CN104002205B - 非接触能量传输式超声加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触能量传输式超声加工装置，其包括磨头、变幅杆、前盖板、压电陶瓷、副边磁环线圈、原边磁环线圈和刀柄，磨头、变幅杆、前盖板和刀柄依次连接，压电陶瓷设置在刀柄的装配凹位内，副边磁环线圈固定在前盖板上，原边磁环线圈设置在超声机械的机械臂上，且与原边磁环线圈之间有间隙；本发明的结构设计巧妙、合理，采用非接触能量传输结构设计，不仅实现了电能的非接触高效率传输，还解决了超声加工中传统的滑环磨损，避免了接触摩擦所造成的发热现象，使主轴转速不限制提高，同时可满足加工中心自动换刀需求，而且没有裸露在外的导体存在，因此电能传输不受环境影响，工作稳定性好，安全可靠，可以长时间连续工作，工作效率高。

Description

非接触能量传输式超声加工装置

技术领域

本发明涉及超声辅助加工技术领域，特别涉及一种非接触能量传输式超声加工装置。

背景技术

超声辅助加工作为加工难加工材料的一种有效的复合加工方法，已经在航空航天、精密仪器、光学和医疗等领域得到了广泛的应用。

超声辅助加工中换能器作超声频率机械振动并且随加工工具一起高速转动。如何将高频超声电信号传输到高速旋转的超声振动单元的换能器上是实现超声辅助加工的一个前提也是难点。

传统的超声辅助加工通过碳刷和导电滑环的摩擦接触方式传输能量为换能器供电，因此有碳刷磨损快、发热量大、导线裸露、容易积炭打火、刀具转速不能过高、无法实现自动换刀等问题。为此，研发出一种用非接触式电能传输方法来取代传统的滑动摩擦式电能传输方法，为当世之所需。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种结构设计巧妙、合理，能进行非接触式电能传输，满足加工中心自动换刀需求，且使加工工序更加安全、稳定、可靠的非接触能量传输式超声加工装置。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种非接触能量传输式超声加工装置，其包括磨头、变幅杆、前盖板、压电陶瓷、副边磁环线圈、原边磁环线圈和刀柄，所述刀柄的一端呈逐渐缩小状形成一装夹部，该装夹部呈锥柄形状，能方便安装在不同超声机械上使用，实现在不改变原超声机械结构的情况下进行兼容使用，具有良好的兼容性。该刀柄的中部径向凸起形成一定位部，另一端设有凸缘形成一装配部，该装配部的端面中心位置设有装配凹位，所述前盖板固定在该装配凹位的开口上，所述压电陶瓷设置在该装配凹位内，且与所述前盖板的相连接，磨头通过变幅杆固定在所述前盖板上，所述副边磁环线圈固定在所述装配部上，即与超声机械的主轴固定在一起，作为电能接受装置，随主轴高速转动。所述原边磁环线圈对应所述副边磁环线圈的一侧位置设置在超声机械的机械臂上，作为信号发射装置，该副边磁环线圈与所述原边磁环线圈之间有间隙。

本发明提供的一种非接触能量传输式超声加工装置，不仅实现了电能的非接触式传输，同时可满足加工中心自动换刀需求。经过合适的电容补偿网络，电能传输效率可大幅提升。非接触电能传输可以克服接触式电能传输的不足，使超声加工装置更加安全、稳定、可靠。针对基于电磁耦合理论的非接触式电能传输技术存在的问题，研究了非接触传输装置的电磁场解决了超声加工中传统的滑环磨损等问题，为超声加工技术在加工中心的使用开辟了新的途径。本发明提供的一种非接触能量传输式超声加工装置，原边磁环线圈处于静止状态，而副边磁环线圈则随着加工主轴做高速旋转运动，原边磁环线圈和副边磁环线圈之间存在级间间隙，没有直接接触就避免了接触摩擦可能造成的发热现象，并且不限制加工主轴转速的提高；其次，原边磁环线圈和副边磁环线圈的没有导线裸露，这样就提升了超声加工的应用环境，可以不受外在环境的限制，不惧怕灰尘和水的影响；而且具有可拆卸方便、易维护等特点。

作为本发明的进一步改进，所述副边磁环线圈包括环形保护套壳、第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈，所述环形保护套壳套的中心位置设在所述装配部上，且设有让所述前盖板外露的开口，该环形保护套壳套的周缘位置向所述刀柄的一侧方向弯折形成线圈固定部，该线圈固定部的端面设有环形线槽，所述第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈设置在该环形线槽内，且该第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈之间存在磁间隙。

