一種振動(dòng)加工用工件微激振裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械加工領(lǐng)域，涉及工件激振，特別是涉及一種具有振動(dòng)和切削參數(shù) 可監(jiān)控的工件微激振裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 振動(dòng)切削是指在切削過程中給刀具或者工件加上一種連續(xù)發(fā)生的可控制的有規(guī) 律振動(dòng)，以此來改變加工機(jī)理的切削方法。隨著科學(xué)和工業(yè)的不斷發(fā)展，振動(dòng)切削技術(shù)以其 減小切削力和功率消耗，提高生產(chǎn)效率，提高加工精度和表面質(zhì)量，減小刀具磨損以及延長 刀具壽命等優(yōu)勢，得到越來越廣泛的研宄與應(yīng)用。因此，研制一種振動(dòng)加工用工件微激振裝 置及方法對(duì)工件加工的高精度化、高效率化和節(jié)能環(huán)保具有非常重要的意義。
[0003]目前，在相關(guān)領(lǐng)域，并沒有簡單實(shí)用的振動(dòng)加工用工件微激振裝置及方法。如華 僑大學(xué)沈劍云等人申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?01410227423. 7 (申請(qǐng)公布號(hào)CN103978560A，申請(qǐng)公布 日2014年08月13日）的一種快換式超聲振動(dòng)輔助鋸切裝置，該裝置包括刀柄連接桿，還 包括內(nèi)套筒、外套筒、超聲波換能器、集流裝置、初級(jí)放大變幅桿、對(duì)稱變幅桿和鋸片。該裝 置通過加入一個(gè)超聲沖擊作用和空化作用，使得在工件材料在切削過程中通過產(chǎn)生微裂紋 而被去除。該裝置適用于多種機(jī)床，解決了傳統(tǒng)鋸切硬脆性材料的切削力大、材料損耗大與 崩邊嚴(yán)重等問題。但是超聲振動(dòng)會(huì)使鋸片發(fā)熱嚴(yán)重，長時(shí)間發(fā)熱會(huì)使加工效率大大降低，不 能長時(shí)間連續(xù)工作。故該裝置并不能使工件加工高效率化，也不簡單實(shí)用。再如專利號(hào)為 CN200610085346. 1(授權(quán)公告號(hào)CN1861274,授權(quán)公告日2006年11月15日）公開了一種用 于振動(dòng)切削的復(fù)合式激振裝置，該裝置由殼體、變頻器、電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、主動(dòng)軸、錐齒輪副、 垂直軸、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、圓柱齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雙偏心機(jī)構(gòu)、隔振單元、彈簧、中心軸、平鍵和法 蘭軸等組成。該裝置通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和雙偏心機(jī)構(gòu)把輸入的一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為具有一 定頻率和振幅的一個(gè)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和一個(gè)軸向振動(dòng)的疊加運(yùn)動(dòng)。根據(jù)加工需要，可以單獨(dú)選 擇扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、軸向振動(dòng)和復(fù)合振動(dòng)。但是該裝置振動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適用范圍小。又如專利號(hào)為 CN201320614623. 9(授權(quán)公告號(hào)CN203587307U，授權(quán)公告日2014年05月07日）公開了 一種振幅連續(xù)可調(diào)的機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)，該機(jī)械式振動(dòng)臺(tái)由底座，絲杠，滑臺(tái)，凸輪，電機(jī)，臺(tái)面， 連桿，拉簧，下支點(diǎn)，杠桿和頂桿組成。該振動(dòng)臺(tái)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)杠桿擺動(dòng)， 杠桿進(jìn)而驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面產(chǎn)生振動(dòng)。該裝置可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)振幅調(diào)節(jié)功能。但該機(jī)械式 振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)功能過于簡單，無法實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、監(jiān)控等功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有振動(dòng)加工激振技術(shù)的不足，提出一種集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)幅、 調(diào)頻和狀態(tài)監(jiān)控為一體的工件激振裝置及方法，采用偏心輪軸激振機(jī)構(gòu)、滾柱導(dǎo)向限位機(jī) 構(gòu)和帶傳動(dòng)增頻機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)〇~2. 5mm振幅、0~300Hz激振頻率可調(diào)，可通過工件微位移振 動(dòng)特性（振幅與頻率）反饋和實(shí)時(shí)切削負(fù)載力反饋，實(shí)時(shí)監(jiān)控、檢測與診斷工件的切削負(fù)載 力和激振特性。
