TWI790720B - 多維超音波振動頭及利用其之工具機 - Google Patents

Abstract

一種多維超音波振動頭，具有：一振動源組合，具有複數個振動源，各所述振動源均具有一控制端及一作用端，各該控制端均耦接一超音波頻率振盪信號以使一所述振動源產生一第一超音波機械振動，且各該第一超音波機械振動各具有一不同的振動方向；一喇叭部，具有一輸入端及一輸出端，其中該輸入端係與所述複數個振動源之所述作用端連接，且該喇叭部係用以放大複數個所述第一超音波機械振動之一合成超音波機械振動的振幅以產生一第二超音波機械振動；以及一工具頭，與該喇叭部之所述輸出端連接，用以依該第二超音波機械振動之一振動方向對一工件進行一加工作業。

Description

多維超音波振動頭及利用其之工具機

本發明係有關於超音波振動頭，特別是關於一種多維超音波振動頭。

請參照圖1，其為一現有超音波振動頭之外觀示意圖。如圖1所示，一超音波振動頭10具有一換能器11、一喇叭部12及一工具頭13，其中，換能器11係用以依一超音波頻率振盪信號產生一超音波機械振動；喇叭部12係用以放大所述超音波機械振動以驅使工具頭13對一工件進行加工。

然而，該現有超音波振動頭只能以一固定的縱向振動對一工件進行加工，因而不易在該工件上同時產生另一橫向振動。

為解決上述的問題，本領域亟需一新穎的複合超音波振動頭以降低刀具切削力、改善工件表面加工品質。

本發明之主要目的在於揭露一種多維超音波振動頭，其可利用複數個振動源各產生一不同振動方向的超音波機械振動以合成出一多維超音波機械振動，從而可對一工件進行橢圓面加工。

本發明之另一目的在於揭露一種工具機，其可利用一微控制器依不同的加工面形狀需求規畫複數個振動源的控制命令，以使該工具機可以用軟體規劃的方式在一工件上做出各種2D和3D形狀。

為達前述目的，一種多維超音波振動頭乃被提出，其具有：一振動源組合，具有複數個振動源，各所述振動源均具有一控制端及一作用端，各該控制端均耦接一超音波頻率振盪信號以使一所述振動源產生一第一超音波機械振動，且各該第一超音波機械振動各具有一不同的振動方向；一喇叭部，具有一輸入端及一輸出端，其中該輸入端係與所述複 數個振動源之所述作用端連接，且該喇叭部係用以放大複數個所述第一超音波機械振動之一合成超音波機械振動的振幅以產生一第二超音波機械振動；以及一工具頭，與該喇叭部之所述輸出端連接，用以依該第二超音波機械振動之一振動方向對一工件進行一加工作業。

在一實施例中，各所述振動源均具有一換能器及一振動傳導部，該換能器具有一壓電片組合及一所述控制端，且該壓電片組合係用以依一所述超音波頻率振盪信號產生一所述第一超音波機械振動；且該振動傳導部之一端係與該換能器抵接，而其另一端係一所述作用端以將一所述第一超音波機械振動傳導至該喇叭部。

在可能的實施例中，該工具頭具有一刀具，且該刀具可為磨刀、車刀、鑽頭、銑刀、鏟刀和電極。

為達前述目的，本發明進一步提出一種工具機，其具有：如前述之多維超音波振動頭；複數個微控制器，用以依複數個電壓命令產生複數個所述超音波頻率振盪信號；以及一資訊處理裝置，用以產生所述複數個電壓命令。

在一實施例中，各所述振動源均具有一換能器及一振動傳導部，該換能器具有一壓電片組合及一所述控制端，且該壓電片組合係用以依一所述超音波頻率振盪信號產生一所述第一超音波機械振動；且該振動傳導部之一端係與該換能器抵接，而其另一端係一所述作用端以將一所述第一超音波機械振動傳導至該喇叭部。

在可能的實施例中，該工具頭具有一刀具，且該刀具可為磨刀、車刀、鑽頭、銑刀、鏟刀和電極。

在一實施例中，各所述微控制器進一步具有一電壓調整模組，用以依一參考電流值和一所述換能器所提供之一電流回饋值之差執行一回授控制以調變一控制電壓以控制一所述超音波頻率振盪信號，俾以使該電流回饋值趨近該參考電流值。

在一實施例中，該資訊處理裝置進一步具有一通信介面以自一外部裝置接收所述複數個電壓命令的資訊。

在一實施例中，該通信介面係一有線通信介面或一無線通信介面。

在一實施例中，該資訊處理裝置進一步具有一顯示幕以顯示各所述振動源之一工作狀態。

在一實施例中，該資訊處理裝置進一步具有一人機編輯介面以供使用者變更所述各振動源工作狀態之至少一電氣參數，例如所述參考電流值、電流回饋值或控制電壓；或者供使用者輸入一工件成品形狀之資料檔案據以在一加工作業中對應地調整所述複數個電壓命令，從而驅使所述多維超音波振動頭在一工件上加工出該工件成品形狀。

