微細(xì)超聲工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與微振幅測(cè)量

第一作者連海山男，博士生，1985年3月生

微細(xì)超聲工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與微振幅測(cè)量

連海山，郭鐘寧 ，張偉，何俊峰，韓睿聰

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州510006)

摘要：微細(xì)超聲工作臺(tái)是微細(xì)超聲加工機(jī)床與微細(xì)超聲振動(dòng)輔助加工機(jī)床的關(guān)鍵零部件，其振幅值直接影響加工精度與加工效率。傳統(tǒng)的振幅測(cè)量方法很難準(zhǔn)確的測(cè)出微細(xì)超聲工作臺(tái)的微振幅。基于精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高分辨率，提出了一種恒力控制的微振幅測(cè)量方法，成功的測(cè)量出能精確到0.1μm的微振幅。首先對(duì)微細(xì)超聲工作臺(tái)中的微細(xì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)，然后采用基于恒力控制的超聲振幅測(cè)量方法，對(duì)不同功率作用下的微細(xì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的振幅值進(jìn)行了測(cè)量。

關(guān)鍵詞：微細(xì)超聲工作臺(tái)；微細(xì)超聲加工；微振幅；設(shè)計(jì)；測(cè)量

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1134003);國家自然科學(xué)基金(51175091)

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2014-04-16

中圖分類號(hào):TB534+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.07.031

Abstract:The micro ultrasonic worktable is the key component of the machining tools for micro ultrasonic machining and micro ultrasonic vibration assisted machining. The vibration amplitude of the micro ultrasonic worktable has significant effect on the machining precision and processing efficiency. The traditional vibration measurement methods can hardly measure the micro amplitude of the micro ultrasonic worktable precisely. Based on the high resolution demand of the precise micro three-dimensional motion worktable, a micro amplitude measurement method controlled by constant force was presented and the micro amplitude of 0.1 μm precision has been measured successfully. The theoretical design of the micro ultrasonic vibration system in the micro ultrasonic worktable was carried out in the first section of the paper. In the second section, amplitudes of the micro ultrasonic vibration system with different power were measured by the proposed method.

Design of micro ultrasonic worktable and measurement of its micro amplitude

LIANHai-shan,GUOZhong-ning,ZHANGWei,HEJun-feng,HANRui-cong(School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Key words:micro ultrasonic worktable; micro ultrasonic machining; micro amplitude; design; measure

硬脆性材料(陶瓷、玻璃、石英等)由于其密度低、強(qiáng)度高、對(duì)高溫與酸堿性不敏感、不易磨損，在微細(xì)制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而由于高硬、高脆性，硬脆性材料加工成形極具困難。大部分硬脆性材料為非導(dǎo)電材料，不能使用電加工工藝對(duì)其進(jìn)行加工；材料的硬度一般都比刀具的硬度大，不能使用傳統(tǒng)的微車銑削加工；目前適合于硬脆性材料微細(xì)加工的方法主要有微細(xì)激光加工與微細(xì)超聲加工。微細(xì)激光加工幾乎可以加工所有的材料，但是加工后的工件具有不可避免的熱影響區(qū)以及難以加工高深寬比的零部件。微細(xì)超聲加工既不依賴于材料的導(dǎo)電性、無宏觀機(jī)械作用力，沒有熱作用、又可加工高深寬比微三維立體結(jié)構(gòu)，零件表面質(zhì)量及加工精度均較好，決定了微細(xì)超聲加工工藝在金屬及非金屬硬脆性材料微結(jié)構(gòu)加工方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)[1]。

