CN204321762U - 一种单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，包括主砂轮、用于支撑工件的托板、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器、设置在椭圆振动模态转换器前端的摩擦片、联接在壳体单元下方的丝杠套、在丝杠套内设置的滚珠丝杠、设置于丝杠套下方的直线导轨、与滚珠丝杠同轴联接的驱动电机和设置于直线导轨下方的底座；本实用新型采用了机械振动模态转换机理把超声振动换能器的纵向振动转换为椭圆振动模态转换器末端和振动头的纵弯复合超声椭圆振动，简化了单电信号激励超声椭圆振动无心磨削系统的整体结构，大大降低了振动系统的复杂程度，降低了制造、装配难度和生产成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无心磨削装置，尤其是涉及一种利用单电信号激励产生超声椭圆振动的结构来代替传统无心磨削加工导轮的无心磨削装置。
背景技术
目前，如图1所示，通常无心磨削在进行外圆磨削时，工件放在主砂轮与导轮之间，由其下方的托板支承，并由导轮带动旋转。在传统无心磨削技术中，为获得理想的形状公差、表面精度和较高的加工效率，无心磨床必须具备高刚性、相对较大的砂轮及导轮，并要对导轮的运动进行精确控制。工件加工精度依赖于导轮的圆度及其旋转精度，高精度的修整技术及高旋转精度的主轴对于导轮来说必不可少，因此在无心磨床上需要安装附加的旋转控制部件及修整装置等。由于结构的局限，传统无心磨削设备不适合于直径小于2mm的微细零件的加工。
为了解决传统无心磨削设备存在的问题，公开号为CN103231287A的发明专利文献公开了一种无心磨削装置及其应用原理，其采用四块压电陶瓷分为两组粘接在弹性金属板上，以驱动弹性金属板前端粘接的摩擦片进行超声椭圆，并代替传统无心磨削设备的导轮，该装置方法能有效避免由导轮造成的圆度误差及导轮主轴造成的旋转误差，有效提高工件旋转精度，和保证磨削质量，但是装置中的椭圆振动需要采用两组压电陶瓷片来激发产生具有一定相位差的振动模态，还必须为每组压电陶瓷片配备一路超声驱动电源信号，且需要控制各路超声驱动电源信号之间的相位差，超声振动系统和控制系统结构复杂，制造难度大、控制难度高、生产成本高、不易实现微型化、工作性能不够稳定，这些问题制约了其在工业生产中的应用与推广。
发明内容
本实用新型提供了一种新型的单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，目的是为了克服现有超声椭圆振动无心磨削装置中存在的不足、简化结构、降低装置成本、降低装置控制难度、提高系统工作稳定性。
一种单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，包括主砂轮、用于支撑工件的托板、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器、设置在椭圆振动模态转换器前端的摩擦片、联接在壳体单元下方的丝杠套、在丝杠套内设置的滚珠丝杠、设置于丝杠套下方的直线导轨、与滚珠丝杠同轴联接的驱动电机和设置于直线导轨下方的底座。所述的壳体单元包括前挡板、套筒和后挡板；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有与壳体单元联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧，构成了超声振动换能器的能量转换部分，可将超声电源输出的超声电信号转换为超声振动换能器的纵向超声振动。所述超声振动换能器的电极片通过电缆与超声波电源相连接，所述的与滚珠丝杠同轴联接的驱动电机为伺服电机或步进电机，用来驱动联接在丝杠套上方壳体单元内的单电信号激励超声椭圆振动系统进行左右移动。
所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，椭圆振动模态转换器与前盖板制作成一个整体，或者将椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端，或者将椭圆振动模态转换器通过螺钉联接设置在前盖板的前端，所述的椭圆振动模态转换器整体为圆柱形，上下两侧开设有三个错位分布的矩形缺口；在椭圆振动模态转换器与超声振动换能器前盖板的联接处设有过渡圆弧。
椭圆振动模态转换器设置在超声振动换能器前端后构成的组合件称为单电信号激励超声椭圆振动换能器，在椭圆振动模态转换器上下两侧开设矩形缺口的目的是为了改变单电信号激励超声椭圆振动换能器的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等。
摩擦片通过焊接、联接螺钉或压板机构联接设置在椭圆振动模态转换器的前端；当超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动摩擦片和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动。
