一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法及装置

1.本发明涉及超声振幅检测技术领域，尤其涉及一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法及装置。


背景技术：

2.超声加工是通过在加工刀具上施加超声频振动，将其产生的小振幅经过变幅杆放大，通过刀具不断对加工表面进行锤击作用，使得工件表面逐步破碎的特种加工工艺。超声加工在难加工材料领域解决了许多关键性的问题，它可以大幅提高工件表面质量，减少表面损伤，在复合材料加工领域具有重要地位。在材料超声加工过程中，超声振幅大小是一个关键性因素，在超声波设备和加工对象确定的情况下频率和负载特性就保持不变，此时超声振幅直接反映了超声输出功率的高低。而且超声振幅在材料加工表面质量、材料去除效率等方面也具有重要的影响，因此在超声加工中测量超声振幅的大小具有十分重要的意义。
3.当下超声振幅测量方法大致分为机械式测量方法、电测法、光测法三种。机械式测量方法是通过杠杆放大原理，或者惯性原理与杠杆放大原理相结合的方法进行振幅大小的测量。电测法是一种通过将物体的位移、速度、加速度等物理量转换为电信号，再将其放大测量并记录的方法。光测法是将物体的振动参量通过特定的方法或设备转化为可接收测量的光信号，通过光学系统放大后加以测量和记录的方法。
4.机械式测量方法简单易操作，一般需要特定的结构装置，但是容易存在结构惯性大，工作频率不易控制的问题。而且机件之间存在加工间隙，工作时可能引起碰撞测量精度不高。电测法测量精度准确，灵敏度较高，但是容易受到电磁场的干扰，这会影响其测量的准确性。光测法是一种非接触测量方法，精度高且不易受电磁场等外界干扰，因此在当下应用较为广泛。当下有一些测量装置在测量超声振幅时会改变其原有的阻抗值，这在一定程度上影响了真实振幅的大小和测量精度。倘若直接在刀具上测量，由于刀具形状的不规则以及测量表面不平整，会使得测量时有较大的误差。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法及装置，用以解决现有的超声振幅测量技术存在测量精度差的问题。
6.本发明提供一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法，包括：
7.通过超声加工装置驱动加工刀具进行超声振动；
8.获取所述加工刀具的底面所受的纵向压力的平均值和侧面所受的横向压力的平均值；
9.通过超声加工装置驱动等阻抗测量头进行超声振动；
10.在所述等阻抗测量头的底面施加与所述加工刀具相同的纵向压力，并在所述等阻抗测量头的侧面施加与所述加工刀具相同的横向压力；
11.分别测量所述等阻抗测量头的底面和侧面的超声振幅。
12.根据本发明提供的一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法，所述获取所述加工刀具的底面所受的纵向压力的平均值和侧面所受的横向压力的平均值包括：
13.获取所述加工刀具的底面所受的纵向压力值和侧面所受的横向压力值；
14.根据纵向压力值计算所述加工刀具的底面所受的纵向压力的平均值，根据横向压力值计算所述加工刀具的侧面所受的横向压力的平均值。
15.根据本发明提供的一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法，所述等阻抗测量头的底面和侧面均为平面。
16.本发明还提供一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置，包括：
17.机床主轴；
18.超声加工装置，设置于所述机床主轴的下方，所述超声加工装置与所述机床主轴连接，所述超声加工装置的下端设置有适于夹持加工刀具或等阻抗测量头的压紧螺母；
19.多自由度工作台，设置于所述超声加工装置的下方，所述多自由度工作台上设置有第一压力计、第一激光测振仪、第二激光测振仪和第二压力计，所述第一激光测振仪和所述第二压力计分别位于所述加工刀具或所述等阻抗测量头的两侧，所述第一压力计和所述第二激光测振仪位于所述加工刀具或所述等阻抗测量头的下方。