微細(xì)超聲加工是在傳統(tǒng)超聲加工的基礎(chǔ)上，減小工具與磨粒尺寸實(shí)現(xiàn)的。為了提高加工精度以及簡化機(jī)床的設(shè)計(jì)，微細(xì)超聲加工通常采用主軸旋轉(zhuǎn)與工件加振的方式。針對(duì)微細(xì)超聲加工技術(shù)，Egashira等[2]首次提出采用工件加振的微細(xì)超聲加工方式，在石英玻璃和硅片上加工出了5 μm的微孔。賈寶賢等[3]設(shè)計(jì)出了一種新的微細(xì)超聲加工單元，采用工件加振的方式，在硅片上加工出了最小直徑為13 μm，深度為50 μm的深小孔。楊曉輝等[4]對(duì)工件加振的微細(xì)超聲加工特性進(jìn)行了研究。趙萬生等[5]利用工件加振的微細(xì)超聲加工工藝在微晶云母陶瓷上加工出了孔徑為80 μm、深度為530 μm、孔側(cè)壁錐度小于5°的通孔。微細(xì)超聲振動(dòng)可以與多種微細(xì)加工工藝復(fù)合，復(fù)合加工工藝可以極大的改善工件加工質(zhì)量。Zheng等[6]將微細(xì)超聲振動(dòng)施加于皮秒激光加工微孔上，相對(duì)于未施加超聲振動(dòng)的皮秒激光加工，微孔深徑比與內(nèi)孔壁質(zhì)量都有所提高。Yang等[7]采用超聲輔助的微細(xì)電化學(xué)加工工藝，將工具陰極做成半圓柱形，在304不銹鋼上加工出了直徑為76 μm，深度為300 μm的微細(xì)孔。連海山等[8]對(duì)工件沿工具軸向振動(dòng)的微細(xì)銑削加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，建立了加工時(shí)銑刀刀尖軌跡，工件加振的微細(xì)銑削加工中刀尖對(duì)工件加工表面有錘擊作用，適當(dāng)?shù)某曊穹的苡行У販p小加工工件的表面粗糙度。

微細(xì)超聲加工機(jī)床與微細(xì)超聲振動(dòng)輔助加工機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，一般都采用工件加振的方式，微細(xì)超聲工作臺(tái)是機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵零部件。微細(xì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的微振幅直接影響加工精度與加工效率，其振幅值是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。目前適合于振幅測(cè)量的方法主要有：物理觀察法[9-10]、電測(cè)法[11]、光學(xué)法[12-13]等。物理觀察法主要是利用高頻振動(dòng)特性，及視覺滯留效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，或者用杠桿原理測(cè)量振幅；電測(cè)法屬于接觸法，將被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)量轉(zhuǎn)換成電量，然后用電量測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)量；光學(xué)法屬于非接觸法，利用光杠桿原理、讀數(shù)顯微鏡、光波干涉原理，激光多普勒效應(yīng)等進(jìn)行測(cè)量[14]。物理觀察法只適合于大振幅的測(cè)量，光學(xué)法測(cè)試設(shè)備對(duì)環(huán)境的要求高。本文采用基于恒力控制的超聲振幅測(cè)量方法，是一種將電測(cè)法與運(yùn)動(dòng)控制結(jié)合起來，結(jié)合精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高分辨率，可以精確的測(cè)量出微超聲工作臺(tái)的微振幅。

1理論設(shè)計(jì)

微細(xì)超聲加工或微細(xì)超聲輔助加工中，所需的振幅值很小，一般壓電陶瓷片產(chǎn)生的微細(xì)振幅就能滿足加工需求，不需要變幅桿對(duì)振幅進(jìn)行放大。微細(xì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)包括前匹配塊、壓電陶瓷片、電極片、后匹配塊與預(yù)應(yīng)力螺栓，如圖1所示。進(jìn)行理論設(shè)計(jì)時(shí)，忽略預(yù)應(yīng)力螺栓與電極片，微細(xì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的等效設(shè)計(jì)如圖2所示，整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)為λ/2，節(jié)面設(shè)計(jì)在前匹配塊與壓電陶瓷片接觸面。對(duì)于節(jié)面的后面部分，其頻率方程為：

(1)

式中Z1、Z2、k1、k2、l1、l2分別是換能器中相應(yīng)部分的波阻抗、波數(shù)及長度。Z1=ρ1c1S1，Z2=ρ2c2S2，k1=ω/c1，k2=ω/c2。

對(duì)于前匹配塊部分，其長度為：

l3=λ3/4

(2)

微細(xì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)中，主要部分的材料參數(shù)如表1所示。壓電陶瓷片的外徑D2=30 mm，換能器采用兩片壓電陶瓷片，壓電陶瓷片的厚度l21=l22=5 mm,振動(dòng)頻率f=40 kHz。由式(1)與(2)可得出：l1=20.1 mm；l2=10 mm；l3=32.4 mm。取l1=20 mm,l2=10 mm，l3=32 mm。

