本发明公开了一种振动加工用工件微激振装置及方法。目前并没有简单实用的振动加工用工件微激振装置及方法。本发明的伺服电机驱动偏心轮轴；振动台底部的偏心槽与偏心轮轴的偏心轮相切；n根滚柱均分为两组设置在偏心轮轴两侧；振动台的底部两侧设有两块滑动块；每块滑动块的顶部和底部与对应一组滚柱形成滚动副。振动加工用工件微激振方法，步骤如下：工件置于三向力传感器顶部，夹具夹紧工件；伺服电机驱动偏心轮轴，偏心轮激励振动台振动；监控系统对工件振动切削进行监控及优化，并控制伺服电机对工件的振动频率进行调整。本发明可高效实现工件微激振加工，并对工件微位移振动频率和切削负载力实时监控、检测与诊断。
1.一种振动加工用工件微激振装置，包括伺服电机、振动机构、监控系统、夹具和激振装置底板，其特征在于：
所述的振动机构包括滚柱、偏心轮轴、振动台、滚珠和支撑座；所述的监控系统包括激光位移传感器、三向力传感器、前置放大器、电信号转换板、数据采集卡、工控机和驱动器；
所述的支撑座固定于激振装置底板上；所述偏心轮轴的两端分别通过轴承支承在支撑座的前、后板上，伺服电机驱动偏心轮轴；所述振动台底部的偏心槽的两侧壁与偏心轮轴的偏心轮相切；n根滚柱均分为两组设置在偏心轮轴两侧，每组的滚柱呈行数为2的矩阵排布，其中，n≥8，且为偶数；每根滚柱的两端分别通过轴承支承在支撑座的前、后板上；所述振动台的底部两侧设有一体成型且对称的两块滑动块；每块滑动块的顶部和底部与对应一组滚柱形成滚动副；振动台的前、后面位于偏心槽两侧均开有限位槽组，限位槽组包括两个限位槽；支撑座的前、后板与振动台的各个限位槽之间均设有滚珠；
所述的激光位移传感器检测工件的微位移；所述的三向力传感器安装于振动台上，检测刀具的切削负载力；所述的夹具固定在三向力传感器顶部；激光位移传感器及三向力传感器的信号输出端口分别与前置放大器的一个模拟量输入端口连接；前置放大器将放大后的信号传给电信号转换板的模拟量输入端口，电信号转换板通过外接电缆将信号传输至数据采集卡，数据采集卡通过PCI接口传输信号至工控机；所述的工控机对工件的微位移振动频率及刀具的切削负载力数据进行处理分析，并对输出量进行优化调整；经工控机优化后的输出量通过驱动器控制伺服电机转速，伺服电机调整工件的微位移振动频率；
所述伺服电机固定于电机安装座，其输出轴上固定有主动带轮；电机安装座固定在激振装置底板上；从动带轮固定在振动机构的偏心轮轴上；所述的主动带轮与从动带轮通过同步带连接，张紧机构张紧同步带；所述主动带轮的直径大于从动带轮的直径。
2.采用权利要求1所述的振动加工用工件微激振装置对工件的微激振方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：
步骤一、将工件放置于振动台上的三向力传感器顶部，夹具夹紧工件；伺服电机驱动偏心轮轴转动；偏心轮轴的偏心轮激励振动台振动，从而使工件产生微幅振动；
步骤二、启动机床，刀具在工件微幅振动下对工件进行振动切削；
步骤三、工件加工时，监控系统中激光位移传感器以及三向力传感器输出的电信号传输至前置放大器的模拟量输入端口，经前置放大器放大后的电信号传输至电信号转换板的模拟量输入端口；输入转换板的模拟信号通过外接电缆传输至数据采集卡，数据采集卡先进行通道扫描及增益运算处理，来优化模拟信号转换效率及精度，然后对模拟信号进行高速A/D转换，最终通过PCI接口传输至工控机内；
步骤四、工控机对工件的微位移振动频率及刀具的切削负载力数据进行处理分析，并对输出量进行优化调整，经工控机优化后的输出量通过驱动器控制伺服电机转速，进而对工件的振动频率进行优化调整，从而优化工件的振动切削工况；
