CN112589137A - 具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴 - Google Patents

具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴 Download PDF

Info

Publication number
CN112589137A
CN112589137A CN202011467953.0A CN202011467953A CN112589137A CN 112589137 A CN112589137 A CN 112589137A CN 202011467953 A CN202011467953 A CN 202011467953A CN 112589137 A CN112589137 A CN 112589137A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ultrasonic
spindle
stator
rotor
signal generating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202011467953.0A
Other languages
English (en)
Inventor
高国富
张宽
袁照杰
王毅
夏子文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan University of Technology
Original Assignee
Henan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University of Technology filed Critical Henan University of Technology
Priority to CN202011467953.0A priority Critical patent/CN112589137A/zh
Publication of CN112589137A publication Critical patent/CN112589137A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/70—Stationary or movable members for carrying working-spindles for attachment of tools or work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

本发明公开了具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，属于数控机床及周边配套部件技术领域，其包括：同轴心设置的中空轴芯和主轴外壳，主轴外壳套设在中空轴芯外侧；中空轴芯与主轴外壳转动连接；中空轴芯的一端套设有主轴转子，另一端套设有超声信号发生转子，超声信号发生转子外侧套设有超声信号发生定子；主轴外壳内壁上设置有与超声信号发生定子电连接的定子极对数开关；中空轴芯远离主轴转子一端的空腔内设有声电转换装置，与超声信号发生定子电连接。本发明自身能够产生超声波电信号，不再通过电力电子器件进行整流逆变转换，并且可以通过机床自身的控制面板实现非超声振动加工模式和超声振动加工模式的自由切换。

