘导轨组成，竖直段为金属导轨，水平段左端通过夹头夹紧工具头，竖直段为两个金属导轨，其下端连接导体棒。

所述保持架与夹紧支臂在主轴高速旋转下，刚度能达到使用要求；所述金属导轨、导体棒、永磁铁外设置有外壳，以防止切削液对测量产生影响，且永磁铁最下端距离工具头工作面足够远。

所述外线圈和内线圈位于同一水平高度且保持同轴设置，以使内线圈产生的磁感线全部通过外线圈，增大无线传输效率。变幅器包括压电陶瓷、换能器和变幅杆，并且，变幅杆设置有上圆柱段、法兰盘、圆锥段和下圆柱段；所述工具头是超声辅助加工中的铣刀、钻头、磨头。

本发明的有益效果是：

1、本发明超声加工频率较高，研究表明，当振动频率为23khz，工具头振幅为10μm，工具头最大振动速度可达1.45m/s，以该速度在磁场中运动，所得电压及电流信号极易测量，微弱的机械振动通过电信号放大，极大地减小了测量误差。

2、本发明关键之处还在于本发明克服了现有测量方法不能测量工作状态下振幅的困难，摆脱了在实际加工过程中由于刀柄的装夹、频率漂移、温度变化、机床的振动和施加负载的不同等多种加工因素对振幅测量的影响，由此本发明受测量环境的影响较小。

3、本发明内线圈、永磁铁与刀柄固连，内线圈固定、外线圈旋转，内线圈、外线圈采用无线传输，克服了导体棒随主轴高速旋转难以测量电信号的困难。

4、本发明适用于超声辅助铣削、钻削、磨削等多种加工方式，为超声辅助加工振幅的测量提供了新的统一的方法，易于推广实施，具有良好的经济效益。

附图说明：

图1为基于电磁感应原理的多用超声工作态振幅测量装置的结构示意图；

图2为基于电磁感应原理的多用超声工作态振幅测量装置的原理图；

图3为图1中变幅杆及换能器的结构示意图。

具体实施方式：

实施例：参见图1-图3，图中，1-刀柄，2-变幅器，3-内线圈，4-外线圈，5-支架，6-工具头，7-放大电路，8-示波器，9-保持架，10-水平段绝缘导轨，11-永磁体，12-导线，13-夹紧支臂，14-金属导轨，15-导体棒，16-压电陶瓷，17-换能器，18-变幅杆上圆柱段，19-法兰盘，20-变幅杆圆锥段，21-变幅杆下圆柱段。

基于电磁感应原理的多用超声工作态振幅测量方法，包括以下步骤：

（1）将变幅器2的上端安装到刀柄1内，在变幅器2的下端安装工具头6，变幅器2的中部环绕有内线圈3和外线圈4，外线圈4通过支架5固定，夹紧支臂13的水平段夹持被测量的工具头6，夹紧支臂13的竖直段下端的导体棒15位于永磁体11中，永磁体11、内线圈3和刀柄1通过保持架9固定在一起，使工具头6、夹紧支臂13、导体棒15、永磁铁11，内线圈3与刀柄1一同随主轴同步旋转；

（2）调节保持架9位置，使导体棒15位于永磁铁11均匀磁场处，夹紧支臂13的竖直段的两个金属导轨14上端不在磁场内，调节外线圈4位置，使内线圈3、外线圈4同轴；

（3）内线圈3两端接线口与金属导轨14上端由连接线相连，用导线连接外线圈4、放大电路7、示波器8；

（4）工具头6发生超声频率振动时，振动速度大，导体棒15快速切割磁感线产生感应电动势及感应电流，电信号传递至内线圈3，内线圈3和外线圈4互感，放大电路7将信号放大，由示波器8输出电压波形，由电压波形图可知导体棒的速度图像，经积分计算后可得工作状态下工具头6的振幅。

接通超声振动系统电源，加工稳定时，测量计算结果：动生电动势e1=blv，永磁铁的磁感应强度b及导体棒长度l一定，电动势e1与超声频率下的振动速度成正比，内外线圈互感e2=ψe1，ψ由内外线圈的相对位置及匝数唯一确定，由示波器输出放大k倍后ke2的电压波形，可知导体棒切割磁感线的速度v的变化规律，取n个周期时间内速度的绝对值进行积分计算，计算平均值为a，即得工具头的振幅为a/2。

夹紧支臂13包括水平段和竖直段，呈l型，水平段由两条绝缘导轨10组成，竖直段为金属导轨14，水平段左端通过夹头夹紧工具头6，竖直段为两个金属导轨14，其下端连接导体棒15。

保持架9与夹紧支臂13在主轴高速旋转下，刚度能达到使用要求；金属导轨14、导体棒15、永磁铁11外设置有外壳，以防止切削液对测量产生影响，且永磁铁11最下端距离工具头6工作面足够远。

外线圈4和内线圈3位于同一水平高度且保持同轴设置，以使内线圈3产生的磁感线全部通过外线圈4，增大无线传输效率。变幅器包括压电陶瓷16、换能器17和变幅杆，并且，变幅杆设置有上圆柱段18、法兰盘19、圆锥段20和下圆柱段21。

夹紧支臂13、永磁铁11与刀柄1固连，内线圈3、外线圈4采用无线传输，克服了导体棒15随主轴高速旋转难以测量电信号的困难，使工作状态下振幅的测量得以实现。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。