20.根据本发明提供的一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置，所述多自由度工作台包括：
21.基台；
22.升降机构，设置于所述基台的上部，所述第一压力计和所述第一激光测振仪设置于所述升降机构的上部；
23.水平位移机构，设置于所述基台的上部，所述第二激光测振仪设置于所述水平位移机构的上部，所述水平位移机构适于驱动所述第二激光测振仪在水平面内移动；
24.横向位移机构，设置于所述升降机构的上部，所述第二压力计设置于所述横向位移机构的上部，所述横向位移机构适于驱动所述第二压力计沿横向运动。
25.根据本发明提供的一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置，所述升降机构包括第一丝杆组件和升降平台，所述第一丝杆组件竖直设置于所述基台的上部，所述升降平台与所述第一丝杆组件的丝杆螺母连接，所述第一压力计和所述第一激光测振仪分别设置于所述升降平台。
26.根据本发明提供的一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置，所述升降平台的上部设置有固定平台，所述第一激光测振仪设置于所述固定平台。
27.根据本发明提供的一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置，所述升降平台上设置有通孔，所述通孔的位置与所述第二激光测振仪的位置对应。
28.根据本发明提供的一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置，所述横向位移机构包括第二丝杆组件和横向移动平台，所述第二丝杆组件沿着横向设置于所述升降机构的上部，所述横向移动平台与所述第二丝杆组件的丝杆螺母连接，所述第二压力计设置于所述横向移动平台。
29.根据本发明提供的一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置，所述水平位移机构包括第三丝杆组件、第四丝杆组件和水平移动平台，所述第三丝杆组件水平设置于所
述基台的上部，所述第四丝杆组件水平且交叉设置于所述第三丝杆组件的上方，所述第四丝杆组件与所述第三丝杆组件的丝杆螺母连接，所述水平移动平台设置于所述第四丝杆组件的上方，所述水平移动平台的底部与所述第四丝杆组件的丝杆螺母连接，所述第二激光测振仪设置于所述水平移动平台的上部。
30.本发明提供的基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法，可以实现对多种模态超声振动的振幅测量，在超声振幅测量过程中，可以保证等阻抗测量头在受到与加工刀具相同的压力时具有与加工刀具相同的阻抗值，这样在测量超声振幅时能最大程度还原加工刀具在超声振动过程中超声振幅的大小变化，实现对超声振幅的精准测量，同时该测量方法适用于多种刀具和多种超声振动模态。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明提供的基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法的流程示意图；
33.图2是本发明提供的基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置的结构示意图；
34.图3是本发明提供的等阻抗测量头的结构示意图。
35.附图标记：
36.1、机床主轴；2、超声电源；3、压紧螺母；4、加工刀具；5、第二压力计；6、横向移动平台；7、升降平台；8、等阻抗测量头；9、第一丝杆组件；10、基台；11、水平移动平台；12、第二激光测振仪；13、通孔；14、第一压力计；16、固定平台；17、第一激光测振仪；18、超声加工装置。
具体实施方式
37.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
38.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