[0005] 本發(fā)明的振動(dòng)加工用工件微激振裝置，包括伺服電機(jī)、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、監(jiān)控系統(tǒng)、夾具 和激振裝置底板；所述的振動(dòng)機(jī)構(gòu)包括滾柱、偏心輪軸、振動(dòng)臺(tái)、滾珠和支撐座；所述的監(jiān) 控系統(tǒng)包括激光位移傳感器、三向力傳感器、前置放大器、電信號(hào)轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)采集卡、工控 機(jī)和驅(qū)動(dòng)器；所述的支撐座固定于激振裝置底板上；所述偏心輪軸的兩端分別通過軸承支 承在支撐座的前、后板上，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心輪軸；所述振動(dòng)臺(tái)底部的偏心槽的兩側(cè)壁與偏 心輪軸的偏心輪相切；n根滾柱均分為兩組設(shè)置在偏心輪軸兩側(cè)，每組的滾柱呈行數(shù)為2的 矩陣排布，其中，n多8,且為偶數(shù)；每根滾柱的兩端分別通過軸承支承在支撐座的前、后板 上；所述振動(dòng)臺(tái)的底部兩側(cè)設(shè)有一體成型且對(duì)稱的兩塊滑動(dòng)塊；每塊滑動(dòng)塊的頂部和底部 與對(duì)應(yīng)一組滾柱形成滾動(dòng)副；振動(dòng)臺(tái)的前、后面位于偏心槽兩側(cè)均開有限位槽組，限位槽組 包括兩個(gè)限位槽；支撐座的前、后板與振動(dòng)臺(tái)的各個(gè)限位槽之間均設(shè)有滾珠。
[0006] 所述的激光位移傳感器檢測工件的微位移；所述的三向力傳感器安裝于振動(dòng)臺(tái) 上，檢測刀具的切削負(fù)載力；所述的夾具固定在三向力傳感器頂部；激光位移傳感器及三 向力傳感器的信號(hào)輸出端口分別與前置放大器的一個(gè)模擬量輸入端口連接；前置放大器將 放大后的信號(hào)傳給電信號(hào)轉(zhuǎn)換板的模擬量輸入端口，電信號(hào)轉(zhuǎn)換板通過外接電纜將信號(hào)傳 輸至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡通過PCI接口傳輸信號(hào)至工控機(jī)；所述的工控機(jī)對(duì)工件的微 位移振動(dòng)頻率及刀具的切削負(fù)載力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并對(duì)輸出量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；經(jīng)工控 機(jī)優(yōu)化后的輸出量通過驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)調(diào)整工件的微位移振動(dòng)頻率。
[0007] 所述伺服電機(jī)固定于電機(jī)安裝座，其輸出軸上固定有主動(dòng)帶輪；電機(jī)安裝座固定 在激振裝置底板上；從動(dòng)帶輪固定在振動(dòng)機(jī)構(gòu)的偏心輪軸上；所述的主動(dòng)帶輪與從動(dòng)帶輪 通過同步帶連接，張緊機(jī)構(gòu)張緊同步帶；所述主動(dòng)帶輪的直徑大于從動(dòng)帶輪的直徑。
[0008] 本發(fā)明的振動(dòng)加工用工件微激振方法，具體步驟如下：
[0009] 步驟一、將工件放置于振動(dòng)臺(tái)上的三向力傳感器頂部，夾具夾緊工件；伺服電機(jī)驅(qū) 動(dòng)偏心輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)；偏心輪軸的偏心輪激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)，從而使工件產(chǎn)生微幅振動(dòng)。
[0010] 步驟二、啟動(dòng)機(jī)床，刀具在工件微幅振動(dòng)下對(duì)工件進(jìn)行振動(dòng)切削。
[0011] 步驟三、工件加工時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)中激光位移傳感器以及三向力傳感器輸出的電信 號(hào)傳輸至前置放大器的模擬量輸入端口，經(jīng)前置放大器放大后的電信號(hào)傳輸至電信號(hào)轉(zhuǎn)換 板的模擬量輸入端口；輸入轉(zhuǎn)換板的模擬信號(hào)通過外接電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集 卡先進(jìn)行通道掃描及增益運(yùn)算處理，來優(yōu)化模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換效率及精度，然后對(duì)模擬信號(hào)進(jìn) 行高速A/D轉(zhuǎn)換，最終通過PCI接口傳輸至工控機(jī)內(nèi)。
[0012] 步驟四、工控機(jī)對(duì)工件的微位移振動(dòng)頻率及刀具的切削負(fù)載力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分 析，并對(duì)輸出量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，經(jīng)工控機(jī)優(yōu)化后的輸出量通過驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn) 而對(duì)工件的振動(dòng)頻率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而優(yōu)化工件的振動(dòng)切削工況。
[0013] 所述的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)工件振動(dòng)切削工況的監(jiān)控及優(yōu)化過程具體如下：設(shè)刀具對(duì)工件 進(jìn)行切削加工時(shí)的切削速度Vf和進(jìn)給速度v。，激光位移傳感器反饋工件的初始振動(dòng)頻率 三向力傳感器反饋刀具對(duì)工件的切削負(fù)載力，切削負(fù)載力包括切削抗力Fx、側(cè)向力Fy和 進(jìn)給抗力Fz;工控機(jī)計(jì)算求解泛函人=￡|Fx |2 + |巧|2 + | _FZ |2冶，T在2〇~3〇s中選 一個(gè)值，若該泛函沒有極值，則工控機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)將工件的 振動(dòng)頻率調(diào)整為fk+1=fk+Af，產(chǎn)生新的切削負(fù)載力，并通過三向力傳感器反饋到工控機(jī)， 再由工控機(jī)在下一個(gè)周期T內(nèi)計(jì)算泛函，其中，k= 0, 1，2. ..，m，m為不超過80的整數(shù)，Af為振動(dòng)頻率調(diào)整的步長，可在5~10HZ中選一個(gè)值；若某個(gè)周期T內(nèi)泛函出現(xiàn)極值，可確定 該周期T內(nèi)在極值點(diǎn)處的振動(dòng)頻率為工件的最優(yōu)振動(dòng)頻率f，繼而工控機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器控制 伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)將工件的振動(dòng)頻率調(diào)整為最優(yōu)振動(dòng)頻率f，刀具在工件保持最優(yōu) 振動(dòng)頻率f?振動(dòng)下對(duì)工件進(jìn)行振動(dòng)切削。
[0014] 本發(fā)明具有的有益效果：
[0015] 1、本發(fā)明集機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)幅、調(diào)頻和狀態(tài)監(jiān)控為一體，可實(shí)現(xiàn)工件微激振加工，實(shí) 現(xiàn)工件加工高效率化，并對(duì)工件微位移振動(dòng)頻率和切削負(fù)載力實(shí)時(shí)監(jiān)控、檢測與診斷。
[0016] 2、本發(fā)明中滾柱限制振動(dòng)臺(tái)沿偏心輪軸的徑向竄動(dòng)，滾珠限制振動(dòng)臺(tái)沿偏心輪軸 的軸向竄動(dòng)，保證工件振動(dòng)加工的高精度要求；
[0017] 3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，方便與多種機(jī)床安裝配合，適用范圍廣，適合于現(xiàn)場環(huán)境 要求；監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高，便于維護(hù)和升級(jí)，響應(yīng)頻率高，精度高。
[0018] 4、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)工件加工的高精度化、高效率化和節(jié)能環(huán)保；各部件生產(chǎn)成本低， 便于推廣。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明中振動(dòng)加工用工件微激振裝置的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
[0020] 圖2為圖1的俯視圖；
[0021] 圖3為本發(fā)明中振動(dòng)加工用工件微激振裝置的結(jié)構(gòu)立體圖；
[0022] 圖4為本發(fā)明中監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)工件振動(dòng)切削工況的監(jiān)控及優(yōu)化過程的算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0024] 如圖1、圖2、圖3所不，一種振動(dòng)加工用工件微激振裝置，包括電機(jī)安裝座1、伺服 電機(jī)2、振動(dòng)機(jī)構(gòu)3、監(jiān)控系統(tǒng)、夾具4、激振裝置底板7、主動(dòng)帶輪13、同步帶14、張緊機(jī)構(gòu)15 和從動(dòng)帶輪16 ;振動(dòng)機(jī)構(gòu)3包括滾柱17、偏心輪軸18、振動(dòng)臺(tái)19、滾珠20、滾柱深溝球軸承 21、支撐座22、偏心輪軸深溝球軸承23、偏心輪軸端蓋24和箱體側(cè)板25 ;監(jiān)控系統(tǒng)包括激 光位移傳感器5、三向力傳感器6、前置放大器8、電信號(hào)轉(zhuǎn)換板9、數(shù)據(jù)米集卡10、工控機(jī)11 和驅(qū)動(dòng)器12。支撐座22通過內(nèi)六角螺栓固定于激振裝置底板7上，兩塊箱體側(cè)板25通過 內(nèi)六角螺栓固定于支撐座22 ;偏心輪軸18的兩端分別通過偏心輪軸深溝球軸承23支承在 支撐座22的前、后板上，偏心輪軸深溝球軸承23通過偏心輪軸端蓋24軸向限位；振動(dòng)臺(tái)19 底部的偏心槽的兩側(cè)壁與偏心輪軸18的偏心輪相切，偏心輪軸18的轉(zhuǎn)動(dòng)使振動(dòng)臺(tái)19發(fā)生 往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生微幅振動(dòng)；八根滾柱17均分為兩組設(shè)置在偏心輪軸18兩側(cè)，每組的四