CN104101422B - 超声振动刀具刃口振幅测量装置 - Google Patents

超声振动刀具刃口振幅测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声振动刀具刃口振幅测量装置，包括测量砧、驱动杆、前直线轴承、行程挡板、弹簧、限位块、夹持套、弹簧支撑板、后直线轴承、线性电感线圈、永磁铁、直流电源、电感测量芯片、模数转换器、显示屏和外壳，超声振动刀具振动后，其前端刀刃推动测量砧、驱动杆和永磁铁，由于永磁铁的移动，线性电感线圈的电感发生变化，其电感模拟信号经电感测量芯片测量后由模数转换器转换为数字信号，并转换为切割刀具刃口对应的振幅值后由显示屏显示输出，该超声振动刀具刃口振幅测量装置结构简单，成本低廉，使用方便，测量精度高，解决了现有超声振动刀具刃口振幅难以测量的问题。

Description

超声振动刀具刃口振幅测量装置
技术领域
本发明涉及超声振动振幅测量技术领域，尤其是涉及一种用于超声振动刀具锋利刃口振幅的测量装置。
背景技术
超声切割是利用超声压电换能器驱动切割刀具产生超声频率的振动，将碰撞和冲击能量传递到被切介质，致使被切介质材料疲劳破碎从而达到切割目的的一项新型工艺技术。超声切割可更有效、更精确地加工如碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、各种蜂窝复合材料和硬脆材料如光学玻璃、硅晶体、陶瓷等。另外，由于与生物组织接触的切割刀具以一定的超声频率振动时可使生物组织内水汽化、蛋白氢键断裂、细胞崩解、组织被切开、凝固和封闭小血管，所以超声切割技术又可运用到医疗外科手术工具上。目前，超声切割技术已广泛应用于医疗、航空航天、化工、农业、食品和机械等领域。
超声切割加工中，在其他条件不变的情况下，切割刀具的振幅越大，超声压电换能器的转换效率越高，增大切割刀具的振幅可以提高切割加工的速度，因此在超声切割加工中，刀具刃口的振幅是切割刀具性能的重要指标之一，然而切割刀具刃口相对来说比较锋利，刃口面积较小，刃口法线方向振幅的测量成为一个难以解决的问题。目前振幅的测量方法有物理观察法、光学法、电测量法等，但是这些方法对锋利面积较小刃口振幅的测量都有一定的局限性，使用物理观察法很难在刃口产生光斑，难以观察。使用光学法，在刃口没有办法得到反射光，无法测量，使用电测量法，精度较高，但是成本也较高。
发明内容
本发明提供了一种新型的超声振动刀具刃口振幅测量装置，目的是为了解决目前超声振动刀具刃口振幅测量困难的问题。
超声振动刀具刃口振幅测量装置，该装置包括测量砧、驱动杆、前直线轴承、行程挡板、弹簧、限位块、夹持套、弹簧支撑板、后直线轴承、线性电感线圈、永磁铁、直流电源、电感测量芯片、模数转换器、显示屏和外壳，测量砧前端为平面，测量砧与驱动杆同轴设置，测量砧通过焊接或者粘接装设在驱动杆前端，测量砧为硬质合金材料、钨钢材料或金刚石材料。
永磁铁与驱动杆同轴设置，通过粘接装设在驱动杆后端，前直线轴承、行程挡板、弹簧和后直线轴承依次同轴套设在驱动轴上，前直线轴承和后直线轴承的内径与驱动杆的外径接触，前直线轴承内径和后直线轴承内径与驱动杆外径的摩擦力均小于0.01N，前直线轴承和后直线轴承的外径与夹持套的内径接触，行程挡板固定在驱动轴上，行程挡板和驱动轴为一体化结构。
限位块和弹簧支撑板固定在夹持套上，限位块的内径小于行程挡板的外径，行程挡板的外径大于弹簧的中径，弹簧的中径大于弹簧支撑板的内径，弹簧前端和行程挡板相接触，弹簧后端和弹簧支撑板相接触，弹簧的弹性系数在0.0001N/mm~0.5N/mm之间。限位块用来限制行程挡板的位移，进而限制弹簧的最大压缩距离，弹簧支撑板用来约束弹簧的后端。线性电感线圈与夹持套同轴设置，线性电感线圈通过粘接固定在夹持套上，外壳与夹持套联接在一起。
直流电源、电感测量芯片和模数转换器装设在外壳内，显示屏装设在外壳上，直流电源通过导线分别和线性电感线圈及显示屏相联接，线性电感线圈的测量信号线和电感测量芯片相联接，电感测量芯片通过信号线和模数转换器相联接，模数转换器通过信号线和显示屏相联接。直流电源向线性电感线圈供应电能，并向显示屏供应电能，当和测量砧及驱动杆相联接的永磁铁在线性电感线圈中的位置发生变化时，线性电感线圈的电感发生相应的变化，电感测量芯片采集到线性电感线圈的电感值后，通过信号线将其值大小传输至模数转换器，经过模数转换后，以数字形式在显示屏上显示测量砧的位移值。
