本发明公开了一种超声拉刀、高效精密超声拉削装置及其拉削工艺。现有的拉刀和拉床不具备集成式信息采集装置，且寿命较短。本发明一种超声拉刀，包括超声换能器、检测组件和拉刀刀身。检测组件包括检测基体、激光收发带、图像传感器、轴向压力传感器、第一径向压力传感器和第二径向压力传感器。本发明高效精密超声拉削装置，包括拉床本体、光栅和前述的超声拉刀。拉床本体包括拉床驱动组件、床身、拉床导轨和快速定位夹紧装置；本发明中具有拉刀三向振动值，拉刀轴向拉力，拉刀位移值，以及基于图像的工件尺寸等测量功能。为控制系统的工况反馈回路和停机控制回路提供实时检测数据。本发明能够有效延长拉刀的寿命。
1.一种超声拉刀，包括超声换能器、检测组件和拉刀刀身；其特征在于：所述的检测组件包括检测基体、激光收发带、图像传感器、轴向压力传感器、第一径向压力传感器和第二径向压力传感器；所述的激光收发带环绕在检测基体上；检测基体包括左端盖、中端座、导向压环、右端座和拉杆；左端盖、导向压环、中端座、右端座依次排列固连；左端盖内设置有轴向压力传感器；拉杆由一体成型的连接轴和左端座组成；连接轴的内端与左端座连接；左端座靠近连接轴的那端位于左端盖内；轴向压力传感器位于左端盖与左端座之间；
所述的左端座远离连接轴的那端端面上设置有第一分隔凸块；中端座靠近左端盖的侧面上开设有第一容纳凹槽；第一容纳凹槽呈长条形；第一容纳凹槽的两端均设置有第一径向压力传感器；第一分隔凸块伸入第一容纳凹槽内，且位于两个第一径向压力传感器之间；
所述的中端座远离左端盖的一侧开设有第二容纳凹槽；第二容纳凹槽呈长条形；第二容纳凹槽的两端均设置有第二径向压力传感器；右端座的内端端面设置有第二分隔凸块；
第二分隔凸块伸入第一容纳凹槽内，且位于两个第二径向压力传感器之间；右端座上嵌有图像传感器；连接轴与超声换能器的一端固定；右端座的外端与拉刀刀身的一端固定。
2.根据权利要求1所述的一种超声拉刀，其特征在于：所述的激光收发带上设置有沿中端座周向排列的多个激光发射器和多个激光接收器。
3.根据权利要求1所述的一种超声拉刀，其特征在于：所述的左端盖上开设有阶梯通孔；阶梯通孔上孔径较大的孔段位于左端盖靠近导向压环一侧；轴向压力传感器呈圆环状，且设置在阶梯通孔上孔径较大的孔段内；连接轴穿过轴向压力传感器的中心孔以及阶梯通孔上孔径较小的孔段。
4.根据权利要求1所述的一种超声拉刀，其特征在于：所述第二容纳凹槽的长度方向与第一容纳凹槽的长度方向相互垂直；左端座远离连接轴的那端端面上还设置有两根防转凸条；第一分隔凸块位于两根防转凸条之间；中端座靠近左端盖的侧面上还开设有两个防转凹槽；两根防转凸条分别嵌入两个防转凹槽。
5.根据权利要求1所述的一种超声拉刀，其特征在于：所述图像传感器的摄像头采用CCD相机。
6.高效精密超声拉削装置，包括拉床本体，其特征在于：还包括光栅和权利要求1所述的超声拉刀；所述的拉床本体包括拉床驱动组件、床身、拉床导轨和快速定位夹紧装置；拉床导轨均固定在床身上；光栅固定在床身的一侧；快速定位夹紧装置包括溜板导轨、溜板、定位夹紧块、溜板V型块和夹紧驱动组件；溜板与拉床导轨构成滑动副；溜板导轨固定在溜板上；两个定位夹紧块均与溜板导轨构成滑动副；两个定位夹紧块由夹紧驱动组件驱动进行相向或相背运动；溜板V型块固定在溜板上；溜板V型块的顶部开设有V型定位槽；两个定位夹紧块均位于溜板V型块的上方；所述的快速定位夹紧装置共有两个；其中一个快速定位夹紧装置内的溜板由拉床驱动组件驱动；超声拉刀还包括两个拉刀夹持段；两个拉刀夹持段与超声换能器、拉刀刀身的另一端分别固定；两个拉刀夹持段分别设置在两个快速定位夹紧装置的溜板V型块上。