所述的监控系统对工件振动切削工况的监控及优化过程具体如下：设刀具对工件进行切削加工时的切削速度vf和进给速度vc，激光位移传感器反馈工件的初始振动频率f0；三向力传感器反馈刀具对工件的切削负载力，切削负载力包括切削抗力Fx、侧向力Fy和进给抗力Fz；工控机计算求解泛函 T在20～30s中选一个值，若该泛函没有极值，则工控机通过驱动器控制伺服电机转速，带动振动台将工件的振动频率调整为fk+1＝fk+Δf，产生新的切削负载力，并通过三向力传感器反馈到工控机，再由工控机在下一个周期T内计算泛函，其中，k＝0,1,2...,m，m为不超过80的整数，Δf为振动频率调整的步长，可在5～10HZ中选一个值；若某个周期T内泛函出现极值，可确定该周期T内在极值点处的振动频率为工件的最优振动频率f，继而工控机通过驱动器控制伺服电机转速，带动振动台将工件的振动频率调整为最优振动频率f，刀具在工件保持最优振动频率f振动下对工件进行振动切削。
一种振动加工用工件微激振装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于机械加工领域，涉及工件激振，特别是涉及一种具有振动和切削参数可监控的工件微激振装置及方法。
背景技术
[0002] 振动切削是指在切削过程中给刀具或者工件加上一种连续发生的可控制的有规律振动，以此来改变加工机理的切削方法。随着科学和工业的不断发展，振动切削技术以其减小切削力和功率消耗，提高生产效率，提高加工精度和表面质量，减小刀具磨损以及延长刀具寿命等优势，得到越来越广泛的研究与应用。因此，研制一种振动加工用工件微激振装置及方法对工件加工的高精度化、高效率化和节能环保具有非常重要的意义。
[0003] 目前，在相关领域，并没有简单实用的振动加工用工件微激振装置及方法。如华侨大学沈剑云等人申请的申请号为201410227423.7(申请公布号CN103978560A，申请公布日2014年08月13日)的一种快换式超声振动辅助锯切装置，该装置包括刀柄连接杆，还包括内套筒、外套筒、超声波换能器、集流装置、初级放大变幅杆、对称变幅杆和锯片。该装置通过加入一个超声冲击作用和空化作用，使得在工件材料在切削过程中通过产生微裂纹而被去除。该装置适用于多种机床，解决了传统锯切硬脆性材料的切削力大、材料损耗大与崩边严重等问题。但是超声振动会使锯片发热严重，长时间发热会使加工效率大大降低，不能长时间连续工作。故该装置并不能使工件加工高效率化，也不简单实用。再如专利号为CN200610085346.1(授权公告号CN1861274，授权公告日2006年11月15日)公开了一种用于振动切削的复合式激振装置，该装置由壳体、变频器、电动机、联轴器、主动轴、锥齿轮副、垂直轴、曲柄滑块机构、圆柱齿轮传动机构、双偏心机构、隔振单元、弹簧、中心轴、平键和法兰轴等组成。该装置通过曲柄滑块机构和双偏心机构把输入的一个旋转运动转化为具有一定频率和振幅的一个扭转振动和一个轴向振动的叠加运动。根据加工需要,可以单独选择扭转振动、轴向振动和复合振动。但是该装置振动结构复杂，适用范围小。又如专利号为CN201320614623.9(授权公告号CN 203587307U，授权公告日2014年05月07日)公开了一种振幅连续可调的机械式振动台，该机械式振动台由底座，丝杠，滑台，凸轮，电机，台面，连杆，拉簧，下支点，杠杆和顶杆组成。该振动台由电机驱动，通过凸轮机构带动杠杆摆动，杠杆进而驱动振动台的台面产生振动。