CN104588305B

CN104588305B - 带电阻抗动态匹配的功率超声换能器装置

Info

Publication number: CN104588305B
Application number: CN201510025142.8A
Authority: CN
Inventors: 王建青; 邵延君; 崔学良; 祝锡晶; 成全; 张乐林
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2035-01-19
Also published as: CN104588305A

Abstract

本发明涉及超声换能器，具体是一种带电阻抗动态匹配的功率超声换能器装置。本发明解决了现有超声换能器阻抗匹配性差的问题。带电阻抗动态匹配的功率超声换能器装置，包括后盖体、前盖体、六角螺钉、绝缘层、压电陶瓷晶片、电极片、导线、预紧弹簧、电阻抗匹配装置、端盖；其中，后盖体为前端设有敞口、后端设有端壁的筒状结构；后盖体的端壁中央开设有螺纹通孔；前盖体为阶梯柱状结构；前盖体的后部插装于后盖体的敞口内；前盖体的后端面中央开设有螺纹凹孔；六角螺钉贯穿螺纹通孔，且六角螺钉的尾部拧装于螺纹凹孔内；绝缘层附着于六角螺钉的侧面。本发明适用于功率超声振动加工。

Description

带电阻抗动态匹配的功率超声换能器装置

技术领域

本发明涉及超声换能器，具体是一种带电阻抗动态匹配的功率超声换能器装置。

背景技术

功率超声振动加工是指切削过程中通过对工件或刀具施加功率超声振动以进行切削的加工方法，该加工方法以其低温化、脉冲性、切削力小等优越性而越来越引起人们的重视。作为功率超声振动加工的关键部件，超声换能器是一种能量转换器件，其功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去。在功率超声振动加工过程中，工件或刀具随着加工的进行会发生实时变化，由此要求超声换能器具有很好的阻抗匹配性。然而在现有技术条件下，超声换能器由于自身结构所限，普遍存在阻抗匹配性差的问题，由此导致超声换能器的柔性和自适应性差，从而严重限制了超声换能器的使用范围。基于此，有必要发明一种全新的超声换能器，以解决现有超声换能器阻抗匹配性差的问题。

发明内容

本发明为了解决现有超声换能器阻抗匹配性差的问题，提供了一种带电阻抗动态匹配的功率超声换能器装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：带电阻抗动态匹配的功率超声换能器装置，包括后盖体、前盖体、六角螺钉、绝缘层、压电陶瓷晶片、电极片、导线、预紧弹簧、电阻抗匹配装置、端盖；其中，后盖体为前端设有敞口、后端设有端壁的筒状结构；后盖体的端壁中央开设有螺纹通孔；前盖体为阶梯柱状结构；前盖体的后部插装于后盖体的敞口内；前盖体的后端面中央开设有螺纹凹孔；六角螺钉贯穿螺纹通孔，且六角螺钉的尾部拧装于螺纹凹孔内；绝缘层附着于六角螺钉的侧面；压电陶瓷晶片的数目和电极片的数目均为六个；各个电极片和各个压电陶瓷晶片均为环状结构；各个电极片和各个压电陶瓷晶片均套装于六角螺钉的侧面，且各个电极片和各个压电陶瓷晶片由前向后交错层叠在一起；端盖为环状结构；端盖套装于六角螺钉的侧面，且端盖的前端面与第六个电极片的后端面紧贴；导线的数目为六根；各根导线的尾端与各个电极片一一对应连接；第一根导线的首端、第三根导线的首端、第五根导线的首端连接在一起；第二根导线的首端、第四根导线的首端、第六根导线的首端连接在一起；预紧弹簧套装于六角螺钉的侧面；预紧弹簧的后端与后盖体的端壁内表面紧贴；预紧弹簧的前端与端盖的后端面紧贴；电阻抗匹配装置压装于后盖体的端壁外表面；电阻抗匹配装置的两个输出端穿过后盖体的端壁分别与第一根导线的首端、第二根导线的首端连接。