7.根据权利要求6所述的高效精密超声拉削装置，其特征在于：所述光栅上的狭缝排列方向与拉床导轨的长度方向平行。
8.根据权利要求6所述的高效精密超声拉削装置，其特征在于：两个定位夹紧块相对侧面的底部均设置有倾斜朝下的定位斜面；所述V型定位槽的两个定位基准面的对称面与两个定位夹紧块上定位斜面的对称面重合。
9.根据权利要求6所述的高效精密超声拉削装置，其特征在于：所述的拉床驱动组件包括光电编码器、拉床驱动电机和拉床丝杠；拉床丝杠支承在床身上；拉床驱动电机固定在床身上，且输出轴与拉床丝杠的一端固定；光电编码器与拉床驱动电机固定，且输入轴与拉床驱动电机的输出轴固定；由拉床驱动组件驱动的那个快速定位夹紧装置内溜板底部固定有螺母；该螺母与拉床丝杠构成螺旋副；
所述的夹紧驱动组件包括溜板丝杠和定位夹紧电机；溜板丝杠支承在溜板上；溜板丝杠采用双向丝杠；定位夹紧电机固定在定位夹紧箱体上，且输出轴与溜板丝杠的一端固定；
两个定位夹紧块与溜板丝杠上的两个旋向相反的螺旋段分别构成螺旋副。
10.如权利要求6所述的高效精密超声拉削装置的拉削工艺，其特征在于：步骤一、工作人员设置模式变量M；若将M设置为0，则拉床驱动组件以寿命模式进行运作；若将M设置为1，则拉床驱动组件以效率模式进行运作；
步骤二、调用工艺参数：切入速度V1、稳定速度V2、切入时长t1、稳定拉削时长t2；超声波频率f、超声波幅度h；其中，V1＝b·V2；0.4≤b≤0.6；
步骤三、拉床驱动组件正向驱动快速定位夹紧装置，超声换能器启动，驱动超声拉刀进给，开始实施拉削；
若M＝0，则超声拉刀的第一个刀齿切入工件的前t1时间内超声拉刀的进给速度维持在V1；之后，超声拉刀的进给速度维持在V2；若M＝1，则超声拉拉刀的每个刀齿切入工件的前t1时间内超声拉刀的进给速度均维持在V1；其他进给时间内超声拉刀的进给速度均维持在V2；
轴向压力传感器持续检测拉刀进给过程中的轴向负载力F的大小；若F≥F许，则拉床驱动组件及超声换能器均关闭；F许为超声拉刀的最大许可拉力；
激光收发带与光栅配合，持续检测拉刀的当前位置值X，若X≥X终，则拉床驱动组件停止运动并进入步骤四；X终为超声拉刀的进给终止位置；
第一径向压力传感器、第二径向压力传感器分别检测拉刀的两个径向负载力的大小；
以两个第一径向压力传感器、两个第二径向压力传感器中检测到压力的两个传感器所得压力的合力作为振动力；根据振动力求出振动加速度a；
若a≥a阈，则拉床驱动组件及超声换能器均关闭；若a＞a许+△a许，则将V2减小△V，将V1更新为V2的b倍；若a＜a许△a许，则将V2增大△V，将V1更新为V2的b倍；a阈为超声拉刀的极限振动加速度；a许为超声拉刀的最佳许可振动加速度；△a许为超声拉刀的振动加速度范围半径；△V为超声拉刀进给速度的单次调节量；
步骤四、图像传感器拍摄工件的照片；通过对所得照片进行图像处理，判断工件的拉削部位是否满足加工要求；若不满足加工要求，则拉床驱动组件及超声换能器均关闭；若满足加工要求，则拉床驱动组件反向驱动快速定位夹紧装置，超声拉刀以回退速度V回回退；激光收发带与光栅配合，持续检测拉刀的当前位置值X；直到X＝X0时，则进入步骤五；X0为超声拉刀的初始位置；
步骤五、若需要拉削下一个工件，则更换工件后进入步骤三；否则，结束拉削。
一种超声拉刀、高效精密超声拉削装置及其拉削工艺
技术领域
[0001] 本发明属于智能制造技术领域，具体涉及一种超声拉刀、高效精密超声拉削装置及其拉削工艺。
背景技术
