CN110640556A - 一种超声刀柄的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声刀柄的控制方法，所述超声刀柄包括超声换能器；所述超声换能器包括偶数层叠置的压电陶瓷片，每层所述压电陶瓷片上设置有2个以上的极化分区；所述压电陶瓷片包括两个导电电极及层压在所述两个导电电极之间的陶瓷材料；上下相邻的压电陶瓷片对应的极化分区上相互靠近的导电电极的极性相反；所述压电陶瓷片的导电电极通过电极片引出，所述超声刀柄的控制方法包括如下步骤：叠置的偶数层压电陶瓷片上下对应的极化分区作为压电陶瓷组；所述超声换能器被分成与所述极化分区个数对应的压电陶瓷组；每个所述压电陶瓷组上输入频率相同或者相异、相位相同或相异的激励信号。所述超声刀柄的控制方法可以实现超声刀柄的复杂运动轨迹，减少加工缺陷。

Description

一种超声刀柄的控制方法

技术领域

本发明属于超声加工技术领域，更具体地说，是涉及一种超声刀柄的控制方法。

背景技术

目前对一些硬脆材料的加工，常用超声刀柄进行切割。超声刀柄是一种利用高频超声振动实现超声辅助加工工艺的工具，其内部的超声换能器可以将高频电信号转换为高频机械振动，通过变幅杆将机械振动放大，并而将超声能量传输到刀具的端面，实现对硬脆材料的高效和高质量加工。传统上，超声刀柄的超声换能器由多层叠置的压电陶瓷片构成，每层的压电陶瓷片单独作为一个极性分区，上下层之间压电陶瓷片作为一压电陶瓷组，每组压电陶瓷组单一组激励信号，继而根据单一的一组激励信号控制超声刀柄振动，但是，上述控制方法中，超声刀柄振动的振动轨迹单一，对表面质量改善极为有限，且在工件边缘容易产生加工缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声刀柄的控制方法，以解决超声刀柄振动轨迹简单，表面质量改善有限和加工边缘缺陷的问题。

本发明提供一种超声刀柄的控制方法，所述超声刀柄包括超声换能器；所述超声换能器包括偶数层叠置的压电陶瓷片，每层所述压电陶瓷片上设置有2个以上的极化分区；所述压电陶瓷片包括两个导电电极及层压在所述两个导电电极之间的陶瓷材料；上下相邻的压电陶瓷片对应的极化分区上相互靠近的导电电极的极性相反；所述压电陶瓷片的导电电极通过电极片引出，所述超声刀柄的控制方法包括如下步骤：叠置的偶数层压电陶瓷片上下对应的极化分区作为压电陶瓷组；所述超声换能器被分成与所述极化分区个数对应的压电陶瓷组；每个所述压电陶瓷组上输入频率相同或者相异、相位相同或相异的激励信号。

可选地，每个所述压电陶瓷组上输入频率相异、存在相位差的激励信号。

可选地，每层所述压电陶瓷片上设置有2个的极化分区。

可选地，所述超声换能器被分成两个压电陶瓷组；所述两个压电陶瓷组分别输入频率相异、存在相位差的第一激励信号和第二激励信号。

可选地，所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的频率比值在预设比值的正负10％之内，所述预设比值为1:1、1:2、1:3或者2:3。进一步地，所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的相位差值为0、1/4π、1/2π、3/4π或者π。

可选地，所述第一激励信号和所述第二激励信号的频率比值为1:1，所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的相位差值为0、π或介于0-π之间。

可选地：所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的频率比值为1:2、1:3或2:3，且所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的相位差值为0、1/2π或π。

可选地，所述超声换能器被分成4个压电陶瓷组；所述4个压电陶瓷组分别输入频率相异、存在相位差的4个激励信号。

可选地，每组极化分区输入的激励信号为正余弦波或者方波。

与现有技术相比，本发明通过将超声换能器内部每层压电陶瓷设置成偶数个极化分区，对应输入偶数个不同信号，通过不同信号之间的频率和相位差的调节，实现超声刀柄复杂的运动轨迹，从而降低加工工件的表面粗糙度、减少加工缺陷且进一步提高了加工效率，且由于每层压电陶瓷为一体化设置的极化分区的压电陶瓷，使压电陶瓷的振动相对稳定，可靠性更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的超声刀柄的立体结构示意图；

图2为图1的超声换能器部分爆炸结构示意图；

图3为本发明实施例提供的超声刀柄的第一压电陶瓷的立体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的超声刀柄的电极输入信号正负示意图；

图5为本发明实施例提供的超声刀柄的电极输入信号的波形图；

图6为本发明实施例提供的超声刀柄的电极输入两种不同激励信号所产生的运动轨迹示意图；

图7为本发明实施例中超声换能器中多层压电陶瓷的半剖示意图；

图8为本发明实施例中第一压电陶瓷的立体结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1-超声刀柄；11-工具头；13-变幅杆；15-超声换能器；17-刀柄主体；19-后盖；151-第一压电陶瓷；152-第二压电陶瓷；153-第三压电陶瓷；154-第四压电陶瓷；155-第一电极片；156-第二电极片；157-第三电极片；158-第四电极片；159-第五电极片；1551-第一左电极片；1552-第一右电极片；1561-第二左电极片；1562-第二右电极片；1571-第三左电极片；1572-第三右电极片；1581-第四左电极片；1582-第四右电极片；1591-第五左电极片；1592-第五右电极片；251-第一半圆环压电陶瓷；252-第二半圆环压电陶瓷；253-第三半圆环压电陶瓷；351-整圆环压电陶瓷。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1-8，为了便于理解，先对实现上述控制方法中的超声刀柄1做详细介绍。该超声刀柄1包括工具头11、变幅杆13、超声换能器15、刀柄主体17和后盖19。其中，工具头11位于刀柄主体17的一端，所述变幅杆13位于工具头11和刀柄主体17之间，所述工具头11用来连接不同的刀具，该工具头11的一端连接所述刀具、另一端连接所述变幅杆13，所述变幅杆13用来调节超声振动的振幅，即用来调节超声刀柄1的振动幅度。所述刀柄主体17连接在所述变幅杆13的尾部，所述刀柄主体17和变幅杆13之间形成有安装空间，所述换能器设置在所述安装空间内，超声换能器15安装在所述变幅杆13上。

其中，该超声刀柄1中的超声波换能器15包括偶数层叠置的压电陶瓷片，每层所述压电陶瓷片上设置有2个以上的极化分区；压电陶瓷片包括两个导电电极及层压在所述两个导电电极之间的陶瓷材料；上下相邻的所述压电陶瓷片对应的极化分区上相互靠近的导电电极的极性相反；所述压电陶瓷片的导电电极通过电极片引出。示例性的，该超声换能器15包括第一压电陶瓷151、第二压电陶瓷152、第三压电陶瓷153、第四压电陶瓷154、第一电极片155、第二电极片156、第三电极片157、第四电极片158和第五电极片159，每个压电陶瓷的上下两面分别设置一电极片，所以所述超声换能器15内的元件从上至下依次包括第一电极片155、第一压电陶瓷151、第二电极片156、第二压电陶瓷152、第三电极片157、第三压电陶瓷153、第四电极片158、第四压电陶瓷154、第五电极片159。在本实施例中，所述第一电极片155、第二电极片156、第三电极片157、第四电极片158和第五电极片159为五个相同的电极片，所述第一压电陶瓷151、第二压电陶瓷152、第三压电陶瓷153、第四压电陶瓷154为四个相同的压电陶瓷。作为一种变形，所述超声换能器15内部的压电陶瓷数量不作限定，只要压电陶瓷的数量为偶数个即可，每个压电陶瓷位于两相邻电极片之间。

可选地，所述第一压电陶瓷151为整圆，其包括两个极化分区，每个极化分区为半圆环压电陶瓷且两个不同极化分区的压电陶瓷一体相连，一个极化分区为正极(+)、另一个极化分区为负极(-)，在所述超声换能器15内部的其他压电陶瓷与所述第一压电陶瓷151相同，且相邻两压电陶瓷之间的极化分区位置对应，且每层所述压电陶瓷片上相邻的极化分区的极性相反，即同一压电陶瓷的上表面的两个极化分区分别为正极和负极、下表面的两个极化分区对应分别为负极和正极，在相对应的位置，相邻层的压电陶瓷的上表面的两个极化分区分别为负极和正极、下表面的两个极化分区对应分别为正极和负极。可见，本发明提供的超声换能器的每层所述压电陶瓷片上的极化分区的个数为偶数，每层所述压电陶瓷片上相邻的极化分区的极性相反且每层的压电陶瓷的形状不限定。也就是说，该压电陶瓷除了为整圆形状外，也可以为其他形状，只要保证所述压电陶瓷包括两个一体相连的两个极化分区即可，通过一体相连的压电陶瓷，可以使所述超声刀柄在实现复杂运动轨迹的同时振动频率与振幅更加稳定。

请参阅图4，所述第一压电陶瓷151、第二压电陶瓷152、第三压电陶瓷153、第四压电陶瓷154依次上下叠设，所述第一电极片155包括两个半电极片，即第一左电极片1551、第一右电极片1552；所述第二电极片156包括两个半电极片，即第二左电极片1561、第二右电极片1562；所述第三电极片157包括两个半电极片，即第三左电极片1571、第三右电极片1572；所述第四电极片158包括两个半电极片，即第四左电极片1581、第四右电极片1582；所述第五电极片159包括两个半电极片，即第五左电极片1591、第五右电极片1592。所述第一左电极片1551、第二左电极片1561、第三左电极片1571、第四左电极片1581、第五左电极片1591位于多个压电陶瓷的左侧，五个左电极片共同输入第一激励信号a-b，所述第一左电极片1551连接正极、第二左电极片1561连接负极、第三左电极片1571连接正极、第四左电极片1581连接负极、第五左电极片1591连接正极。所述第一右电极片1552、第二右电极片1562、第三右电极片1572、第四右电极片1582、第五右电极片1592位于多个压电陶瓷的右侧，五个右电极片共同输入第二激励信号c-d，所述第一右电极片1552连接负极、第二右电极片1562正极、第三右电极片1572连接负极、第四右电极片1582连接正极、第五右电极片1592连接负极。可见，本发明提供的每层压电陶瓷片上设置的电极片包括极性相反的正极片和负极片；多层叠置的压电陶瓷片上下对应的极化分区上的导电电极通过所述正极片和所述负极片连接；且所述正极片和所述负极片间隔。可选地，各所述正极片被一体化集成设置为一正极组件，各所述负极片被一体化集成设置为一负极组件。

具体请参阅图7，在本发明实施例所提供的超声换能器中每层压电陶瓷的半剖示意图中，每个半圆压电陶瓷组包括第一半圆环压电陶瓷251、第二半圆环压电陶瓷252、第三半圆环压电陶瓷253、第四半圆环压电陶瓷254和五个电极片，每个半圆环压电陶瓷位于两相邻电极片之间，两个所述半圆压电陶瓷组共同组成了超声换能器内部的整圆的压电陶瓷和电极片组件，两个半圆压电陶瓷组分别接入第一激励信号和第二激励信号，共两个激励信号。

可以理解，上述图7的压电陶瓷的设置方式只是其中一种，请参阅图8，在本发明实施例中超声换能器的每层压电陶瓷还可以包括四个极性分区，如图8所示的整圆压电陶瓷351，包括四个极化分区，每个信号分区为90°弧形压电陶瓷，两相对的极化分区为正极(+)、另一相对的极化分区为负极分区(-)，在所述超声换能器内部的其他压电陶瓷与该整圆压电陶瓷351相同，每层整圆压电陶瓷中的每相邻两个90°弧形压电陶瓷的极性相反，四个90°弧形压电陶瓷一体相连构成整圆。位置对应叠设的多个90°弧形压电陶瓷形成一压电陶瓷组，四个压电陶瓷组分别输入四个激励信号，所述四个90°弧形压电陶瓷组连接四种不同的信号。在本实施例中，所述超声换能器被分成4个压电陶瓷组；所述4个压电陶瓷组用于分别输入4个激励信号。

在本发明中，提供了一种基于上述超声刀柄的控制方法，该超声刀柄的控制方法包括如下步骤：

叠置的偶数层压电陶瓷片上下对应的极化分区作为压电陶瓷组；超声换能器被分成与极化分区个数对应的压电陶瓷组；每个压电陶瓷组上输入频率相同或者相异、相位相同或相异的激励信号。

可选地，在每个所述压电陶瓷组上输入频率相异、存在相位差的激励信号。

其中，请参阅前述关于超声刀柄1中超声换能器15的描述，在一实施方式中，当超声换能器被分成两个压电陶瓷组时，两个压电陶瓷组分别输入频率相异、相位相异的第一激励信号和第二激励信号。

可选地，所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的频率比值在预设比值的正负10％之内，所述预设比值为1:1、1:2、1:3或者2:3。进一步地，所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的频率比值在预设比值的正负10％之内，且所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的相位差值为0、1/4π、1/2π、3/4π或者π。

可选地，所述第一激励信号和所述第二激励信号的频率比值为1:1，所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的相位差值为0、π或介于0-π之间。

可选地，所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的频率比值为1:2、1:3或2:3，且所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的相位差值为0、1/2π或π。需要说明的，上述预设比值也可以是其他数值，这里不做限定。

可选地，每组极化分区输入的激励信号为正余弦波或者方波、其他波形信号，需要说明的是，每组激励信号的波形不作限定，可以为正余弦波、方形波或者其他形状的波形，这里不做限定。

示例性的，所述第一激励信号为sin(2πf1+α1)，所述第二激励信号c-d为sin(2πf2+α2)，α1与α2之间的差值为0或者1/4π或者1/2π或者3/4π或者π，且f1：f2为1:1或者1:2或者1:3或者2:3。示例性的，f1：f2＝1:1，f1：f2在1:1的正负10％范围之内，且α1与α2之间的差值为0、π或介于0-π之间，更进一步地，f1：f2＝1:1且α1与α2之间的差值为1/2π。再示例性的，f1：f2＝1:2或者1:3或者2:3且α1与α2之间的差值为0、1/2π或π。需要说明的是，上述α1与α2之间的差值在这里只是举例说明，上述α1与α2之间的差值可以是0-π任意之间，具体这里不做限定。另外，f1与f2之间的比值也不做具体限定，示例性的，当f1与f2之间的比值可以是1:1或者1:2或者1:3或者2:3或者其他比值，只要满足用户需求即可，这里不做限定。

示例性的，如图6所示，所述第一激励信号a-b为sin(2πf1+α1)，所述第二激励信号c-d为sin(2πf2+α2)，当f1：f2＝1:1且α1与α2之间的差值为0或者π时，超声刀柄1的运动轨迹为直线；当f1：f2＝1:1且α1与α2之间的差值为1/4π或者3/4π时，超声刀柄1的运动轨迹为椭圆，当f1：f2＝1:1且α1与α2之间的差值也可以为介于1/4π到3/4π之间的其他相位差；当f1：f2＝1:1且α1与α2之间的差值为1/2π时，超声刀柄1的运动轨迹为圆，当运动轨迹为圆时，超声刀柄1达到最优轨迹；当f1：f2＝1:2或者1:3或者2:3且α1与α2之间的差值为0或者1/4π或者1/2π或者3/4π或者π时，超声刀柄1的运动轨迹为复杂曲线。需要说明的是，上述第一激励信号和第二激励信号对应的超声刀柄1的运动轨迹在这里只是举例说明，并不对本方案造成限定，关于激励信号的具体设置，可参阅前述关于超声换能器的描述，由于对输入该超声刀柄1中的超声换能器15的激励信号的不同，将驱使超声换能器15产生对应的振动，从而使得超声刀柄1具有不同的运动轨迹，这里不一一展开描述。

在另一实施方式中，所述超声换能器被分成4个压电陶瓷组；所述4个压电陶瓷组分别输入频率相异、存在相位差的4个激励信号。需要说明的是，4个压电陶瓷组除了分别输入频率相异、存在相位差的4个激励信号外，还可以分别输入频率相异、不存在相位差的4个激励信号，或分别输入频率相同，存在相位差的4个激励信号，具体这里不做限定。每组极化分区输入的激励信号为正余弦波或者方波，当然，还可以是其他波形信号，这里不一一举例说明。当该超声刀柄1中的超声换能器15存在4个激励信号时，该超声刀柄1也将有相应的运动轨迹，另外，当该超声刀柄1中的超声换能器15存在4个激励信号时的工作过程可对应参阅超声换能器15中存在2个激励信号时的相关描述，对输入该超声刀柄1中的超声换能器15的4个激励信号的不同，将驱使超声换能器15产生对应的振动，从而使得超声刀柄1具有不同的运动轨迹，这里不一一展开描述。

与现有技术相比，本发明通过将超声换能器内部每层压电陶瓷设置成偶数个极化分区，对应输入偶数个不同激励信号，通过不同激励信号之间的频率和相位差的调节，实现超声刀柄复杂的运动轨迹，从而降低加工工件的表面粗糙度、减少加工缺陷且进一步提高了加工效率，且由于每层压电陶瓷为一体化设置的极化分区的压电陶瓷，使压电陶瓷的振动相对稳定，可靠性更高，适用于高速旋转的条件。所述超声换能器可以产生复杂运动轨迹，根据加工对象和结构可以选择振动输出轨迹，进一步提高表面质量，减少加工缺陷。并且，可以适用于高速旋转的苛刻条件，稳定性和可靠性好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声刀柄的控制方法，其特征在于，所述超声刀柄包括超声换能器；所述超声换能器包括偶数层叠置的压电陶瓷片，每层所述压电陶瓷片上设置有2个以上的极化分区；所述压电陶瓷片包括两个导电电极及层压在所述两个导电电极之间的陶瓷材料；上下相邻的压电陶瓷片对应的极化分区上相互靠近的导电电极的极性相反；所述压电陶瓷片的导电电极通过电极片引出，所述超声刀柄的控制方法包括如下步骤：

叠置的偶数层压电陶瓷片上下对应的极化分区作为压电陶瓷组；所述超声换能器被分成与所述极化分区个数对应的压电陶瓷组；每个所述压电陶瓷组上输入频率相同或者相异、相位相同或相异的激励信号。

2.如权利要求1所述的超声刀柄的控制方法，其特征在于：每个所述压电陶瓷组上输入频率相异、相位相异的激励信号。

3.如权利要求2所述的一种超声刀柄的控制方法，其特征在于：每层所述压电陶瓷片上设置有2个极化分区。

4.如权利要求3所述的超声刀柄的控制方法，其特征在于：所述超声换能器被分成两个压电陶瓷组；所述两个压电陶瓷组分别输入频率相异、相位相异的第一激励信号和第二激励信号。

5.如权利要求4所述的超声刀柄的控制方法，其特征在于：所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的频率比值在预设比值的正负10％之内，所述预设比值为1:1、1:2、1:3或者2:3。

6.如权利要求5所述的超声刀柄的控制方法，其特征在于：所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的相位差值为0、1/4π、1/2π、3/4π或者π。

7.如权利要求5所述的超声刀柄的控制方法，其特征在于：所述第一激励信号和所述第二激励信号的频率比值为1:1，所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的相位差值为0、π或介于0-π之间。

8.如权利要求4所述的超声刀柄的控制方法，其特征在于：所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的频率比值为1:2、1:3或2:3，且所述第一激励信号和所述第二激励信号之间的相位差值为0、1/2π或π。

9.如权利要求1所述的超声刀柄的控制方法，其特征在于：所述超声换能器被分成4个压电陶瓷组；所述4个压电陶瓷组分别输入频率相异、存在相位差的4个激励信号。

10.如权利要求4-9任一项所述的超声刀柄的控制方法，其特征在于：每组极化分区输入的激励信号为正余弦波或者方波。

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