圖1　微細(xì)超聲振動(dòng)系統(tǒng) Fig.1 Micro ultrasonic vibration system

圖2　微細(xì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)等效設(shè)計(jì) Fig.2 The equivalent design of micro ultrasonic vibration system

零件材料密度ρ×103/(kg·m-3)縱波聲速c/(m·s-1)壓電陶瓷片PZT-87.64720后匹配塊45#鋼7.95169前匹配塊鈦合金4.55070

2微振幅測(cè)量

2.1恒力控制的微振幅測(cè)量方法

圖3　微細(xì)超聲工作臺(tái) 振幅測(cè)量裝置 Fig.3 Amplitudemeasurement setup of micro ultrasonic worktable

基于恒力控制的微細(xì)超聲振幅測(cè)量裝置實(shí)物圖與原理示意圖如圖3與圖4所示，該裝置由超聲工作臺(tái)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和工具探頭組成。超聲工作臺(tái)系統(tǒng)包括超聲振動(dòng)系統(tǒng)、超聲電源與夾具，超聲振動(dòng)系統(tǒng)通過節(jié)面安裝固定在夾具上，超聲電源驅(qū)動(dòng)超聲振動(dòng)系統(tǒng)做高頻的機(jī)械振動(dòng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由壓力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、控制軟件(LABVIEW)組成。壓力傳感器SBT630的技術(shù)參數(shù)如表2所示。壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過電荷放大器放大之后傳輸給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，在LABVIEW控制面板上顯示出實(shí)時(shí)的壓力值。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過LABVIEW軟件控制精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)ABC三軸的最小分辨率都為0.1μm。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的A軸通過LABVIEW軟件控制形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過檢測(cè)壓力值實(shí)時(shí)控制Z軸的運(yùn)動(dòng)或者停止。

表2　壓力傳感器SBT630的技術(shù)參數(shù)

基于恒力控制的微細(xì)超聲振幅測(cè)量的原理是：在LABVIEW軟件界面中設(shè)定一個(gè)壓力設(shè)定值，打開超聲電源使微細(xì)超聲工作臺(tái)振動(dòng)，然后驅(qū)動(dòng)精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)A軸以恒定的速度向上運(yùn)動(dòng)，使安裝在其上的微細(xì)超聲工作臺(tái)向工具探頭逼近直至接觸，當(dāng)檢測(cè)到的壓力值超過軟件界面中設(shè)定的壓力設(shè)定值時(shí)，精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的A軸立即停止運(yùn)動(dòng)。記錄A軸的絕對(duì)坐標(biāo)值A(chǔ)1。關(guān)閉超聲電源，再次驅(qū)動(dòng)精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)A軸以不變的速度向上運(yùn)動(dòng)，直至檢測(cè)到的壓力值超過設(shè)定的壓力值，A軸立即停止運(yùn)動(dòng)。記錄A軸的絕對(duì)坐標(biāo)值A(chǔ)2。則微細(xì)超聲振幅值為A2-A1。

恒力控制的微振幅測(cè)量流程圖如圖4所示。①安裝好測(cè)量裝置。夾具通過壓力傳感器安裝于精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。工具探頭安裝在主軸上，主軸的軸線垂直于超聲振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)平面。②啟動(dòng)恒力控制系統(tǒng)，對(duì)精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行初始化。③粗對(duì)刀?？刂浦鬏S滑臺(tái)與精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使工具探頭正對(duì)于超聲振動(dòng)系統(tǒng)的被測(cè)端面，工具探頭距振動(dòng)端面的距離在10 mm以內(nèi)(不能超過精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)A軸的行程)。④設(shè)定力反饋傳感器力設(shè)定值,打開超聲電源，驅(qū)動(dòng)精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)A軸運(yùn)動(dòng)。在LABVIEW軟件界面中設(shè)定力設(shè)定值(大于實(shí)時(shí)顯示的力值)、A軸運(yùn)動(dòng)速度值與A軸運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)位置，然后打開超聲電源使微細(xì)超聲工作臺(tái)做超聲頻的機(jī)械振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)A軸向上運(yùn)動(dòng)，趨近安裝在主軸上的工具探頭。⑤第一次判斷。A軸以設(shè)定的速度趨近于工具探頭，直至實(shí)時(shí)顯示的力值大于力設(shè)定值，A軸立即停止運(yùn)動(dòng)，讀取并記錄此時(shí)A軸的絕對(duì)坐標(biāo)值A(chǔ)1。

