本實用新型屬于超聲振動加工
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及超聲扭轉(zhuǎn)振動測量裝置及其測量方法。
背景技術(shù)：
：超聲扭轉(zhuǎn)振動加工中扭轉(zhuǎn)角度及扭轉(zhuǎn)振幅的大小，作為超聲振動加工的關(guān)鍵參數(shù)，由于扭轉(zhuǎn)振動的角度較小，且頻率過高等特點，其相關(guān)數(shù)據(jù)的測量等更為困難。迄今一直未有一個針對超聲扭轉(zhuǎn)振動較為完整的測量及評價方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：本實用新型為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種超聲扭轉(zhuǎn)振動測量裝置。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案：超聲扭轉(zhuǎn)振動測量裝置，包括超聲電源、變幅桿、計算機、顯示器、第一支架、第二支架和第三支架，第一支架上設(shè)置有換能器，換能器的上端通過雙頭螺栓與變幅桿的下端連接，變幅桿的上端連接有標準刀桿；第二支架上設(shè)置有激光位移傳感器云臺，激光位移傳感器云臺上設(shè)置有激光位移傳感器，激光位移傳感器通過第一電纜與計算機連接，第三支架上設(shè)置有高清攝像頭，高清攝像頭通過第二電纜與顯示器連接；超聲電源通過電源線與換能器連接；標準刀桿、變幅桿和換能器的中心線重合且該中心線沿垂直方向設(shè)置，標準刀桿的作業(yè)端朝上設(shè)置，標準刀桿上端部采用線切割工藝沿徑向方向切割為平面結(jié)構(gòu)，激光位移傳感器和高清攝像頭的測量端均朝向標準刀桿的平面結(jié)構(gòu)。換能器包括換能器本體，換能器本體上自上而下依次設(shè)置有四層壓電陶瓷片，換能器本體下端通過預(yù)緊螺栓壓緊四層壓電陶瓷片，壓電陶瓷片外側(cè)連接有電極片，電極片與所述的電源線連接，換能器本體上側(cè)部開設(shè)有下扳手卡槽；變幅桿包括自下而上依次設(shè)置的下圓柱段、中圓錐段和上圓柱段，下圓柱段的外徑等于中圓錐段下端的外徑，中圓錐段上端的外徑等于上圓柱段的外徑，中圓錐段呈下粗上細的結(jié)構(gòu)，下圓柱段側(cè)部開設(shè)有上扳手卡槽，中圓錐段沿圓周方向均勻開設(shè)四個可使縱振轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動的螺旋槽，每個螺旋槽均沿軸向呈螺旋布置。中圓錐段和上圓柱段由上端向下沿軸線開設(shè)有圓柱槽，圓柱槽內(nèi)注入有配重液體，圓柱槽內(nèi)設(shè)置有封堵并密封配重液體的橡膠塞和密封圈；圓柱槽的下端口處為喇叭口結(jié)構(gòu)，標準刀桿下端通過彈性夾頭裝配在喇叭口結(jié)構(gòu)內(nèi)，上圓柱段上端螺紋連接有套在標準刀桿外的壓緊螺母。