39.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
40.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或
仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
41.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
42.下面结合图1
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图2描述本发明的基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法及装置。
43.如图1所示，基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法，包括：
44.步骤100，通过超声加工装置18驱动加工刀具4进行超声振动；
45.在超声振幅测量时，首先将加工刀具4安装在超声加工装置18，超声加工装置18驱动加工刀具4进行多模态超声振动，并对材料进行加工。
46.步骤110，获取加工刀具4的底面所受的纵向压力的平均值和侧面所受的横向压力的平均值；
47.在一些实施例中获取加工刀具4的底面所受的纵向压力的平均值和侧面所受的横向压力的平均值包括：
48.步骤111，获取加工刀具4的底面所受的纵向压力值和侧面所受的横向压力值；
49.在材料加工过程中，通过第一压力计14实时测量加工刀具4的底面所受的纵向压力值，通过第二压力计5实时测量加工刀具4的侧面所受的横向压力值。
50.步骤112，根据纵向压力值计算加工刀具4的底面所受的纵向压力的平均值，根据横向压力值计算加工刀具4的侧面所受的横向压力的平均值。
51.材料加工结束后，根据纵向压力值计算加工刀具4底面所受的纵向压力的平均值，将计算得到的纵向压力的平均值作为第一压力计14的测量结果进行输出。根据横向压力值计算加工刀具4侧面所受的横向压力的平均值，将计算得到的横向压力的平均值作为第二压力计5的测量结果进行输出。
52.步骤120，通过超声加工装置18驱动等阻抗测量头8进行超声振动；
53.在超声加工装置18驱动等阻抗测量头8进行超声振动过程中，超声加工装置18的振动模态需要与超声加工装置18驱动加工刀具4进行超声振动模态相同，这样可以提高对超声振幅测量的精准性。
54.步骤130，在等阻抗测量头8的底面施加与加工刀具4相同的纵向压力，并在等阻抗测量头8的侧面施加与加工刀具4相同的横向压力；
55.由于等阻抗测量头8在受到与加工刀具4相同压力时等阻抗测量头8振动阻抗相等，因此在等阻抗测量头8的底面和侧面施加与加工刀具4所受的相同压力后，等阻抗测量头8的振幅变化与加工刀具4大致相同，该方法可以最大程度还原加工刀具4在超声振动过程中超声振幅的大小变化，实现对超声振幅的精准测量。
56.步骤140，分别测量等阻抗测量头8的底面和侧面的超声振幅。
57.在等阻抗测量头8施加与加工刀具4相同的压力后，通过第一激光测振仪17测量等阻抗测量头8在横向上的超声振幅，通过第二激光测振仪12测量等阻抗测量头8在纵向上的超声振幅。
58.本发明提供的基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量方法，可以实现对多种模态超声振动的振幅测量，在超声振幅测量过程中，可以保证等阻抗测量头8在受到与加工刀具4相同的压力时具有与加工刀具4相同的阻抗值，这样在测量超声振幅时能最大程度还原加工刀具4在超声振动过程中超声振幅的大小变化，实现对超声振幅的精准测量，同时该测量方法适用于多种刀具和多种超声振动模态。
59.根据本发明的实施例，如图3所示，等阻抗测量头8的底面和侧面均为平面，将等阻抗测量头8的底面和侧面均设置为平面，目的方便对等阻抗测量头8进行超声振幅测量。因为加工刀具4侧面和底面形状可能存在不规则性，倘若直接用激光测振仪照射在加工刀具4表面进行超声振幅测量，则可能存在较大的误差，使得测量准确度和精准性下降。
