本发明公开了超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置及方法、应用，所述超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置包括超声振动切削装置、超声电源、示波器和锁相放大器。本发明所述方法主要利用锁相放大器对加工过程中超声振动信号微弱变化量进行准确测量，同时利用示波器检测超声振动切削装置空载振动信号和负载振动信号，通过这三方面振动信号进行综合分析，一方面，可对超声振动切削中的超声频率、超声振幅变化进行检测和补偿，提高超声稳定性，提高加工效果；另一方面，可通过分析反馈振动信号，对材料切削特性进行研究。
1.超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置，其特征在于，包括超声振动切削装置(2)、超声电源(3)、示波器(4)和锁相放大器(5)；
所述超声振动切削装置(2)安装在超精密车床上，用于切削加工工件(1)；
所述超声电源(3)与超声振动切削装置(2)通过线缆连接，用于驱动超声振动切削装置(2)振动，所述超声电源(3)的电压和电流能够调整；
所述示波器(4)与超声电源(3)通过线缆连接，用于测量超声振动切削装置(2)在空载和负载状态时的超声振幅和超声频率；
所述锁相放大器(5)与超声电源(3)通过线缆连接，用于测量超声振动切削装置(2)在负载状态时的其它振动信号；
所述锁相放大器(5)的锁相单元数量为2个，输入信号带宽为DC‑200MHz，输入采样率为
500MSa/s，谐波解调最高为200MHz，动态储备为80dB；
装置使用时先在空载条件下，利用示波器(4)测量超声振动切削装置(2)的超声振幅和超声频率，利用超声振动切削装置(2)对工件(1)进行切削加工，再次用示波器(4)测量超声振动切削装置(2)在负载状态时的超声振幅和超声频率，利用锁相放大器(5)测量超声振动切削装置(2)在负载状态时的其它振动信号，通过对示波器(4)的测量结果和锁相放大器(5)的测量结果进行分析，获得超声电源(3)的补偿量，通过调整超声电源(3)的电压和电流，实现对超声振动切削装置(2)的超声振幅和超声频率进行补偿。
2.一种基于权利要求1所述的超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2)、开启超声电源(3)，驱动超声振动切削装置(2)振动，依次开启示波器(4)和锁相放大器(5)；
3)、在空载条件下，利用示波器(4)测量超声振动切削装置(2)的超声振幅和超声频率；
4)、利用超声振动切削装置(2)对工件(1)进行切削加工，再次用示波器(4)测量超声振动切削装置(2)在负载状态时的超声振幅和超声频率，利用锁相放大器(5)测量超声振动切削装置(2)在负载状态时的其它振动信号；
5)、通过对示波器(4)的测量结果和锁相放大器(5)的测量结果进行分析，获得超声电源(3)的补偿量，通过调整超声电源(3)的电压和电流，实现对超声振动切削装置(2)的超声振幅和超声频率进行补偿。
3.根据权利要求2所述的超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置的方法，其特征在于，所述设备安装与调试包括以下步骤：
11)、确保超精密车床的各个轴系的工作特性正常，待机预热至车床达到热稳定，其中，超精密车床置于预设恒温、恒湿及空气清洁度的超精密加工实验室内；
12)、将工件(1)安装在超精密车床主轴的真空吸盘上，完成工件(1)的动平衡调整；
13)、通过普通切削加工，实现工件(1)切削表面的快速找平；
14)、将超声振动切削装置(2)通过高度微调装置安装在超精密车床上，并进行对刀；
15)、将超声电源(3)与超声振动切削装置(2)连接，将示波器(4)和锁相放大器(5)分别与超声电源(3)连接。
4.一种基于权利要求1所述的超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置的应用，其特征在于，所述超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置用于超声振动切削信号检测、用于对材料切削特性进行研究。
超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置及方法、应用
技术领域
[0001] 本发明涉及信号检测领域，具体涉及超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置及方法、应用。
背景技术
[0002] 超声振动辅助切削加工是在传统车削、铣削、磨削等基础上，添加超声振动作用，具有减少刀具磨损、提高加工质量、提高加工效率等优点，作为一种常用的精密加工方法，
在难加工材料加工领域获得了广泛的应用。
[0003] 但超声振动切削装置设计时处在空载状态，加工过程中超声振动切削装置处在负载状态，这使得在实际加工中超声振幅、超声频率与设计的超声振幅、超声频率存在区别，
一般情况下由于负载存在，超声振幅、超声频率与设计相比存在衰减，该现象会影响工件加
工质量，因此，需要根据负载情况对超声信号进行补偿，而补偿的基础是对该衰减信号进行
准确测量。