超聲扭轉(zhuǎn)振動測量裝置的測量方法，包括以下步驟，（1）、標準刀桿采用高速鋼立銑刀，先對標準刀桿進行線切割加工，使用線切割裝置對標準刀桿的作業(yè)端沿徑向方向進行切割，在標準刀桿徑向方向形成一個平面，多切割后的平面進行打磨；將刀桿的端面打磨成所述的平面結(jié)構(gòu)；然后標準刀桿的下端通過ER彈性夾頭夾裝后插入到喇叭口結(jié)構(gòu)內(nèi)，使用壓緊螺母螺紋連接到上圓柱段上端對ER彈性夾頭進行定位；（2）、借助高清攝像頭對標準刀桿上端平面結(jié)構(gòu)的一條半徑等分，即劃分多個測定點：通過顯示器觀察，將激光位移傳感器的激光束集中在標準刀桿的軸線部位，量取每個測定點位置處的刀桿半徑，等分后操控激光位移傳感器云臺將激光位移傳感器發(fā)射的激光束分別定位在這幾個測定點上，分別對每個測定點進行測量；（3）、為保證測定數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，且超聲振動產(chǎn)生的熱量會使超聲振子產(chǎn)生損耗，本測量裝置啟動10分鐘，穩(wěn)定后進行振幅測定：每隔五分鐘進行一次測量，測量3次，連續(xù)測定多個測定點的振幅，將3次測定的振幅平均；（4）、扭轉(zhuǎn)幅度的計算：最外側(cè)的測定點位于標準刀桿半徑的邊緣處，標準刀桿扭轉(zhuǎn)振動時，激光位移傳感器發(fā)射的激光有段時間沒有集中在銑刀上，傳感器接收不到反射引號，造成振幅測量的波動較大，故利用其他測定點的數(shù)據(jù)，以測定點與刀桿軸線的距離作為橫坐標，以該測定點的扭轉(zhuǎn)振幅大小為縱坐標，擬合超聲扭轉(zhuǎn)振動幅度函數(shù)曲線，由該函數(shù)曲線計算刀桿上任意一點的扭轉(zhuǎn)角度及扭轉(zhuǎn)振幅；（5）、采用以下公式計算測定點計算扭轉(zhuǎn)角度：∠A是該超聲扭轉(zhuǎn)振動的扭轉(zhuǎn)角，f為測定點的扭轉(zhuǎn)振動的振幅，d是測定點距離刀桿軸線的距離；扭轉(zhuǎn)幅度函數(shù)曲線的斜率K可近似看作扭轉(zhuǎn)振動的扭轉(zhuǎn)角A的正切值，在標準刀桿最外側(cè)的測定點的振幅出現(xiàn)了偏差，故在該測定點的扭轉(zhuǎn)振幅可近似通過擬合的函數(shù)曲線進行計算。在步驟（1）中選擇標準刀桿時，在圓柱槽里注入不同密度的配重液體，利用橡膠塞和密封圈密封防漏。由于變幅桿夾裝不同材料、直徑的標準刀桿以及標準刀桿的伸出長度都會影響測量裝置的諧振頻率；因此在夾裝不同的標準刀桿時，變幅桿的質(zhì)量發(fā)生改變，通過調(diào)整橡膠塞和密封圈的位置來改變圓柱槽內(nèi)配重液體體積，或者更換配重液體的種類，以改變縱-扭復(fù)合超聲振子的質(zhì)量，以補償夾裝不同標準刀桿時的頻率的損失或者增加，從而實現(xiàn)夾裝不同標準刀桿時，超聲裝置的諧振頻率、振動模態(tài)及振形的一致性，大大提高了測量數(shù)據(jù)的精準度。采用上述技術(shù)方案，本實用新型具有以下技術(shù)效果：1、螺旋槽的設(shè)置可使變幅桿的扭轉(zhuǎn)分量增大，圓柱槽在面積系數(shù)不變的情況下，增大了變幅桿放大系數(shù)，增強了縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動效果，更有利于縱-扭復(fù)合超聲振動的應(yīng)用。通過注入或者抽取圓柱槽內(nèi)的配重液體，改變超聲縱-扭復(fù)合振子的質(zhì)量，使振子諧振頻率發(fā)生變化。由于改變是配重液體的體積，振子的質(zhì)量和諧振頻率在一個范圍內(nèi)可進行“無極調(diào)整”，結(jié)合ANSYS有限元仿結(jié)果，可實現(xiàn)對超聲裝置的振動模態(tài)及振形的精確地可控化。