一种超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统，包括第一连接件、振动变幅杆、第二连接件、工件固定轴以及控制系统；振动变幅杆安装有压电致动器，所述压电致动器均与超声波发生器连接，所述振动变幅杆与刀具齿轮接触的末端安装有第一压电传感器；第二连接件内嵌装有的三组压电叠层致动器；工件固定轴上安装有四个第二压电传感器；控制系统与超声波发生器、第一压电传感器、第二压电传感器以及压电叠层致动器连接以控制整个系统工作。本系统及使用该系统的方法能主动补偿多种原因造成的误差，获得期望的加工轨迹，几个方向的振动幅值及相角差保持着设定值，将振动频率锁定在固有频率附近，提高了工件的表面质量及形状精度。

【技术实现步骤摘要】
一种超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统及方法
本专利技术涉及齿轮加工领域，特别是涉及一种超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统及方法。
技术介绍
在超声振动辅助加工中，其加工精度由刀具的加工轨迹稳定性决定，但是在超声振动发生装置在激励一个方向振动时，发生一个方向的预定振动后，会格外产生另外一个方向的振动，比如，超声振动发生器的一对压电致动器激励振动变幅杆发生x方向的振动时，会格外产生Y方向的振动，这是由变幅杆在X，Y方向振型具有一些相角差并发生共振造成的。加工过程中刀具与工件受力接触后的变形，机床各部件的传动配合，超声振动过程中的不同方向振动的干涩等因素造成了加工路径偏离预定路径。这对超声振动辅助加工后的工件的形状精度，表面质量造成了严重影响。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本专利技术提出一种能提高工件表面质量及形状精度的超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统，包括第一连接件、振动变幅杆、第二连接件、工件固定轴以及控制系统；所述第一连接件设置有截面为多边形的内腔，所述第一连接件与第二连接件固定连接；所述振动变幅杆插装在内腔中并可将扭矩传递给第一连接件，所述振动变幅杆远离内腔的末端用于安装刀具齿轮，所述振动变幅杆安装有压电致动器，所述振动变幅杆能将压电致动器产生的振动位移和速度进行放大，将超声能量聚集刀具齿轮上，并能产生轴向-弯曲-扭转耦合振动，所述压电致动器均与超声波发生器连接，所述振动变幅杆与刀具齿轮接触的末端安装有四个呈十字交叉设置的第一压电传感器；所述第二连接件内嵌装有相互垂直设置的三组压电叠层致动器；所述工件固定轴与振动变幅杆位置相对，用于安装工件齿轮，所述工件固定轴上安装有对应第一压电传感器的四个第二压电传感器；所述控制系统与超声波发生器、第一压电传感器、第二压电传感器以及压电叠层致动器连接以控制整个系统工作。进一步，所述振动变幅杆包括按顺序依次设置的配合定位段、第一致动器安装段、第三连接件安装段、第二致动器安装段、第四连接件安装段以及刀具齿轮安装段；所述压电致动器包括第一压电致动器和第二压电致动器；所述配合定位段和刀具齿轮安装段位于振动变幅杆两端，所述配合定位段与内腔底部配合相连，所述刀具齿轮安装段用于安装刀具齿轮，所述第一压电传感器则安装在刀具齿轮安装段；所述第一致动器安装段安装有一对位置相对的第一压电致动器，所述第三连接件安装段与内腔内壁之间安装有第三连接件，所述第三连接件截面的外圈为与内腔匹配的多边形，所述第三连接件截面内圈和第三连接件安装段截面为相互匹配的多边形，所述第三连接件与第一连接件固定连接；所述第二致动器安装段安装有一对第二压电致动器，两个所述第一压电致动器与两个第二压电致动器十字交叉设置；所述第四连接件安装段设置有第一凹槽，所述第一凹槽与内腔外壁之间安装有第四连接件，所述第四连接件与第一连接件固定连接，所述第四连接件截面的外圈为与内腔匹配的多边形，所述第四连接件截面内圈为圆形，所述第四连接件安装段设置有绕轴线均匀分布且斜向设置的凹槽孔。进一步，所述内腔截面为正六边形，所述第三连接件截面内圈和第三连接件安装段截面为正八边形，所述第三连接件与第一连接件设置有相应的螺栓孔以通过螺栓连接固定并预紧，所述第三连接件与第三连接件安装段之间安装有适配的第一垫圈，所述第三连接件设置有断开处，所述断开处安装有第二垫片，所述第二垫片一端与第一垫圈接触，另一端与第一连接件接触。进一步，所述凹槽孔设置有两组，每组凹槽孔设置有四个且绕轴线均匀分布，所述第一凹槽和第四连接件对应设置有两个且沿轴线间隔设置。进一步，所述振动变幅杆的振型节点与第三连接件和两个第四连接件的位置重合。