CN101898298A

CN101898298A - 附件型非接触供电式旋转超声加工装置

Info

Publication number: CN101898298A
Application number: CN2010102253694A
Authority: CN
Inventors: 房丰洲; 王怀斌; 宫虎; 仇中军; 张效栋
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2010-12-01

Abstract

本发明属于硬脆性材料精密加工技术领域，为在不改动机床现有部件的前提下，将普通机床提升为能够进行硬脆性材料精密加工的超声辅助旋转加工机床。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，附件型非接触供电式旋转超声加工装置，包括：带频率自动跟踪功能的直接数字频率合成超声波发生器；具有标准主轴接口的超声刀柄；在所述超声刀柄的基础上将超声振动系统集成在超声刀柄内部；超声振动系统采用非接触电磁转换式供电方法；超声刀柄通过标准主轴接口集成在普通机床主轴上。本发明主要应用于硬脆性材料精密加工装置的设计制造。

Description

附件型非接触供电式旋转超声加工装置

技术领域

本发明属于硬脆性材料精密加工技术领域，尤其涉及附件型非接触供电式旋转超声加工装置的制备。

背景技术

硬脆性材料在各个领域的广泛应用使得硬脆性材料的加工需求日益增加。硬脆性材料可加工性差、强度高、易破损的特点使得应用普通的加工方法难以取得良好的加工效果。传统的加工方法已经不能够满足硬脆性材料生产、制造的要求，与硬脆性材料加工相关的特种加工技术与装备的研究与开发代表着当前制造技术的发展方向。旋转超声加工技术作为特种加工技术的一种，它的发展使得硬脆性材料加工变得更可行、简单且高效，适用于各种硬脆性材料尤其是电加工难以加工的材料的加工。

如何使超声振动系统以附件形式结合于机床主轴，是普通机床实现旋转超声加工的关键。目前的旋转超声加工装备，多采用接触式电刷供电，存在着以下两个主要缺点：对机床主轴改动较大、高速旋转时电刷磨损严重且容易失步。采用附件型非接触供电式旋转超声加工装置可以很好的解决这些问题，并且可以让系统小型化、便携化，但目前的装置为集成于机床主轴的整体结构，不适合现有机床的改造与升级。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是利用一套附件型非接触供电式旋转超声加工装置，在不改动机床现有部件的前提下，将普通机床提升为能够进行硬脆性材料精密加工的超声辅助旋转加工机床。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，附件型非接触供电式旋转超声加工装置，包括：

带频率自动跟踪功能的直接数字频率合成超声波发生器；

具有标准主轴接口的超声刀柄；

在所述超声刀柄的基础上将超声振动系统集成在超声刀柄内部；

超声振动系统采用非接触电磁转换式供电方法；

超声刀柄通过标准主轴接口集成在普通机床主轴上。

所述超声振动系统采用非接触电磁转换式供电方法，具体实现结构为：设置有两个多股缠绕同心圆环式线圈；两个多股缠绕同心圆环式线圈均采用圆环型凹型铁氧体磁芯，两个多股缠绕同心圆环式线圈间磁芯开口同轴平行相对；将两个多股缠绕同心圆环式线圈分别固定在机床主轴下端和超声刀柄上半部分，中间有一定的间隙，固定在机床主轴下端的线圈输入超声波发生器输出信号，固定在超声刀柄上半部分的线圈输出感应信号，为刀柄内部的超声振动系统提供激励。

所述两个多股缠绕同心圆环式线圈匝数相等，铁芯形状一致，线圈间距离控制在0～5mm，绕线方式一致，均为多股缠绕式同心圆环形线圈。

所述带频率自动跟踪功能的直接数字频率合成超声波发生器是，基于直接数字频率合成DDS与功率放大技术的数字超声发生器，输出频率、功率可以通过PC机或工控机调节，具备频率自动跟踪功能，保持系统在加工过程中始终工作在谐振频率点。

所述数字超声发生器包括数字直接频率合成信号发生器、为功率放大器、为频率自动跟踪模块，数字直接频率合成信号发生器通过USB接口与工控机连接实现程控，频率自动跟踪模块中的鉴相器提供电压电流相位差信号，通过算法调节直接数字频率合成的频率控制字，实现超声波发生器的自动频率跟踪。

