适用于超声加工中心自动换刀的环绕式无线电能传输系统的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种超声振动加工机械领域，特别是涉及一种适用于超声加工中心自动换刀的环绕式无线电能传输系统。

背景技术：
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超声振动加工是在普通切削、磨削、钻削等加工方法的基础上对的刀具或工件施以高频振动而形成的加工技术。与普通切削、磨削、钻削加工方法相比，超声振动加工可降低加工过程中的切削力和切削热，减少刀具磨损量，提高加工表面质量，被广泛应用于硬脆性材料、振动材料等难加工材料。现代加工技术中既需要高精度和高表面质量的加工技术，也需要大批量生产高精度和高表面质量的工件，同时还需要加工中心上可以在一个工件上完成不同工艺的加工。特别是要保证零件加工精度和表面质量的前提下实现在一个工件上完成不同工艺的加工，需要一种能够满足在加工中心上实现自动换刀功能的超声振动加工设备。

超声振动加工设备中的无线电能传输系统的无线电能发射部分固定在加工中心的主轴外壳底部，无线电能接收部分则固定在刀柄上且随着刀柄高速旋转，如何将静止设备输出的高频超声电能信号有效地传到高速旋转的无线电能接收部分且要能够实现加工中心的自动换刀功能是实现超声振动加工的一个前提和难点。碳刷式电能传输系统的超声振动加工易出现碳刷磨损快、发热量大、积碳大火等现象，且无法实现自动换到，不利于产品系列化及标准化应用。传统超声振动加工中的无线电能传输系统的无线电能发射部分为圆盘形，虽然这种形式的电能传输效率较高，但是也无法显示自动换刀，因此也不利于产品系列化及标准化应用。如何在不改变机床本身结构的前提下，实现超声振动加工的自动换刀功能，成为亟需解决的技术问题。

技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、操作方便并且能够在不改变机床本身结构的前提下实现超声加工心自动换刀的适用于超声加工中心自动换刀的环绕式无线电能传输系统。

本发明的技术方案是：

一种适用于超声加工中心自动换刀的环绕式无线电能传输系统，包括刀柄，所述刀柄的腔体内设置有压电陶瓷，所述刀柄的下端与变幅杆连接，所述刀柄的圆柱外壁上设置有圆盘形电能接收部，所述圆盘形电能接收部内设置有圆盘形铁氧体和圆盘形电能接受线圈，所述圆盘形电能接受线圈通过导线与所述压电陶瓷相连接，所述圆盘形电能接收部与所述刀柄同轴线设置，在超声加工中心的主轴外壳底部设置有非整圆的圆盘形电能发射线圈支架，所述非整圆的圆盘形电能发射线圈支架上设置有非整圆的圆盘形铁氧体和非整圆的圆盘形电能发射线圈，所述非整圆的圆盘形电能发射线圈和圆盘形电能接受线圈同轴线设置并环向相对，所述非整圆的圆盘形电能发射线圈环绕所述圆盘形电能接受线圈，并且二者之间设置有安装间隙；所述压电陶瓷通过压电陶瓷压板和螺栓固定在所述变幅杆上，形成一体式结构。

优选地：所述非整圆的圆盘形电能发射线圈支架为3/4-1/4整圆形结构，所述非整圆的圆盘形铁氧体和非整圆的圆盘形电能发射线圈均为3/4-1/4整圆形结构。优选地：所述非整圆的圆盘形电能发射线圈支架为1/4整圆形结构，所述非整圆的圆盘形铁氧体和非整圆的圆盘形电能发射线圈均为1/4整圆形结构。

所述变幅杆为圆柱体，其下端内部开有锥孔，其上端设置有法兰盘，所述法兰盘与所述刀柄下端内环槽的内侧面过盈配合，并且所述法兰盘与所述刀柄之间设置有连接螺栓。

所述锥孔开口向下且上小下大，所述变幅杆下端部外缘设有外螺纹，弹簧夹头安装在锁紧螺母内，锁紧螺母螺纹连接在变幅杆下端，弹簧夹头向上深入到内锥形孔内。

所述刀柄包括上侧的加持部和自动换刀卡槽，所述刀柄中部设有圆盘形电能接收部定位螺纹孔和引线孔。

所述圆盘形无线电能接受部的下端与所述刀柄的台阶上端接触，形成轴向固定；所述非整圆的圆盘形电能发射线圈支架为通过一个窄固定支架与铁氧体固定槽体相连的开口圆环，所述非整圆的圆盘形电能发射线圈支架通过开口圆环上的锁紧箍固定。

