案例分享基于KV系列多通道激光测振系统的超声振动切削测量

　　在之前的介绍中，我们分享过KV系列测振仪《世界首款基于光子芯片的激光测振仪——纳米级远距离非接触测振神器》，本期继续为大家带来KV系列激光测振仪的应用案例分享： Kathmatic 激光测振仪在超声椭圆振动切削过程中，进给和切削两个方向上的频率、振幅测量。
　　超声振动切削技术是把超声波振动的力有规律地加在刀具上，使刀具周期性地切削和离开工件的加工技术，是结合超声波技术和传统切削工艺的一种新型切削技术。
　　和传统切削技术比，超声振动切削具有减小切削力，降低切削温度，显著提高刀具寿命，提高工件加工表面质量等优点。
　　但同时也存在如下问题： 受制于超声频率，切削速度较低； 超声波发生装置发热、超声波换能器出现谐振频率漂移、超声波发生器不能及时跟踪换能器的谐振频率、换能器的共振失谐进一步影响刀具的共振失谐，同时系统输出功率下降； 变幅杆的输出振幅下降，刀具的共振振幅减小，随着切削用量的增加,刀具振幅逐步衰减,和空载时振幅相比,刀具的振幅最大幅度达29%~50%。振幅的衰减将影响切削速度,临界速度相应减小,降低加工效率,使加工质量不稳定； 刀具装置计算量大、调整复杂，使用麻烦，辅助时间长。
　　也就是说，针对超声振动切削技术，还需要解决以下难题：突破超声振动切削过程中切削临界速度的限制， 提高振动切削的切削速度 ；开发性能稳定的超声波发生系统， 解决共振系统的频率漂移、刀尖振幅衰减问题 ； 设计出结构更简单、使用更方便 的超声切削刀具装置。
　　实际上，超声振幅的大小及谐振频率的调整不仅反映了 声功率输出的大小 ，而且反映了 发生器、换能器、变幅杆和工具各级联环节频率和电学匹配的效果好坏 ，对加工过程中 材料去除率、表面粗糙度、工具磨损等具有重要影响 ，因而振幅的稳定输出和准确、简易测量是超声加工装装置研制和使用中的一个重要问题。
　　目前对于超声振幅的测量， 用非接触法精确测量超声振幅是普遍选择。
　　其测量手段是使用激光测振仪进行测量 ，它能够在较远距离处非接触测量振幅波形，且具有高精度、高线性的优势。不过激光测振仪因其 价格昂贵、体积庞大 等多种限制因素，让其难以普及。
　　Kathmatic 品牌以源自光子集成技术的新型激光传感器平台为基础，成功研制的一系列精密光学测量设备中，就包括了可以 完美解决上述问题的KV系列高集成激光测振仪！ 图1展示了KV系列激光测振仪的发展历史。
　　图1-KV系列发展历史
　　KV系列激光测振仪基于先进的光学集成相干技术，将原有复杂分立光学元器件集成于微小芯片中，结合具有完全自主知识产权的调频连续波（FMCW）相干光检测技术，以小型集成化的设计模式，实现了传统复杂大型设备的测量能力。图2展示了KV系列激光测振仪与其他测振设备优劣分析。
　　图2-KV系列激光测振仪与其他设备对比
　　针对超声振幅测量的痛点，我们在以下几个方面表现出独特优势： 拥有80*50*22mm的 超小体积，结构小巧，便携性强，安装调试轻松搞定 ； 传统的激光多普勒测振仪采用声光调制器AOM移频调制，位移需要积分完成。KV系列激光测振仪则采用基于集成光学搭建的相位解码器， 直接测量测试表面的法向位移，避免了积分运算误差； 支持最高96通道点阵式测量系统搭建，灵活组网， 个性化软件定制，多点测量也轻松实现；
　　下图为KV多通道激光测振系统：
　　图3-KV系列多通道系统控制器
　　基于以上特点，Kathmatic 与哈尔滨工业大学（深圳）在超声振动切削领域进行了深度合作。
　　应用场景：
　　超声椭圆振动切削过程中进给和切削两个方向上的频率、振幅测量。
　　过往测量方法存在问题：
　　先前采用电涡流传感器，存在测量数据不稳定和多方向测量时传感器相互干扰等问题
　　实验装置：
　　KV系列双通道激光测振系统（包含2台KV-F076P激光测振仪，1台多通道控制器，2台精密位移台，1套双通道定制软件），图4为现场试验环境，图5、6为软件测试结果。
　　图4-试验场景
　　图5-测试结果（1kHz）
　　图6-测试结果（40.224kHz）
　　测试过程：
　　步骤一： 超声波发生器设置1kHz激励 → 调节精密位移台，两台激光测振仪分别从X向、Z向打光测量 → 设置 400~1600Hz 带通滤波，得到如表1所示测试数据。
　　X、Z向数据如下：
　　表1-测试数据（1kHz）
　　步骤二： 超声波发生器切换至 40.224kHz 激励 → 调节精密位移台，两台激光测振仪分别从X向、Z向打光测量 → 设置 25600~51200Hz 带通滤波，得到如表2所示测试数据。
　　X、Z向数据如下：
　　表2-测试数据（40.224kHz）
　　测试结果：
　　激光测振仪得出的位移、频率、速度与加速度数据和理论值基本吻合。
　　KV系列激光测振仪在本场景中作为超声振动切削系统的检定设备，表现出良好的响应特性和数据一致性，功能上完全可以替代传统电测类设备，相比于其他激光多普勒原理的测振仪器，具有集成度高、搭建方便、性价比高的特点。
　　更多关于KV系列激光测振仪的详细信息，可以和小编私信聊聊呀，有关设备的问题处理也可以哈~
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　　（内容来源：木木西里）
　　文末说句正事
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