一种超声切割声主轴综合性能测试分析系统

摘要

本发明公开了超声切割声主轴综合性能测试分析系统，包括垂直伺服电机、超声切割声主轴、旋转伺服转台、径向伺服滑台、可变阻尼器、测试分析工控主机，超声切割声主轴上装有切割刀具，径向伺服滑台固定有红外热像探头，红外热像探头通过红外热像控制器连接工控主机；旋转伺服转台上装有激光位移探头，激光位移探头通过高速激光位移传感器控制器连接测试分析工控主机；超声切割声主轴通过单刀双掷开关与数控超声发生器、阻抗分析仪相连；数控超声发生器、阻抗分析仪都与测试分析工控主机相连；垂直伺服电机、径向伺服滑台和旋转伺服转台分别通过Z轴伺服驱动、径向伺服驱动和旋转伺服驱动与伺服运动控制卡相连，伺服运动控制卡设于工控主机内。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声切割声主轴综合性能测试分析系统，更确切地说，涉及一种能够通 过分析控制主机、伺服运动控制卡、阻抗分析仪、高速激光位移传感器、红外热像传感器等 模块系统集成，并在此基础上开发超声切割声主轴的空负载阻抗特性、截面振形、红外热、 功率频率等综合性能测试分析系统。

背景技术

新兴复合材料在航空、航天等高科技技术领域的应用越来越广泛，然而其传统的高速加 工方法在效率、环保等方面还存在不足。超声波切割技术的产生能很好地解决上述问题，超 声切削声主轴是实现这类复合材料切削的主体和关键，其综合性能的好坏直接影响加工的质 量。为了给切割刀具提供稳定而可靠的纵向振动，开发高效稳定的超声切削声主轴变得尤为 迫切。它的研制涉及振动力学、振动切削、控制科学与工程、仪器科学与技术等多个学科， 属于一个高科技综合学科的范畴。鉴于问题的复杂性，除了开展广泛的理论研究外，还得开 展各项声机电性能测试研究，以获取各项重要声机电实验性能参数，并与后续应用研究结合， 为研制高性能高可靠的超声切削声主轴奠定实验测试基础。另外，目前超声切削声主轴往往 只进行单一性能的分步测试，缺乏对超声切削声主轴综合及系统分析，很难将这些测试数据 充分融合利用，性能测试的效率与效果不理想。目前测试自动化、智能化程度较低，测试步 骤过多的依赖操作人员素质与判断，人为随机因素影响测试数据的可靠性以及测试效率，进 而严重影响高性能超声切削声主轴的研发。

发明内容

针对上述技术问题，本发明公开了一种超声切割声主轴综合性能测试分析系统，以对超 声切削声主轴的各个性能进行综合检测和分析。

本发明在数控超声切割声主轴综合性能测试台架的基础上，借助测试分析工控主机、伺 服运动控制卡、阻抗分析仪、高速激光位移传感器、红外热像传感器等模块整合集成，同时 开发了超声切割声主轴的空负载阻抗特性、截面振形、红外热、功率频率等综合性能测试分 析系统。本发明具有以下特点：1、将现有技术采用分步单项性能测试改进为综合集成性能测 试，可较好地减少测试场地和人力成本，提高测试效率的同时，为多性能综合数据融合及分 析提供方便。2、自动化及智能化也是本发明的一个特点，可以尽量地减少测试操作人员对测 试过程及数据造成的人为随机因素影响，从而提高测试源数据的稳定性、可靠性及测试效率。 3、模块化综合性能测试分析系统集成了接口参数设置、可变负载阻抗测试分析、截面振形及 热测试分析等功能，可为综合性能测试提供操作简便、交换友善的人机界面。本发明可为进 一步完善和提高超声切割声主轴设计研发提供实验数据及分析基础，可推广至超声压电换能 器、超声声学系统、超声应用系统等生产开发单位，对超声切割声主轴的优化设计、性能评 估、可靠性研究工作有着很大的支撑和帮助。

本发明采用如下技术方案：超声切割声主轴综合性能测试分析系统，包括垂直伺服电机 (1)、超声切割声主轴(2)、旋转伺服转台(5)、径向伺服滑台(7)、可变阻尼器(9)，超声切割声 主轴(2)上装有切割刀具(8)，还包括一测试分析工控主机(20)；所述的径向伺服滑台(7)固定有 红外热像探头(6)，红外热像探头(6)通过红外热像控制器(13)连接测试分析工控主机(20)；旋 转伺服转台(5)上装有激光位移探头(4)，激光位移探头(4)通过高速激光位移传感器控制器(14) 连接测试分析工控主机(20)；超声切割声主轴(2)通过单刀双掷开关与数控超声发生器(16)、阻 抗分析仪(15)相连；数控超声发生器(16)、阻抗分析仪(15)都与测试分析工控主机(20)相连； 垂直伺服电机(1)、径向伺服滑台(7)和旋转伺服转台(5)分别通过Z轴伺服驱动(10)、径向伺服 驱动(11)和旋转伺服驱动(12)与伺服运动控制卡(21)相连，伺服运动控制卡(21)设于测试分析工 控主机(20)内。

优选的，数控超声发生器(16)通过USB总线与测试分析工控主机(20)相连。

优选的，阻抗分析仪(15)通过GPIB总线与测试分析工控主机(20)相连。

优选的，高速激光位移传感器控制器(14)通过USB总线与测试分析工控主机(20)相连。

优选的，红外热像控制器(13)通过USB总线与测试分析工控主机(20)相连。

优选的，测试分析工控主机(20)上连有显示器(17)、网络接口(18)和键盘、鼠标(19)，显 示器(17)用于对整个过程的控制和采集数据的显示，网络端口(18)用于数据的共享，键盘、鼠 标(19)用于对整个过程的控制操作。

优选的，测试分析工控主机(20)装有一测试分析模块，其包括接口驱动和测试分析；其 中，接口驱动包括伺服运动控制卡接口驱动、GPIB控制卡接口驱动、激光位移传感器USB 驱动和红外热像传感器USB驱动；测试分析包括接口参数设置、可变负载阻抗测试分析和截 面振形及截面热像测试子模块；接口参数设置模块完成各接口参数设置和自检并生成接口配 置报告；可变负载阻抗测试分析模块完成对超声切割声主轴系统阻抗的测试并生成测试报告； 截面振型及红外热测试分析模块完成截面振形和截面热像的测试，该模块能开启数控超声发 生器同时启动和使用伺服运动控制卡，实现对伺服电机的控制，数据采集完后，对截面振形、 红外热及二者的关系等进行分析并生成测试分析报告。

测试分析工控主机上安装有本发明开发的超声切割声主轴的空负载阻抗特性、截面振形、 红外热、功率频率等综合性能测试分析系统，为多性能综合数据融合及分析提供了方便。 与现有技术相比，本发明从超声切割声主轴主要性能测试需求出发，原创出创新性的超声切 割声主轴综合性能测试分析系统，借助数控超声发生器、阻抗分析仪、高速激光位移传感器、 红外热像仪和伺服控制单元等，构建了一套超声切割声主轴综合测试分析系统，解决了目前 分步单一测试效率低、效果不理想以及不能对测试数据进行综合分析的问题，同时，其具有 自动化、智能化程度高和操作简单的优点，减少了人为因素的影响，提高测试源数据的稳定 性和可靠性。

本发明以操作简单、效率高、性能测试全面和数据准确为理念，数控超声发生器与阻抗 分析仪之间的切换，便于进行不同参数的测量；激光位移探头和红外热像探头的合理布局有 助于同时测量多种参数，这样可以为分析提供更为全面的数据；伺服控制系统对运动的精确 控制可以保证非接触激光位移探头的入射激光束始终垂直于截面轮廓线且保持一定距离；测 试分析工控主机对整个过程的控制、数据的采集及数据的分析起了极为重要的作用。故本发 明将为超声加工声学系统的研发人员提供综合全面的声机电性能参数、极大的缩短超声切割 声主轴的研发周期，因而有着良好的社会及经济效益，推广价值极高。

附图说明

图1是超声切割声主轴综合性能测试分析系统的硬件架构图。

图2是超声切割声主轴综合性能测试分析模块的功能框图。

图3是超声切割声主轴截面振形和红外热像测试分析的流程图。

图4是接口参数设置模块中软硬件接口自检子模块的流程图。

图5是超声切割声主轴在可变负载条件下的阻抗测试分析的流程图。

图中，1-垂直伺服电机；2-超声切割声主轴；3-声主轴固定架；4-激光位移探头；5-旋转 伺服转台；6-红外热像探头；7-径向伺服滑台；8-切割刀具；9-可变阻尼器；10-Z轴伺服驱动； 11-径向伺服驱动；12-旋转伺服驱动；13-红外热像控制器；14-高速激光位移传感器控制器； 15-阻抗分析仪；16-数控超声发生器；17-显示器；18-网络接口；19-键盘鼠标；20-测试分析 工控主机；21-伺服运动控制卡；22-测试台架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作进详细阐述。

参见图1，本实施例超声切割声主轴综合性能测试分析系统，包括机械部分、测试部分 和控制部分。机械部分属现有技术，因此，简述如下：其包括测试台架22、垂直伺服电机1、 超声切割声主轴2、声主轴固定架3、旋转伺服转台5、径向伺服滑台7、可变阻尼器9，超 声切割声主轴2上装有切割刀具8，切割刀具8的底端置于可变阻尼器9中。垂直伺服电机1 输出轴连接丝杠，通过丝杠实现声主轴固定架3的上下移动，从而实现超声切割声主轴2的 上下移动。测试台架22上设有径向伺服滑台7，以实现径向的水平移动，其上固定有红外热 像探头6并安装旋转伺服转台5，旋转伺服转台5上装有激光位移探头4，旋转伺服转台5可 以调整激光位移探头4的入射激光束的方向，使得激光束始终垂直于超声切割主轴2的轮廓 线。调整旋转伺服转台5和红外热像探头6的位置关系，以免发生干涉。

激光位移探头4连接高速激光位移传感器控制器14，高速激光位移传感器控制器14通 过USB总线与测试分析工控主机20相连。红外热像探头6连接红外热像控制器13，该红外 热像控制器13通过USB总线与测试分析工控主机20相连。红外热像探头和激光位移探头的 测试精度都较高。

测试部分包括阻抗分析仪15、激光位移探头4和红外热像探头6。

超声切割声主轴2通过单刀双掷开关与数控超声发生器16或阻抗分析仪15相连。数控 超声发生器16通过USB总线与测试分析工控主机20相连，阻抗分析仪15通过GPIB总线 与测试分析工控主机20相连。

阻抗分析仪15用于对超声切割声主轴2的可变负载阻抗进行测试和分析。切割刀具8的 底端置于可变阻尼器9中，相当于对超声切割声主轴2施加可变负载。把单刀双掷开关与阻 抗分析仪15接通，启动阻抗分析仪15测量超声切割声主轴2的谐振频率和阻抗。阻抗分析 仪15通过GPIB总线与测试分析工控主机20相连。测试分析工控主机20通过GPIB实现对 阻抗分析仪15的控制并进行数据的采集。采集完一组数据后改变可变阻尼器15的阻尼，再 进行测量，这样多次测量，实时采集，提高测试精度。该过程中高速激光位移传感器控制器 14和红外热像控制器13均处于关闭状态。

下一步，单刀双掷开关与数控超声发生器16接通，测试分析工控主机20通过USB总线 对数控超声发生器16进行控制。启动数控超声发生器后，超声切割声主轴2处于工作状态。 同时开启高速激光位移传感器控制器14和红外热像控制器13，使激光位移探头4和红外热 像探头6处于工作状态。在这个过程中，通过控制三个伺服电机，使得激光位移探头4的入 射光束始终垂直于超声切割主轴2的截面轮廓线。测试分析工控主机20通过USB总线对测 得的轮廓振型和红外热数据进行采集。该过程中可变阻尼器9处于非工作状态。

伺服运动控制部分包括：旋转伺服驱动12、径向伺服驱动11、Z轴伺服驱动10和伺服 运动控制卡21。伺服运动控制卡21通过一个端子板与伺服驱动器的信号控制端相连进行信 号双向通讯，伺服驱动器与相对应的伺服电机双向信号连接，以此实现对伺服电机运动控制。 垂直伺服电机1、径向伺服滑台7和旋转伺服转台5分别连接Z轴伺服驱动10、径向伺服驱 动11和旋转伺服驱动12，Z轴伺服驱动10、径向伺服驱动11和旋转伺服驱动12均与伺服 运动控制卡21相连。可以通过NC代码控制伺服电机以确保激光位移探头4的入射激光束垂 直于超声切割声主轴的截面轮廓线，伺服运动控制卡21的同步信号保证对三个同步伺服电机 的同步控制，以实现精确的位置控制。而且每个伺服电机都有其独立的位置控制芯片，可以 实现三个交流伺服电机的完全独立控制。

测试分析工控主机20上连有显示器17、网络接口18和键盘鼠标19，并装有伺服运动控 制卡21和超声切割声主轴的空负载阻抗特性、截面振形、红外热、功率频率等综合性能测试 分析系统。显示器17用于对整个过程的控制和采集数据的显示，网络端口18可便于对数据 的共享，键盘鼠标19用于对整个过程的控制。

测试分析工控主机20上装有测试分析系统，以启动和使用运动控制卡和数据采集卡，发 出模拟量信号控制伺服电动机，实现对输入输出信号的采集。

参见图2-5，本发明开发了基于windows的超声切割声主轴的空负载阻抗特性、截面振 形、红外热、功率频率等综合性能测试分析模块，该测试分析模块处于工控主机20内，其包 括接口驱动和测试分析两大块。其中，接口驱动部分包括伺服运动控制卡接口驱动、GPIB控 制卡接口驱动、激光位移传感器USB驱动和红外热像传感器USB驱动四部分。测试分析包 括接口参数设置、可变负载阻抗测试分析和截面振形及截面热像测试三子模块。接口参数设 置模块主要完成各接口参数设置和自检并生成接口配置报告。参见图4。可变负载阻抗测试 分析模块主要完成对超声切割声主轴系统阻抗的测试并生成测试报告。参见图5。截面振型 及红外热测试分析模块完成截面振形和截面热像的测试，该模块可以开启数控超声发生器同 时启动和使用运动控制卡，实现对伺服电机的控制，数据采集完后，可以对截面振形、红外 热及二者的关系等进行分析并生成测试分析报告。参见图3。各个模块的相互配合，实现对 超声切割声主轴系统的综合性能的测试和分析。

上述所涉数控超声发生器、阻抗分析仪、高速激光位移传感器控制器、红外热像控制器、 旋转伺服驱动、径向伺服驱动、Z轴伺服驱动、伺服运动控制卡等属现有技术。

本发明采用激光位移传感器和红外热像仪等高精度测试设备实现对超声切割声主轴的空 负载阻抗特性、截面振形、红外热、截面热像、功率频率等性能的综合测试和分析，结构简 单、测试精度高、通用性好。

本发明通过测试分析工控主机和运动控制卡实现对系统运行的控制，自动化程度高，大 大提高了测试效率。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人 员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均在本发明的权利要 求保护范围之内。