圖4　微細(xì)超聲工作臺(tái)振幅測(cè)量裝置示意圖 Fig.4 Schematically illustration of amplitude measurement setup of micro ultrasonic worktable

圖5　微振幅測(cè)量流程圖 Fig.5 The flow diagram of the micro amplitude measurement

⑥關(guān)閉超聲電源，再次驅(qū)動(dòng)精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)A軸運(yùn)動(dòng)。關(guān)閉超聲電源后，實(shí)時(shí)顯示的壓力值小于力設(shè)定值，可以再次驅(qū)動(dòng)A軸向上運(yùn)動(dòng)。⑦第二次判斷。當(dāng)A軸實(shí)時(shí)顯示的值大于力設(shè)定值時(shí)，A軸立即停止運(yùn)動(dòng)，讀取并記錄此時(shí)A軸的絕對(duì)坐標(biāo)值A(chǔ)2。⑧計(jì)算微細(xì)超聲工作臺(tái)的振幅值。微超聲振幅值為A2-A1。多次測(cè)量求平均值即為一定功率作用下的微細(xì)超聲振幅值。

微三維A軸精對(duì)刀振動(dòng)通道最小值最大值采樣率/Hz偏差1/0.0010.0010000.10樣本/Hz均值電壓/V力/N10000.1859.261力設(shè)定值/N速度/(mm·s-1)目標(biāo)/mm9.50.00055微三維平臺(tái)多軸坐標(biāo)顯示絕對(duì)坐標(biāo)A軸B軸C軸4.9844.999710

圖6　軟件設(shè)置界面

圖7超聲作用運(yùn)動(dòng)停止界面

Fig.7 Motion stop interface with ultrasonic effected

2.2微振幅測(cè)量實(shí)驗(yàn)

基于LABVIEW軟件開發(fā)的精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)A軸運(yùn)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的閉環(huán)控制界面如圖6所示，通過界面可以設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的采樣率、力設(shè)定值以及A軸的運(yùn)動(dòng)速度和目標(biāo)位置。圖7為超聲作用下，A軸檢測(cè)到力值超過力設(shè)定值A(chǔ)軸停止運(yùn)動(dòng)后的軟件界面，圖中顯示A軸的坐標(biāo)為A1=4.983 6 mm。圖8為無超聲作用下A軸繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，A軸檢測(cè)到力值超過力設(shè)定值停止運(yùn)動(dòng)后的軟件界面，圖中顯示A軸的坐標(biāo)為A2=4.984 6 mm。則此次測(cè)量的超聲振動(dòng)系統(tǒng)的振幅為A2-A1=1.0 μm。

微三維A軸精對(duì)刀振動(dòng)通道最小值最大值采樣率/Hz偏差1/0.0010.0010000.10樣本/Hz均值電壓/V力/N10000.1919.526力設(shè)定值/N速度/(mm·s-1)目標(biāo)/mm9.50.00055微三維平臺(tái)多軸坐標(biāo)顯示絕對(duì)坐標(biāo)A軸B軸C軸4.984644.999710

圖8無超聲作用運(yùn)動(dòng)停止界面

Fig.8 Motion stop interface without ultrasonic effected

采用基于恒力控制的微振幅測(cè)量方法，測(cè)得的不同功率作用下的微振幅圖9所示，每組功率做三次試驗(yàn)。

圖9　不同功率下的微振幅 Fig.9 Micro amplitudes on different power

3結(jié)論

對(duì)微細(xì)超聲加工與微細(xì)超聲輔助加工機(jī)床核心部件微細(xì)超聲工作臺(tái)進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)。基于精密微三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的高分辨率以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，采用恒力控制的微振幅測(cè)量方法，測(cè)出了不同功率驅(qū)動(dòng)下的微細(xì)超聲工作臺(tái)的微振幅。恒力控制的微振幅測(cè)量方法測(cè)量精度取決于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的最小分辨率、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)速度、壓力傳感器的響應(yīng)頻率與分辨率、數(shù)據(jù)采集卡的采樣率。

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