一种用于数控铣床的变频超声振动加工系统的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种用于数控铣床的变频超声振动加工系统。

背景技术：
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相比传统机械加工手段和加工工艺技术，由于超声波振动辅助切削加工对难加工材料和难加工工件具有的良好加工效能，已被广泛应用于航空航天工业、医疗等行业。在现有的超声振动辅助数控铣削切削加工技术中，在一次装夹、连续加工过程中，超声频率和振幅都不能够改变，无论零件加工表面如何复杂，刀具如何磨损，超声振动加工的频率和振幅都是固定不变的，数控机床的转速和刀具进给量也是不变的。这种情况在切削零件表面平整、刀具磨损不大、切削余量均匀情况下效果较好。但是在加工一些复杂曲面、切削余量不均匀、刀具磨损较快的情况下，由于曲面加工刀具切削角度非周期性变化，导致切削金属层厚度变化，切削力也是随时变化，如果因上述条件导致切削力逐渐增大，而机床转速和刀具进给量不变，此时超声振动的频率和振幅不变，会导致刀具切削区的切削力越来越大，当能量积聚到一定数值，超出超声振动加工的最大设置参数值，那么工件表面加工精度会降低，严重的会使刀具崩刃。现有的改变方法是分段加工，根据不同加工表面来分段加工，每段加工都需根据其加工形状来设置切削参数和超声振幅和频率，费时费事，使加工效率低，工成本高。

技术实现要素：
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本发明的目的在于解决上述现有技术的超声振动加工中存在的问题，提供一种加工效率高、成本低的一种用于数控铣床的变频超声振动加工系统，该变频超声振动加工系统包括：

机架，

转动设于机架上的立式主轴，

驱动立式主轴的主轴伺服电机，

设置在立式主轴下方用于装夹工件并带动工件做进给运动的工作台，

驱动工作台做进给运动的进给伺服电机，

铣刀轴，以及

连接在铣刀轴上的铣刀，

还包括：

与立式主轴连接的连接轴，

固定围绕在连接轴周围的无线传输发射绕组单元，

连接于连接轴并有间隙地处于发射绕组单元下端的无线传输接收绕组单元，

连接在无线传输接收绕组单元下端并具有空心转轴且电源自无线传输接收绕组单元接入经空心转轴内腔引入的刀轴驱动电机，

连接于刀轴驱动电机的转轴且电源自无线传输接收绕组单元接入经刀轴驱动电机空心转轴引入的换能器，

上端连接换能器下端连接所述铣刀轴的变幅杆，

设于工作台的用于感知且传输当前切削力的切削力检测单元，

设于铣刀一侧用于感知且传输当前切削温度的温度传感单元，

用于向无线传输发射绕组单元提供电源的超声驱动电源，以及

接收切削力检测单元和温度传感单元的传感信号并根据设定程式对接收的传感信号进行处理且分别向超声驱动电源和对应伺服电机发出控制信号的处理器。

进一步地，所述处理器包括第一plc控制模块、第二plc控制模块和中央处理器单元，中央处理器单元的输入端接收自切削力检测单元或温度传感单元发出的切削力信号或温度信号，并对切削力信号或温度信号按设定程式进行处理，得到用于控制对应伺服电机输出扭矩和转速的第一数字控制信号和用于控制超声驱动电源电压或电流输出的第二数字控制信号，第一数字控制信号和第二数字控制信号由中央处理器单元对应输出端分别传输给第一plc控制模块和第二plc控制模块的输入端，第一plc控制模块和第二plc控制模块分别对第一控制数字信号和第二数字控制信号进行数模转换，形成对应的第一模拟控制信号和第二模拟控制信号，并由第一plc控制模块和第二plc控制模块的输出端分别输送至对应伺服电机和超声驱动电源。

进一步地，所述设定程式包括：

1）对设定时间内的检测到的切削力或温度变化进行计算，得到对应的切削力变化值⊿f或温度变化值⊿t；

2）设定切削力变化阙值⊿f1或温度变化阙值⊿t1；

3）当⊿f>⊿f1时，分别降低立式主轴当前转速的5%和工作台当前进给量的5%；

当⊿f<⊿f1时，分别提高立式主轴当前转速的5%和工作台当前进给量的5%；或

当⊿t>⊿t1时，分别降低立式主轴当前转速5%和工作台当前进给量5%；

当⊿t<⊿t1时，分别提高立式主轴当前转速的5%和工作台当前进给量的5%。

进一步地，所述工作台的进给运动包括x、y和z三维方向运动，并分别由对应方向的伺服电机驱动。

进一步地，所述机架上固定有轴承座，所述立式主轴转动连接在轴承座内。

进一步地，所述无线传输发射绕组单元至少由第一圆环壳体及容纳在第一圆环壳体内的发射绕组l1、第一电阻r1和第一电容c1组成，发射绕组l1的一端依次串接第一电阻r1和第一电容c1，至少以第一电容c1一端和发射绕组l1另一端构成电源输入端，通过该电源输入端连接超声驱动电源输出端获得所需电源；发射绕组l1的绕接结构与第一圆环壳体内腔结构相适配，发射绕组l1通过第一圆环壳体固定在转动支承立式主轴的轴承座上，且第一圆环壳体围绕在连接轴周围。

