监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料主要力的系统及方法

技术领域

本发明涉及超精密切削加工技术领域，尤其涉及监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料主要力的系统及方法。

背景技术

随着时代的发展和社会的进步，工业发展中的超精密特种加工有着不可替代的作用，而超声加工更是在超精密特种加工过程中占有非常重要的地位。

在超声圆盘刀切削蜂窝复合材料时，刀具的状态直接影响到加工精度、质量、效率等，所以有必要通过一定手段监测加工过程中刀具的实时状态，在目前理论和实验研究中，通过监测切削力这一重要参数来实现对刀具状态的实时监测成为一个主流，国内外学者在此展开了大量研究，切削力的实时变化不仅可以反映加工运行的平稳程度，还可以监测刀具状态，估计工件加工质量，以便及时做出调整。

目前监测切削力的主要手段是通过测力台，随着传感器技术的不断发展，各种各样的传感器被应用到测力台当中，诸如压电式、电阻式、电容式、压电薄膜、声表面波式等，其中应用最为广泛的为压电式传感器，主要是由于其精度较高，静动态性能较好，能够适应各种环境。但是这种方式没有直接反映刀具动态力，成本较高，结构比较复杂，应用不是很广泛，大多局限于实验室使用。

目前，还缺乏一种更快速直接得到超声加工过程中切削力状态的装置和方法，由于超声圆盘刀切削蜂窝复合材料时，X轴力为主要研究的力，所以用一种快速，直接的方法得到X轴力的变化过程对研究进程至关重要，所以需要一种能够监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料过程X轴力的系统及方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料主要力的系统及方法，解决了在超声圆盘刀切削蜂窝复合材料时加工过程中不能直接监测刀具所受动态力，监测手段较为复杂，成本高昂，实用性不足等问题。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料主要力的系统，包括：

模拟超声发生器模块，用于产生超声频信号；

变压器模块，与所述模拟超声发生器模块连接，用于调节超声频信号相对应的谐振频率；

匹配元件模块，与所述变压器模块连接，用于控制变压器调节的谐振频率，得到最终谐振频率；

声学模块，与所述匹配元件模块连接，用于将得到的谐振频率相对应的高频电能转换为刀加工过程中的机械振动，并将机械振动的质点位移或速度放大；

阻抗分析仪模块，与所述声学模块连接，用于测量刀加工过程中的谐振频率，得到谐振频率的具体数值；

计算机模块，与所述阻抗分析仪模块连接，用于分析和处理得到的谐振频率的具体数值，并结合蜂窝复合材料的主要力与谐振频率的关系，得到主要力的数值。

进一步的，所述变压器模块中调节超声频信号相对应的谐振频率是通过调节电压来调节谐振频率的。

进一步的，所述声学模块包括换能器和变幅杆；

换能器，用于将高频电能转换为机械振动；

变幅杆，用于将机械振动的质点位移或速度放大。

进一步的，所述阻抗分析仪模块中得到谐振频率的具体数值具体是通过声学模块中复数电阻随谐振频率的变化得到的。

进一步的，所述计算机模块中蜂窝复合材料的主要力与谐振频率的关系具体为：

当5≤F≤10时，表示为：

当10≤F≤30时，表示为：

其中，F表示主要力。

相应的，还提供监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料主要力的方法，包括：

S1.模拟超声发生器模块产生超声频信号；

S2.变压器模块调节超声频信号相对应的谐振频率；

S3.匹配元件模块控制变压器调节的谐振频率，得到最终谐振频率；

S4.声学模块将得到的谐振频率相对应的高频电能转换为刀加工过程中的机械振动，并将机械振动的质点位移或速度放大；

S5.阻抗分析仪模块测量刀加工过程中的谐振频率，得到谐振频率的具体数值；

S6.计算机模块分析和处理得到的谐振频率的具体数值，并结合蜂窝复合材料的主要力与谐振频率的关系，得到主要力的数值。

进一步的，所述步骤S2中调节超声频信号相对应的谐振频率是通过调节电压来调节谐振频率的。

进一步的，所述步骤S4具体包括：

S41.换能器将高频电能转换为机械振动；

S42.变幅杆将机械振动的质点位移或速度放大。

进一步的，所述步骤S5中得到谐振频率的具体数值具体是通过声学模块中复数电阻随谐振频率的变化得到的。

进一步的，所述步骤S6中蜂窝复合材料的主要力与谐振频率的关系具体为：

当5≤F≤10时，表示为：

当10≤F≤30时，表示为：

其中，F表示主要力。

与现有技术相比，本发明的监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料过程X轴力的系统及方法能够更为快速直接的得到超声圆盘刀切削蜂窝复合材料时X轴的力；本发明解决了以往测力台系统结构复杂，价格高，体积大，安装使用不方便，不能直接测量刀具动态力等问题。本发明具有结构简单紧凑、使用方便简单、成本低、实用性强、能监测超声刀具切削力。

附图说明

图1是实施例一提供的监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料主要力的系统结构图；

图2是实施例二提供的阻抗分析仪测量谐振频率界面图；

图3是实施例二提供的谐振频率与X轴力的关系图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料主要力的系统及方法。