工作时，如图5所示，将前盖体的前端面与外部变幅杆连接。将电阻抗匹配装置的两个输入端分别与外部超声发生器的两个输出端连接。将外部超声发生器的两个输入端与外部50Hz的交流电源连接。具体工作过程如下：首先，超声发生器将50Hz的交流电转换成超声频交变电流信号，并将超声频交变电流信号发送至电阻抗匹配装置。电阻抗匹配装置根据实际情况对接收到的超声频交变电流信号进行动态阻抗匹配，并通过各根导线将动态匹配后的超声频交变电流信号发送至各个电极片，利用压电陶瓷晶片的压电效应将超声频交变电流信号转换成超声频机械振动，并通过前盖体将超声频机械振动传递至变幅杆。最后，变幅杆对超声频机械振动进行放大，并将放大后的超声频机械振动作用在工件或刀具上，由此在轴向上实现功率超声振动加工。实际加工过程中，电阻抗匹配装置的作用主要是根据实际需要随时对整个系统进行动态阻抗匹配。后盖体的作用是保护各个电极片和各个压电陶瓷晶片。预紧弹簧的作用是提供预紧力。基于上述过程，与现有超声换能器相比，本发明所述的带电阻抗动态匹配的功率超声换能器装置通过采用全新结构，具备了良好的阻抗匹配性，由此大幅增强了超声换能器的柔性和自适应性，从而大大拓宽了超声换能器的使用范围。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有超声换能器阻抗匹配性差的问题，适用于功率超声振动加工。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的电阻抗匹配装置的结构示意图。

图3是本发明的电阻抗匹配装置的结构爆炸图。

图4是本发明的电阻抗匹配装置的原理图。

图5是本发明的工作状态参考图。

图中：1-后盖体，2-前盖体，3-六角螺钉，4-绝缘层，5-压电陶瓷晶片，6-电极片，7-导线，8-预紧弹簧，9-电阻抗匹配装置，10-底座，11-压盖，12-螺栓，13-插接座，14-第一固定电感，15-第二固定电感，16-第一可调电容，17-第二可调电容，18-超声发生器，19-变幅杆，20-端盖。

具体实施方式

带电阻抗动态匹配的功率超声换能器装置，包括后盖体1、前盖体2、六角螺钉3、绝缘层4、压电陶瓷晶片5、电极片6、导线7、预紧弹簧8、电阻抗匹配装置9、端盖20；其中，后盖体1为前端设有敞口、后端设有端壁的筒状结构；后盖体1的端壁中央开设有螺纹通孔；前盖体2为阶梯柱状结构；前盖体2的后部插装于后盖体1的敞口内；前盖体2的后端面中央开设有螺纹凹孔；六角螺钉3贯穿螺纹通孔，且六角螺钉3的尾部拧装于螺纹凹孔内；绝缘层4附着于六角螺钉3的侧面；压电陶瓷晶片5的数目和电极片6的数目均为六个；各个电极片6和各个压电陶瓷晶片5均为环状结构；各个电极片6和各个压电陶瓷晶片5均套装于六角螺钉3的侧面，且各个电极片6和各个压电陶瓷晶片5由前向后交错层叠在一起；端盖20为环状结构；端盖20套装于六角螺钉3的侧面，且端盖20的前端面与第六个电极片6的后端面紧贴；导线7的数目为六根；各根导线7的尾端与各个电极片6一一对应连接；第一根导线7的首端、第三根导线7的首端、第五根导线7的首端连接在一起；第二根导线7的首端、第四根导线7的首端、第六根导线7的首端连接在一起；预紧弹簧8套装于六角螺钉3的侧面；预紧弹簧8的后端与后盖体1的端壁内表面紧贴；预紧弹簧8的前端与端盖20的后端面紧贴；电阻抗匹配装置9压装于后盖体1的端壁外表面；电阻抗匹配装置9的两个输出端穿过后盖体1的端壁分别与第一根导线7的首端、第二根导线7的首端连接。

具体实施时，所述电阻抗匹配装置9包括底座10、压盖11、螺栓12、插接座13、第一固定电感14、第二固定电感15、第一可调电容16、第二可调电容17；底座10为正方形板状结构；底座10的上板面开设有一个十字形凹孔和四个正方形凹腔；四个正方形凹腔围绕底座10的轴线对称分布，且四个正方形凹腔均与十字形凹孔连通；压盖11为正方形板状结构；压盖11的下板面开设有四个正方形凹腔；四个正方形凹腔围绕压盖11的轴线对称分布，且其中两个正方形凹腔的顶壁中央各开设有一个电容调节通孔；压盖11的板面四角、底座10的板面四角、后盖体1的端壁外表面通过四个螺栓12压装在一起，且压盖11的四个正方形凹腔与底座10的四个正方形凹腔位置正对；插接座13的数目为四个；四个插接座13一一对应安装于底座10的四个正方形凹腔内；第一固定电感14、第二固定电感15、第一可调电容16、第二可调电容17一一对应安装于压盖11的四个正方形凹腔内，且第一可调电容16、第二可调电容17分别贯穿两个电容调节通孔；第一固定电感14的引脚、第二固定电感15的引脚、第一可调电容16的引脚、第二可调电容17的引脚一一对应插装于四个插接座13上；由第一固定电感14、第二固定电感15、第一可调电容16依次串接而成的串联支路两端分别作为电阻抗匹配装置9的两个输入端；第二可调电容17的两端分别与第一固定电感14的两端连接，且第一固定电感14的两端分别作为电阻抗匹配装置9的两个输出端。工作时，第一固定电感、第二固定电感、第一可调电容、第二可调电容共同构成LC串并联网络结构，该LC串并联网络结构用于根据实际需要对接收到的超声频交变电流信号进行动态阻抗匹配。底座的十字形凹孔的作用是为电感和电容的连接提供布线空间。插接座的作用有如下两方面：其一，便于电感和电容进行连接。其二，便于更换电感和电容。电容调节通孔的作用是便于根据实际需要随时对第一可调电容和第二可调电容进行调节。