作为本发明的进一步改进，所述环形保护套壳采用相对磁导率为2000，导电率为0的坡莫合金材料制成，优选的，采用型号为1J85的磁坡莫合金制成，形成罐形磁芯。

作为本发明的进一步改进，所述原边磁环线圈包括弧形保护套壳和弧形绕组线圈，所述弧形保护套壳的中间凸起部位设有一用来将其安装在超声机械的机械臂上的安装座，该弧形保护套壳的两端对称向下沿所述刀柄的周向方向延伸，该弧形保护套壳朝向所述副边磁环线圈的一侧面设有弧形线槽，所述弧形绕组线圈设置在所述弧形线槽内。所述弧形保护套壳的弧长为三分之一圆弧。

作为本发明的进一步改进，所述第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈均采用直径为0.5mm的铜线绕制80圈，将它们首尾串联起来，感应电压对外实行叠加。所述弧形绕组线圈采用两根直径为0.45mm的铜线绕制100圈，可有效地抑制趋肤效应。

作为本发明的进一步改进，所述磨头、变幅杆、前盖板、压电陶瓷、副边磁环线圈和刀柄均同心于基准轴心。

作为本发明的进一步改进，非接触能量传输式超声加工装置的总长度为204～205mm，优选为204.05mm。

本发明的有益效果为：1、本发明的结构设计巧妙、合理，采用非接触能量传输式结构设计，不仅实现了电能的非接触式传输，同时可满足加工中心自动换刀需求,而且优选坡莫合金作为罐形磁芯材质，具有很高的弱磁场导磁率。2、原边磁环线圈和副边磁环线圈均设有保护套壳，没有裸露在外的导体存在，因此电能传输不受环境影响，存在级间间隙，同时解决了超声加工中传统的滑环磨损，避免了接触摩擦可能造成的发热现象，使主轴转速能够不限制提高。3、工作稳定性好，安全可靠，可以长时间连续工作，并保持在较高电能传输效率；且整体结构简单、紧凑，使用寿命长，拆卸方便，易于维护。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图一。

图2是本发明的立体结构示意图二。

图3是本发明的分解结构示意图一。

图4是本发明的分解结构示意图二。

具体实施方式

实施例：参见图1、图2、图3和图4，本发明提供的一种非接触能量传输式超声加工装置，其包括磨头1、变幅杆2、前盖板3、压电陶瓷4、副边磁环线圈5、原边磁环线圈6和刀柄7，较佳的，本发明的非接触能量传输式超声加工装置的总长度为204～205mm，优选为204.05mm。

参见图4，所述刀柄7的一端呈逐渐缩小状形成一装夹部71，中部径向凸起形成一定位部72，另一端设有凸缘形成一装配部73，该装配部73的端面中心位置设有装配凹位74，所述前盖板3通过六个螺栓8固定在该装配部73的内侧位置，且将装配凹位74的开口封闭，所述压电陶瓷4设置在该装配凹位74内，且通过螺钉9与所述前盖板3的相连接，磨头1通过变幅杆2固定在所述前盖板3上，所述副边磁环线圈5通过六个螺栓10固定在所述装配部73的外侧，所述原边磁环线圈6对应所述副边磁环线圈5的一侧位置通过两个螺栓设置在超声机械的机械臂上，且该副边磁环线圈5与所述原边磁环线圈6之间有间隙，实现电气隔离的同时，传输效率可以不受转速的影响，副边磁环线圈5和刀柄7随超声机械的主轴一起转动。并且可以通过调整弧形保护套壳的位置即可调整副边磁环线圈5与和原边磁环线圈6之间的间隙。

具体的，参见图3和图4，所述副边磁环线圈5包括环形保护套壳51和副边绕组52，该副边绕组52具体包括第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈，所述环形保护套壳51采用相对磁导率为2000，导电率为0的坡莫合金材料制成，形成罐形磁芯。所述环形保护套壳51套的中心位置设在所述装配部73上，且设有让所述前盖板3外露的开口，该环形保护套壳51套的周缘位置向所述刀柄7的一侧方向弯折形成线圈固定部53，该线圈固定部53的端面设有环形线槽，所述第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈设置在该环形线槽内，且该第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈之间存在磁间隙。

所述原边磁环线圈6包括弧形保护套壳61和弧形绕组线圈62，所述弧形保护套壳61的弧长为三分之一圆弧，形成1/3 圆周的罐型磁芯。所述弧形保护套壳61的中间凸起部位设有一用来将其安装在超声机械的机械臂上的安装座63，该弧形保护套壳61的两端对称向下沿所述刀柄7的周向方向延伸，该弧形保护套壳61朝向所述副边磁环线圈5的一侧面设有弧形线槽，所述弧形绕组线圈62设置在所述弧形线槽内。