60.如图2所示，本发明还提供一种基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置，基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置包括机床主轴1、超声加工装置18和多自由度工作台。超声加工装置18设置于机床主轴1的下方，超声加工装置18与机床主轴1连接，超声加工装置18的下端设置有适于夹持加工刀具4或等阻抗测量头8的压紧螺母3。多自由度工作台设置于超声加工装置18的下方，多自由度工作台上设置有第一压力计14、第一激光测振仪17、第二激光测振仪12和第二压力计5，第一激光测振仪17和第二压力计5分别位于加工刀具4或等阻抗测量头8的两侧，第一压力计14和第二激光测振仪12分别位于加工刀具4或等阻抗测量头8的下方。
61.这里需要说明的是，超声加工装置18可以进行多种模态超声振动，机床主轴1的轴线与超声加工装置18轴线为同一直线，机床主轴1与超声加工装置18的内部通过拉钉固定连接。超声加工装置18的非接触式电能传输装置通过导线与超声电源2连接，通过超声电源2对其供电。本发明中的纵向指的是竖直方向，也就是图1中z轴方向，横向指的是图中的x轴方向，水平面指的是xy面。
62.根据本发明的实施例，多自由度工作台包括基台10、升降机构、水平位移机构和横向位移机构，升降机构设置于基台10的上部，第一压力计14和第一激光测振仪17设置于升降机构的上部。水平位移机构设置于基台10的上部，第二激光测振仪12设置于水平位移机构的上部，水平位移机构适于驱动第二激光测振仪12在水平面内移动，即水平位移机构适于驱动第二激光测振仪12在xy面内移动。横向位移机构设置于升降机构的上部，第二压力计5设置于横向位移机构的上部，横向位移机构适于驱动第二压力计5沿横向运动，即横向位移机构适于驱动第二压力计5沿x轴运动。
63.这里需要说明的是，第一激光测振仪17用于测量横向超声振幅，第二激光测振仪12用于测量纵向超声振幅，激光测振仪通过传感器的激光束作为发射光源，将激光照射到等阻抗工具头的表面，对振动物体进行点测、线测等。同时利用光学反射效应将收集的数据经过计算机处理，得到相关振幅参数。第一压力计14和第二压力计5通过压力头的压缩情况可将施加的压力值大小实时显示在显示屏上。
64.根据本发明的实施例，升降机构包括第一丝杆组件9和升降平台7，第一丝杆组件9
竖直设置于基台10的上部，升降平台7与第一丝杆组件9的丝杆螺母连接，第一压力计14和第一激光测振仪17分别设置于升降平台7。使用过程中通过控制第一丝杆组件9的电机转动，第一丝杆组件9可驱动升降平台7在z轴方向上运动。升降平台7通过在z轴方向的移动来调整第一压力计14施加在等阻抗头底面的压力大小，并通过其自身显示器实时显示压力值。
65.这里需要说明的是，本发明中的所有丝杆组件的结构均相同，丝杆组件均由壳体、电机、丝杆、滑轨和丝杆螺母组成，由于丝杆组件为常用的工业器件，丝杆组件的具体结构在此不再详细介绍。
66.根据本发明的实施例，升降平台7的上部设置有固定平台16，第一激光测振仪17沿着横向设置于固定平台16。固定平台16用于承载第一激光测振仪17，为了方便对第一激光测振仪17的高度和角度进行调节，可使用螺栓或手拧螺栓将固定平台16与升降平台7连接。
67.根据本发明的实施例，升降平台7上设置有通孔13，通孔13的位置与第二激光测振仪12的位置对应。
68.根据本发明的实施例，横向位移机构包括第二丝杆组件和横向移动平台6，第二丝杆组件沿着横向设置于升降机构的上部，横向移动平台6与第二丝杆组件的丝杆螺母通过螺栓连接，横向移动平台6的高度可进行调节，第二压力计5设置于横向移动平台6。当控制第二丝杆组件的电机转动时，第二丝杆组件驱动横向移动平台6沿x轴运动，横向移动平台6可通过在x轴方向的移动来调整第二压力计5施加在等阻抗测量头8侧面的压力大小，并通过其自身显示器实时显示压力值。第二压力计5与第一激光测振仪17分别布置于等阻抗测量头8相对的两侧，第二压力计5的压力头与第一激光测振仪17的传感器激光束的正中心、等阻抗测量头8两侧面的正中心处于同一条轴线上。