2、通過上述方法，由于標準刀桿每點的扭轉(zhuǎn)角度一致，可使用擬合正弦曲線的斜率，即“扭轉(zhuǎn)角度正切值”，將其定義為“超聲扭轉(zhuǎn)幅度”，作為扭轉(zhuǎn)振動的評價標準；通過擬合扭轉(zhuǎn)幅度（角度）函數(shù)曲線，可簡單計算刀桿上每點的扭轉(zhuǎn)振動的振幅，可實現(xiàn)對銑刀或者鉆頭等工具刀某個參與切削刃的扭轉(zhuǎn)振動振幅的量化。通過超聲振動裝置的扭轉(zhuǎn)幅度，也可計算小直徑刀具切削刃或某點的扭轉(zhuǎn)振動振幅。附圖說明圖1是本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中換能器和變幅桿的軸向剖視圖；圖3是本實用新型中對標準刀桿超聲扭轉(zhuǎn)振動測量的原理圖；圖4是測定點扭轉(zhuǎn)振幅及超聲扭轉(zhuǎn)振動幅度函數(shù)曲線圖。具體實施方式如圖1和圖2所示，本實用新型的超聲扭轉(zhuǎn)振動測量裝置，包括超聲電源1、變幅桿2、計算機3、顯示器4、第一支架5、第二支架6和第三支架7，第一支架5上設(shè)置有換能器8，換能器8的上端通過雙頭螺栓9與變幅桿2的下端連接，變幅桿2的上端連接有標準刀桿10；第二支架6上設(shè)置有激光位移傳感器云臺11，激光位移傳感器云臺11上設(shè)置有激光位移傳感器12，激光位移傳感器12通過第一電纜13與計算機3連接，第三支架7上設(shè)置有高清攝像頭14，高清攝像頭14通過第二電纜15與顯示器4連接；超聲電源1通過電源線16與換能器8連接；標準刀桿10、變幅桿2和換能器8的中心線重合且該中心線沿垂直方向設(shè)置，標準刀桿10的作業(yè)端朝上設(shè)置，標準刀桿10上端部采用線切割工藝沿徑向方向切割為平面結(jié)構(gòu)，激光位移傳感器12和高清攝像頭14的測量端均朝向標準刀桿10的平面結(jié)構(gòu)。換能器8包括換能器本體17，換能器本體17上自上而下依次設(shè)置有四層壓電陶瓷片18，換能器本體17下端通過預(yù)緊螺栓19壓緊四層壓電陶瓷片18，壓電陶瓷片18外側(cè)連接有電極片20，電極片20與所述的電源線16連接，換能器本體17上側(cè)部開設(shè)有下扳手卡槽21；變幅桿2包括自下而上依次設(shè)置的下圓柱段22、中圓錐段23和上圓柱段24，下圓柱段22的外徑等于中圓錐段23下端的外徑，中圓錐段23上端的外徑等于上圓柱段24的外徑，中圓錐段23呈下粗上細的結(jié)構(gòu)，下圓柱段22側(cè)部開設(shè)有上扳手卡槽25，中圓錐段23沿圓周方向均勻開設(shè)四個可使縱振轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)復(fù)合振動的螺旋槽26，每個螺旋槽26均沿軸向呈螺旋布置。中圓錐段23和上圓柱段24由上端向下沿軸線開設(shè)有圓柱槽27，圓柱槽27內(nèi)注入有配重液體28，圓柱槽27內(nèi)設(shè)置有封堵并密封配重液體28的橡膠塞29和密封圈30；圓柱槽27的下端口處為喇叭口結(jié)構(gòu)31，標準刀桿10下端通過彈性夾頭裝配在喇叭口結(jié)構(gòu)31內(nèi)，上圓柱段24上端螺紋連接有套在標準刀桿10外的壓緊螺母32。