本技术涉及机加工，尤其是涉及一种立式超声拉齿机床及设计方法。
背景技术：
1、高强度内齿轮是航空传动系统的关键零件，其具有高强度、高硬度的材料特性，加工精度要求高。硬度超过67hrc，强度超过1800mpa的高强度内齿轮当前主要采用绗齿加工，加工效率低，难以采用传统切削工艺，主要是由于其单位切削热力大，小内径的内齿轮限制了刀具的尺寸，切削变形大，加工精度低。
技术实现思路
1、本技术旨在提出一种立式超声拉齿机床及设计方法，能够提高加工精度。
2、第一方面，本技术实施例提供了一种立式超声拉齿机床，所述立式超声拉齿机床包括：
3、丝杠，与电机连接和工作台连接，通过所述电机驱动所述丝杠旋转，并带动所述工作台上下运动；
4、上端支架，与所述丝杠连接，所述上端支架设置有刀具装卡系统，所述刀具装卡系统用于卡紧拉刀的上端；
5、所述拉刀，穿过所述工作台，所述拉刀的上端与所述刀具装卡系统活动连接，所述拉刀用于对待加工内齿轮进行加工；
6、所述工作台，设置有液压推杆，所述工作台用于推动所述待加工内齿轮进入切削位置或取件区域，其中，所述切削位置为所述待加工内齿轮进行切削加工的位置，所述取件区域为所述待加工内齿轮加工完成后取出的位置；
7、卡爪系统，与所述拉刀底端间隙连接，所述卡抓系统用于卡紧所述拉刀的底端；
8、超声辅助装置，与所述卡爪系统的底端连接，所述超声辅助装置用于激励所述卡爪系统与所述拉刀产生超声振动。
9、与现有技术相比，本技术第一方面具有以下有益效果：
10、通过超声辅助装置与卡爪系统的底端连接，卡爪系统与拉刀底端间隙连接，卡抓系统卡紧拉刀的底端，通过超声辅助装置激励卡爪系统与拉刀产生超声振动。如此，通过超声辅助装置能够提高内齿轮的加工精度，并且能够显著改善切削热力，提高加工性能。
11、在一些实施方式中，所述超声辅助装置包括超声激励系统，所述超声激励系统包括压电致动器、传振板以及超声振动变幅杆，其中：
12、所述压电致动器与超声波电源和超声振动变幅杆连接，通过所述超声波电源使所述压电致动器产生高频振动，所述压电致动器将所述高频振动传递至所述超声振动变幅杆，使所述超声振动变幅杆产生高频振动；
13、所述传振板与所述超声振动变幅杆连接，通过所述超声振动变幅杆传递振动至所述传振板，所述传振板内嵌入配重垫圈，所述配重垫圈用于调整所述传振板的质量。
14、在一些实施方式中，所述超声辅助装置还包括：
15、共振板，与所述传振板固定连接，所述共振板与所述卡爪系统连接，通过所述传振板将所述振动传递至所述共振板，所述共振板带动所述卡爪系统振动。
16、在一些实施方式中，所述超声激励系统还包括：
17、第一层限位块，与所述超声振动变幅杆的底端间隙连接，所述第一层限位块设置为圆柱状，并将直径设置为所述超声振动变幅杆底端截面等效直径的预设倍数。
18、第二方面，本技术实施例还提供了一种立式超声拉齿机床振型设计方法，应用在上述所述的立式超声拉齿机床中，所述立式超声拉齿机床振型设计方法包括：
19、采集多个超声激励系统中每个超声激励系统对应点的位移变化数据，构建每个点对应的位移数据集；
20、根据每个所述点对应的位移数据集，计算每个所述点的位移对应的速度和加速度，并根据所述位移、所述速度和所述加速度，构建每个点的动力学模型；
21、通过逆向求解所述动力学模型，得到每个点的模态参数，并根据所述模态参数选取第一点、第二点和第三点；
22、构建所述第一点的位移函数、所述第二点的位移函数和所述第三点的位移函数；
23、根据所述第一点的位移函数，计算第一点位移的极大值和极小值、根据所述第二点的位移函数，计算第二点位移的极大值和极小值以及根据所述第三点的位移函数，计算第三点位移的极大值和极小值；
24、根据所述第一点位移的极大值和极小值，计算所述第一点的振幅、根据所述第二点位移的极大值和极小值，计算所述第二点的振幅以及根据所述第三点位移的极大值和极小值，计算所述第三点的振幅；
25、基于所述第一点的振幅和初始位移，计算所述第一点的初始相位角度、基于所述第二点的振幅和初始位移，计算所述第二点的初始相位角度以及基于所述第三点的振幅和初始位移，计算所述第三点的初始相位角度；
26、基于所述第一点的初始相位角度、所述第二点的初始相位角度以及所述第三点的初始相位角度，计算所述第一点与所述第二点和所述第三点之间的电源输入时间差，并根据所述电源输入时间差调节所述第一点、所述第二点和所述第三点之间的相位角同步；
27、基于所述第一点对应的模态参数中的模态频率，调整所述第二点的模态频率和所述第三点的模态频率与所述第一点的模态频率一致。
28、与现有技术相比，本技术第二方面具有以下有益效果：