该装置可以实现振动台振幅调节功能。但该机械式振动台结构功能过于简单，无法实现调频、监控等功能。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对现有振动加工激振技术的不足，提出一种集机构设计、调幅、调频和状态监控为一体的工件激振装置及方法，采用偏心轮轴激振机构、滚柱导向限位机构和带传动增频机构，实现0～2.5mm振幅、0～300Hz激振频率可调，可通过工件微位移振动特性(振幅与频率)反馈和实时切削负载力反馈，实时监控、检测与诊断工件的切削负载力和激振特性。
[0005] 本发明的振动加工用工件微激振装置，包括伺服电机、振动机构、监控系统、夹具和激振装置底板；所述的振动机构包括滚柱、偏心轮轴、振动台、滚珠和支撑座；所述的监控系统包括激光位移传感器、三向力传感器、前置放大器、电信号转换板、数据采集卡、工控机和驱动器；所述的支撑座固定于激振装置底板上；所述偏心轮轴的两端分别通过轴承支承在支撑座的前、后板上，伺服电机驱动偏心轮轴；所述振动台底部的偏心槽的两侧壁与偏心轮轴的偏心轮相切；n根滚柱均分为两组设置在偏心轮轴两侧，每组的滚柱呈行数为2的矩阵排布，其中，n≥8，且为偶数；每根滚柱的两端分别通过轴承支承在支撑座的前、后板上；所述振动台的底部两侧设有一体成型且对称的两块滑动块；每块滑动块的顶部和底部与对应一组滚柱形成滚动副；振动台的前、后面位于偏心槽两侧均开有限位槽组，限位槽组包括两个限位槽；支撑座的前、后板与振动台的各个限位槽之间均设有滚珠。
[0006] 所述的激光位移传感器检测工件的微位移；所述的三向力传感器安装于振动台上，检测刀具的切削负载力；所述的夹具固定在三向力传感器顶部；激光位移传感器及三向力传感器的信号输出端口分别与前置放大器的一个模拟量输入端口连接；前置放大器将放大后的信号传给电信号转换板的模拟量输入端口，电信号转换板通过外接电缆将信号传输至数据采集卡，数据采集卡通过PCI接口传输信号至工控机；所述的工控机对工件的微位移振动频率及刀具的切削负载力数据进行处理分析，并对输出量进行优化调整；经工控机优化后的输出量通过驱动器控制伺服电机转速，伺服电机调整工件的微位移振动频率。
[0007] 所述伺服电机固定于电机安装座，其输出轴上固定有主动带轮；电机安装座固定在激振装置底板上；从动带轮固定在振动机构的偏心轮轴上；所述的主动带轮与从动带轮通过同步带连接，张紧机构张紧同步带；所述主动带轮的直径大于从动带轮的直径。
[0008] 本发明的振动加工用工件微激振方法，具体步骤如下：
[0009] 步骤一、将工件放置于振动台上的三向力传感器顶部，夹具夹紧工件；伺服电机驱动偏心轮轴转动；偏心轮轴的偏心轮激励振动台振动，从而使工件产生微幅振动。
[0010] 步骤二、启动机床，刀具在工件微幅振动下对工件进行振动切削。
[0011] 步骤三、工件加工时，监控系统中激光位移传感器以及三向力传感器输出的电信号传输至前置放大器的模拟量输入端口，经前置放大器放大后的电信号传输至电信号转换板的模拟量输入端口；输入转换板的模拟信号通过外接电缆传输至数据采集卡，数据采集卡先进行通道扫描及增益运算处理，来优化模拟信号转换效率及精度，然后对模拟信号进行高速A/D转换，最终通过PCI接口传输至工控机内。
[0012] 步骤四、工控机对工件的微位移振动频率及刀具的切削负载力数据进行处理分析，并对输出量进行优化调整，经工控机优化后的输出量通过驱动器控制伺服电机转速，进而对工件的振动频率进行优化调整，从而优化工件的振动切削工况。
