[發明專利]超聲振動裝置及設計方法

在審

• 申請號: 202110250015.3
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN112935289A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 佟政陽;陳衛林;丁慶昌;陶悅
• 申請（專利權）人: 安徽天航機電有限公司
• 主分類號: B23B19/02
• 分類號: B23B19/02;B23B35/00;B23C3/00;B06B1/06;G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 成都君合集專利代理事務所(普通合伙) 51228
• 代理人: 尹新路

1.一種超聲振動裝置，其特征在于：包括超聲振動輔助加工裝置主軸(1)、超聲波電源、超聲無線電能傳輸系統(8)、縱向超聲振動換能器(9)、超聲變幅桿(6)；機床主軸下端與安裝筒(4)上端同軸連接，安裝筒下部伸出主軸外殼，套筒上部套在主軸外殼下部，套筒上部外側通過抱箍(3)與主軸外殼下部緊固連接，超聲無線電能傳輸系統(8)可拆卸連接在套筒(5)下端和安裝筒上部外側之間，縱向超聲振動換能器(9)設置在安裝筒內，超聲變幅桿(6)上端通過雙頭螺柱(7)與縱向超聲振動換能器下端同軸向固定連接，變幅桿上設有安裝盤(14)，法蘭盤通過安裝螺栓固定連接在安裝筒的下端面，刀具上端通用彈性夾頭安裝變幅桿下端部，壓緊螺母套在刀具的刀桿外并與變幅桿下端外部緊固連接。

2.根據權利要求1所述的超聲振動裝置，其特征在于：超聲振動換能器自上而下依次設置有四層壓電陶瓷片(11)，頂部通過預緊螺栓(10)壓緊四層壓電陶瓷片，壓電陶瓷片外側連接有電極片，電極片與導線連接，換能器下側部開設有上環形槽(12)；超聲變幅桿包括自上而下依次設置的上圓柱段(13)、中圓錐段(15)和下圓錐段(16)，上圓柱段側部開設有下卡槽(17)，安裝盤設置在上圓柱段的外部，并且下圓柱段進行槽式設計，結合配重液體對裝置進行振動頻率的調節。

3.根據權利要求1-2任一項所述的超聲振動裝置，其特征在于：壓電換能器后蓋板、壓電陶瓷、前蓋板分別選用了45鋼、PZT-8、硬鋁材料，具有良好的壓電轉化特性和軸向位移輸出；超聲變幅桿設計成圓錐過渡式復合變幅桿，并在變幅桿末端進行槽式設計。

4.根據權利要求1-3任一項所述的超聲振動裝置，其特征在于：超聲波電源具有頻率掃描和自動跟蹤功能，結合非接觸式電能傳輸部件，為整個加工裝置提供穩定可靠的能量驅動。

5.根據權利要求1-4任一項所述的超聲振動裝置，其特征在于：非接觸式電能傳輸裝置設計成可分離的軸向環槽式分布結構，固定部分由固定磁芯、固定線圈、原邊匹配電路組成；旋轉部分由旋轉磁芯、旋轉線圈、副邊匹配電路組成，原邊匹配電路接收超聲發生器產生的超聲頻電振蕩信號，固定磁芯和旋轉磁芯之間的交變磁場使旋轉線圈產生相應頻率的交變電能，再通過副邊匹配電路將電能傳遞給超聲換能器。

6.一種超聲振動裝置設計方法，其特征在于：第一步，對超聲振動輔助加工裝置進行總體設計，選定超聲頻率，設置多刀具夾持、振幅幅值大且大范圍可調節、振動性能穩定的設計目標；第二步，設計超聲發生器，采用可產生頻率15KHz～25KHz的超聲電信號的他激振蕩方式發生器；第三步，設計非接觸式電能傳輸裝置成可分離的軸向環槽式分布結構；固定部分由固定磁芯、固定線圈、原邊匹配電路組成；旋轉部分由旋轉磁芯、旋轉線圈、副邊匹配電路組成；原邊匹配電路接收超聲發生器產生的超聲頻電振蕩信號，固定磁芯和旋轉磁芯之間的交變磁場使旋轉線圈產生相應頻率的交變電能，再通過副邊匹配電路將電能傳遞給超聲換能器；第四步；設計超聲換能器，壓電陶瓷選用發射型材料，前蓋板選擇機械疲勞強度高、聲阻抗小且容易加工的硬鋁材料，后蓋板使用金屬材料；第五步，設計超聲變幅桿，采用圓錐過渡的復合超聲變幅桿，超聲變幅桿材料選用金屬材料；第六步，對變幅桿各部分進行尺寸計算，利用解析法和有限元方法相結合，先進行理論計算，再進行優化分析。

7.根據權利要求6所述的超聲振動裝置設計方法，其特征在于：超聲發生器通過51單片機89C51RC來控制信號；單片機提供頻率信息后，通過信號產生單元輸出高頻振蕩方波信號，然后經驅動電路傳遞給功放電路，將信號放大后通過非接觸式電能傳輸單元傳遞給超聲振動單元；單片機通過采集和處理電路中的電壓電流信號，來實現對振動頻率的跟蹤功能，并根據電路信號的處理結果做出相應的決策和控制。