微細超聲工作臺的設計與微振幅測量

第一作者連海山男，博士生，1985年3月生

微細超聲工作臺的設計與微振幅測量

連海山，郭鐘寧 ，張偉，何俊峰，韓睿聰

(廣東工業大學機電工程學院，廣州510006)

摘要：微細超聲工作臺是微細超聲加工機床與微細超聲振動輔助加工機床的關鍵零部件，其振幅值直接影響加工精度與加工效率。傳統的振幅測量方法很難準確的測出微細超聲工作臺的微振幅。基于精密微三維運動平臺的高分辨率，提出了一種恒力控制的微振幅測量方法，成功的測量出能精確到0.1μm的微振幅。首先對微細超聲工作臺中的微細超聲振動系統進行了理論設計，然后采用基于恒力控制的超聲振幅測量方法，對不同功率作用下的微細超聲振動系統的振幅值進行了測量。

關鍵詞：微細超聲工作臺；微細超聲加工；微振幅；設計；測量

基金項目：國家自然科學基金重點資助項目(U1134003);國家自然科學基金(51175091)

收稿日期：2013-11-08修改稿收到日期：2014-04-16

中圖分類號:TB534+.2

文獻標志碼：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、強度高、對高溫與酸堿性不敏感、不易磨損，在微細制造領域有著廣泛的應用前景。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電材料，不能使用電加工工藝對其進行加工；材料的硬度一般都比刀具的硬度大，不能使用傳統的微車銑削加工；目前適合于硬脆性材料微細加工的方法主要有微細激光加工與微細超聲加工。微細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以及難以加工高深寬比的零部件。微細超聲加工既不依賴于材料的導電性、無宏觀機械作用力，沒有熱作用、又可加工高深寬比微三維立體結構，零件表面質量及加工精度均較好，決定了微細超聲加工工藝在金屬及非金屬硬脆性材料微結構加工方面具有得天獨厚的優勢[1]。

微細超聲加工是在傳統超聲加工的基礎上，減小工具與磨粒尺寸實現的。為了提高加工精度以及簡化機床的設計，微細超聲加工通常采用主軸旋轉與工件加振的方式。針對微細超聲加工技術，Egashira等[2]首次提出采用工件加振的微細超聲加工方式，在石英玻璃和硅片上加工出了5 μm的微孔。賈寶賢等[3]設計出了一種新的微細超聲加工單元，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]對工件加振的微細超聲加工特性進行了研究。趙萬生等[5]利用工件加振的微細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、孔側壁錐度小于5°的通孔。微細超聲振動可以與多種微細加工工藝復合，復合加工工藝可以極大的改善工件加工質量。Zheng等[6]將微細超聲振動施加于皮秒激光加工微孔上，相對于未施加超聲振動的皮秒激光加工，微孔深徑比與內孔壁質量都有所提高。Yang等[7]采用超聲輔助的微細電化學加工工藝，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的微細孔。連海山等[8]對工件沿工具軸向振動的微細銑削加工實驗進行了研究，建立了加工時銑刀刀尖軌跡，工件加振的微細銑削加工中刀尖對工件加工表面有錘擊作用，適當的超聲振幅值能有效地減小加工工件的表面粗糙度。

微細超聲加工機床與微細超聲振動輔助加工機床設計時，一般都采用工件加振的方式，微細超聲工作臺是機床設計的關鍵零部件。微細超聲振動系統的微振幅直接影響加工精度與加工效率，其振幅值是設計的關鍵參數。目前適合于振幅測量的方法主要有：物理觀察法[9-10]、電測法[11]、光學法[12-13]等。物理觀察法主要是利用高頻振動特性，及視覺滯留效應進行測量，或者用杠桿原理測量振幅；電測法屬于接觸法，將被測對象的振動量轉換成電量，然后用電量測試儀器進行測量；光學法屬于非接觸法，利用光杠桿原理、讀數顯微鏡、光波干涉原理，激光多普勒效應等進行測量[14]。物理觀察法只適合于大振幅的測量，光學法測試設備對環境的要求高。本文采用基于恒力控制的超聲振幅測量方法，是一種將電測法與運動控制結合起來，結合精密微三維運動平臺的高分辨率，可以精確的測量出微超聲工作臺的微振幅。

1理論設計

微細超聲加工或微細超聲輔助加工中，所需的振幅值很小，一般壓電陶瓷片產生的微細振幅就能滿足加工需求，不需要變幅桿對振幅進行放大。微細超聲振動系統包括前匹配塊、壓電陶瓷片、電極片、后匹配塊與預應力螺栓，如圖1所示。進行理論設計時，忽略預應力螺栓與電極片，微細超聲振動系統的等效設計如圖2所示，整個振動系統為λ/2，節面設計在前匹配塊與壓電陶瓷片接觸面。對于節面的后面部分，其頻率方程為：

(1)