[0013] 所述的监控系统对工件振动切削工况的监控及优化过程具体如下：设刀具对工件进行切削加工时的切削速度vf和进给速度vc，激光位移传感器反馈工件的初始振动频率f0；三向力传感器反馈刀具对工件的切削负载力，切削负载力包括切削抗力Fx、侧向力Fy和进给抗力Fz；工控机计算求解泛函 T在20～30s中选一个值，
若该泛函没有极值，则工控机通过驱动器控制伺服电机转速，带动振动台将工件的振动频率调整为fk+1＝fk+Δf，产生新的切削负载力，并通过三向力传感器反馈到工控机，再由工控机在下一个周期T内计算泛函，其中，k＝0,1,2...,m，m为不超过80的整数，Δf为振动频率调整的步长，可在5～10HZ中选一个值；若某个周期T内泛函出现极值，可确定该周期T内在极值点处的振动频率为工件的最优振动频率f，继而工控机通过驱动器控制伺服电机转速，带动振动台将工件的振动频率调整为最优振动频率f，刀具在工件保持最优振动频率f振动下对工件进行振动切削。
[0014] 本发明具有的有益效果：
[0015] 1、本发明集机构设计、调幅、调频和状态监控为一体，可实现工件微激振加工，实现工件加工高效率化，并对工件微位移振动频率和切削负载力实时监控、检测与诊断。
[0016] 2、本发明中滚柱限制振动台沿偏心轮轴的径向窜动，滚珠限制振动台沿偏心轮轴的轴向窜动，保证工件振动加工的高精度要求；
[0017] 3、本发明结构简单紧凑，方便与多种机床安装配合，适用范围广，适合于现场环境要求；监控系统可靠性高,便于维护和升级，响应频率高，精度高。
[0018] 4、本发明可实现工件加工的高精度化、高效率化和节能环保；各部件生产成本低，便于推广。
附图说明
[0019] 图1为本发明中振动加工用工件微激振装置的结构侧视图；
[0020] 图2为图1的俯视图；
[0021] 图3为本发明中振动加工用工件微激振装置的结构立体图；
[0022] 图4为本发明中监控系统对工件振动切削工况的监控及优化过程的算法流程图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
[0024] 如图1、图2、图3所示，一种振动加工用工件微激振装置，包括电机安装座1、伺服电机2、振动机构3、监控系统、夹具4、激振装置底板7、主动带轮13、同步带14、张紧机构15和从动带轮16；振动机构3包括滚柱17、偏心轮轴18、振动台19、滚珠20、滚柱深沟球轴承21、支撑座22、偏心轮轴深沟球轴承23、偏心轮轴端盖24和箱体侧板25；监控系统包括激光位移传感器5、三向力传感器6、前置放大器8、电信号转换板9、数据采集卡10、工控机11和驱动器12。支撑座22通过内六角螺栓固定于激振装置底板7上，两块箱体侧板25通过内六角螺栓固定于支撑座22；偏心轮轴18的两端分别通过偏心轮轴深沟球轴承23支承在支撑座22的前、后板上，偏心轮轴深沟球轴承23通过偏心轮轴端盖24轴向限位；振动台19底部的偏心槽的两侧壁与偏心轮轴18的偏心轮相切，偏心轮轴18的转动使振动台19发生往复运动产生微幅振动；八根滚柱17均分为两组设置在偏心轮轴18两侧，每组的四根滚柱17呈行数为2的矩阵排布；每根滚柱17的两端分别通过滚柱深沟球轴承21支承在支撑座22的前、后板上；振动台19的底部两侧设有一体成型且对称的两块滑动块；每块滑动块的顶部和底部与对应一组的四根滚柱17形成滚动副，从而限制振动台19沿偏心轮轴18的径向窜动；振动台19的前、后面位于偏心槽两侧均开有限位槽组，限位槽组包括两个限位槽；支撑座22的前、后板与振动台19的各个限位槽之间均设有滚珠20，滚珠20限制振动台19沿偏心轮轴18的轴向窜动。