副边磁环线圈5采用完整圆周的罐形结构，并采用双副边，具体的，所述第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈均采用直径为0.5mm的铜线绕制80圈。所述弧形绕组线圈62采用两根直径为0.45mm的铜线绕制100圈。

所述磨头1、变幅杆2、前盖板3、压电陶瓷4、副边磁环线圈5和刀柄7均同心于基准轴心。以保证磨头1做单一的轴向运动，从而保证超声能量的传递路径，不仅大大提升超声能量传递效率，而且又能保证机床主轴的旋转性能，进而保证加工效果，具有良好的工作性能。磨头1和变幅杆2采用复合体结构利用前盖板3固定在刀柄7上，没有采用常规的螺纹连接方式，能有效的减少能量在传输过程中的损失，压电陶瓷4固定在刀柄7的装配凹位74内与磨头1和变幅杆2组成的复合体结构连接，超声波信号由信号发生器传输到旋转运动的换能器。

工作时，超声频率电信号通过原边磁环线圈6，即初级线圈产生变化的磁场，磁感线穿过副边磁环线圈5，即次级线圈产生感应电动势，完成电一磁一电的转换。电信号从静止的初级线圈传输到旋转的次级线圈，实现电磁耦合非接触电能的传输。采用电磁感应原理设计的新型电磁变换器能有效地完成电信号的非接触式传输，取代传统的接触式传输方法，为超声加工技术在加工中心的使用开辟了新的途径。本发明非接触能量传输式超声加工装置采用非接触能量传输式结构设计，不仅实现了电能的非接触高效率传输，解决了超声加工中传统的滑环磨损，避免了接触摩擦可能造成的发热现象，使主轴转速能够不限制提高，同时可满足加工中心自动换刀需求，而且没有裸露在外的导体存在，因此电能传输不受环境影响，工作稳定性好，安全可靠，可以长时间连续工作，工作效率高。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制，采用与其相同或相似的其它加工装置，均在本发明保护范围内。

Claims (9)

1.一种非接触能量传输式超声加工装置，其特征在于：其包括磨头、变幅杆、前盖板、压电陶瓷、副边磁环线圈、原边磁环线圈和刀柄，所述刀柄的一端呈逐渐缩小状形成一装夹部，中部径向凸起形成一定位部，另一端设有凸缘形成一装配部，该装配部的端面中心位置设有装配凹位，所述前盖板固定在该装配凹位的开口上，所述压电陶瓷设置在该装配凹位内，且与所述前盖板相连接，磨头通过变幅杆固定在所述前盖板上，所述副边磁环线圈固定在所述装配部上，所述原边磁环线圈对应所述副边磁环线圈的一侧位置处设置在超声机械的机械臂上，且该副边磁环线圈与所述原边磁环线圈之间有间隙；

所述副边磁环线圈包括环形保护套壳、第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈，所述环形保护套壳的中心位置设在所述装配部上，且设有让所述前盖板外露的开口，该环形保护套壳的周缘位置向所述刀柄的一侧方向弯折形成线圈固定部，该线圈固定部的端面设有环形线槽，所述第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈设置在该环形线槽内，且该第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈之间存在磁间隙。

2.根据权利要求1所述的非接触能量传输式超声加工装置，其特征在于，所述环形保护套壳采用相对磁导率为2000，导电率为0的坡莫合金材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的非接触能量传输式超声加工装置，其特征在于，所述第一副边绕组线圈和第二副边绕组线圈均采用直径为0.5mm的铜线绕制80圈。

4.根据权利要求1所述的非接触能量传输式超声加工装置，其特征在于，所述原边磁环线圈包括弧形保护套壳和弧形绕组线圈，所述弧形保护套壳的中间凸起部位设有一用来将其安装在超声机械的机械臂上的安装座，该弧形保护套壳的两端对称向下沿所述刀柄的周向方向延伸，该弧形保护套壳朝向所述副边磁环线圈的一侧面设有弧形线槽，所述弧形绕组线圈设置在所述弧形线槽内。

5.根据权利要求4所述的非接触能量传输式超声加工装置，其特征在于，所述弧形保护套壳的弧长为三分之一圆弧。

6.根据权利要求4或5所述的非接触能量传输式超声加工装置，其特征在于，所述弧形绕组线圈采用两根直径为0.45mm的铜线绕制100圈。

7.根据权利要求1所述的非接触能量传输式超声加工装置，其特征在于，所述磨头、变幅杆、前盖板、压电陶瓷、副边磁环线圈和刀柄均同心于基准轴心。

8.根据权利要求1或7所述的非接触能量传输式超声加工装置，其特征在于，其的总长度为204～205mm。

9.根据权利要求8所述的非接触能量传输式超声加工装置，其特征在于，其的总长度为204.05mm。