為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

10:超音波振動頭

11:換能器

12:喇叭部

13:工具頭

100:多維超音波振動頭

110:振動源

111:墊片

112:換能器

112a:控制端

113:振動傳導部

120:喇叭部

130:工具頭

200:多維超音波振動頭

210:振動源

211:墊片

212:換能器

212a:控制端

220:喇叭部

220a:凸緣平台

230:工具頭

230a:刀具連接部

300:工具機

310:多維超音波振動頭

320:微控制器

330:資訊處理裝置

331:中央處理單元

332:顯示幕

333:通信介面

334:人機編輯介面

圖1為一現有超音波振動頭之外觀示意圖。

圖2繪示本發明之多維超音波振動頭之一實施例之示意圖。

圖3繪示本發明之多維超音波振動頭之另一實施例之示意圖。

圖4繪示本發明之工具機之一實施例之方塊圖。

本發明之多維超音波振動頭的原理在於：(一)利用複數個振動源各產生一不同振動方向的超音波機械振動，並使該些不同振動方向的超音波機械振動會合在一喇叭部，本發明即可由該喇叭部產生一特定方向的合成超音波機械振動；以及(二)利用一微控制器依不同的加工面形狀需求規畫複數個振動源的控制命令，以使與該喇叭部連接之一工具頭能夠依一軟體(或韌體)程式的規劃在一工件上做出各種2D和3D形狀。

依上述的原理，本發明即可使一工具機具有一2D或3D加工的功能。

請參照圖2，其繪示本發明之多維超音波振動頭之一實施例的方塊圖。如圖2所示，一多維超音波振動頭100具有複數個振動源110、一喇叭部120及一工具頭130。

複數個振動源110組成一振動源組合，其中，各振動源110均具有一墊片111、一換能器112及一振動傳導部113，換能器112具有一壓電片組合及一控制端112a，該控制端112a係用以與一超音波頻率振盪信號耦接以驅使該壓電片組合產生一第一超音波機械振動，其中，所述超音波頻率振盪信號係由一超音波產生器(未示於圖2中)依一控制電壓信號產生。亦即，各控制端112a均各自耦接一所述超音波頻率振盪信號以使各振動源110各產生一所述第一超音波機械振動，且各所述第一超音波機械振動各具有一不同的振動方向。另外，振動傳導部113之一端係與換能器112抵接，而其另一端係一作用端以將所述第一超音波機械振動傳導至喇叭部120。

喇叭部120具有一輸入端及一輸出端，其中該輸入端係與複數個振動源110之所述作用端連接，且喇叭部120係用以放大複數個所述第一超音波機械振動之一合成超音波機械振動的振幅以產生一第二超音波機械振動。工具頭130係與喇叭部120之所述輸出端連接，用以依該第二超音波機械振動之一振動方向對一工件進行一加工作業。

另外，在可能的實施例中，該工具頭可具有一刀具，且該刀具可為磨刀、車刀、鑽頭、銑刀、鏟刀和電極。請參照圖3，其繪示本發明之多維超音波振動頭之另一實施例之示意圖。如圖3所示，一多維超音波振動頭200具有複數個振動源210、一喇叭部220及一工具頭230。

複數個振動源210組成一振動源組合，其中，各振動源210均具有一墊片211、一換能器212及一振動傳導部213，換能器212具有一壓電片組合及一控制端212a，該控制端212a係用以與一超音波頻率振盪信號耦接以驅使該壓電片組合產生一第一超音波機械振動，其中，所述超音波頻率振盪信號 係由一超音波產生器(未示於圖3中)依一控制電壓信號產生。亦即，各控制端212a均各自耦接一所述超音波頻率振盪信號以使各振動源210各產生一所述第一超音波機械振動，且各所述第一超音波機械振動各具有一不同的振動方向。另外，振動傳導部213之一端係與換能器212抵接，而其另一端係一作用端以將所述第一超音波機械振動傳導至喇叭部220。

喇叭部220具有一輸入端及一輸出端，其中該輸入端具有一凸緣平台220a以與複數個振動源210之所述作用端連接，且喇叭部220係用以放大複數個所述第一超音波機械振動之一合成超音波機械振動的振幅以產生一第二超音波機械振動。

工具頭230係與喇叭部220之所述輸出端連接，用以依該第二超音波機械振動之一振動方向對一工件進行一加工作業。另外，工具頭230具有一刀具連接部230a以連接一刀具，且該刀具可為磨刀、車刀、鑽頭、銑刀、鏟刀和電極。

依上述的說明，本發明進一步提出一工具機。請參照圖4，其繪示本發明之工具機之一實施例之方塊圖。如圖4所示，一工具機300具有一多維超音波振動頭310、n個微控制器320及一資訊處理裝置330，n為大於1之整數。