[0004] 由于加工对象不同，导致负载千变万化，反馈信号微弱，容易被其它信号淹没，所以，如何对反馈信号准确测量成为亟待解决的难题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置及方法，实现对反馈信号准确测量，进而实现对超声振动切削中的超声频率、超声振幅变化进行检测和
补偿。
[0006] 此外，本发明还提供上述超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置的应用。
[0007] 本发明通过下述技术方案实现：
[0008] 超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置，包括超声振动切削装置、超声电源、示波器和锁相放大器；
[0009] 所述超声振动切削装置安装在超精密车床上，用于切削加工工件；
[0010] 所述超声电源与超声振动切削装置通过线缆连接，用于驱动超声振动切削装置振动，所述超声电源的电压和电流能够调整；
[0011] 所述示波器与超声电源通过线缆连接，用于测量超声振动切削装置在空载和负载状态时的超声振幅和超声频率；
[0012] 所述锁相放大器与超声电源通过线缆连接，用于测量超声振动切削装置在负载状态时的其它振动信号。
[0013] 本发明所述锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信
号同频(或者倍频)、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪
比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单。锁相放大器将输入待测信
号，经放大和带通滤波后与参考信号共同输入混频器得到的结果再通过低通滤波器滤波后
输出。主要用于检测信噪比很低的微弱信号。即使有用的信号被淹没在噪声信号里面，即使
噪声信号比有用的信号大很多，只要知道有用的信号的频率值，就能准确地测量出这个信
号的幅值。
[0014] 所述示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子
组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点(这是传统的模拟示波器
的工作原理)。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被
测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲
线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。
[0015] 本发明利用示波器测量超声振动切削装置在空载和负载状态下的信号(超声振幅和超声频率)，获得超声振动切削装置在负载状态下的信号衰减量，通过准确测量信号衰减
量，通过控制超声电源的电压和电流实现对超声振动切削装置的信号补偿，并且通过锁相
放大器对加工过程中超声振动信号微弱变化量进行准确测量，结合空载振动信号和负载振
动信号，通过这三方面振动信号进行综合分析，实现了对反馈信号准确测量，进而实现对超
声振动切削中的超声频率、超声振幅变化进行检测和补偿。
[0016] 进一步地，锁相放大器的锁相单元数量为2个，输入信号带宽为DC‑200MHz，输入采样率为500MSa/s，谐波解调最高为200MHz，动态储备为80dB。
[0017] 由于切削加工中，因刀具‑工件接触所引起的振动频率变化范围小，所以需要具有高精度扫频功能的锁相放大器才能监测到信号的频移情况。
[0018] 本发明选择上述参数的锁相放大器能够实现高精度扫频。
[0019] 一种基于超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置的方法，包括以下步骤：
[0020] 1)、设备安装与调试；
[0021] 2)、开启超声电源，驱动超声振动切削装置振动，依次开启示波器和锁相放大器；
[0022] 3)、在空载条件下，利用示波器测量超声振动切削装置的超声振幅和超声频率；
[0023] 4)、利用超声振动切削装置对工件进行切削加工，再次用示波器测量超声振动切削装置在负载状态时的超声振幅和超声频率，利用锁相放大器测量超声振动切削装置在负
载状态时的其它振动信号；
[0024] 5)、通过对示波器的测量结果和锁相放大器的测量结果进行分析，获得超声电源的补偿量，通过调整超声电源的电压和电流，实现对超声振动切削装置的超声振幅和超声
频率进行补偿。
[0025] 本发明所述方法主要利用锁相放大器对加工过程中超声振动信号(反馈信号)的微弱变化量进行准确测量，同时利用示波器检测超声振动切削装置空载振动信号和负载振
动信号，通过这三方面振动信号进行综合分析，一方面，可对超声振动切削中的超声频率、
超声振幅变化进行检测和补偿，提高超声稳定性，提高加工效果；另一方面，可通过分析反
馈振动信号，对材料切削特性进行研究。
[0026] 进一步地，设备安装与调试包括以下步骤：
[0027] 11)、确保超精密车床的各个轴系的工作特性正常，待机预热至车床达到热稳定，其中，超精密车床置于预设恒温、恒湿及空气清洁度的超精密加工实验室内；
[0028] 12)、将工件安装在超精密车床主轴的真空吸盘上，完成工件的动平衡调整；
[0029] 13)、通过普通切削加工，实现工件切削表面的快速找平；