使用时，测量砧的轴向方向和超声切割刀具的刃口法线方向相重合，先让刀具刃口和测量砧接触，然后压缩弹簧使测量砧后退1mm左右，设此时显示屏读数为Z1，然后开启超声振动系统，使刀具开始进行超声振动并达到谐振状态，此时测量砧被超声振动刀具刃口又推动后退一定的距离，刀具刃口稳定在其最大振幅位置，由于弹簧系统的惯性较大，响应慢，其固有频率f1在1000Hz以内，而超声振动刀具的振动频率f2为20000Hz以上，f2>>f1，因此测量砧的动态变化呈现迟滞稳定状态，即测量砧在切割刀具刃口超声振动脉冲力的作用下，测量砧的位置保持不变，呈静止状态，此时显示屏读数为Z2，因此切割刀具刃口的振幅为A=Z2-Z1。
该超声振动刀具刃口振幅测量装置结构简单、测量方便、精度高、成本低、有效解决了超声切割刀具刃口面积较小，刃口法线方向振幅难以测量的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的应用实例示意图。
图中标号说明：1.测量砧，2.驱动杆，3.前直线轴承，4.行程挡板，5.弹簧，6.限位块，7.夹持套，8.弹簧支撑板，9.后直线轴承，10.线性电感线圈，11.永磁铁，12.直流电源，13.电感测量芯片，14.模数转换器，15.外壳，16.显示屏,17.刀具，18.刀具刃口。
具体实施方式
结合图1所示，超声振动刀具刃口振幅测量装置包括测量砧1、驱动杆2、前直线轴承3、行程挡板4、弹簧5、限位块6、夹持套7、弹簧支撑板8、后直线轴承9、线性电感线圈10、永磁铁11、直流电源12、电感测量芯片13、模数转换器14、显示屏16和外壳15，测量砧1为钨钢材料，前端为平面，与驱动杆2同轴，通过焊接装设在驱动杆2前端。
永磁铁11与驱动杆2同轴设置，通过粘接装设在驱动杆2后端，前直线轴承3、行程挡板4、弹簧5和后直线轴承9依次同轴套设在驱动轴上，前直线轴承3和后直线轴承9的内径与驱动杆2的外径接触，前直线轴承3内径和后直线轴承9内径与驱动杆2外径的摩擦力均为0.0006N，前直线轴承3和后直线轴承9的外径与夹持套7的内径接触，行程挡板4固定在驱动轴上，行程挡板4和驱动轴为一体化结构，弹簧5前端和行程挡板4相接触，弹簧5后端和弹簧支撑板8相接触，弹簧5的弹性系数为0.002N/mm。
限位块6固定在夹持套7上，限位块6的内径小于行程挡板4的外径，行程挡板4的外径大于弹簧5的中径，弹簧5的中径大于弹簧5支撑板的内径，限位块6用来限制行程挡板4的位移，进而限制弹簧5的最大压缩距离，弹簧支撑板8用来约束弹簧5的后端。线性电感线圈10与夹持套7同轴设置，线性电感线圈10通过粘接固定在夹持套7上，外壳15与夹持套7联接在一起。
直流电源12、电感测量芯片13和模数转换器14装设在外壳15内，显示屏16装设在外壳15上，直流电源12通过导线分别和线性电感线圈10及显示屏16相联接，线性电感线圈10的测量信号线和电感测量芯片13相联接，电感测量芯片13通过信号线和模数转换器14相联接，模数转换器14通过信号线和显示屏16相联接。直流电源12向线性电感线圈10供应电能，并向显示屏16供应电能，当和测量砧1及驱动杆2相联接的永磁铁11在线性电感线圈10中的位置发生变化时，线性电感线圈10的电感发生相应的变化，电感测量芯片13采集到线性电感线圈10的电感值后，通过信号线将其值大小传输至模数转换器14，经过模数转换后，以数字形式在显示屏16上显示测量砧1的位移值。
结合图2所示，工作时，测量砧1的轴向方向和超声切割刀具17的刃口法线方向相重合，先让刀具刃口18和测量砧1接触，然后压缩弹簧5使测量砧1后退1mm，设此时显示屏16读数为Z1=1.0000mm，然后开启超声振动系统，使刀具17开始进行超声振动并达到谐振状态，刀具17振动频率为22.3KHz，此时测量砧1被超声振动刀具刃口18又推动后退一定的距离，刀具刃口18稳定在其最大振幅位置，此时显示屏16读数为Z2=1.0623mm，因此切割刀具刃口18的振幅为A=Z2-Z1=1.0623mm-1.0000mm=0.0623mm=62.3um。