超聲扭轉(zhuǎn)振動測量裝置的測量方法，包括以下步驟，（1）、標準刀桿10采用高速鋼立銑刀，高速鋼立銑刀直徑為6mm，先對標準刀桿10進行線切割加工，使用線切割裝置對標準刀桿10的作業(yè)端沿徑向方向進行切割，在標準刀桿10徑向方向形成一個平面，多切割后的平面進行打磨；將刀桿的端面打磨成所述的平面結(jié)構(gòu)；然后標準刀桿10的下端通過ER彈性夾頭夾裝后插入到喇叭口結(jié)構(gòu)31內(nèi)，使用壓緊螺母32螺紋連接到上圓柱段24上端對ER彈性夾頭進行定位；（2）、借助高清攝像頭14對標準刀桿10上端平面結(jié)構(gòu)的一條半徑等分，即劃分多個測定點：通過顯示器4觀察，將激光位移傳感器12的激光束集中在標準刀桿10的軸線部位，量取劃點位置的刀桿半徑為2100um，計算后將劃點所在的半徑長度進行7等分，既是分成8個測定點，分別按照1－8進行編號，如圖3所示，等分后操控激光位移傳感器云臺11將激光位移傳感器12發(fā)射的激光束分別定位在這幾個測定點上，分別對每個測定點進行測量；（3）、為保證測定數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，且超聲振動產(chǎn)生的熱量會使超聲振子產(chǎn)生損耗，本測量裝置啟動10分鐘，穩(wěn)定后進行振幅測定：每隔五分鐘進行一次測量，測量3次，連續(xù)測定多個測定點的振幅，將3次測定的振幅平均；（4）、扭轉(zhuǎn)幅度的計算：最外側(cè)的測定點位于標準刀桿10半徑的邊緣處，標準刀桿10扭轉(zhuǎn)振動時，激光位移傳感器12發(fā)射的激光有段時間沒有集中在銑刀上，傳感器接收不到反射引號，造成振幅測量的波動較大，故利用其他測定點的數(shù)據(jù)，以測定點與刀桿軸線的距離作為橫坐標，以該測定點的扭轉(zhuǎn)振幅大小為縱坐標，擬合超聲扭轉(zhuǎn)振動幅度函數(shù)曲線，如圖4所示，由該函數(shù)曲線計算刀桿上任意一點的扭轉(zhuǎn)角度及扭轉(zhuǎn)振幅；（5）、采用以下公式計算測定點計算扭轉(zhuǎn)角度：∠A是該超聲扭轉(zhuǎn)振動的扭轉(zhuǎn)角，f為測定點的扭轉(zhuǎn)振動的振幅，d是測定點距離刀桿軸線的距離；測定點扭轉(zhuǎn)角度正切值計算結(jié)果如表1所示：表1測定點計算扭轉(zhuǎn)角度結(jié)果測定點234567距刀桿軸線距離um300600900120015001800扭轉(zhuǎn)角度正切值0.00510.00520.00480.00420.00430.0046由表1可知，扭轉(zhuǎn)幅度函數(shù)曲線的斜率K可近似看作扭轉(zhuǎn)振動的扭轉(zhuǎn)角A的正切值，前文中已經(jīng)提到，在刀桿8點測定的振幅出現(xiàn)了偏差，故在8點的扭轉(zhuǎn)振幅可近似通過圖4擬合的曲線進行計算：另外，在步驟（1）中選擇標準刀桿10時，在圓柱槽27里注入不同密度的配重液體28，利用橡膠塞29和密封圈30密封防漏。由于變幅桿2夾裝不同材料、直徑的標準刀桿10以及標準刀桿10的伸出長度都會影響測量裝置的諧振頻率；因此在夾裝不同的標準刀桿10時，變幅桿2的質(zhì)量發(fā)生改變，通過調(diào)整橡膠塞29和密封圈30的位置來改變圓柱槽27內(nèi)配重液體28體積，或者更換配重液體28的種類，以改變縱-扭復(fù)合超聲振子的質(zhì)量，以補償夾裝不同標準刀桿10時的頻率的損失或者增加，從而實現(xiàn)夾裝不同標準刀桿10時，超聲裝置的諧振頻率、振動模態(tài)及振形的一致性，大大提高了測量數(shù)據(jù)的精準度。本實施例并非對本實用新型的形狀、材料、結(jié)構(gòu)等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本實用新型技術(shù)方案的保護范圍。當前第1頁1 2 3