进一步地，所述无线传输接收绕组单元至少由第二圆环壳体及容纳在第二圆环壳体内的接收绕组l2、第二电阻r2和第二电容c2组成，接收绕组l2的一端依次串接第二电阻r2和第二电容c2，至少以第二电容c2一端和接收绕组l2另一端构成换能器电源输出端，通过该电源输出端连接换能器的电源输入端，使换能器获得所需电源；并至少以第二电容c2一端和接收绕组l2中间抽出端构成刀轴驱动电机的电源输出端，通过该电源输出端连接刀轴驱动电机的电源输入端，使刀轴驱动电机获得所需电源；接收绕组l2的绕接结构与第二圆环壳体内腔结构相适配，接收绕组l2通过第二圆环壳体固定在连接轴圆周侧面上。

进一步地，所述第二壳体有3mm-5mm间隙地处于第一壳体下端。

进一步地，所述刀轴驱动电机包括电机壳体、定子、转子、导线、碳刷、弹性接触端、绝缘管和引线管，所述电机壳体固定于连接轴上，在电机壳体底端设有径向的引线孔槽，定子固定于电机壳体内，转子转动支承在电机壳体上且处于定子的中心；转子的转子轴为中空结构，绝缘管固定于所述转子轴内，引线管固定于绝缘管内；绝缘管、转子及引线管在对应于所述引线孔槽的径向位置的侧壁上分别设有第一安装孔、引线孔和第二安装孔，所述碳刷通过第一安装孔安装于绝缘管对应于第一安装孔的内壁处，定子的引线端通过引线孔槽绝缘引出并与碳刷电连接，所述弹性接触端通过第二安装孔可弹性伸缩地伸出引线管外并抵触在碳刷上，导线的一端与弹性接触端电连接，另一端经刀轴驱动电机空心转轴引出与无线传输接收绕组单元连接。

进一步地，所述引导管采用绝缘材料制成，引导管侧壁上的第二安装孔为由外至内同轴具有小孔和大孔的台阶孔，所述弹性电接触端包括弹簧、电接触端子和连接螺母，电接触端子和连接螺母均为具有限位凸肩的t形状结构，所述连接螺母穿接第二安装孔中的小孔伸至大孔中，弹簧穿套在处于大孔中的连接螺母上，在连接螺母轴心方向上设有通孔，电接触端子插接于通孔内，并使弹簧的两端分别抵于台阶孔和电接触端子的限位凸肩上，使电接触端子伸出并紧抵在碳刷上。

本发明具有如下有益效果：

1）本发明能够有效避免现有固定频频率声振动铣削加工中因复杂曲面、切削余量不均匀、刀具磨损较快的情况引起工件加工表面精度降低问题。

2）加工过程通过对超声振动频率调节或数控铣床变频器频率调节两种方式，多途径解决复杂曲面、切削余量不均匀零件超声振动辅助数控铣削加工的连续性，提高超声加工效率。

附图说明：

图1为本发明结构图。

图2和图3为本发明的局部放大图。

图4为本发明的电控制原理图。

图5为本发明中的无线传输发射绕组单元和无线传输接收绕组单元电路原理图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1至图5，本发明一种用于数控铣床的变频超声振动加工系统，包括机架11、立式主轴12、主轴伺服电机、工作台31、进给伺服电机、铣刀轴21、铣刀22、连接轴41、无线传输发射绕组单元51、无线传输接收绕组单元61、刀轴驱动电机71、换能器81、变幅杆82、切削力检测单元91、温度传感单元92、超声驱动电源和处理器。

立式主轴12通过固定于机架11的轴承座111转动设于机架11，主轴伺服电机驱动立式主轴12转动，工作台31设置在立式主轴12下方并用于装夹工件且做包括x、y和z三维方向的进给运动，每一方向的进给运动由对应方向的伺服电机驱动。铣刀轴21通过连接轴41与立式主轴12相连，铣刀22连接在铣刀轴21上，无线传输发射绕组单元51固定围绕在连接轴41的周围，无线传输接收绕组单元61连接于连接轴41并有间隙地处于发射绕组单元51下端，刀轴驱动电机71连接在无线传输接收绕组单元61下端。