进一步，所述第二致动器安装段到第四连接件安装段之间依次设置有延伸段和中间轴段，所述中间轴段在整个振动变幅杆中直径最大，所述第四连接件安装段和刀具齿轮安装段之间设置有连接段，所述连接段外圈延伸曲线为高斯曲线且从第四连接件安装段到刀具齿轮安装段直径逐渐变小。本专利技术还提供了一种超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿方法，步骤如下：步骤一，将刀具齿轮和工件齿轮安装在机床上，所述机床包括上述权利要求至任一项所述的超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统，即将刀具齿轮安装在振动变幅杆的末端，使刀具齿轮能够随振动变幅杆共同振动，将工件齿轮安装在工件固定轴，以待加工；步骤二，控制刀具工作台运动的同时启动超声波发生器，驱动相应的压电致动器工作，使振动变幅杆进行相应的振动，振动变幅杆将该振动放大后传递至刀具齿轮，使刀具齿轮与工件在在一个振动周期内实现部分时间加工与部分时间非加工的循坏周期；步骤三，控制系统根据第一压电传感器采集的振动变幅杆的实时切向振动位移，计算出对应切向的压电叠层致动器补偿该振动位移所需的电压；同时，根据第二压电传感器采集的工件齿轮的实时位移偏差，计算出三个方向的压电叠层致动器补偿该位移偏差所需的电压；步骤四，将步骤三中为补偿振动变幅杆的实时切向振动位移产生的电压、为补偿工件齿轮的实时位移偏差产生的电压以及为避免压电叠层致动器移动的电压，按照对应的方向相加得出三个方向上的压电叠层致动器的电压；步骤五，控制系统按照步骤四得出的三个方向的压电叠层致动器的电压给对应的方向的压电叠层致动器实时施压，使得第二连接件移动，完成误差实时补偿。本专利技术的有益效果是：避免了弯曲、扭转和轴向耦合超声振动辅助加工中不同振型之间的干涉，并能主动补偿由于加工过程中刀具与工件受力接触后的变形、机床各部件的传动配合以及超声振动过程中的不同方向振动的干涉等因素造成的形状误差，获得了期望的轨迹，几个方向的振动幅值及相角差保持着设定值，将振动频率锁定在固有频率附近，提高了工件的表面质量及形状精度，可用于各类齿轮加工中。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术安装结构示意图；图2是振动变幅杆的结构示意图；图3是第一连接件、第三连接件和振动变幅杆的连接示意图；图4是振动变幅杆扭转非谐振振动产生原理示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。参照图1至图4，本专利技术的一种超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统，包括第一连接件1、振动变幅杆2、第二连接件3、工件固定轴9以及控制系统。所述第一连接件1设置有截面为多边形的内腔11，所述第一连接件1与第二连接件3固定连接；第一连接件1材质为高锰钢，其外圈为正六面体或圆柱体，第一连接件1与第二连接件3固定连接，第二连接件3与机床刀具工作台通过螺栓连接固定，机床刀具工作台与丝杆连接，机床刀具工作台的进给和移动带动振动变幅杆2上的刀具齿轮261对工件进行加工。所述第一连接件1设置有内腔11，内腔11沿其外圈轴线延伸。振动变幅杆2插装在内腔11内，其轴线与第一连接件1外圈或内腔11的轴线重合。内腔11的截面为多边形，用于传递和承受扭转力矩，优选地，内腔11截面为正六边形，当外界条件一定时可以保持其刚性最大。所述振动变幅杆2的材料采用钛合金，工作频率内材料损耗少，抗疲劳强度高，声阻抗率小，可以承受较大的振动速度和位移振幅。阶梯形状的振动变幅杆2在截面突变处有很大的应力集中，接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统，其特征在于：包括第一连接件(1)、振动变幅杆(2)、第二连接件(3)、工件固定轴(9)以及控制系统；所述第一连接件(1)设置有截面为多边形的内腔(11)，所述第一连接件(1)与第二连接件(3)固定连接；所述振动变幅杆(2)插装在内腔(11)中并可将扭矩传递给第一连接件(1)，所述振动变幅杆(2)远离内腔(11)的末端用于安装刀具齿轮(261)，所述振动变幅杆(2)安装有压电致动器，所述振动变幅杆(2)能将压电致动器产生的振动位移和速度进行放大，将超声能量聚集在刀具齿轮(261)上，并能产生轴向‑弯曲‑扭转耦合振动，所述压电致动器均与超声波发生器连接，所述振动变幅杆(2)与刀具齿轮(261)接触的末端安装有四个呈十字交叉设置的第一压电传感器；所述第二连接件(3)内嵌装有相互垂直设置的三组压电叠层致动器；所述工件固定轴(9)与振动变幅杆(2)位置相对，用于安装工件齿轮(91)，所述工件固定轴(9)上安装有对应第一压电传感器的四个第二压电传感器；所述控制系统与超声波发生器、第一压电传感器、第二压电传感器以及压电叠层致动器连接以控制整个系统工作。...