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

對于前匹配塊部分，其長度為：

l3=λ3/4

(2)

微細超聲振動系統中，主要部分的材料參數如表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　微細超聲振動系統 Fig.1 Micro ultrasonic vibration system

圖2　微細超聲振動系統等效設計 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微振幅測量

2.1恒力控制的微振幅測量方法

圖3　微細超聲工作臺 振幅測量裝置 Fig.3 Amplitudemeasurement setup of micro ultrasonic worktable

基于恒力控制的微細超聲振幅測量裝置實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系統、數據采集系統、運動控制系統和工具探頭組成。超聲工作臺系統包括超聲振動系統、超聲電源與夾具，超聲振動系統通過節面安裝固定在夾具上，超聲電源驅動超聲振動系統做高頻的機械振動。數據采集系統由壓力傳感器、電荷放大器、數據采集卡、控制軟件(LABVIEW)組成。壓力傳感器SBT630的技術參數如表2所示。壓力傳感器將壓力信號轉化為電信號，經過電荷放大器放大之后傳輸給數據采集卡，數據采集卡將模擬量轉化為數字量，在LABVIEW控制面板上顯示出實時的壓力值。運動控制系統通過LABVIEW軟件控制精密微三維運動平臺運動，精密微三維運動平臺ABC三軸的最小分辨率都為0.1μm。數據采集系統與精密微三維運動平臺的A軸通過LABVIEW軟件控制形成一個閉環系統，通過檢測壓力值實時控制Z軸的運動或者停止。

表2　壓力傳感器SBT630的技術參數

基于恒力控制的微細超聲振幅測量的原理是：在LABVIEW軟件界面中設定一個壓力設定值，打開超聲電源使微細超聲工作臺振動，然后驅動精密微三維運動平臺A軸以恒定的速度向上運動，使安裝在其上的微細超聲工作臺向工具探頭逼近直至接觸，當檢測到的壓力值超過軟件界面中設定的壓力設定值時，精密微三維運動平臺的A軸立即停止運動。記錄A軸的絕對坐標值A1。關閉超聲電源，再次驅動精密微三維運動平臺A軸以不變的速度向上運動，直至檢測到的壓力值超過設定的壓力值，A軸立即停止運動。記錄A軸的絕對坐標值A2。則微細超聲振幅值為A2-A1。

恒力控制的微振幅測量流程圖如圖4所示。①安裝好測量裝置。夾具通過壓力傳感器安裝于精密微三維運動平臺上。工具探頭安裝在主軸上，主軸的軸線垂直于超聲振動系統的振動平面。②啟動恒力控制系統，對精密微三維運動平臺進行初始化。③粗對刀。控制主軸滑臺與精密微三維運動平臺運動，使工具探頭正對于超聲振動系統的被測端面，工具探頭距振動端面的距離在10 mm以內(不能超過精密微三維運動平臺A軸的行程)。④設定力反饋傳感器力設定值,打開超聲電源，驅動精密微三維運動平臺A軸運動。在LABVIEW軟件界面中設定力設定值(大于實時顯示的力值)、A軸運動速度值與A軸運動的目標位置，然后打開超聲電源使微細超聲工作臺做超聲頻的機械振動，驅動A軸向上運動，趨近安裝在主軸上的工具探頭。⑤第一次判斷。A軸以設定的速度趨近于工具探頭，直至實時顯示的力值大于力設定值，A軸立即停止運動，讀取并記錄此時A軸的絕對坐標值A1。

圖4　微細超聲工作臺振幅測量裝置示意圖 Fig.4 Schematically illustration of amplitude measurement setup of micro ultrasonic worktable

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

⑥關閉超聲電源，再次驅動精密微三維運動平臺A軸運動。關閉超聲電源后，實時顯示的壓力值小于力設定值，可以再次驅動A軸向上運動。⑦第二次判斷。當A軸實時顯示的值大于力設定值時，A軸立即停止運動，讀取并記錄此時A軸的絕對坐標值A2。⑧計算微細超聲工作臺的振幅值。微超聲振幅值為A2-A1。多次測量求平均值即為一定功率作用下的微細超聲振幅值。

微三維A軸精對刀振動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力設定值/N速度/(mm·s-1)目標/mm9.50.00055微三維平臺多軸坐標顯示絕對坐標A軸B軸C軸4.9844.999710

圖6　軟件設置界面

圖7超聲作用運動停止界面

Fig.7 Motion stop interface with ultrasonic effected

2.2微振幅測量實驗

基于LABVIEW軟件開發的精密微三維運動平臺A軸運動與數據采集系統的閉環控制界面如圖6所示，通過界面可以設置數據采集卡的采樣率、力設定值以及A軸的運動速度和目標位置。圖7為超聲作用下，A軸檢測到力值超過力設定值A軸停止運動后的軟件界面，圖中顯示A軸的坐標為A1=4.983 6 mm。圖8為無超聲作用下A軸繼續向上運動，A軸檢測到力值超過力設定值停止運動后的軟件界面，圖中顯示A軸的坐標為A2=4.984 6 mm。則此次測量的超聲振動系統的振幅為A2-A1=1.0 μm。