[0002] 高效精密数控拉削装备是高端制造装备，是智能制造不可缺少的关键装备。高效精密拉削工艺主要用于汽车工业和航空工业，是汽车和飞机高精密核心零部件的主要加工方法和手段，如发动机、齿轮箱、差速器、传动轴系统、刹车制动系统、轮毂单元、方向机等。高效精密数控拉削工艺的高端应用在军工和航天航空领域，如炮管、飞机发动机等高精密核心零部件的加工。现代汽车工业、工程机械等制造业，逐步采用拉削取代传统的插削、铣削、刨削等加工方式生产零部件。因此，拉削加工的技术水平，从某一个侧面也标志着国家的汽车等制造业的水平。目前，国内高端数控拉削工艺和装备主要靠进口，以德国为首。国内拉床企业尚处于起步转成长期阶段。
[0003] 汽车和飞机关键零件，大多采用高温合金、粉末高温合金、钛合金等难加工材料制造，零件形状复杂，尺寸精度要求高，技术条件严格，对零件表面质量、表面完整性要求高，其加工质量的高低直接影响到汽车和飞机的使用寿命和安全可靠性。另一方面，特别是汽车零件的加工，由于产品更新换代速度加快，对其生产效率要求越来越高。
[0004] 近年来，随着车辆工程和航空发动机技术的不断进步和发展，这些关键零部件的加工技术有了大幅度的提升，从传统的加工工艺和手段，转向复合工艺和数控加工等自动化、集成化、精准化及高效化的方向推进和发展。对于形状复杂的汽车和飞机关键零件加工，目前基本上采用传统的数控铣削或拉削加工方式和装备。由于形状复杂，加工工序多，普遍存在加工效率和精度等主要问题。为此，本发明提出高效精密超声拉削工艺及控制系统，包括基于超声技术的拉削工艺、基于多模式转换的控制系统、以及相应的加工装备，在保证加工精度的前提下，大大提高了加工效率和刀具使用寿命，从而明显降低了生产成本。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种超声拉刀、高效精密超声拉削装置及其拉削工艺。
[0006] 本发明一种超声拉刀，包括超声换能器、检测组件和拉刀刀身。所述的检测组件包括检测基体、激光收发带、图像传感器、轴向压力传感器、第一径向压力传感器和第二径向压力传感器。所述的激光收发带环绕在检测基体上。检测基体包括左端盖、中端座、导向压环、右端座和拉杆。左端盖、导向压环、中端座、右端座依次排列固连。左端盖内设置有轴向压力传感器。拉杆由一体成型的连接轴和左端座组成。连接轴的内端与左端座连接。左端座靠近连接轴的那端位于左端盖内。轴向压力传感器位于左端盖与左端座之间；
[0007] 所述的左端座远离连接轴的那端端面上设置有第一分隔凸块。中端座靠近左端盖的侧面上开设有第一容纳凹槽。第一容纳凹槽呈长条形。第一容纳凹槽的两端均设置有第一径向压力传感器。第一分隔凸块伸入第一容纳凹槽内，且位于两个第一径向压力传感器之间。
[0008] 所述的中端座远离左端盖的一侧开设有第二容纳凹槽。第二容纳凹槽呈长条形。第二容纳凹槽的两端均设置有第二径向压力传感器。右端座的内端端面设置有第二分隔凸块。第二分隔凸块伸入第一容纳凹槽内，且位于两个第二径向压力传感器之间。右端座上嵌有图像传感器。连接轴与超声换能器的一端固定。右端座的外端与拉刀刀身的一端固定。
[0009] 进一步地，所述的激光收发带上设置有沿中端座周向排列的多个激光发射器和多个激光接收器。
[0010] 进一步地，所述的左端盖上开设有阶梯通孔。阶梯通孔上孔径较大的孔段位于左端盖靠近导向压环一侧。轴向压力传感器呈圆环状，且设置在阶梯通孔上孔径较大的孔段内。连接轴上轴径较小的轴段穿过轴向压力传感器的中心孔以及阶梯通孔上孔径较小的孔段。轴向压力传感器的厚度与连接轴上轴径较大轴段的厚度之和等于阶梯通孔上孔径较大的孔段的长度。
