[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。