[0030] 14)、将超声振动切削装置通过高度微调装置安装在超精密车床上，并进行对刀；
[0031] 15)、将超声电源与超声振动切削装置连接，将示波器和锁相放大器分别与超声电源连接。
[0032] 一种基于超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置的应用，所述超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置用于超声振动切削信号检测、用于对材料切削特性进行研
究。
[0033] 本发明所述装置通过对示波器的测试信号和锁相放大器的测试信号进行分析，通过超声频率和超声振幅变化，能够用于对材料切削特性进行研究。
[0034] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0035] 本发明所述方法主要利用锁相放大器对加工过程中超声振动信号(反馈信号)的微弱变化量进行准确测量，同时利用示波器检测超声振动切削装置空载振动信号和负载振
动信号，通过这三方面振动信号进行综合分析，一方面，可对超声振动切削中的超声频率、
超声振幅变化进行检测和补偿，提高超声稳定性，提高加工效果；另一方面，可通过分析反
馈振动信号，对材料切削特性进行研究。
附图说明
[0036] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0037] 图1为本发明所述超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置的示意图；
[0038] 图2为本发明实施例1中空载条件下超声振幅和超声频率信号；
[0039] 图3为本发明实施例1中负载条件下超声振幅和超声频率信号；
[0040] 图4为本发明实施例1中超声振动辅助切削反馈信号。
[0041] 附图中标记及对应的零部件名称：
[0042] 1‑工件，2‑超声振动切削装置，3‑超声电源，4‑示波器，5‑锁相放大器。
具体实施方式
[0043] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。
[0044] 实施例1：
[0045] 如图1‑图4所示，超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置，包括超声振动切削装置2、超声电源3、示波器4和锁相放大器5；
[0046] 所述超声振动切削装置2安装在超精密车床上，用于切削加工工件1；
[0047] 所述超声电源3与超声振动切削装置2通过线缆连接，用于驱动超声振动切削装置2振动，所述超声电源3的电压和电流能够调整；
[0048] 所述示波器4与超声电源3通过线缆连接，用于测量超声振动切削装置2在空载和负载状态时的超声振幅和超声频率；
[0049] 所述锁相放大器5与超声电源3通过线缆连接，用于测量超声振动切削装置2在负载状态时的其它振动信号；所述锁相放大器5的锁相单元数量为2个，输入信号带宽为DC‑
200MHz，输入采样率为500MSa/s，谐波解调最高为200MHz，动态储备为80dB。
[0050] 上述装置超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置的方法，包括以下步骤：
[0051] 1)、设备安装与调试：
[0052] 11)、确保超精密车床的各个轴系的工作特性正常，待机预热至车床达到热稳定，其中，超精密车床置于预设恒温、恒湿及空气清洁度的超精密加工实验室内；
[0053] 12)、将工件1安装在超精密车床主轴的真空吸盘上，完成工件1的动平衡调整；
[0054] 13)、通过普通切削加工，实现工件1切削表面的快速找平；
[0055] 14)、将超声振动切削装置2通过高度微调装置安装在超精密车床上，并进行对刀；
[0056] 15)、将超声电源3与超声振动切削装置2连接，将示波器4和锁相放大器5分别与超声电源3连接；
[0057] 2)、开启超声电源3，驱动超声振动切削装置2振动，依次开启示波器4和锁相放大器5；
[0058] 3)、在空载条件下，利用示波器4测量超声振动切削装置2的超声振幅和超声频率，如图2所示，超声振幅为2μm，频率为34Khz；
[0059] 4)、利用超声振动切削装置2对工件1进行切削加工，再次用示波器4测量超声振动切削装置2在负载状态时的超声振幅和超声频率，如图3所示，超声振幅为1.8μm，频率为
30Khz，加工负载的引入，使得超声振幅和频率发生变化，利用锁相放大器5测量负载引起的
其它振动信号，如图4所示，振幅约为0.15μm，频率为34Khz；
[0060] 5)、通过对示波器4的测量结果和锁相放大器5的测量结果进行分析，获得超声电源3的补偿量，采用锁相放大器5的通用扫频模式调整超声电源3的电压和电流，实现对超声
振动切削装置2的超声振幅和超声频率进行补偿，得超声振幅和频率恢复为2μm和34Khz。
[0061] 基于上述超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置的应用，所述超声振动辅助切削反馈信号检测与补偿装置用于超声振动切削信号检测、用于对材料切削特性进行研
究。
[0062] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。