[0011] 进一步地，所述第二容纳凹槽的长度方向与第一容纳凹槽的长度方向相互垂直。左端座远离连接轴的那端端面上还设置有两根防转凸条。第一分隔凸块位于两根防转凸条之间。中端座靠近左端盖的侧面上还开设有两个防转凹槽。两根防转凸条分别嵌入两个防转凹槽进一步地，所述图像传感器的摄像头采用CCD相机。
[0012] 本发明高效精密超声拉削装置，包括拉床本体、光栅和前述的超声拉刀。所述的拉床本体包括拉床驱动组件、床身、拉床导轨和快速定位夹紧装置；拉床导轨均固定在床身上；光栅固定在床身的一侧。快速定位夹紧装置包括溜板导轨、溜板、定位夹紧块、溜板V型块和夹紧驱动组件；溜板与拉床导轨构成滑动副；溜板导轨固定在溜板上；两个定位夹紧块均与溜板导轨构成滑动副；两个定位夹紧块由夹紧驱动组件驱动进行相向或相背运动；溜板V型块固定在溜板上；溜板V型块的顶部开设有V型定位槽；两个定位夹紧块均位于溜板V型块的上方；所述的快速定位夹紧装置共有两个；其中一个快速定位夹紧装置内的溜板由拉床驱动组件驱动；超声拉刀还包括两个拉刀夹持段。两个拉刀夹持段与超声换能器、拉刀刀身的另一端分别固定。两个拉刀夹持段分别设置在两个快速定位夹紧装置的溜板V型块上。
[0013] 进一步地，所述光栅上的狭缝排列方向与拉床导轨的长度方向平行。
[0014] 进一步地，两个定位夹紧块相对侧面的底部均设置有倾斜朝下的定位斜面；所述V型定位槽的两个定位基准面的对称面与两个定位夹紧块上定位斜面的对称面重合。
[0015] 进一步地，所述的拉床驱动组件包括光电编码器、拉床驱动电机和拉床丝杠；拉床丝杠支承在床身上；拉床驱动电机固定在床身上，且输出轴与拉床丝杠的一端固定；光电编码器与拉床驱动电机固定，且输入轴与拉床驱动电机的输出轴固定。由拉床驱动组件驱动的那个快速定位夹紧装置内溜板底部固定有螺母；该螺母与拉床丝杠构成螺旋副。
[0016] 所述的夹紧驱动组件包括溜板丝杠和定位夹紧电机；溜板丝杠支承在溜板上；溜板丝杠采用双向丝杠；定位夹紧电机固定在定位夹紧箱体上，且输出轴与溜板丝杠的一端固定；两个定位夹紧块与溜板丝杠上的两个旋向相反的螺旋段分别构成螺旋副。
[0017] 该高效精密超声拉削装置的拉削工艺具体如下：
[0018] 步骤一、工作人员设置模式变量M；若将M设置为0，则拉床驱动组件以寿命模式进行运作；若将M设置为1，则拉床驱动组件以效率模式进行运作。
[0019] 步骤二、调用工艺参数：切入速度V1、稳定速度V2、切入时长t1、稳定拉削时长t2；超声波频率f、超声波幅度h。其中，V1＝b·V2；0.4≤b≤0.6。
[0020] 步骤三、拉床驱动组件正向驱动快速定位夹紧装置，超声换能器启动，驱动超声拉刀进给，开始实施拉削。
[0021] 若M＝0，则超声拉刀的第一个刀齿切入工件的前t1时间内超声拉刀的进给速度维持在V1。之后，超声拉刀的进给速度维持在V2。若M＝1，则超声拉拉刀的每个刀齿切入工件的前t1时间内超声拉刀的进给速度均维持在V1。其他进给时间内超声拉刀的进给速度均维持在V2。
[0022] 轴向压力传感器持续检测拉刀进给过程中的轴向负载力F的大小。若F≥F许，则拉床驱动组件及超声换能器均关闭。F许为超声拉刀的最大许可拉力。
[0023] 激光收发带与光栅配合，持续检测拉刀的当前位置值X，若X≥X终，则拉床驱动组件停止运动并进入步骤四。X终为超声拉刀的进给终止位置。
[0024] 第一径向压力传感器、第二径向压力传感器分别检测拉刀的两个径向负载力的大小；以两个第一径向压力传感器、两个第二径向压力传感器中检测到压力的两个传感器所得压力的合力作为振动力。根据振动力求出振动加速度a。