刀轴驱动电机71具有空心转轴，且刀轴驱动电机71的电源自无线传输接收绕组单元61接入并经空心转轴内腔引入。

换能器81连接于刀轴驱动电机71的转轴，且换能器81的电源自无线传输接收绕组单元61接入经刀轴驱动电机空心转轴引入。

具有超声振动的变幅杆82的上端连接换能器81，下端连接铣刀轴21，用以驱动铣刀相对装夹有工件并做进给运动的工作台31运动而进行切削加工，并具有主轴12的转速与刀轴驱动电机71的转速之和的转速。变幅杆82的振动频率及对应转速和工作台31的进给运动将根据当前切削力或/和加工区域的温度进行实时的调整。如当前切削力大或加工区域的温度高，预示着加工阻力大，往往表示对应的加工面复杂，需降低进给量、主轴转速、振动频率；如当前切削力小或加工区域的温度低，预示着加工阻力小，往往表示对应的加工面简单，可适当增加进给量、主轴转速、振动频率。因此本发明通过切削力检测单元91和温度传感单元92实时感知当前的切削力和温度，以便实时调节转速、走刀量、振动频率，使之与当前的加工状况相适配。

变幅杆82的振动频率的调整是通过调节超声驱动电源的输入电压或电流来实现的，而超声驱动电源用于向无线传输发射绕组单元51提供电源。由于本发明的变幅杆的转速是主轴12的转速与刀轴驱动电机71的转速之和，因此在设定转速下可降低是主轴12的转速，从而降低立式主轴因高速转动而产生的额外振动，使得超声振动电源的调节频率更接近于超声振动加工所需频率和振幅的振动，保证对加工质量的掌控。

本实施例将切削力检测单元91设于工作台31上，工作台31设置在立式主轴12下方，温度传感单元92设于铣刀22一侧。在加工复杂工件曲面、刀具切削余量不均匀、刀具磨损快的工况下，传感单元能通过切削力或温度及时感知，并将检测数值同步传输到处理器。处理器根据接收到的切削力检测单元91、温度传感单元92的传感信号并根据设定程式对接收的传感信号进行处理且分别向超声驱动电源和对应伺服电机（如：主轴伺服电机、驱动工作台做进给运动的进给伺服电机）发出控制信号，使超声驱动电源的输入电压或电流、对应伺服电机转速产生相应的调整。

处理器包括第一plc控制模块（plc1）、第二plc控制模块（plc2）和中央处理器单元，中央处理器单元的输入端接收自切削力检测单元91或温度传感单元92发出的切削力信号或温度信号，并对切削力信号或温度信号按设定程式进行处理，得到用于控制对应伺服电机输出扭矩和转速的第一数字控制信号和用于控制超声驱动电源电压或电流输出的第二数字控制信号。

第一数字控制信号和第二数字控制信号由中央处理器单元对应输出端分别传输给第一plc控制模块和第二plc控制模块的输入端，第一plc控制模块和第二plc控制模块分别对第一控制数字信号和第二数字控制信号进行数模转换，形成对应的第一模拟控制信号和第二模拟控制信号，并由第一plc控制模块和第二plc控制模块的输出端分别输送至对应伺服电机和超声驱动电源。

处理器根据设定程式对接收的数据进行处理，在一项数值达到预定的阙值，处理器向超声驱动电源或对应伺服电机发出调节指令，一方面通过控制超声驱动电源的输入电压或电流进行变幅杆82的振动频率调节，一方面通过控制对应伺服电机的转速进行主轴转速及走刀量的调节。由此，本发明可实现针对复杂曲面、切削余量不均匀零件，超声振动辅助数控铣削加工设备可进行连续较高速的曲面加工，提高了设备加工效率，从而降低生产成本。

如若根据温度传感信号的进行调整，温度传感单元采用红外热像仪，红外热像仪随时测量数控铣床切削区的温度t，并随时比较当前所述时间段切削加工温度阙值⊿t，并随时与被加工工件材料设定的标准加工温度变化阙值⊿t1比较，根据比较值进行阶梯调整，一个具体的设定程式如下：