本发明具有如下显著的优点：

(1)非接触电磁转换式供电方法，可以令超声刀柄与周围设备间不再存在接触摩擦，防止因为摩擦而产生的热量与磨损，同时不存在因为高速转动而产生失步进而影响加工质量的问题，因此十分适用于主轴转速高的硬脆性材料加工场合。

(2)装置为机床附件形式，同时集成式设计超声刀柄，将超声振动系统即换能器与变幅杆集成到超声刀柄内部，对机床本身不改动，应用、推广方便。

附图说明

图1附件型非接触供电式旋转超声加工装置示意图，图中，1为超声发生器；2为机床主轴；3为被加工工件；4为工作台。

图2电磁转换供电原理示意图；

图3超声刀柄结构示意图；

图4带频率自动跟踪功能的直接数字频率合成超声波发生器原理示意图。

具体实施方式

本发明由一套附件型非接触供电式旋转超声加工装置组成，包括下列部分：

(1)带频率自动跟踪功能的直接数字频率合成超声波发生器；

(2)具有标准主轴接口的超声刀柄；

(3)在部分(2)的基础上将超声振动系统集成在刀柄内部；

(4)采用非接触电磁转换式供电方法；

(5)将整套装置集成在普通机床上，即为一套完整的附件型非接触供电式旋转超声加工装置。

上述的附件型非接触供电式旋转超声加工装置，包括超声波发生器、超声振动系统在内的所有功能部件设计为机床附件的形式。

部分(2)刀柄接口为标准主轴接口，下端部通过螺纹或其他方式连接扩展一个腔体，将超声换能器、变幅杆等集成在这个腔体里，整个刀柄随主轴旋转。

部分(4)两个多股缠绕同心圆环式线圈组成；采用圆环型凹型铁氧体磁芯，两线圈间磁芯开口同轴平行相对；将两个线圈固定在机床主轴下端和超声刀柄上半部分，中间有一定的间隙，主轴线圈输入超声波发生器输出信号，刀柄线圈输出感应信号，为刀柄内部的超声振动系统提供激励，实现非接触式供电。

可以根据下列步骤实现非接触电磁转换式供电：

(1)励磁信号为超声波发生器输出的正弦波信号；

(2)主轴线圈固定在主轴外壳上静止不动，输入励磁信号；

(3)刀柄线圈固定在刀柄上，刀柄通过标准主轴接口连接到主轴上，随主轴旋转

(4)刀柄线圈输出感应信号；

(5)刀柄线圈输出感应信号为集成在刀柄内部的超声换能器提供激励。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

1.附件型非接触供电式旋转超声加工装置如图1所示，根据对普通机床的研究，结合旋转超声加工系统中工具既要随轴旋转又要纵向振动的特点和要求，设计出了集成于普通机床上的附件型非接触供电式旋转超声加工装置。

其中机床各轴间联动、加工路径、加工工艺参数、超声波发生器输出频率功率参数等的控制由工控机通过数控系统实现。附件型非接触供电式旋转超声加工装置除了机床主体外，还包括与工控机连接的数字式超声波发生器、非接触电磁转换式供电线圈副以及集成了换能器变幅杆的标准接口刀柄。

2.非接触电磁转换式供电装置入图2所示，超声波发生器与超声振动装置间，设计一电磁转换式线圈副，上下级线圈分别安装在主轴和刀柄上，以实现超声电源与换能器间的非接触供电。非接触电磁互换式供电系统的基本原理为：励磁信号为超声波发生器输出的正弦波信号，主轴线圈固定在主轴外壳上静止不动，刀柄线圈固定在刀柄上连同刀柄一起随主轴旋转，刀柄线圈输出感应信号。信号能量从上级线圈输入，然后再从下级线圈输出，为超声换能器提供激励。

由于线圈间的漏磁及损耗的存在，输入的能量并不能完全传递到下级线圈。为了尽可能的增大耦合系数、减小线圈间漏磁、提高传输效率、输出相同功率，采用上下级线圈匝数相等，铁芯形状一致，线圈间距离控制在0～5mm，绕线方式一致，均为多股缠绕式同心圆环形线圈的设计。

上下级线圈的等效电路模型如图2b、2c所示：

上下级线圈模型分析如下：

上级线圈和下级线圈两端的电压分别是：

V₁＝jwL₁I₁+jwMI₂ (1)