69.根据本发明的实施例，水平位移机构包括第三丝杆组件、第四丝杆组件和水平移动平台11，第三丝杆组件沿着x轴水平设置于基台10，第四丝杆组件沿着y轴水平设置于第三丝杆组件的上方，第四丝杆组件与第三丝杆组件交叉且垂直。第四丝杆组件与第三丝杆组件的丝杆螺母连接，水平移动平台11设置于第四丝杆组件的上方，水平移动平台11的底部与第四丝杆组件的丝杆螺母连接，第二激光测振仪12设置于水平移动平台11的上部。工作过程中，通过分别控制第三丝杆组件和第四丝杆组件的电机转动，从而驱动水平移动平台11在xy平面内自由移动。第二激光测振仪12固定在水平移动平台11上，在实际测量超声振幅过程中需要通过调整水平移动平台11，使得第二激光测振仪12的激光束穿过通孔13照射在等阻抗测量工具头的底面，进行纵向超声振幅测量。
70.根据本发明的实施例，如图2所示，基于恒定阻抗的多模态超声振幅测量装置包括机床主轴1、超声加工装置18和多自由度工作台。超声加工装置18设置于机床主轴1的下方，超声加工装置18与机床主轴1连接，超声加工装置18可以进行多种模态超声振动，机床主轴1的轴线与超声加工装置18的轴线为同一直线，机床主轴1与超声加工装置18的内部通过拉钉固定连接。超声加工装置18的非接触式电能传输装置通过导线与超声电源2连接，通过超声电源2对其供电，超声加工装置18的下端设置有适于夹持加工刀具4或等阻抗测量头8的压紧螺母3。
71.多自由度工作台设置于超声加工装置18的下方，多自由度工作台包括基台10、升降机构、水平位移机构和横向位移机构。升降机构设置于基台10的上部，升降机构包括第一
丝杆组件9和升降平台7，第一丝杆组件9竖直设置于基台10的上部，升降平台7与第一丝杆组件9的丝杆螺母连接，第一压力计14竖直设置于升降平台7的上部。升降平台7的上部设置有固定平台16，第一激光测振仪17设置于固定平台16。固定平台16用于承载第一激光测振仪17，为了方便对第一激光测振仪17的高度和角度进行调节，可使用螺栓或手拧螺栓将固定平台16与升降平台7连接。升降平台7上设置有通孔13，通孔13的位置与第二激光测振仪12的位置对应。
72.水平位移机构设置于基台10的上部，水平位移机构包括第三丝杆组件、第四丝杆组件和水平移动平台11，第三丝杆组件沿着x轴水平设置于基台10，第四丝杆组件沿着y轴水平设置于第三丝杆组件的上方，第四丝杆组件与第三丝杆组件交叉且垂直，第四丝杆组件与第三丝杆组件的丝杆螺母连接。水平移动平台11设置于第四丝杆组件的上方，水平移动平台11的底部与第四丝杆组件的丝杆螺母连接，第二激光测振仪12设置于水平移动平台11的上部。
73.横向位移机构设置于升降机构的上部，横向位移机构包括第二丝杆组件和横向移动平台6，第二丝杆组件沿着横向设置于升降机构的上部，横向移动平台6与第二丝杆组件的丝杆螺母通过螺栓连接，横向移动平台6的高度可进行调节，第二压力计5设置于横向移动平台6。第二压力计5与第一激光测振仪17分别布置于等阻抗测量头8相对的两侧，第二压力计5的压力头与第一激光测振仪17的传感器激光束的正中心、等阻抗测量头8两侧面的正中心处于同一条轴线上。
74.在实际超声振幅测量过程中，首先将多自由度移动平台移走，将加工刀具4安装在超声加工装置18上并对材料进行纵振、纵扭、弯振等多模态超声加工，加工过程中通过第一压力计14和第二压力计5分别对加工刀具4的底面受力和侧面受力进行实时测量并记录，在超声加工结束后计算加工刀具4的侧面和底面受力的平均值，侧面和底面受力的平均值作为第一压力计14和第二压力计5的输出值，并作用在等阻抗测量头8上。在第一压力计14和第二压力计5输出压力作用之前，需要通过将多自由度移动平台进行相应调整，使得横向第一激光测振仪17照射在等阻抗测量头8一侧的中心，第二压力计5施加压力在等阻抗测量头8另一侧的中心。第一压力计14施加压力在等阻抗测量头8的底面，第二激光测振仪12照射在等阻抗测量头8的底部。由于等阻抗测量头8在受力时具有与加工刀具4相同的阻抗值，因此在超声振动加工装置进行多模态超声振动加工时，对等阻抗测量头8进行超声振幅测量，可以较为精准的得到实际超声加工过程中的阻抗值。
75.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。