Description

具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴
技术领域
本发明属于数控机床及周边配套部件技术领域，特别是涉及一种具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴。
背景技术
电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，电主轴与直线电机技术、高速刀具技术一起，把高速加工推向一个新时代。超声振动加工技术可以大幅度降低切削力，减少烧伤、变形、残余应力等缺陷，提高进给速度，从而提高产品质量。
在传统机械加工中工件与刀具相对运动的基础上，在工件或刀具上施加超声振动，以获得更好的加工性能。超声振动加工技术非常适合加工蓝宝石、玻璃、陶瓷、半导体等硬脆材料。但是，现有的超声振动电主轴存在以下问题：
(1)超声振动电主轴不具有产生超声波电信号的功能，需要在加工现场搭建独立的超声电源系统，使得超声波电信号的控制不能通过机床自身控制面板调节，且加工现场导线比较凌乱，增加了生产安全隐患。
(2)超声波换能器必须获得稳定的高质量超声波电信号才能使刀具稳定振动，保证加工质量，目前无论是通过采用静止的碳刷接触高速旋转的铜银滑环，进而将外部超声电源的高频电信号传导至换能器的接触导电方式，还是通过配置电磁感应线圈将超声电源的原边高频电信号传送至副边的换能器的非接触导电方式，加工时均有不同程度的局限，使用不方便且造成一定的维护成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，包括：同轴心设置的中空轴芯和主轴外壳，所述主轴外壳套设在所述中空轴芯外侧；所述中空轴芯与所述主轴外壳转动连接；所述中空轴芯的一端外侧套设有主轴转子，另一端外侧套设有超声信号发生转子，所述超声信号发生转子外侧对应套设有超声信号发生定子，所述超声信号发生定子与所述主轴外壳内壁固定连接；所述主轴外壳内壁上设置有与所述超声信号发生定子电连接的定子极对数开关，所述定子极对数开关用于调整所述超声信号发生定子投入运行的极对数；所述中空轴芯远离所述主轴转子一端的空腔内设有声电转换装置，所述声电转换装置与所述超声信号发生定子电连接，所述声电转换装置将所述超声信号发生定子产生的超声频电信号进行转换，使所述声电转换装置工作在谐振状态，实现超声振动加工。
进一步地，所述主轴转子外侧套设有主轴定子，所述主轴定子固定连接于所述主轴外壳内壁，所述主轴转子与所述主轴定子间隙配合。
进一步地，所述主轴定子与所述主轴转子之间的配合间隙形成第一气隙，所述第一气隙为所述主轴转子与所述主轴定子的冷却气道；所述中空轴芯上设置有其空腔与所述第一气隙连通的第一气道通孔。
进一步地，所述超声信号发生转子与所述超声信号发生定子为间隙配合；所述超声信号发生转子与所述超声信号发生定子的配合间隙形成第二气隙，所述第二气隙的宽度为1-2.5mm；所述第二气隙为所述超声信号发生转子和所述超声信号发生定子的冷却气道；所述中空轴芯上设置有其空腔与所述第二气隙连通的第二气道通孔。
进一步地，所述主轴外壳靠近所述主轴定子的一端设置有与其固定连接的端盖，所述端盖设置有与所述中空轴芯的空腔连通的强制风冷进气口以及若干与所述第一气隙连通的电主轴定转子气道出气口。
进一步地，所述主轴外壳靠近所述超声信号发生定子的一端设置有与其固定连接的后盖板，所述后盖板设置有若干与所述第二气隙连通的信号发生定转子气道出气口。
进一步地，所述主轴外壳上设置有若干外壳冷却腔，所述外壳冷却腔用于冷却所述主轴外壳和所述主轴定子。
进一步地，所述声电转换装置包括自上之下依次设置的信号处理电路模块、夹紧装置、超声刀柄、变幅杆和压帽；其中，所述信号处理电路模块与所述夹紧装置均卡接固定连接于所述中空轴芯的空腔内壁；所述信号处理电路模块与所述夹紧装置电连接；所述超声刀柄的一端与所述夹紧装置气动压紧配合连接，所述超声刀柄的另一端为中空结构，其内部设置有换能器；所述超声刀柄与所述换能器通过所述变幅杆连接；所述压帽与所述变幅杆螺纹相连；所述信号处理电路模块与所述超声信号发生转子电连接。
进一步地，所述信号处理电路模块与所述超声信号发生定子之间通过导线连接，所述信号处理电路模块对所述超声信号发生转子产生的超声频电信号进行调制，并以电压与电流的相位差作为阻抗匹配依据，当所述相位差等于或趋于零时，实现所述换能器的阻抗匹配，使所述换能器工作在谐振状态。
本发明有益效果：
1、本发明提供的超声振动电主轴自身能够产生超声波电信号，不再通过电力电子器件进行整流逆变转换，电路得到简化，同时减少了大量外围电能转换设备，并且可以通过机床自身的控制面板实现非超声振动加工模式和超声振动加工模式的自由切换，当电主轴处于超声振动加工模式时，能够对振动频率进行调整。
2、采用导线直连的方式将电主轴自身产生的超声波电信号直接传输到换能器，可有效地避免传统滑环接触导电或无线接触导电方式的声电转换效率低且稳定性差的缺点。
附图说明
图1为本发明的超声振动电主轴整体结构示意图；
图2为超声信号发生定转子截面示意图；
图3为夹紧装置与刀柄部位的信号转接插头与接口连接剖视图
其中，1、主轴定子；2、主轴转子；3、中空轴芯；4、外壳冷却腔；5、主轴外壳；6、电源接口；7、中段轴承；8、超声信号发生定子；9、超声信号发生转子；10、定子极对数开关；11、后盖板螺栓；12、后盖板；13、信号发生定转子气道出气口；14、超声刀柄；15、换能器；16、压帽；17、变幅杆；18、后端轴承；19、超声刀柄夹紧接口；191、信号转接插头；20、夹紧装置；201、信号转接接口；21、信号处理电路模块；22、布线通孔；23、第一气道通孔；24、前端轴承；25、端盖螺栓；26、电主轴定转子气道出气口；27、端盖；28、强制风冷进气口；29、第二气隙；30、导线。