V₁＝jwL₂I₂+jwMI₁ (2)

上下级线圈间的耦合系数为：

K = \frac{M}{\sqrt{L_{1} L_{2}}} - - - (3)

两个同轴平行圆形单匝线圈的互感为：

M_{12} = u_{0} \sqrt{R_{1} R_{2}} [(\frac{2}{s} - s) K (s) - \frac{2}{s} E (s)] - - - (4)

其中

R₁，R₂两圆形半径，d为线圈间距，

为第一类完全椭圆积分，

为第二类完全椭圆积分。

由式(4)可得，多匝同轴平行圆形单匝线圈的互感为：

M = Σ_{i = 1}^{N_{a}} Σ_{j = 1}^{N_{b}} M (R_{ai}, R_{bj}, d) - - - (5)

由式(1)、(2)可知：当M＝1，L₁＝L₂时，V₁＝V₂，输出等于输入。据此设计的上下级线圈，满足非接触电磁互换式旋转超声加工的要求。

3.上级线圈固定装置如图3a、3b所示，要将上级线圈固定在主轴下端，需要对主轴和标准刀柄间的配合关系进行分析，进行合理的空间划分，防止产生干涉以及对称轴不重合等问题。上级线圈固定装置是实现超声波发生器与振动系统衔接的部件。

这个装置要求将上级线圈固定在其内部，同时能够将导线引出来与超声波发生器连接，最后两者作为一个整体固定在机床主轴下端，保持上下级线圈间的距离。在上级线圈固定不动而下级线圈与刀柄一起随主轴高速旋转的情况下，下级线圈受到上级线圈的激励产生与上级线圈输入信号一致的输出，给刀柄内部的振动系统提供激励信号。根据不同形状的主轴，可以设计不同形状的固定装置，通过这些固定装置将上级线圈固定在主轴下端，不仅实用，而且拆卸维护方便。

超声刀柄的整体设计如图3c、3d所示，超声刀柄外壳采用与主轴接口匹配的标准刀柄，在刀柄上集成与加装在主轴下端部的上级线圈匹配的下级线圈，在刀柄下端设计一个腔体，以容纳换能器和变幅杆，再将下级线圈输出通过导线孔传递给腔体内部的换能器。这种设计的优点就是刀柄与主轴的连接与自动换刀装置里面刀柄与主轴的连接类似，不需要对现有设备如主轴与机床本身做太大的改动，并能够使装备集成化，小型化。

4.为了让超声振动系统获得良好的简谐振动进而获得高效率、高精度的加工质量，需要采用精度更高的超声电源。旋转超声磨削加工系统，工具通过螺纹或其他方式连接在变幅杆上，可以随意更换工具，更换工具后工作频率也随之变动；在加工硬脆性材料的时候，由于材料特性的差异，加工过程中的负载也不尽相同，工作频率也会随着负载的变化而变动。为了实现自动化、智能化加工，超声发生器设计为能够与工控机PC通讯并实现程控。根据上述要求，采用了基于直接数字频率合成(DDS)与功率放大技术的数字超声发生器的设计，输出频率、功率可以通过PC机调节，具备频率自动跟踪功能，保持系统在加工过程中始终工作在谐振频率点。

带频率自动跟踪功能的直接数字频率合成超声波发生器的原理如图4所示，由三大功能环节组成：1为数字直接频率合成信号发生器；2为功率放大器；3为频率自动跟踪环节；其中数字直接频率合成信号发生器通过USB接口与工控机连接实现程控，频率自动跟踪环节中的鉴相器提供电压电流相位差信号，通过算法调节直接数字频率合成的频率控制字，实现超声波发生器的自动频率跟踪。超声波发生器的设计技术参数为：

输入：220V、50Hz交流电信号；

输出信号：正弦波(任意波形)；

输出频率：1～50KHz可调；

输出幅值：0～1000V(空载)可调；

输出功率：0～30W，30～100W可调；

接口：USB接口。

超声发生器具有扫频功能，在加工初始阶段，可探测到系统工作时谐振频率：加上负载并稳定工作时电源输出电压、电流相位差为0或者输出电流最大时的频率，然后让输出稳定在这种谐振状态。