Claims (9)

1.超声振动刀具刃口振幅测量装置，该装置包括测量砧、驱动杆、前直线轴承、行程挡板、弹簧、限位块、夹持套、弹簧支撑板、后直线轴承、线性电感线圈、永磁铁、直流电源、电感测量芯片、模数转换器、显示屏和外壳，其特征在于：测量砧前端为平面，测量砧与驱动杆同轴并装设在驱动杆前端，永磁铁与驱动杆同轴并装设在驱动杆后端，前直线轴承、行程挡板、弹簧和后直线轴承依次同轴套设在驱动轴上，前直线轴承和后直线轴承的内径与驱动杆的外径接触，前直线轴承内径和后直线轴承内径与驱动杆外径的摩擦力均小于0.01N，前直线轴承和后直线轴承的外径与夹持套的内径接触，行程挡板固定在驱动轴上，限位块和弹簧支撑板固定在夹持套上，限位块的内径小于行程挡板的外径，行程挡板的外径大于弹簧的中径，弹簧的中径大于弹簧支撑板的内径，弹簧前端和行程挡板相接触，弹簧后端和弹簧支撑板相接触，弹簧的弹性系数在0.0001N/mm~0.5N/mm之间，线性电感线圈与夹持套同轴设置并固定在夹持套上，外壳与夹持套联接在一起，直流电源、电感测量芯片和模数转换器装设在外壳内，显示屏装设在外壳上，直流电源通过导线和线性电感线圈及显示屏相联接，线性电感线圈的测量信号线和电感测量芯片相联接，电感测量芯片通过信号线和模数转换器相联接，模数转换器通过信号线和显示屏相联接。
2.根据权利要求1所述的超声振动刀具刃口振幅测量装置，其特征在于：所述的测量砧为硬质合金材料。
3.根据权利要求1所述的超声振动刀具刃口振幅测量装置，其特征在于：所述的测量砧为金刚石材料。
4.根据权利要求1所述的超声振动刀具刃口振幅测量装置，其特征在于：所述的测量砧为钨钢材料。
5.根据权利要求1所述的超声振动刀具刃口振幅测量装置，其特征在于：所述的测量砧焊接在驱动轴前端。
6.根据权利要求1所述的超声振动刀具刃口振幅测量装置，其特征在于：所述的测量砧粘接在驱动轴前端。
7.根据权利要求1所述的超声振动刀具刃口振幅测量装置，其特征在于：所述的永磁铁粘接在驱动轴后端。
8.根据权利要求1所述的超声振动刀具刃口振幅测量装置，其特征在于：所述的行程挡板和驱动轴为一体化结构。
9.根据权利要求1所述的超声振动刀具刃口振幅测量装置，其特征在于：所述的线性电感线圈粘接在夹持套内。
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