具体实施方式
实施例1
具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，包括：同轴心设置的中空轴芯3和主轴外壳5，主轴外壳5套设在中空轴芯3外侧；中空轴芯3与主轴外壳5转动连接。
在本实施例中，中空轴芯3通过端盖螺栓25、端盖27、前端轴承24、中段轴承7、后端轴承18、后盖板螺栓11和后盖板12转动连接于主轴外壳5内腔。端盖27通过端盖螺栓25固定连接在主轴外壳5靠近主轴定子1的一端，后盖板12通过后盖板螺栓11固定连接在主轴外壳5靠近超声信号发生定子8的一端。
中空轴芯3的一端套设有主轴转子2，主轴转子2与中空轴芯3固定连接；主轴转子2外侧套设有主轴定子1，主轴定子1固定连接于主轴外壳5内壁，主轴转子2与主轴定子1间隙配合。
其中，主轴定子1与主轴转子2之间的配合间隙形成第一气隙，第一气隙为主轴转子2与主轴定子1冷却气道；中空轴芯3上设置有其空腔与第一气隙连通的第一气道通孔23。
中空轴芯3的另一端套设有超声信号发生转子9，超声信号发生转子9与中空轴芯3固定连接。超声信号发生转子9外侧套设有超声信号发生定子8，超声信号发生定子8与主轴外壳5内壁固定连接；主轴外壳5内壁上设置有与超声信号发生定子8电连接的定子极对数开关10，定子极对数开关10用于调整超声信号发生定子8投入运行的极对数；中空轴芯3远离主轴转子2一端的空腔内设有声电转换装置，声电转换装置与超声信号发生定子8电连接，声电转换装置将超声信号发生定子8产生的超声频电信号进行转换，使声电转换装置工作在谐振状态，实现超声振动加工。
超声信号发生转子9与超声信号发生定子8为间隙配合；超声信号发生转子9与超声信号发生定子8的配合间隙形成第二气隙29，第二气隙29的宽度为1-2.5mm；第二气隙29为超声信号发生转子9和超声信号发生定子8的冷却气道；中空轴芯3上设置有其空腔与第二气隙29连通的第二气道通孔。
在本实施中，端盖27设置有与中空轴芯3的空腔连通的强制风冷进气口28以及若干与第一气隙连通的电主轴定转子气道出气口26；后盖板12设置有若干与第二气隙29连通的信号发生定转子气道出气口13。
主轴外壳5上设置有若干外壳冷却腔4，外壳冷却腔4用于冷却主轴外壳5和主轴定子1，在本实施例中，外壳冷却腔4为圆形孔，数量为6个。
声电转换装置包括自上之下依次设置的信号处理电路模块21、夹紧装置20、超声刀柄14、变幅杆17和压帽16；其中，信号处理电路模块21与夹紧装置20均卡接固定连接于中空轴芯3的空腔内壁；信号处理电路模块21与夹紧装置20电连接；超声刀柄14的一端与夹紧装置20配合连接，超声刀柄14的另一端为中空结构，其内部设置有换能器15；超声刀柄14与换能器15通过变幅杆17连接；压帽16与变幅杆17螺纹相连；信号处理电路模块21与超声信号发生转子9电连接。
在本实施例中，超声刀柄14上设置有超声刀柄夹紧接口19，超声刀柄夹紧接口19与夹紧装置20之间采用气动压紧连接。
超声刀柄14可以是HSK、BT、SK、BBT等标准类型，夹紧装置20内部设置有的信号转接接口201与超声刀柄14内部含有的信号转接插头191采用同心圆环的方式进行可靠连接，将超声波电信号采用导线30直连的方式输送到换能器15。
如图3所示，展示了BT标准超声刀柄14与夹紧装置20的内部连接，超声刀柄夹紧接口19端头的信号转接插头191与夹紧装置20内部的信号转接接口201插接牢固。
夹紧装置20与信号处理电路模块21均通过卡槽固定于中空轴芯3的内壁，信号转接接口201与信号处理电路模块21通过导线30连接。
电源接口6焊接在主轴外壳5的外壁。
在本实施例中，中空轴芯3的空腔为轴芯超声振动冷却气道，主要冷却信号处理电路模块21及中空轴芯3的内壁。
本实施例的工作原理：超声振动电主轴电源接通后，高速旋转的中空轴芯3拖动超声信号发生转子9同轴旋转；当定子极对数开关10打开时，投入运行的超声信号发生定子8的线圈有直流电流通过，在直流电流的作用下立即产生恒定的磁场，超声信号发生转子9切割超声信号发生定子8产生恒定的磁场线，产生超声波电信号，电主轴处于超声振动加工模式，通过定子极对数开关10改变超声信号发生定子8投入运行的极对数，能够实现超声波电信号的频率调整；然后超声信号发生转子9产生的超声波电信号沿着布线通孔22内的导线30传输到固定在中空轴芯3内壁的信号处理电路模块21，信号处理电路模块21对超声信号发生转子9产生的原始超声波电信号进行电压变换、电流调整及阻抗匹配，再经过信号滤波处理，获得期望超声频电信号；最后期望超声频电信号经过夹紧装置20内部的信号转接接口201、超声刀柄14内的信号转接插头191传输到换能器15，在期望超声频电信号作用下的换能器15将工作在谐振状态，实现超声振动加工。
超声波电信号发生机构通过电源接口6提供的直流电在超声信号发生定子8的线圈中产生恒定磁场，高速旋转的电主轴带动超声信号发生转子9的线圈切割超声信号发生定子8线圈产生的磁感线，将电主轴的部分机械能转换为超声频电信号。
超声波电信号发生机构的定子极对数开关10控制超声信号发生定子8投入运行的极对数，可以改变超声信号发生定子8投入运行的极对数，能够实现对超声波电信号的频率调整；当定子极对数开关10全部关闭时，电主轴处于非超声振动加工模式；当定子极对数开关10打开时，电主轴处于超声振动加工模式，且能够进行频率调整。
信号处理电路模块21与超声信号发生定子8之间通过导线连接，信号处理电路模块21对超声信号发生转子9产生的超声频电信号进行调制，并以电压与电流的相位差作为阻抗匹配依据，当相位差等于或趋于零时，实现换能器15的阻抗匹配，使换能器15工作在谐振状态。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围的。