[0025] 若a≥a阈，则拉床驱动组件及超声换能器均关闭。若a＞a许+△a许，则将V2减小△V，将V1更新为V2的b倍。若a＜a许△a许，则将V2增大△V，将V1更新为V2的b倍。a阈为超声拉刀的极限振动加速度。a许为超声拉刀的最佳许可振动加速度。△a许为超声拉刀的振动加速度范围半径。△V为超声拉刀进给速度的单次调节量。
[0026] 步骤四、图像传感器拍摄工件的照片。通过对所得照片进行图像处理，判断工件的拉削部位是否满足加工要求。若不满足加工要求，则拉床驱动组件及超声换能器均关闭。若满足加工要求，则拉床驱动组件反向驱动快速定位夹紧装置，超声拉刀以回退速度V回回退。激光收发带与光栅配合，持续检测拉刀的当前位置值X；直到X＝X0时，则进入步骤五。X0为超声拉刀的初始位置。
[0027] 步骤五、若需要拉削下一个工件，则更换工件后进入步骤三；否则，结束拉削。
[0028] 本发明具有的有益效果是：
[0029] 1、本发明具有拉削进给和超声控制的主通道，位移检测、速度检测、拉力检测和振动检测的工况反馈回路，产品尺寸检测和超差判定的停机控制回路，以及刀具寿命预测单元。拉削工艺有效率和寿命两种模式可供选择。效率模式：第一个刀齿的切入t1时间段内速度减半，随后全速拉削，包括后面的刀齿均全速切入，以提高拉削效率。寿命模式：每个刀齿的切入t1时间段内速度减半，随后的t2时间段内全速拉削，以保护每个刀齿，从而提高拉刀的使用寿命。
[0030] 2、本发明中的检测组件集成了激光收发带13、图像传感器14、轴向压力传感器16、、第一径向压力传感器20、第二径向压力传感器24、光栅22。具有拉刀三向振动值，拉刀轴向拉力，拉刀位移值，以及基于图像的工件尺寸等测量功能。为控制系统的工况反馈回路和停机控制回路提供实时检测数据。
[0031] 3、本发明设计了拉刀快速定位夹紧装置，该装置由床身8-1、导轨8-2、溜板8-3、丝杠8-4、传动箱8-5、正反向集成丝杠螺母副8-6、夹紧装置导轨8-7、V型夹紧块8-8、拉刀夹持段8-9、V型定位块8-10、伺服电机8-11等组成。当拉刀放到V型定位块8-10上后，由伺服电机8-11直接驱动正反向集成丝杠螺母副8-6，带动V型夹紧块8-8，使拉刀快速定位夹紧，减少了辅助时间，提高了拉削效率。
[0032] 4、本发明在保证加工精度的前提下，大大提高了加工效率和刀具使用寿命，从而明显降低了生产成本。因此，具有显著的经济、社会和环境效益。
附图说明
[0033] 图1为本发明的整体结构示意图；
[0034] 图2为图1中的A-A截面的剖视图(该图反映了定位夹紧块8-4的运动方向与溜板8-3的运动方向之间的垂直关系；定位夹紧箱体8-5中，定位夹紧块8-4在定位夹紧电机8-1和溜板丝杠8-6的驱动下，对拉刀夹持段1-7进行定位和夹紧)；
[0035] 图3为图1中的D部分的局部放大图；
[0036] 图4为图3中B-B截面的剖视图(该图反映了第一径向压力传感器20在检测组件中的位置)；
[0037] 图5为图3中C-C截面的剖视图(该图反映了第二径向压力传感器24在检测组件中的位置)；
[0038] 图6为本发明的控制框图；
[0039] 图7为本发明在效率模式下进给过程的速度变化示意图；
[0040] 图8为本发明在寿命模式下进给过程的速度变化示意图；
[0041] 图9为本发明中拉削工艺的流程图。
具体实施方式