超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘设置于套筒的上凹止口内，前挡板设置在法兰盘的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，后挡板设置在套筒没有止口的另一端，防止灰尘、铁屑等杂物进入到壳体单元内，影响超声振动换能器工作性能；相比现有文献介绍的超声椭圆振动无心磨削装置，该单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置具有结构简单，制造容易、成本低、结构刚度大、控制驱动系统简单和振动磨削性能稳定等优点。
更进一步，所述的超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片。
更进一步，所述的超声振动换能器只需要一路超声电信号激励。
更进一步，所述的超声振动换能器的工作频率范围为18kHz-40kHz。
本实用新型采用了机械振动模态转换机理把超声振动换能器的纵向振动转换为椭圆振动模态转换器末端和振动头的纵弯复合超声椭圆振动，简化了单电信号激励超声椭圆振动无心磨削系统的整体结构，大大降低了振动系统的复杂程度，降低了制造、装配难度和生产成本；另外该实用新型仅需要一路控制电路及超声电源进行激励，控制难度低，避免了两相或多相超声振动复合形成椭圆振动换能器的复杂超声电源开发费用，简化了控制电路及超声电源结构，降低了控制电路及超声电源成本，易于实现控制电路及超声电源的集成化，提高了系统工作可靠性，该装置能有效避免由导轮造成的圆度误差及导轮主轴造成的旋转误差，提高工件旋转精度，保证磨削质量，工作性能稳定，应用前景广阔。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型结构示意图的俯视图。
图3是现有普通无心磨削装置的结构示意图。
图4是本实用新型中单电信号激励超声椭圆振动换能器的前视图。
图5是本实用新型中单电信号激励超声椭圆振动换能器的俯视图。
图6是本实用新型的应用实例示意图。
图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.前盖板，6.法兰盘，7. 椭圆振动模态转换器，8.摩擦片，9.前挡板，10.工件，11.套筒， 12.后挡板，13.主砂轮，14. 托板，15. 丝杠套，16. 滚珠丝杠，17. 直线导轨，18.底座，19.驱动电机，20.超声电源, 21.导轮,22.矩形缺口。
具体实施方式
结合图1~5所示，一种单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，包括主砂轮13、用于支撑工件10的托板14、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器7、设置在椭圆振动模态转换器7前端的摩擦片8、联接在壳体单元下方的丝杠套15、在丝杠套15内设置的滚珠丝杠16、设置于丝杠套15下方的直线导轨17、与滚珠丝杠16同轴联接的驱动电机19和设置于直线导轨17下方的底座18。所述的壳体单元包括前挡板9、套筒11和后挡板12；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板5上设置有与壳体单元联接用的法兰盘6，后盖板2和前盖板5通过螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5联接压紧，构成了超声振动换能器的能量转换部分，可将超声电源20输出的超声电信号转换为超声振动换能器的纵向超声振动。超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3为PZT-8，尺寸为：Ф30×Ф15×5，压电陶瓷片3的片数为2。
所述的与滚珠丝杠16同轴联接的驱动电机19为伺服电机，通过伺服控制器和变频器可以驱动联接在丝杠套15上方壳体单元内的单电信号激励超声椭圆振动系统进行左右精密移动。
椭圆振动模态转换器7和前盖板5制作成一个整体零件设置在前盖板5的前端，在椭圆振动模态转换器7与超声振动换能器前盖板5的联接处设有过渡圆弧，过渡圆弧半径为5mm，椭圆振动模态转换器7整体为圆柱形，上下两侧开设有三个错位分布的矩形缺口22，三个矩形缺口22宽度为6mm，深度为3mm，三个矩形缺口22的中心距前端面的距离分别为15mm，25mm，35mm。
摩擦片8通过焊接设置在椭圆振动模态转换器7的前端；当超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动摩擦片8和椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动。
超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘6设置于套筒11的上凹止口内，前挡板9设置在法兰盘6的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，后挡板12设置在套筒11没有止口的另一端，
超声振动换能器和椭圆振动模态转换器7联接后的固有频率为19.84KHz，阻抗为83欧姆，动态电阻为19欧姆，超声电源20输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为19.84±0.01KHz，且超声电源20在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。