Claims (9)

1.具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，其特征在于，包括：同轴心设置的中空轴芯和主轴外壳，所述主轴外壳套设在所述中空轴芯外侧；所述中空轴芯与所述主轴外壳转动连接；所述中空轴芯的一端外侧套设有主轴转子，另一端外侧套设有超声信号发生转子，所述超声信号发生转子外侧对应套设有超声信号发生定子，所述超声信号发生定子与所述主轴外壳内壁固定连接；所述主轴外壳内壁上设置有与所述超声信号发生定子电连接的定子极对数开关，所述定子极对数开关用于调整所述超声信号发生定子投入运行的极对数；所述中空轴芯远离所述主轴转子一端的空腔内设有声电转换装置，所述声电转换装置与所述超声信号发生定子电连接，所述声电转换装置将所述超声信号发生定子产生的超声频电信号进行转换，使所述声电转换装置工作在谐振状态，实现超声振动加工。
2.根据权利要求1所述的具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，其特征在于，所述主轴转子外侧套设有主轴定子，所述主轴定子固定连接于所述主轴外壳内壁，所述主轴转子与所述主轴定子间隙配合。
3.根据权利要求2所述的具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，其特征在于，所述主轴定子与所述主轴转子之间的配合间隙形成第一气隙，所述第一气隙为所述主轴转子与所述主轴定子的冷却气道；所述中空轴芯上设置有其空腔与所述第一气隙连通的第一气道通孔。
4.根据权利要求3所述的具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，其特征在于，所述超声信号发生转子与所述超声信号发生定子为间隙配合；所述超声信号发生转子与所述超声信号发生定子的配合间隙形成第二气隙，所述第二气隙的宽度为1-2.5mm；所述第二气隙为所述超声信号发生转子和所述超声信号发生定子的冷却气道；所述中空轴芯上设置有其空腔与所述第二气隙连通的第二气道通孔。
5.根据权利要求4所述的具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，其特征在于，所述主轴外壳靠近所述主轴定子的一端设置有与其固定连接的端盖，所述端盖设置有与所述中空轴芯的空腔连通的强制风冷进气口以及若干与所述第一气隙连通的电主轴定转子气道出气口。
6.根据权利要求5所述的具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，其特征在于，所述主轴外壳靠近所述超声信号发生定子的一端设置有与其固定连接的后盖板，所述后盖板设置有若干与所述第二气隙连通的信号发生定转子气道出气口。
7.根据权利要求6所述的具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，其特征在于，所述主轴外壳上设置有若干外壳冷却腔，所述外壳冷却腔用于冷却所述主轴外壳和所述主轴定子。
8.根据权利要求7所述的具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，其特征在于，所述声电转换装置包括自上之下依次设置的信号处理电路模块、夹紧装置、超声刀柄、变幅杆和压帽；其中，所述信号处理电路模块与所述夹紧装置均卡接固定连接于所述中空轴芯的空腔内壁；所述信号处理电路模块与所述夹紧装置电连接；所述超声刀柄的一端与所述夹紧装置气动压紧配合连接，所述超声刀柄的另一端为中空结构，其内部设置有换能器；所述超声刀柄与所述换能器通过所述变幅杆连接；所述压帽与所述变幅杆螺纹相连；所述信号处理电路模块与所述超声信号发生转子电连接。
9.根据权利要求8所述的具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴，其特征在于，所述信号处理电路模块与所述超声信号发生定子之间通过导线连接，所述信号处理电路模块对所述超声信号发生转子产生的超声频电信号进行调制，并以电压与电流的相位差作为阻抗匹配依据，当所述相位差等于或趋于零时，实现所述换能器的阻抗匹配，使所述换能器工作在谐振状态。
CN202011467953.0A 2020-12-14 2020-12-14 具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴 Pending CN112589137A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011467953.0A CN112589137A (zh) 2020-12-14 2020-12-14 具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011467953.0A CN112589137A (zh) 2020-12-14 2020-12-14 具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112589137A true CN112589137A (zh) 2021-04-02