实施例一

本实施例提供监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料主要力的系统，如图1所示，包括：

模拟超声发生器模块11，用于产生超声频信号；

变压器模块12，与模拟超声发生器模块11连接，用于调节超声频信号相对应的谐振频率；

匹配元件模块13，与变压器模块12连接，用于控制变压器调节的谐振频率，得到最终谐振频率；

声学模块14，与匹配元件模块13连接，用于将得到的谐振频率相对应的高频电能转换为刀加工过程中的机械振动，并将机械振动的质点位移或速度放大；

阻抗分析仪模块15，与声学模块14连接，用于测量刀加工过程中的谐振频率，得到谐振频率的具体数值；

计算机模块16，与阻抗分析仪模块15连接，用于分析和处理得到的谐振频率的具体数值，并结合蜂窝复合材料的主要力与谐振频率的关系，得到主要力的数值。

在模拟超声发生器模块11中，产生超声频信号。

超声发生器又称超声波驱动电源、电子箱、超声波控制器，是大功率超声系统的重要组成部分。超声发生器作用是把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，驱动超声波换能器工作。

在变压器模块12中，调节超声频信号相对应的谐振频率。

变压器通过调节电压来调节超声发生器的功率，最终实现谐振频率的调节；且变压器还可以控制声学模块参数。

在匹配元件模块13中，控制变压器调节的谐振频率，得到最终谐振频率。

匹配元件为控制调节元件，通过调节匹配元件上的旋钮，可通过变压器调节电压，最终得到所需要的谐振频率。

在声学模块14中，将得到的谐振频率相对应的高频电能转换为刀加工过程中的机械振动，并将机械振动的质点位移或速度放大。

声学模块包括换能器和变幅杆；

换能器，用于将高频电能转换为机械振动；

变幅杆，用于将机械振动的质点位移或速度放大。

在阻抗分析仪模块15中，测量刀加工过程中的谐振频率，得到谐振频率的具体数值。

阻抗分析仪通过测量声学模块中复数电阻随测试频率的变化，进而得到谐振频率的具体数值。

在计算机模块16中，分析和处理得到的谐振频率的具体数值，并结合蜂窝复合材料的主要力与谐振频率的关系，得到主要力的数值。

计算机通过分析谐振频率变化值，结合主要力与谐振频率的关系，通过计算得到主要力的数值，即得到X轴的力。

主要力与谐振频率为线性关系，具体为：

当5≤F≤10时，表示为：

当10≤F≤30时，表示为：

其中，F表示主要力。

本实施例通过模拟超声发生器模块产生超声频信号，与变压器模块一起完成变阻匹配的功能，再通过匹配元件模块将其与声学模块连接起来，使其阻抗匹配且传递能量效率更高。

本实施例通过阻抗分析仪来测不同加工状态时声学模块的谐振频率，并通过计算机记录并分析阻抗分析仪的数据。

如图2所示为阻抗分析仪测量谐振频率界面图，具体是将阻抗分析仪与声学模块连接，来测不同结构参数的圆盘刀的声学系统的谐振频率并记录。

如图3所示为谐振频率与X轴力的关系图，具体为通过分析谐振频率的数据，结合其与X轴力的关系，得出X轴力得数据。

本实施例的监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料过程X轴力的系统能够更为快速直接的得到超声圆盘刀切削蜂窝复合材料时X轴的力；且解决了以往测力台系统结构复杂，价格高，体积大，安装使用不方便，不能直接测量刀具动态力等问题；本实施例具有结构简单紧凑、使用方便简单、成本低、实用性强、能监测超声刀具切削力。

实施例二

本实施例提供监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料主要力的方法，包括：

S1.模拟超声发生器模块产生超声频信号；

S2.变压器模块调节超声频信号相对应的谐振频率；

S3.匹配元件模块控制变压器调节的谐振频率，得到最终谐振频率；

S4.声学模块将得到的谐振频率相对应的高频电能转换为刀加工过程中的机械振动，并将机械振动的质点位移或速度放大；

S5.阻抗分析仪模块测量刀加工过程中的谐振频率，得到谐振频率的具体数值；

S6.计算机模块分析和处理得到的谐振频率的具体数值，并结合蜂窝复合材料的主要力与谐振频率的关系，得到主要力的数值。

进一步的，所述步骤S2中调节超声频信号相对应的谐振频率是通过调节电压来调节谐振频率的。

进一步的，所述步骤S4具体包括：

S41.换能器将高频电能转换为机械振动；

S42.变幅杆将机械振动的质点位移或速度放大。

进一步的，所述步骤S5中得到谐振频率的具体数值具体是通过声学模块中复数电阻随谐振频率的变化得到的。

进一步的，所述步骤S6中蜂窝复合材料的主要力与谐振频率的关系具体为：

当5≤F≤10时，表示为：

当10≤F≤30时，表示为：

其中，F表示主要力。

需要说明的是，本实施例提供的监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料主要力的方法与实施例一类似，在此不多做赘述。

本实施例的监测超声圆盘刀加工蜂窝复合材料过程X轴力的系统能够更为快速直接的得到超声圆盘刀切削蜂窝复合材料时X轴的力；且解决了以往测力台系统结构复杂，价格高，体积大，安装使用不方便，不能直接测量刀具动态力等问题；本实施例具有结构简单紧凑、使用方便简单、成本低、实用性强、能监测超声刀具切削力。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。