[0042] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0043] 如图1所示，高效精密超声拉削装置，包括拉床本体、光栅22、超声拉刀和控制器。拉床本体包括光电编码器1、拉床驱动电机2、床身3、轴承4、轴承座5、拉床导轨6、拉床丝杠7和快速定位夹紧装置8。两根拉床导轨6均固定在床身3上。光栅22固定在床身3的一侧。光栅
22上的狭缝排列方向与拉床导轨6的长度方向平行。轴承座5固定在床身3的一端。拉床丝杠
7的一端与轴承座5通过轴承4构成转动副。拉床驱动电机2固定在床身3上，且输出轴与拉床丝杠7的一端固定。光电编码器1与拉床驱动电机2固定，且输入轴与拉床驱动电机2的输出轴固定。
[0044] 如图1和2所示，快速定位夹紧装置8包括定位夹紧电机8-1、溜板V型块8-2、溜板8-3、定位夹紧箱体8-5、溜板丝杠8-6、溜板导轨8-7和定位夹紧块8-4。溜板8-3与两根拉床导轨6构成滑动副。定位夹紧箱体8-5固定在溜板8-3上。两根溜板导轨8-7均固定在定位夹紧箱体8-5上。溜板导轨8-7的轴线与拉床导轨6的轴线垂直。溜板丝杠8-6支承在定位夹紧箱体8-5上。溜板丝杠8-6采用双向丝杠。定位夹紧电机8-1固定在定位夹紧箱体8-5上，且输出轴与溜板丝杠8-6的一端固定。两个定位夹紧块8-4均与两根溜板导轨8-7构成滑动副。两个定位夹紧块8-4与溜板丝杠8-6上的两个旋向相反的螺旋段分别构成螺旋副。当溜板丝杠8-
6转动时，两个定位夹紧块8-4相向或相背滑动。两个定位夹紧块8-4相对侧面的底部均设置有倾斜朝下的定位斜面。溜板V型块8-2固定在定位夹紧箱体8-5上。溜板V型块8-2的顶部开设有V型定位槽。两个定位夹紧块8-4均位于溜板V型块8-2的上方。V型定位槽的两个定位基准面的对称面与两个定位夹紧块8-4上定位斜面的对称面重合。
[0045] 快速定位夹紧装置8共有两个。其中一个快速定位夹紧装置8内溜板8-3上固定有螺母。该螺母与拉床丝杠7构成螺旋副。
[0046] 如图1、3、4和5所示，超声拉刀包括拉刀夹持段9、超声换能器10、检测组件和拉刀刀身23。检测组件包括检测基体、激光收发带13、图像传感器14、轴向压力传感器16、第一径向压力传感器20(图3中不可见)和第二径向压力传感器24。检测基体包括左端盖15、中端座19、导向压环12、右端座21、拉杆和螺钉17。左端盖15、导向压环12、中端座19、右端座21依次排列相连，并通过螺钉17(螺钉有多根，分为两组，其中一组螺钉固连左端盖15、导向压环
12、激光收发带13，另一组螺钉固连激光收发带13、右端座21)相连。
[0047] 左端盖15上开设有阶梯通孔。阶梯通孔上孔径较大的孔段位于左端盖15靠近导向压环12一侧。阶梯通孔上孔径较大的孔段内设置有呈圆环状的轴向压力传感器16。拉杆由一体成型的连接轴11和左端座18组成。连接轴11的内端与左端座18连接。连接轴11穿过轴向压力传感器16的中心孔以及阶梯通孔上孔径较小的孔段。左端座18靠近连接轴11的那端端部位于阶梯通孔上孔径较大的孔段内。当连接轴11与左端盖15相对受拉时(拉刀进给的状态)，连接轴11与左端盖15对轴向压力传感器16产生压力，进而得出拉刀进给过程中的轴向负载大小。