5.在进行加工之前，要把整套装置组装起来，包括如下几个部分：

(一)超声发生器

超声发生器包括：DDS信号源、功率放大环节、升压环节、频率跟踪环节、阻抗匹配环节等等，各个环节间按照电气规则连接稳妥。

(二)振动系统

振动系统包括：后盖板螺母、双头螺栓、换能器、变幅杆4部分。双头螺栓通过螺纹配合将换能器固定在后盖板螺母和变幅杆中间，并施加适当的预紧力。

(三)超声发生器与上级线圈

超声发生器与上级线圈间通过导线直接连接，导线长度根据超声发生器与机床间的相对位置来确定，导线与线圈的接头需要防水、防漏电，同时不能够影响机床主轴的运动。

(四)上级线圈与机床主轴

上级线圈通过螺钉固定在机床主轴的外壳上，线圈主轴跟机床主轴的同轴度要好，并且要任何时候都要严格禁止线圈与主轴产生干涉。另外线圈要密封防水，安装要稳固可靠。

(五)上级线圈与下级线圈

上级线圈固定在机床主轴外壳上，下级线圈集成在刀柄上半部分，任意两者间都需要保证同轴度，两者再通过刀柄与主轴间的接口配合起来，尺寸设计使得上下级线圈之间存在空隙，在主轴转动时不存在接触。

(六)下级线圈与刀柄

刀柄上部做出下级线圈两面定位面用的圆台阶状结构，将下级线圈固定在台阶位置，保证同轴度后将间隙灌满胶水干燥后两者固定成一个整体。

(七)刀柄与振动系统

在刀柄内部同样做出两面定位圆台阶状结构，变幅杆的最大端面及其最外侧表面作为两个定位面，通过与腔体下端内螺纹配合的螺纹扣将振动系统固定在刀柄内部并保证刀柄与振动系统间的同轴度。刀柄上开有小孔，以便用导线将下级线圈与换能器连接起来。

整套系统总装完毕，就可以有效地应用于硬脆性材料的加工。

Claims

1.一种附件型非接触供电式旋转超声加工装置，其特征是，包括：

带频率自动跟踪功能的直接数字频率合成超声波发生器；

具有标准主轴接口的超声刀柄；

超声振动系统采用非接触电磁转换式供电方法；

超声刀柄通过标准主轴接口集成在普通机床主轴上。

2.根据权利要求1所述的一种附件型非接触供电式旋转超声加工装置，其特征是，所述超声振动系统采用非接触电磁转换式供电方法，具体实现结构为：设置有两个多股缠绕同心圆环式线圈；两个多股缠绕同心圆环式线圈均采用圆环型凹型铁氧体磁芯，两个多股缠绕同心圆环式线圈间磁芯开口同轴平行相对；将两个多股缠绕同心圆环式线圈分别固定在机床主轴下端和超声刀柄上半部分，中间有一定的间隙，固定在机床主轴下端的线圈输入超声波发生器输出信号，固定在超声刀柄上半部分的线圈输出感应信号，为刀柄内部的超声振动系统提供激励。

3.根据权利要求2所述的一种附件型非接触供电式旋转超声加工装置，其特征是，所述两个多股缠绕同心圆环式线圈匝数相等，铁芯形状一致，线圈间距离控制在0～5mm，绕线方式一致，均为多股缠绕式同心圆环形线圈。

4.根据权利要求1所述的一种附件型非接触供电式旋转超声加工装置，其特征是，所述带频率自动跟踪功能的直接数字频率合成超声波发生器是，基于直接数字频率合成DDS与功率放大技术的数字超声发生器，输出频率、功率可以通过PC机或工控机调节，具备频率自动跟踪功能，保持系统在加工过程中始终工作在谐振频率点。

5.根据权利要求4所述的一种附件型非接触供电式旋转超声加工装置，其特征是，所述带频率自动跟踪功能的直接数字频率合成超声波发生器包括数字直接频率合成信号发生器、功率放大器、频率自动跟踪模块，数字直接频率合成信号发生器通过USB接口与工控机连接实现程控，频率自动跟踪模块中的鉴相器提供电压电流相位差信号，通过算法调节直接数字频率合成的频率控制字，实现超声波发生器的自动频率跟踪。