【技术特征摘要】
1.一种超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统，其特征在于：包括第一连接件(1)、振动变幅杆(2)、第二连接件(3)、工件固定轴(9)以及控制系统；所述第一连接件(1)设置有截面为多边形的内腔(11)，所述第一连接件(1)与第二连接件(3)固定连接；所述振动变幅杆(2)插装在内腔(11)中并可将扭矩传递给第一连接件(1)，所述振动变幅杆(2)远离内腔(11)的末端用于安装刀具齿轮(261)，所述振动变幅杆(2)安装有压电致动器，所述振动变幅杆(2)能将压电致动器产生的振动位移和速度进行放大，将超声能量聚集在刀具齿轮(261)上，并能产生轴向-弯曲-扭转耦合振动，所述压电致动器均与超声波发生器连接，所述振动变幅杆(2)与刀具齿轮(261)接触的末端安装有四个呈十字交叉设置的第一压电传感器；所述第二连接件(3)内嵌装有相互垂直设置的三组压电叠层致动器；所述工件固定轴(9)与振动变幅杆(2)位置相对，用于安装工件齿轮(91)，所述工件固定轴(9)上安装有对应第一压电传感器的四个第二压电传感器；所述控制系统与超声波发生器、第一压电传感器、第二压电传感器以及压电叠层致动器连接以控制整个系统工作。2.根据权利要求1所述的超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统，其特征在于：所述振动变幅杆(2)包括按顺序依次设置的配合定位段(21)、第一致动器安装段(22)、第三连接件安装段(23)、第二致动器安装段(24)、第四连接件安装段(25)以及刀具齿轮安装段(26)；所述压电致动器包括第一压电致动器(4)和第二压电致动器(6)；所述配合定位段(21)和刀具齿轮安装段(26)位于振动变幅杆(2)两端，所述配合定位段(21)与内腔(11)底部配合相连，所述刀具齿轮安装段(26)用于安装刀具齿轮(261)，所述第一压电传感器则安装在刀具齿轮安装段(26)；所述第一致动器安装段(22)安装有一对位置相对的第一压电致动器(4)，所述第三连接件安装段(23)与内腔(11)内壁之间安装有第三连接件(5)，所述第三连接件(5)截面的外圈为与内腔(11)匹配的多边形，所述第三连接件(5)截面内圈和第三连接件安装段(23)截面为相互匹配的多边形，所述第三连接件(5)与第一连接件(1)固定连接；所述第二致动器安装段(24)安装有一对第二压电致动器(6)，两个所述第一压电致动器(4)与两个第二压电致动器(6)十字交叉设置；所述第四连接件安装段(25)设置有第一凹槽(251)，所述第一凹槽(251)与内腔(11)外壁之间安装有第四连接件(7)，所述第四连接件(7)与第一连接件(1)固定连接，所述第四连接件(7)截面的外圈为与内腔(11)匹配的多边形，所述第四连接件(7)截面内圈为圆形，所述第四连接件安装段(25)设置有绕轴线均匀分布且斜向设置的凹槽孔(252)。3.根据权利要求2所述的超声振动辅助加工齿轮综合误差实时补偿系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐进元，陈雪林，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43