结合图6所示，在进行无心磨削加工时，超声振动换能器的电极片4与超声电源20相连，当超声振动换能器的电极片4接入超声电源20输出的电信号后，由于压电陶瓷片3的逆压电效应，压电陶瓷片3将会产生纵向超声振动，即超声振动换能器将超声电源20输出的电能转换为纵向超声振动，并驱动整个超声振动换能器系统进行纵向超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动摩擦片8和椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动。
由摩擦片8和托板14支撑工件10，工件10的旋转运动由工件10与摩擦片8之间的摩擦力控制，工件10圆周速度与摩擦片8接触处的椭圆振动的线速度相同。
在进行磨削实验中，摩擦片8和相应装置的高度可以进行粗调和微调，在水平面上围绕旋转轴可以进行旋转调节，通过调节可以保证摩擦片8、托板14、主砂轮13和工件10的正确空间几何关系。
当对超声振动换能器加载电压运行10分钟后，单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置达到稳定振动状态，此时超声电源20的稳定输出电压为60V，电流为0.8A，使用激光多普勒测振仪测得超声椭圆振动长短半轴振幅分别为3.9微米和1.2微米，并通过具有李沙育图形运算功能的双踪示波器对激光多普勒测振仪测得的信号进行图形运算，可以得到长短轴比为3.25的超声椭圆振动轨迹，完全满足超声椭圆振动无心磨削的要求。
结合图1-6所示，本实用新型是通过单电信号激励超声椭圆振动系统来取代传统无心磨床中导向轮所起的作用，采用了机械振动模态转换机理把超声振动换能器的纵向振动转换为椭圆振动模态转换器末端和振动头的纵弯复合超声椭圆振动，结构简单，控制难度低，有效降低了制造、装配难度和生产成本，有效避免由导轮21造成的圆度误差及导轮21主轴造成的旋转误差，提高工件10旋转精度，保证了无心磨削加工质量。
Claims (9)
1.一种单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，其特征在于：该无心磨削装置包括主砂轮、用于支撑工件的托板、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器、设置在椭圆振动模态转换器前端的摩擦片、联接在壳体单元下方的丝杠套、在丝杠套内设置的滚珠丝杠、设置于丝杠套下方的直线导轨、与滚珠丝杠同轴联接的驱动电机和设置于直线导轨下方的底座；所述的壳体单元包括前挡板、套筒和后挡板；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有与壳体单元联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧，所述超声振动换能器的电极片通过电缆与超声波电源相连接；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，所述的椭圆振动模态转换器整体为圆柱形，上下两侧开设有三个错位分布的矩形缺口，在椭圆振动模态转换器与超声振动换能器前盖板的联接处设有过渡圆弧。
2.根据权利要求1所述的单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体。
3.根据权利要求1所述的单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板前端。
4.根据权利要求1所述的单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器通过螺钉联接设置在前盖板的前端。
5.根据权利要求1-4中任一条所述的单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，其特征在于：所述的摩擦片通过焊接设置在椭圆振动模态转换器的前端。
6.根据权利要求1-4中任一条所述的单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，其特征在于：还包括一个联接螺钉，用于将摩擦片联接在椭圆振动模态转换器的前端。
7.根据权利要求1-4中任一条所述的单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，其特征在于：还包括压板机构，所述的摩擦片通过压板机构联接在椭圆振动模态转换器的前端。
8.根据权利要求1-4中任一条所述的单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，其特征在于：所述的驱动电机为伺服电机。
9.根据权利要求1-4中任一条所述的单电信号激励超声椭圆振动无心磨削装置，其特征在于：所述的驱动电机为步进电机。
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| CN111168484A (zh) * | 2020-01-14 | 2020-05-19 | 南京航空航天大学 | 一种单激励超声椭圆振动辅助磨削装置及其运行工艺 |
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