[0048] 左端座18远离连接轴11的那端穿过导向压环12。左端座18远离连接轴11的那端端面上设置有第一分隔凸块18-1和两根防转凸条18-2。第一分隔凸块18-1位于两根防转凸条18-2之间。中端座19靠近左端盖15的侧面上开设有第一容纳凹槽和两个防转凹槽。两根防转凸条18-2分别嵌入两个防转凹槽，使得左端盖15与中端座19无法相对转动。第一容纳凹槽呈长条形。第一容纳凹槽的长度方向与两个防转凹槽的长度方向平行。第一容纳凹槽的两端均设置有第一径向压力传感器20。第一分隔凸块18-1伸入第一容纳凹槽内，且位于两个第一径向压力传感器20之间。当超声拉刀发生沿第一容纳凹槽长度方向的振动时，左端座18将在不同时刻挤压两个第一径向压力传感器20。通过第一径向压力传感器20检测到的压力大小，能够判断超声拉刀沿第一容纳凹槽长度方向的振动强度。
[0049] 中端座19的外侧面上嵌有环绕中端座19的激光收发带13。激光收发带13上设置有沿中端座19周向排列的多个激光发射器和多个激光接收器，使得激光收发带13能够沿中端座19的各个径向发射和接收激光。因此无论超声拉刀在拉床本体上无需进行周向定位，就能够保证有激光射向光栅22，从而确定超声拉刀的位移量。
[0050] 中端座19远离左端盖15的侧面中部开设有卡合凹槽。右端座21的内端嵌入中端座19上的卡合凹槽。卡合凹槽的底部凯开设有第二容纳凹槽。第二容纳凹槽呈长条形。第二容纳凹槽的长度方向与第一容纳凹槽的长度方向相互垂直。第二容纳凹槽的两端均设置有第二径向压力传感器24。右端座21的内端端面设置有第二分隔凸块。第二分隔凸块伸入第一容纳凹槽内，且位于两个第二径向压力传感器24之间。第二径向压力传感器24检测的振动方向与第一径向压力传感器检测的振动方向相互垂直。右端座21远离中端座19的一侧嵌有图像传感器14。图像传感器14的摄像头采用CCD相机。
[0051] 连接轴11伸出左端盖15外的端部与超声换能器10的一端通过销钉固定。右端座21的外端与拉刀刀身23的一端通过销钉固定。超声换能器10、拉刀刀身23的另一端与两个拉刀夹持段9分别固定。两个拉刀夹持段1-17分别设置在两个快速定位夹紧装置8上溜板V型块8-2的V型槽上，并通过定位夹紧块8-4夹紧。
[0052] 控制器的六个检测信号输入接口与光电编码器1、轴向压力传感器16、两个第一径向压力传感器20、两个第二径向压力传感器24的信号输出接口分别连接。控制器的图像信号输入接口与图像传感器14的信号输出接口相连。控制器的三个电机控制接口与拉床驱动电机2、两个定位夹紧电机8-1的控制输入接口分别通过电机驱动器相连。控制器的超声控制接口与超声发生器的控制输入接口连接。控制器的通信接口与激光收发带13的通信接口连接。
[0053] 该高效精密超声拉削装置的拉削工艺分为效率模式和寿命模式。效率模式以达到高的加工效率为目标；寿命模式以延长超声拉刀使用寿命为目标。本发明拉削工艺中的控制框图如图6所示。
[0054] 当开机后，工作人员选择以寿命模式运行或以效率模式运行。控制器提供运行和控制参数，分别向电机驱动器和超声换能器发送控制指令。两个前向通道相互作用，超声换能器作用于拉刀的进给运动中，提高拉削精度和效率。
[0055] 激光收发带13与光栅配合，检测拉刀的速度，并通过激光收发带13的初始位置以及速度的变化曲线，计算出拉刀的位移量，形成速度反馈回路和位移反馈回路。轴向压力传感器16检测拉刀进给过程中的轴向负载力的大小，轴向压力传感器16在预设时间内检测到的压力的平均值作为拉刀的拉力大小，形成拉力反馈回路。轴向压力传感器16检测到的压力的变化量(波动部分)为拉刀的轴向振动力，其能够反映拉刀轴向振动的强度。
[0056] 由于左端座18可以在中端座19中进行径向微小位移，右端座21也可以在中端座19中进行径向微小位移，而左端座18、右端座21的移动中会分别挤压对应的第一径向压力传感器20、第二径向压力传感器24。第一径向压力传感器20、第二径向压力传感器24检测到的压力能够反映拉刀两个不同径向的振动强度，配合上轴向压力传感器16检测到的轴向振动强度，形成三向振动反馈回路。