Claims

1.一种带电阻抗动态匹配的功率超声换能器装置，其特征在于：包括后盖体（1）、前盖体（2）、六角螺钉（3）、绝缘层（4）、压电陶瓷晶片（5）、电极片（6）、导线（7）、预紧弹簧（8）、电阻抗匹配装置（9）、端盖（20）；其中，后盖体（1）为前端设有敞口、后端设有端壁的筒状结构；后盖体（1）的端壁中央开设有螺纹通孔；前盖体（2）为阶梯柱状结构；前盖体（2）的后部插装于后盖体（1）的敞口内；前盖体（2）的后端面中央开设有螺纹凹孔；六角螺钉（3）贯穿螺纹通孔，且六角螺钉（3）的尾部拧装于螺纹凹孔内；绝缘层（4）附着于六角螺钉（3）的侧面；压电陶瓷晶片（5）的数目和电极片（6）的数目均为六个；各个电极片（6）和各个压电陶瓷晶片（5）均为环状结构；各个电极片（6）和各个压电陶瓷晶片（5）均套装于六角螺钉（3）的侧面，且各个电极片（6）和各个压电陶瓷晶片（5）由前向后交错层叠在一起；端盖（20）为环状结构；端盖（20）套装于六角螺钉（3）的侧面，且端盖（20）的前端面与第六个电极片（6）的后端面紧贴；导线（7）的数目为六根；各根导线（7）的尾端与各个电极片（6）一一对应连接；第一根导线（7）的首端、第三根导线（7）的首端、第五根导线（7）的首端连接在一起；第二根导线（7）的首端、第四根导线（7）的首端、第六根导线（7）的首端连接在一起；预紧弹簧（8）套装于六角螺钉（3）的侧面；预紧弹簧（8）的后端与后盖体（1）的端壁内表面紧贴；预紧弹簧（8）的前端与端盖（20）的后端面紧贴；电阻抗匹配装置（9）压装于后盖体（1）的端壁外表面；电阻抗匹配装置（9）的两个输出端穿过后盖体（1）的端壁分别与第一根导线（7）的首端、第二根导线（7）的首端连接；

所述电阻抗匹配装置（9）包括底座（10）、压盖（11）、螺栓（12）、插接座（13）、第一固定电感（14）、第二固定电感（15）、第一可调电容（16）、第二可调电容（17）；底座（10）为正方形板状结构；底座（10）的上板面开设有一个十字形凹孔和四个正方形凹腔；四个正方形凹腔围绕底座（10）的轴线对称分布，且四个正方形凹腔均与十字形凹孔连通；压盖（11）为正方形板状结构；压盖（11）的下板面开设有四个正方形凹腔；四个正方形凹腔围绕压盖（11）的轴线对称分布，且其中两个正方形凹腔的顶壁中央各开设有一个电容调节通孔；压盖（11）的板面四角、底座（10）的板面四角、后盖体（1）的端壁外表面通过四个螺栓（12）压装在一起，且压盖（11）的四个正方形凹腔与底座（10）的四个正方形凹腔位置正对；插接座（13）的数目为四个；四个插接座（13）一一对应安装于底座（10）的四个正方形凹腔内；第一固定电感（14）、第二固定电感（15）、第一可调电容（16）、第二可调电容（17）一一对应安装于压盖（11）的四个正方形凹腔内，且第一可调电容（16）、第二可调电容（17）分别贯穿两个电容调节通孔；第一固定电感（14）的引脚、第二固定电感（15）的引脚、第一可调电容（16）的引脚、第二可调电容（17）的引脚一一对应插装于四个插接座（13）上；由第一固定电感（14）、第二固定电感（15）、第一可调电容（16）依次串接而成的串联支路两端分别作为电阻抗匹配装置（9）的两个输入端；第二可调电容（17）的两端分别与第一固定电感（14）的两端连接，且第一固定电感（14）的两端分别作为电阻抗匹配装置（9）的两个输出端。