[0025] 主动带轮13固定在伺服电机2的输出轴上，从动带轮16固定在振动机构3的偏心轮轴18上；主动带轮13与从动带轮16通过同步带14连接，张紧机构15张紧同步带14；电机安装座1固定在激振装置底板7上，伺服电机2固定于电机安装座1，并驱动主动带轮13转动；主动带轮13经同步带14和从动带轮16带动偏心轮轴18转动，从而使振动台19微幅振动；主动带轮13的直径大于从动带轮16的直径，从而实现增频功能。
[0026] 激光位移传感器5检测工件的微位移；三向力传感器6安装于振动台19上，检测刀具的切削负载力；夹具4固定在三向力传感器6顶部；激光位移传感器5及三向力传感器6的信号输出端口分别与前置放大器8的一个模拟量输入端口连接；前置放大器8将放大后的信号传给电信号转换板9的模拟量输入端口，电信号转换板9通过外接电缆将信号传输至数据采集卡10，数据采集卡10通过PCI接口传输信号至工控机11；工控机11对工件的微位移振动频率及刀具的切削负载力数据进行处理分析，并对输出量进行优化调整；经工控机11优化后的输出量通过驱动器12控制伺服电机2转速，进而调整工件的微位移振动频率。
[0027] 一种振动加工用工件微激振方法，具体步骤如下：
[0028] 步骤一、将工件放置于振动台19上的三向力传感器6顶部，夹具4夹紧工件；启动伺服电机2，通过主动带轮13、同步带14和从动带轮16带动振动机构3的偏心轮轴18转动；偏心轮轴18的偏心轮激励振动台19振动，从而使工件产生微幅振动。
[0029] 步骤二、启动机床，刀具在工件微幅振动下对工件进行振动切削。
[0030] 步骤三、工件加工时，监控系统中激光位移传感器5以及三向力传感器6输出的电信号传输至前置放大器8的模拟量输入端口，经前置放大器8放大后的电信号传输至电信号转换板9的模拟量输入端口；输入转换板的模拟信号通过外接电缆传输至数据采集卡10，数据采集卡10先进行通道扫描及增益运算处理，来优化模拟信号转换效率及精度，然后对模拟信号进行高速A/D转换，最终通过PCI接口传输至工控机11内。
[0031] 步骤四、工控机11对工件的微位移振动频率及刀具的切削负载力数据进行处理分析，并对输出量进行优化调整，经工控机11优化后的输出量通过驱动器12控制伺服电机2转速，进而对工件的振动频率进行优化调整，从而优化工件的振动切削工况。
[0032] 如图4所示，监控系统对工件振动切削工况的监控及优化过程具体如下：设刀具对工件进行切削加工时的切削速度vf和进给速度vc，激光位移传感器5反馈工件的初始振动频率f0；三向力传感器6反馈刀具对工件的切削负载力，切削负载力包括切削抗力Fx、侧向力Fy和进给抗力Fz；工控机11计算求解泛函 T在20～30s中选一个值，若该泛函没有极值，则工控机11通过驱动器12控制伺服电机2转速，带动振动台
19将工件的振动频率调整为fk+1＝fk+Δf，产生新的切削负载力，并通过三向力传感器6反馈到工控机，再由工控机在下一个周期T内计算泛函，其中，k＝0,1,2...,m，m为不超过80的整数，Δf为振动频率调整的步长，可在5～10HZ中选一个值；若某个周期T内泛函出现极值，可确定该周期T内在极值点处的振动频率为工件的最优振动频率f，继而工控机11通过驱动器12控制伺服电机2转速，带动振动台19将工件的振动频率调整为最优振动频率f，刀具在工件保持最优振动频率f振动下对工件进行振动切削。