[0057] 四个反馈回路中，速度检测反馈回路用于拉削进给速度的稳定；拉力、位移和三向振动检测反馈回路用于对运行参数进行自适应控制。图像传感器对工件的尺寸进行检测，如工件的尺寸参数或表面粗糙度无法达到使用要求则停机。根据拉力值的变化，能够预测拉刀寿命，并进行显示和报警指示。
[0058] 如图9所示，该高效精密超声拉削装置的拉削工艺具体如下：
[0059] 步骤一、工作人员设置模式变量M；若将M设置为0，则拉床驱动电机2以寿命模式进行运作；若将M设置为1，则拉床驱动电机2以效率模式进行运作。
[0060] 步骤二、调用已完成优化的工艺参数：切入速度V1、稳定速度V2、切入时长t1、稳定拉削时长t2；超声波频率f、超声波幅度h。其中，稳定速度V2设定为常规拉床切削过程中的进给速度；V1＝b·V2；0.4≤b≤0.6。切入时长t1、稳定拉削时长t2、超声波频率f、超声波幅度h选用试验时达到良好拉削效果的值。
[0061] 步骤三、拉床驱动电机2正转，超声换能器启动，驱动拉刀进给，开始实施拉削。
[0062] 若M＝0，则超声拉拉刀在一次进给运动中的速度变化如图7所示；具体为：超声拉刀的第一个刀齿切入工件的前t1时间内超声拉刀的进给速度维持在V1。之后，超声拉刀的进给速度维持在V2。若M＝1，则超声拉拉刀在一次进给运动中的速度变化如图8所示；具体为：超声拉拉刀的每个刀齿切入工件的前t1时间内超声拉刀的进给速度均维持在V1。其他进给时间内超声拉刀的进给速度均维持在V2。图8中t2为超声拉刀的进给速度维持在V2的单次时长。
[0063] 轴向压力传感器16持续检测拉刀进给过程中的轴向负载力F的大小。若F≥F许，则超载报警，且拉床驱动电机2及超声换能器均关闭。F许为超声拉刀的最大许可拉力。控制器根据轴向负载力F的大小及变化情况，插值计算超声拉刀的剩余寿命预测值，并显示。
[0064] 激光收发带13与光栅配合，持续检测拉刀的当前位置值X和速度V，若X≥X终，则说明拉削已到位，拉床驱动电机2停转并进入步骤四。X终为超声拉刀的进给终止位置。
[0065] 第一径向压力传感器20、第二径向压力传感器24分别检测拉刀的两个径向负载力的大小；以两个第一径向压力传感器20、两个第二径向压力传感器24中检测到压力的两个传感器所得压力的合力作为振动力。根据振动力求出振动加速度a。
[0066] 当a≥a阈时，则超振报警并停机。若a许-△a许≤a≤a许+△a许，则说明振动值在允许范围内，无需更改运行参数。若a＞a许+△a许，则说明振动值过大会降低加工精度和刀具寿命，降低拉削速度，将V2减小△V，将V1更新为V2的b倍。若a＜a许-△a许，则说明振动值过小，未发挥拉削能力，会降低加工效率，将V2增大△V，将V1更新为V2的b倍。a阈为超声拉刀的极限振动加速度。a许为超声拉刀的最佳许可振动加速度。△a许为超声拉刀的振动加速度范围半径。△V为超声拉刀进给速度的单次调节量。
[0067] 步骤四、图像传感器拍摄工件的照片并上传给控制器。控制器对所得照片进行图像处理，判断工件的拉削部位是否满足加工要求。若不满足加工要求，则超差报警，且拉床驱动电机及超声换能器均关闭。若满足加工要求，则拉床驱动电机2反转，超声拉刀以回退速度V回回退。激光收发带13与光栅配合，持续检测拉刀的当前位置值X；直到X＝X0时，则进入步骤五。
[0068] 步骤五、若需要拉削下一个工件，则更换工件后进入步骤三；否则，结束拉削。