微三維A軸精對刀振動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力設定值/N速度/(mm·s-1)目標/mm9.50.00055微三維平臺多軸坐標顯示絕對坐標A軸B軸C軸4.984644.999710

圖8無超聲作用運動停止界面

Fig.8 Motion stop interface without ultrasonic effected

采用基于恒力控制的微振幅測量方法，測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。

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

3結論

對微細超聲加工與微細超聲輔助加工機床核心部件微細超聲工作臺進行了理論設計。基于精密微三維運動平臺的高分辨率以及數據實時采集系統，采用恒力控制的微振幅測量方法，測出了不同功率驅動下的微細超聲工作臺的微振幅。恒力控制的微振幅測量方法測量精度取決于運動平臺的最小分辨率、進給運動速度、壓力傳感器的響應頻率與分辨率、數據采集卡的采樣率。

參考文獻

[1]Hu X,Yu Z, Rajurkav K P. State-of-the-art review of micro ultrasonic machining[C]. International Conference on Manufacturing Science and Engineering, MSEC 2006, Ypsilanti, MI, United states, American Society of Mechanical Engineers,1017-1024.

[2]Egashira K, Masuzawa T. Microultrasonic machining by the application of workpiece vibration[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1999, 48(1):131-134.

[3]賈寶賢,邊文鳳，趙萬生，等.微細孔超聲加工關鍵技術[J].機械工程學報, 2007, 43(11):212-216.

JIA Bao-xian, BIAN Wen-feng, ZHAO Wan-sheng, et al. key technologies in ultrasonic machining micro holes[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007,43(11): 212-216.

[4]楊曉輝,增澤隆久.采用工件加振方式的微細超聲加工特性的研究[J].電加工與模具, 2000,3:29-32.

YANG Xiao-hui, Takahisa Masuzawa.Study on micro ultrasonic machining characteristics by the application of workpiece vibration[J]. Electromachining & Mould, 2000,3:29-32.

[5]王丹,趙萬生，康小明，等.微晶云母陶瓷微細孔超聲加工正交試驗[J].上海交通大學學報, 2010，44(1):46-50.

WANG Dan, ZHAO Wan-sheng, KANG Xiao-ming,et al. Orthogonal testing experimental on micro ultrasonic machining of microcrystalline mica ceramic[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2010,44 (1):46-50.

[6]Zheng H,Huang H. Ultrasonic vibration-assisted femtosecond laser machining of microholes[J].Journal of Micromechanics and Microengineering, 2007,17(8): 58-61.

[7]Yang I, Park M S, Chu C N,et al.Micro ECM with ultrasonic vibrations using a semi-cylindrical tool[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2009,10(2):5-10.

[8]Lian H, Guo Z, Huang Z, et al. Experimental research of Al6061 on ultrasonic vibration assisted micro-milling[C]. Seventeenth International Symposium on Electromachining, 2013,6:561-564.

[9]孫利民. 振動測試技術[M]. 鄭州:鄭州大學出版社,2004, 15-17.

[10]馮冬菊,趙福令,徐占國,等. 超聲波數控加工中工具振幅的簡易測量[J]. 電加工與模具，2004,5：32-35.

FENG Dong-ju, ZHAO Fu-lin, XU Zhan-guo,et al. A simple measurement of toolamplitude for ultrasonic CNC machining[J]. Electromachining & Mould, 2004,5：32-35.

[11]王春艷,秦永左,白素平. 超聲波加工工件振幅檢測系統原理及部分信號處理電路[J]. 長春光學精密機械學院學報,2000, 23(1)：63-66.

WANG Chun-yan, QIN Yong-zuo, BAI Ju-ping, et al.Principle of the system for ultrasonic amplitude detection and signal processing circuit[J]. Journal Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, 2000,23(1)：63-66.

[12]孫渝生. 激光多普勒測量技術及其應用[M]. 上海：上海科學技術文獻出版社,1995. 5:1-3,206-210.

[13]張文偉,莊葆華,張吉華. 一種基于光三角法的激光測振儀[J]. 光電工程,1999,26(3)：53-57.

ZHANG Wen-wei, ZHUANG Bao-hua, ZHANG Ji-hua.A kind of laser vibrometer based on optical triangulation[J]. Opto-Electronic Engineering, 1999,26(3)：53-57.

[14]鄭書友,徐西鵬. 功率超聲工具振幅測量方法比較[J]. 振動與沖擊,2008,27(7)：178-181.

ZHENG Shu-you, XU Xi-peng.Comparison of amplitude measurement method on power ultrasonic tools[J]. Journal of Vibration and Shock, 2008,27(7)：178-181.