29、本方法通过基于第一点的振幅和初始位移，计算第一点的初始相位角度、基于第二点的振幅和初始位移，计算第二点的初始相位角度以及基于第三点的振幅和初始位移，计算第三点的初始相位角度；然后基于第一点的初始相位角度、第二点的初始相位角度以及第三点的初始相位角度，计算第一点与第二点和第三点之间的电源输入时间差，并根据电源输入时间差调节第一点、第二点和第三点之间的相位角同步；再基于第一点对应的模态参数中的模态频率，调整第二点的模态频率和第三点的模态频率与第一点的模态频率一致。如此，通过调节第一点、第二点和第三点之间的相位角同步和调整第二点的模态频率和第三点的模态频率与第一点的模态频率一致，能够确保多个超声激励系统振动同步，从而提高内齿轮的加工精度，并且能够显著改善切削热力，提高加工性能。
30、在一些实施方式中，通过如下方式根据所述位移、所述速度和所述加速度，构建每个点的动力学模型：
31、
32、
33、
34、其中，m1、m2和m3分别表示三个点对应的模态质量，a1、a2和a3分别表示三个点对应的加速度，ξ1、ξ1和ξ1分别表示三个点对应的模态阻尼，v1、v1和v1分别表示三个点对应的速度，k1、k1和k1分别表示三个点对应的模态刚度，ψ1、ψ1和ψ1分别表示三个点对应的位移，f表示立式超声拉齿机床的额定拉削力。
35、在一些实施方式中，通过如下方式构建所述第一点的位移函数、所述第二点的位移函数和所述第三点的位移函数：
36、
37、
38、
39、其中，s1表示第一点的位移函数，s2表示第二点的位移函数，s3表示第三点的位移函数，sm1表示第一点的振幅，sm2表示第二点的振幅，sm3表示第三点的振幅，ω1表示第一点的模态频率，ω2表示第二点的模态频率，ω3表示第三点的模态频率，表示第一点的初始相位角度，表示第二点的初始相位角度，表示第三点的初始相位角度，t表示时间。
40、在一些实施方式中，通过如下方式基于所述第一点的初始相位角度、所述第二点的初始相位角度以及所述第三点的初始相位角度，计算所述第一点与所述第二点和所述第三点之间的电源输入时间差：
41、
42、
43、其中，t12表示第一点与第二点之间的电源输入时间差，表示第一点的初始相位角度，表示第二点的初始相位角度，表示第三点的初始相位角度，fv表示超声辅助装置的激励频率，t13表示第一点与第三点之间的电源输入时间差。
44、在一些实施方式中，所述根据所述电源输入时间差调节所述第一点、所述第二点和所述第三点之间的相位角同步，包括：
45、若所述电源输入时间差为负，则将电源输入时间向前调节，使所述第一点、所述第二点和所述第三点之间的相位角同步；
46、若所述电源输入时间差为正，则将电源输入时间向后调节，使所述第一点、所述第二点和所述第三点之间的相位角同步。
47、在一些实施方式中，所述基于所述第一点对应的模态参数中的模态频率，调整所述第二点的模态频率和所述第三点的模态频率与所述第一点的模态频率一致，包括：
48、根据所述第一点对应的模态参数中的模态频率和第二点的模态刚度，计算第二点的目标模态质量；
49、将所述第二点的模态质量调整至所述第二点的目标模态质量，使所述第二点的模态频率和第一点的模态频率一致；
50、根据所述第一点对应的模态参数中的模态频率和第三点的模态刚度，计算第三点的目标模态质量；
51、将所述第三点的模态质量调整至所述第三点的目标模态质量，使所述第三点的模态频率和第一点的模态频率一致。
1.一种立式超声拉齿机床，其特征在于，所述立式超声拉齿机床包括：
2.根据权利要求1所述的立式超声拉齿机床，其特征在于，所述超声辅助装置包括超声激励系统，所述超声激励系统包括压电致动器、传振板以及超声振动变幅杆，其中：
3.根据权利要求2所述的立式超声拉齿机床，其特征在于，所述超声辅助装置还包括：
4.根据权利要求2所述的立式超声拉齿机床，其特征在于，所述超声激励系统还包括：
5.一种立式超声拉齿机床振型设计方法，其特征在于，应用在权利要求1至权利要求4中任一项所述的立式超声拉齿机床中，所述立式超声拉齿机床振型设计方法包括：
6.根据权利要求5所述的立式超声拉齿机床振型设计方法，其特征在于，通过如下方式根据所述位移、所述速度和所述加速度，构建每个点的动力学模型：
7.根据权利要求5所述的立式超声拉齿机床振型设计方法，其特征在于，通过如下方式构建所述第一点的位移函数、所述第二点的位移函数和所述第三点的位移函数：
8.根据权利要求5所述的立式超声拉齿机床振型设计方法，其特征在于，通过如下方式基于所述第一点的初始相位角度、所述第二点的初始相位角度以及所述第三点的初始相位角度，计算所述第一点与所述第二点和所述第三点之间的电源输入时间差：
9.根据权利要求5所述的立式超声拉齿机床振型设计方法，其特征在于，所述根据所述电源输入时间差调节所述第一点、所述第二点和所述第三点之间的相位角同步，包括：
10.根据权利要求5所述的立式超声拉齿机床振型设计方法，其特征在于，所述基于所述第一点对应的模态参数中的模态频率，调整所述第二点的模态频率和所述第三点的模态频率与所述第一点的模态频率一致，包括：