多維超音波振動頭310係由多維超音波振動頭100或200實現，其具有n個所述控制端以接收n個超音波頻率振盪信號V_C(1)-V_C(n)，且具有n個回饋輸出端以輸出n個所述振動源的電流回饋值I_f(1)-I_f(n)。

n個微控制器320係用以依n個電壓命令CMD(1)-CMD(n)產生所述n個超音波頻率振盪信號V_C(1)-V_C(n)，另外，各微控制器320均具有一電壓調整模組以依一參考電流值和一電流回饋值I_f(k)之差執行一負回授控制以調變一控制電壓以控制一超音波頻率振盪信號V_C(k)，俾以使該電流回饋值I_f(k)趨近該參考電流值，k為介於1至n之間的整數。

資訊處理裝置330係用以產生所述n個電壓命令CMD(1)-CMD(n)及接收並處理由n個微控制器320所提供的n個工作狀態ST(1)-ST(n)。詳細而 言，資訊處理裝置330具有一中央處理單元331、一顯示幕332、一通信介面333及一人機編輯介面334，其中，中央處理單元331係用以與n個微控制器320通信以傳送所述n個電壓命令CMD(1)-CMD(n)至n個微控制器320，及自n個微控制器320接收並處理n個工作狀態ST(1)-ST(n)；顯示幕332係用以接收中央處理單元331所提供的顯示資料以顯示多維超音波振動頭310之各所述振動源之工作狀態；以及通信介面333係用以自一外部裝置接收所述n個電壓命令CMD(1)-CMD(n)的資訊，且其可為一有線通信介面或一無線通信介面以直接與一外部伺服器通信，或經由一局部網路與一外部伺服器通信，或經由一網際網路與一外部伺服器通信；以及人機編輯介面334係用以供使用者變更所述各振動源工作狀態之至少一電氣參數，例如所述參考電流值、電流回饋值或控制電壓；或者供使用者輸入一工件成品形狀之資料檔案據以在一加工作業中對應地調整所述複數個電壓命令，從而驅使所述多維超音波振動頭在一工件上加工出該工件成品形狀。

藉由前述所揭露的設計，本發明乃具有以下的優點：

一、本發明的多維超音波振動頭可利用複數個振動源各產生一不同振動方向的超音波機械振動以合成出一多維超音波機械振動，從而可對一工件進行橢圓面加工。

二、本發明的工具機可利用一微控制器依不同的加工面形狀需求規畫複數個振動源的控制命令，以使該工具機可以用軟體規劃的方式在一工件上做出各種2D和3D形狀。

本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

100:多維超音波振動頭

110:振動源

111:墊片

112:換能器

112a:控制端

113:振動傳導部

120:喇叭部

130:工具頭

Claims (7)

1. 一種工具機，具有：一多維超音波振動頭，具有：一振動源組合，具有複數個振動源，各所述振動源均具有一控制端及一作用端，各該控制端均耦接一超音波頻率振盪信號以使一所述振動源產生一第一超音波機械振動，且各該第一超音波機械振動各具有一不同的振動方向；一喇叭部，具有一輸入端及一輸出端，其中該輸入端係與所述複數個振動源之所述作用端連接，且該喇叭部係用以放大複數個所述第一超音波機械振動之一合成超音波機械振動的振幅以產生一第二超音波機械振動；以及一工具頭，與該喇叭部之所述輸出端連接，用以依該第二超音波機械振動之一振動方向對一工件進行一加工作業；複數個微控制器，用以依複數個電壓命令產生複數個所述超音波頻率振盪信號；以及一資訊處理裝置，用以產生所述複數個電壓命令；其中，該資訊處理裝置進一步具有一通信介面以自一外部裝置接收所述複數個電壓命令的資訊，及一人機編輯介面以供使用者輸入一工件成品形狀之資料檔案以據以在一所述加工作業中對應地調整所述複數個電壓命令，從而驅使所述多維超音波振動頭在該工件上加工出該工件成品形狀。
2. 如申請專利範圍第1項所述之工具機，其中，各所述振動源均具有一換能器及一振動傳導部，該換能器具有一壓電片組合及一所述控制端，且該壓電片組合係用以依一所述超音波頻率振盪信號產生一所述第一超音波機械振動；且該振動傳導部之一端係與該換能器抵接，而其另一端係一所述作用端以將一所述第一超音波機械振動傳導至該喇叭部。
3. 如申請專利範圍第1項所述之工具機，其中，該工具頭具有一刀具，且該刀具係由磨刀、車刀、鑽頭、銑刀、鏟刀和電極所組成群組所選擇的一種刀具。
4. 如申請專利範圍第2項所述之工具機，其中，各所述微控制器進一步具有一電壓調整模組，用以依一參考電流值和一所述換能器所提供之 一電流回饋值之差執行一負回授控制以調變一控制電壓以控制一所述超音波頻率振盪信號，俾以使該電流回饋值趨近該參考電流值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之工具機，其中，該通信介面係一有線通信介面或一無線通信介面。
6. 如申請專利範圍第1項所述之工具機，其中，該資訊處理裝置進一步具有一顯示幕以顯示各所述振動源之一工作狀態。
7. 如申請專利範圍第1項所述之工具機，其中，該人機編輯介面係進一步用以供使用者變更所述各振動源工作狀態之至少一電氣參數。

Images