Family

ID=75195199

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011467953.0A Pending CN112589137A (zh) 2020-12-14 2020-12-14 具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112589137A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117977901A (zh) * 2024-03-29 2024-05-03 比亚迪股份有限公司 直线电机、电磁悬架及车辆

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117977901A (zh) * 2024-03-29 2024-05-03 比亚迪股份有限公司 直线电机、电磁悬架及车辆

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107008959B (zh) 一种非接触感应供电的椭圆超声加工装置
CN105499626B (zh) 一种复合振动钻削装置
CN204934742U (zh) 一种基于非接触能量传输的旋转超声加工装置
CN113427286B (zh) 一种高频超声刀柄、刀具装置及超声机床
CN205520756U (zh) 一种适用于高速超声铣磨加工的刀柄集成系统
CN109500410B (zh) 高频振动主轴系统
CN108568397B (zh) 超磁致伸缩超声主轴
CN208099820U (zh) 旋转切削机床用超声波换能装置
WO2007004515A1 (ja) 超音波加工スピンドル装置
CN204109152U (zh) 一种超声波雕刻机
CN203018770U (zh) 一种旋转机床用超声波钻铣具
CN108161498A (zh) 旋转切削机床用超声波换能装置
CN104959639A (zh) 一种超声振动钻孔末端执行器
CN204075721U (zh) 一种超声波加工中心
CN112589137A (zh) 具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴
CN207857875U (zh) 旋转切削机床超声主轴
CN205362704U (zh) 一种分体式超声波电主轴
CN203541958U (zh) 电接触加热辅助超声振动表面强化及光整加工装置
CN213827052U (zh) 具有自发生超声波电信号且频率可调的超声振动电主轴
CN105478809B (zh) 一种分体式超声波电主轴
CN212168983U (zh) 一种可自动换刀的超声波刀柄
CN108672766B (zh) 便携式振动辅助钻孔装置及制孔方法与加工信号检测方法
CN104138831B (zh) 高速电主轴通用旋转超声换能器总成
CN205496310U (zh) 用于板料渐进成形的超声振动主轴装置
CN112643911A (zh) 一种自冷却中空杆超声刀柄系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination