CN106026420A - 一种电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置 - Google Patents

Abstract

一种电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，它包括超声发生器、无线供电系统、刀柄、接收系统外壳、超声振动单元和装夹系统；所述超声发生器包括信号发生器和信号传输线，该信号发生器经信号传输线与无线供电系统连接；该无线供电系统包括发射系统和设置于接收系统外壳内的接收系统；所述刀柄、接收系统外壳、超声振动单元和装夹系统顺次连接；它采用电磁耦合共振原理实现无线电能传输以及利用模块化的结构设计使刀具实现高速旋转与高频振动的复合运动从而克服现有技术成本高且操作不便的缺陷，并且整体结构科学合理，传输功率大，能量损失小，工作稳定可靠；它广泛适用于硬脆材料或复合材料的加工配套使用。

Description

一种电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置

技术领域

本发明涉及机械加工设备领域，尤其涉及一种电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置。

背景技术

随着材料科学技术的高速发展，新型高性能材料不断大量出现，硬脆材料如石英、工程陶瓷和单晶硅等，复合材料如碳纤维复合材料、铝基碳化硅等先进材料因为其优良的性能，被越来越广泛地应用在各行各业里；然而硬脆材料及复合材料在拥有优越性能的同时也给加工带来了更多的困难，若用传统的加工方法，其加工难度很大且加工成本也相当昂贵，超声加工已被大量实践证明是用于难加工材料的有效方法。

超声辅助加工技术是利用传统加工与高频超声振动复合形成新的加工技术，与传统的切削加工方法相比，超声振动辅助切削具有刀具磨损小、切削力小、加工表面损伤层小等特点，并被广泛应用于硬脆材料以及复合材料等难于加工的材料；然而超声振动辅助加工中换能器需随刀具一起高速旋转，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振动辅助加工的一个前提和难点；目前超声振动辅助加工主要通过碳刷和导电滑环的摩擦接触传输能量为换能器供电，但存在碳刷磨损快、发热量大、生产成本高、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；另外一种电磁感应式无线供电的技术方案虽然在一定程度上解决了上述问题，但仍存在改装成本过高，对感应线圈的位置限制较严，并且传输距离较短，不利于大范围的推广。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的在于提供一种电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，它采用电磁耦合共振原理实现无线电能传输以及利用模块化的结构设计使刀具实现高速旋转与高频振动的复合运动从而克服现有技术成本高且操作不便的缺陷，并且整体结构科学合理，传输功率大，能量损失小，工作稳定可靠，安全系数高，市场前景广阔，便于推广使用。

为实现上述任务，一种电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，它包括超声发生器、无线供电系统、刀柄、接收系统外壳、超声振动单元和装夹系统；所述超声发生器包括信号发生器和信号传输线，该信号发生器经信号传输线与无线供电系统连接；该无线供电系统包括采用电磁耦合共振传输电能的发射系统和接收系统，该接收系统设置于接收系统外壳内；所述刀柄、接收系统外壳、超声振动单元和装夹系统顺次连接。

为实现本发明结构、效果优化，其进一步的措施：所述发射系统包括发射线圈盒以及依次设置于发射线圈盒内的铁氧体片E、发射线圈、电路板A、第一线圈支撑架、电路板B、第一中继线圈。

所述第一线圈支撑架的两端面上设有弧形卡槽分别用于固定第一中继线圈和发射线圈，所述电路板B与电路板A分别经紧固螺钉与第一线圈支撑架的两端面连接并位于弧形卡槽的内缘。

发射线圈盒为中空的圆筒状，该发射线圈盒的筒壁上设有过线孔，所述铁氧体片E粘结于发射线圈盒的底部。

所述接收系统包括接收线圈盒以及依次设置于接收线圈盒内的第二中继线圈、电路板C、第二线圈支撑架、电路板D和接收线圈；该接收线圈盒经螺纹连接于接收系统外壳内。

所述第二线圈支撑架的两端面上设有弧形卡槽分别用于固定第二中继线圈和接收线圈，所述电路板C和电路板D分别经紧固螺栓与第二线圈支撑架的两端面连接并位于弧形卡槽的内缘。

所述接收系统外壳包括主壳体、前端盖和铁氧体片F；所述刀柄为圆锥体且小径端设有槽口，大径端设有螺纹与主壳体连接；所述铁氧体片F设置于主壳体内并与刀柄的大径端面粘结。

所述超声振动单元包括换能器套筒、变幅杆、沉头螺栓以及设置于换能器套筒内的换能器，所述换能器套筒一端与接收系统外壳的主壳体卡接并经前端盖紧固，该换能器套筒的另一端与变幅杆连接，所述沉头螺栓轴向穿过换能器以及换能器套筒与变幅杆连接。

所述装夹系统包括夹头和夹紧盖，所述夹头与变幅杆经锥面连接，所述夹紧盖套设于夹头的外圆面用于夹紧刀具。

所述发射线圈、接收线圈、第一中继线圈或第二中继线圈均由3～5层线圈并联绕制且每层线圈均为平面盘型渐开结构。

本发明提供一种电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，它包括超声发生器、无线供电系统、刀柄、接收系统外壳、超声振动单元和装夹系统；所述超声发生器包括信号发生器和信号传输线，该信号发生器经信号传输线与无线供电系统连接；该无线供电系统包括采用电磁耦合共振传输电能的发射系统和接收系统，该接收系统设置于接收系统外壳内；所述刀柄、接收系统外壳、超声振动单元和装夹系统顺次连接；它采用电磁耦合共振原理实现无线电能传输以及利用模块化的结构设计使刀具实现高速旋转与高频振动的复合运动从而克服现有技术成本高且操作不便的缺陷，并且整体结构科学合理，传输功率大，能量损失小，工作稳定可靠，安全系数高，具有显著的经济效益和社会效益，市场前景广阔，便于推广使用。

本发明相比现有技术所产生的有益效果：

Ⅰ、本发明整体结构简单，便于安装，操作灵活，可在不改变机床结构的条件下安装于传统镗铣设备上，通过电磁共振式无线供电对难加工材料实现超声振动辅助切削加工，避免了机床的改造费用，并有利于提高加工质量和精度；

Ⅱ、本发明采用电磁耦合共振原理实现无线电能传输的技术方案，克服了接触式电能传输碳刷磨损快、发热量大、生产成本高、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缺点；

Ⅲ、本发明利用电磁耦合共振原理实现无线电能传输的技术方案，相对于感应式无线电能传输的技术方案，电磁耦合共振式无线电能传输的能量只能与相同共振频率的对象交换，能量损失很小，可获得更高的频率和更长的传输距离，传输功率更大，传输也更平稳，并且对线圈的位置限制相对较少，更有利于简化装置，降低制造成本；

Ⅳ、本发明中实现能量传输的每组线圈均采用盘式并绕的结构形式，增大了空间磁场强度的幅值并能降低等效电感的量值，并且外加设置磁场铁氧体片能有效减少磁场能量的损失，可获得更高的频率和更长的传输距离，传输功率更大，传输稳定可靠；

Ⅴ、本发明采用模块化的结构设计原理可使刀具实现高速旋转与高频振动的复合运动，从而实现对硬脆材料或复合材料的精准加工，并且生产成本低，操作简单，加工效率高；

Ⅵ、本发明利用电磁耦合共振原理实现无线电能传输的技术方案，可实现一个发射系统配置多个接收系统，可同时对多个设备进行无线供电，有效的提高了生产效率，极大降低了生产制造成本。

本发明广泛适用于硬脆材料或复合材料的加工配套使用。

下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明的整体连接结构示意图。

图2为本发明中刀柄部分连接结构示意图。

图3为本发明中刀柄部分连接结构剖视图。

图4为本发明中接收系统的结构示意图。

图5为本发明中发射系统的结构示意图。

图6为本发明中实施例一的结构示意图。

图中：1-超声发生器；11-信号发生器；12-信号传输线；2-无线供电系统；21-发射系统；211-发射线圈盒；212-发射线圈；213-电路板A；214-第一线圈支撑架；215-电路板B；216-紧固螺钉；217-第一中继线圈；218-铁氧体片E；219-封板；22-接收系统；221-接收线圈盒；222-第二中继线圈；223-电路板C；224-第二线圈支撑架；225-电路板D；226-紧固螺栓；227-接收线圈；3-刀柄；4-接收系统外壳；41-主壳体；42-前端盖；43-沉头螺钉；44-铁氧体片F；5-超声振动单元；51-换能器套筒；52-换能器；53-沉头螺栓；54-变幅杆；6-装夹系统；61-夹头；62-夹紧盖。

具体实施方式

参考附图，本发明是这样实现的：一种电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，它包括超声发生器1、无线供电系统2、刀柄3、接收系统外壳4、超声振动单元5和装夹系统6；所述超声发生器1包括信号发生器11和信号传输线12，该信号发生器11经信号传输线12与无线供电系统2连接；该无线供电系统2包括采用电磁共振传输电能的发射系统21和接收系统22，该接收系统22设置于接收系统外壳4内；所述刀柄3、接收系统外壳4、超声振动单元5和装夹系统6顺次连接。

如图2和图3所示，本发明的接收系统外壳4包括主壳体41、前端盖42和铁氧体片F44，所述主壳体41的一端与前端盖42经螺纹连接，并设有沉头螺钉43用于防止前端盖42相对主壳体41产生松动，该主壳体41的另一端与刀柄3连接；所述刀柄3为圆锥体且小径端设有槽口用于方便刀柄3的安装和拆卸，大径端设有螺纹与主壳体41连接；所述铁氧体片F44设置于主壳体41内并与刀柄3的大径端面粘结，该铁氧体片F44能屏蔽刀柄3以及机床主轴部分金属障碍物对接收系统22的干扰，增强无线感应信号从而减少磁场能量的损失，保证传输稳定可靠；所述超声振动单元5包括换能器套筒51、变幅杆54、沉头螺栓53以及设置于换能器套筒51内的换能器52，所述换能器套筒51一端与接收系统外壳4的主壳体41卡接并经前端盖42紧固，该换能器套筒51的另一端与变幅杆54连接，所述沉头螺栓53轴向穿过换能器52以及换能器套筒51与变幅杆54连接；所述装夹系统6包括夹头61和夹紧盖62，所述夹头61与变幅杆54经锥面连接，所述夹紧盖62套设于夹头61的外圆面用于夹紧刀具。

如图4所示，本发明的接收系统22包括接收线圈盒221以及依次设置于接收线圈盒221内的第二中继线圈222、电路板C223、第二线圈支撑架224、电路板D225和接收线圈227；所述第二线圈支撑架224的两端面上设有弧形卡槽分别用于固定接收线圈227和第二中继线圈222，所述电路板C223和电路板D225分别经紧固螺栓226与第二线圈支撑架224的两端面连接并位于弧形卡槽的内缘，所述接收线圈222以及第二中继线圈227均采用3～5层线圈并联绕制且每层线圈均为平面盘型渐开结构，该种结构增大了空间磁场强度的幅值并能降低等效电感的量值，正常工作时顶层与底层线圈将会因为等效电感量小而流过更大的电流，可保障最外层线圈上方的磁场强度，同时该结构线圈加工难度小，并能保障具有较好的磁场聚集度与尽量高的谐振频率。

如图5所示，本发明的发射系统21包括发射线圈盒211以及依次设置于发射线圈盒211内的铁氧体片E218、发射线圈212、电路板A213、第一线圈支撑架214、电路板B215和第一中继线圈217，该发射线圈盒211还包括封板219；所述第一线圈支撑架214的两端面上设有弧形卡槽分别用于固定第一中继线圈217和发射线圈212，所述电路板B215与电路板A213分别经紧固螺钉216与第一线圈支撑架214的两端面连接并位于弧形卡槽的内缘；所述发射线圈盒211为中空的圆筒状，该发射线圈盒211的筒壁上设有过线孔，所述过线孔包括在筒壁上设置通孔或U形缺口等结构；所述铁氧体片E218粘结于发射线圈盒211的底部，该铁氧体片E218能屏蔽对发射系统21的干扰，增强无线感应信号从而减少磁场能量的损失，保证传输稳定可靠；所述发射线圈212以及第一中继线圈217均采用3～5层线圈并联绕制且每层线圈均为平面盘型渐开结构，该种结构增大了空间磁场强度的幅值并能降低等效电感的量值，正常工作时顶层与底层线圈将会因为等效电感量小而流过更大的电流，可保障最外层线圈上方的磁场强度，同时该结构线圈加工难度小，并能保障具有较好的磁场聚集度与尽量高的谐振频率。

结合附图，本发明的工作原理为：首先将信号发生器11电源接通后并调整所需参数，保持产生稳定的高频超声电信号并通过信号传输线12输送到发射系统21中的电路板

A213，由发射线圈212将电能转变为磁能；由于发射线圈212、第一中继线圈217和第二中继线圈222、接收线圈227四个共振体之间相互电磁耦合共振能进行能量的传输，接收系统22中的电路板C223可将接收到的磁能转变为稳定的高频超声电信号提供给超声振动单元5，由换能器52将稳定的高频超声电信号再转变为超声振动的机械能，经变幅杆54进行振幅放大和聚能后传输到装夹系统6使刀具产生高频机械振动；当将刀柄3与机械加工设备的主轴连接，主轴运转时可驱动刀柄3部分跟随转动，此时刀具部分的运动为高速旋转和高频振动的复合运动。

参照附图，本发明中的换能器52为夹心式压电换能器，压电换能器是利用压电材料在电场作用下产生形变的特性(即压电晶体的逆压电效应)而制成的超声换能器，当外加电场为交变电场时，压电片就会产生与交变电场同频率的交变形变，从而使压电片两面向外辐射声波；由于超声换能器辐射面所产生的振动幅度较小，20kHz范围内超声换能器辐射面所产生的振幅只有几微米，而在大量高强度超声应用中所需振幅大约为几十到几百微米，因此必须借助变幅杆的作用将机械振动质点的位移量进行放大，并将超声能量聚焦在较小的面积上，产生聚能作用，最终作用于刀具上产生高频机械振动；夹心换能器是把压电材料夹持在两个金属块之间，通过夹持给压电材料加一定的预应力，使其工作时不至于受到大张力从而实现大功率发射，该夹心换能器包括中央压电陶瓷堆、前后金属盖板、预应力螺杆、电极片以及绝缘管等构成。

实施例一：图6所示为本发明的超声发生器1和无线供电系统2中的发射系统21配置一个，而无线供电系统2中的接收系统22以及刀柄3、接收系统外壳4、超声振动单元5和装夹系统6分别配置两个，采用电磁耦合共振原理可实现对两个接收系统进行无线电能传输；当然也可以对接收系统22以及刀柄3、接收系统外壳4、超声振动单元5和装夹系统6分别配置两个或两个以上，采用电磁耦合共振原理可实现对多个接收系统进行无线电能传输；能有效的提高生产效率，极大的降低生产制造成本。

本发明相对现有技术最大的进步是:①本发明属于独立的机床附件，不用改变机床结构就可与主轴安装使用，操作方便，制造成本低，生产效率高；②采用电磁耦合共振式进行无线电能传输代替传统电刷式或感应式无线供电，能量损失小，输送功率大，传输稳定可靠；③采用模块化的设计原理将刀柄、能量接收系统及能量转换单元集成于一体，使刀具实现高速旋转与高频振动的复合运动，从而实现对硬脆材料或复合材料的精准加工，并且解决了因机床设备均为金属结构影响无线电能传输的问题。

本发明非常适合安装于传统镗铣设备上进行辅助钻削、铣削、镗削等加工，并由于采用模块化设计结构，不同部分可根据实际需求更换为其它不同规格、不同用途的特殊部件，所以本发明还可以扩展应用到如下场合：①磨粒冲击超声加工，将本发明安装于传统铣床设备上，用磨粒悬浮液代替冷却液或配置独立的磨粒悬浮液供给系统，装夹磨粒冲击专用工具头，调整信号发生器参数，运转设备(仅利用机床进给系统，主轴不转动)进行磨粒冲击超声加工；②超声车削辅助加工，将本发明的变幅杆部分更换为不带刀具夹头的变幅杆，利用夹具将改装后的本发明装夹在车床车刀上进行超声车削辅助加工；③超声磨削辅助加工，将本发明更换刀柄及装夹系统，利用夹具将改装后的本发明装夹在磨床主轴上进行超声磨削辅助加工。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，其特征是在于包括超声发生器、无线供电系统、刀柄、接收系统外壳、超声振动单元和装夹系统；所述超声发生器包括信号发生器和信号传输线，该信号发生器经信号传输线与无线供电系统连接；该无线供电系统包括采用电磁耦合共振传输电能的发射系统和接收系统，该接收系统设置于接收系统外壳内；所述刀柄、接收系统外壳、超声振动单元和装夹系统顺次连接。

2.根据权利要求1所述的电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，其特征在于所述发射系统包括发射线圈盒以及依次设置于发射线圈盒内的铁氧体片E、发射线圈、电路板A、第一线圈支撑架、电路板B和第一中继线圈。

3.根据权利要求2所述的电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，其特征在于所述第一线圈支撑架的两端面上设有弧形卡槽分别用于固定第一中继线圈和发射线圈，所述电路板B与电路板A分别经紧固螺钉与第一线圈支撑架的两端面连接并位于弧形卡槽的内缘。

4.根据权利要求2所述的电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，其特征在于所述发射线圈盒为中空的圆筒状，该发射线圈盒的筒壁上设有过线孔，所述铁氧体片E粘结于发射线圈盒的底部。

5.根据权利要求1所述的电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，其特征在于所述接收系统包括接收线圈盒以及依次设置于接收线圈盒内的第二中继线圈、电路板C、第二线圈支撑架、电路板D和接收线圈；该接收线圈盒经螺纹连接于接收系统外壳内。

6.根据权利要求5所述的电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，其特征在于所述第二线圈支撑架的两端面上设有弧形卡槽分别用于固定第二中继线圈和接收线圈，所述电路板C和电路板D分别经紧固螺栓与第二线圈支撑架的两端面连接并位于弧形卡槽的内缘。

7.根据权利要求1所述的电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，其特征在于所述接收系统外壳包括主壳体、前端盖和铁氧体片F；所述刀柄为圆锥体且小径端设有槽口，大径端设有螺纹与主壳体连接；所述铁氧体片F设置于主壳体内并与刀柄的大径端面粘结。

8.根据权利要求1所述的电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，其特征在于所述超声振动单元包括换能器套筒、变幅杆、沉头螺栓以及设置于换能器套筒内的换能器，所述换能器套筒一端与接收系统外壳的主壳体卡接并经前端盖紧固，该换能器套筒的另一端与变幅杆连接，所述沉头螺栓轴向穿过换能器以及换能器套筒与变幅杆连接。

9.根据权利要求1所述的电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，其特征在于所述装夹系统包括夹头和夹紧盖，所述夹头与变幅杆经锥面连接，所述夹紧盖套设于夹头的外圆面用于夹紧刀具。

10.根据权利要求2或5所述的电磁共振式无线电能传输的超声振动辅助切削装置，其特征在于所述发射线圈、接收线圈、第一中继线圈或第二中继线圈均由3～5层线圈并联绕制且每层线圈均为平面盘型渐开结构。