当：⊿t>⊿t1时，处理器输出补偿信息，通过控制数控铣床降低机床转速和走刀量，每次降低5%，30秒为一周期；通过控制超声驱动电源降低电压输入调节，每次降低5%；

当：⊿t=⊿t1时，处理器停止补偿信息输出，数控铣床保持现有状态实施加工；

当：⊿t<⊿t1时，处理器输出补偿信息，通过控制数控铣床提高机床转速和走刀量，每次提高5%，通过控制超声驱动电源提高电压输入调节装，每次提高5%。

如若根据切削力传感信号的进行调整，切削力检测单元采用电阻应变片，电阻应变片随时检测到刀杆的应力变化（将检测到刀杆的应力作为切削力），并随时与当前时间段切削力变化阙值⊿f比较，根据比较值进行阶梯调整，一个具体的设定程式如下：

当⊿f>⊿f1时，分别降低立式主轴当前转速的5%和工作台当前进给量的5%；

当⊿f<⊿f1时，分别提高立式主轴当前转速的5%和工作台当前进给量的5%。

相关本发明无线传输发射绕组单元51的结构设计是，至少由第一圆环壳体及容纳在第一圆环壳体内的发射绕组l1、第一电阻r1和第一电容c1组成，发射绕组l1的一端依次串接第一电阻r1和第一电容c1，至少以第一电容c1一端和发射绕组l1另一端构成电源输入端，通过该电源输入端连接超声驱动电源输出端获得所需电源。

上述发射绕组l1的绕接结构与第一圆环壳体内腔结构相适配，发射绕组l1通过第一圆环壳体固定在转动支承立式主轴12的轴承座上，且第一圆环壳体围绕在连接轴41周围。

无线传输接收绕组单元61单元至少由第二圆环壳体及容纳在第二圆环壳体内的接收绕组l2、第二电阻r2和第二电容c2组成，接收绕组l2的一端依次串接第二电阻r2和第二电容c2，至少以第二电容c2一端和接收绕组l2另一端构成换能器电源输出端，通过该电源输出端连接换能器的电源输入端，使换能器获得所需电源。并至少以第二电容一端c2和接收绕组l2中间抽出端构成刀轴驱动电机的电源输出端，通过该电源输出端连接刀轴驱动电机的电源输入端，使刀轴驱动电机获得所需电源；接收绕组l2的绕接结构与第二圆环壳体内腔结构相适配，接收绕组l2通过第二圆环壳体固定在连接轴圆周侧面上，并使第二壳体有3mm-5mm间隙地处于第一壳体下端，以保证发射绕组l1与接收绕组单元61较好的电磁传输效率。

本发明中的刀轴驱动电机71包括电机壳体711、定子712、转子713、导线714、碳刷715、弹性接触端718、绝缘管716和引线管121。其中的电机壳体711固定于连接轴41上，在电机壳体711底端设有径向的引线孔槽7110，定子712固定于电机壳体711内，转子713转动支承在电机壳体711上且处于定子712的中心。

上述转子713的转子轴为中空结构，绝缘管716固定于所述转子轴内，引线管121固定于绝缘管716内；绝缘管716、转子713及引线管121在对应于所述引线孔槽7110的径向位置的侧壁上分别设有第一安装孔、引线孔和第二安装孔，碳刷715通过第一安装孔安装于绝缘管716对应于第一安装孔的内壁处，定子712的引线端通过引线孔槽7110绝缘引出并与碳刷715电连接，弹性接触端718通过第二安装孔可弹性伸缩地伸出引线管121外并抵触在碳刷715上，导线714的一端与弹性接触端718电连接，另一端经刀轴驱动电机71空心转轴引出与无线传输接收绕组单元61连接。

上述引导管121采用绝缘材料制成，保证绝缘效果。引导管121侧壁上的第二安装孔为由外至内同轴具有小孔和大孔的台阶孔。

上述的弹性电接触端718包括弹簧7181、电接触端子7182和连接螺母7183，电接触端子7182和连接螺母7183均为具有限位凸肩的t形状结构，连接螺母7183螺纹穿接第二安装孔中的小孔伸至大孔中，弹簧7181穿套在处于大孔中的连接螺母上，在连接螺母7183轴心方向上设有通孔，电接触端子7182插接于通孔内，并使弹簧7181的两端分别抵于台阶孔和电接触端子7182的限位凸肩上，使电接触端子伸出并紧抵在碳刷715上。

在引导管121上螺纹穿接连接螺母7183，电接触端子7182穿接在连接螺母7183内，并通过连接螺母7183轴心方向的孔进行限位导向，导线714与电接触端子7182相连，弹簧7181直接是套设在连接螺母7183上，避免将弹簧7181直接是套设在电接触端子7182上，在实际生产时，可以减少电接触端子7182的体积，在结构上减少电接触端子7182的耗材。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。