所述非整圆的圆盘形电能发射线圈支架的内环面上设置有环形凹槽，所述非整圆的圆盘形铁氧体设置在所述环形凹槽中，所述非整圆的圆盘形铁氧体上设置有环形槽，所述非整圆的圆盘形电能发射线圈设置在所述环形槽中，所述非整圆的圆盘形电能发射线圈和所述圆盘形电能接受线圈的环形面相对应设置；所述非整圆的圆盘形电能发射线圈为一个或两个。

本发明的有益效果是：

1、本发明在不改变加工中心机床的原有结构的前提下，能够实现超声振动加工的自动换刀，对提高超声振动加工效率具有十分重要的意义。

2、本发明四分之一圆盘形电能发射线圈与圆盘形电能接收线圈的工作配合为四分之一圆环形的环向相对非接触式供电方法，基于电磁转换原理的四分之一环形非接触式供电方法比传统的接触式电能传输方式有许多有点，首先四分之一环形非接触式供电方法避免了利用裸露的导体相互接触来传递电能，传输能力不易受到外部环境影响，同时也提高了安全性，其次相对于普通的圆盘式非接触供电，四分之一环形非接触式供电方法可以实现超声加工中心的自动换刀功能，具有更高的加工效率。

3、本发明的输电方法为电磁感应式四分之一环形非接触供电方法，便随着电能的无线传输必然会导致电能传输效率的下降，为了保证系统在工作时有足够的输出电压，本发明的压电陶瓷与变幅杆为一体化设计；一体化设计不仅可以有效缩短变幅杆的长度，减轻刀柄系统的重量，还可以提高无线电能传输的响应能力。

4、本发明变幅杆通过法兰盘与刀柄的下端内侧面过盈配合，提供高了变幅杆在刀柄内的径向定位精度，并且保证了刀柄、变幅杆以及压电陶瓷的精确同轴度，增加了主轴旋转的稳定性；另外，变幅杆的下部为内部开有锥孔的圆柱，可以增加变幅杆的振幅。

5、本发明在不改变现有加工中心机床的前提下，方便地使超声加工中心机床能够满足自动换刀的功能，提高了超声振动加工的效率，易于推广实施，具有良好的经济效益。

附图说明：

图1为适用于超声加工中心自动换刀的环绕式无线电能传输系统的结构示意图；

图2为图1中适用于超声加工中心自动换刀的环绕式无线电能传输系统的俯视图；

图3为图1中四分之一形发射线圈支架的结构示意图；

图4为图3中四分之一形发射线圈支架的俯视图。

具体实施方式：

实施例：参见图1，图中，1-压电陶瓷压板，2-圆盘形电能接收线圈，3-压电陶瓷，4-四分之一圆盘形电能发射线圈支架，5-锁紧螺母，6-刀柄，7-螺栓，8-变幅杆，11-圆盘形铁氧体，12-四分之一圆盘形铁氧体，13-四分之一圆盘形电能发射线圈，15-弹簧夹头，21-圆盘形电能接收部，40-铁氧体固定槽体，41-开口圆环，42-窄固定支架，60-加持部，61-自动换刀卡槽，62-螺纹孔，63-引线孔，64-腔体，81-内锥形孔，82-法兰盘。

适用于超声加工中心自动换刀的环绕式无线电能传输系统，包括刀柄6、压电陶瓷压板1、压电陶瓷3、变幅杆8、弹簧夹头15、四分之一圆盘形电能发射线圈13、四分之一圆盘形铁氧体12、圆盘形电能接收线圈2、圆盘形铁氧体11和四分之一圆盘形电能发射线圈支架4；设定刀柄6的中心线沿垂直方向设定，刀柄6包括上侧的加持部60和自动换刀卡槽61，中部设有圆盘形电能接收部定位的螺纹孔62和引线孔63，圆盘形电能接收部21与刀柄6同轴线设置。

压电陶瓷压板1、压电陶瓷3和变幅杆8通过螺栓7连接为一体，并置于刀柄6的腔体64内，变幅杆8与刀柄6的底部连接；弹簧夹头15安装在变幅杆8的底部；圆盘形电能接收线圈2和圆盘形铁氧体11固定在刀柄6的中部；四分之一圆盘形电能发射线圈13与四分之一圆盘形铁氧体12一并置于四分之一圆盘形电能发射线圈支架4内，四分之一圆盘形电能发射线圈支架4同轴线设置在超声加工中心的主轴外壳底部并与圆盘形电能发射线圈支架环向相对；四分之一圆盘形电能发射线圈13与圆盘形电能接收线圈2之间形成四分之一圆形安装间隙，二者成小半圈包围式结构。压电陶瓷3与变幅杆8通过螺栓7连接为一体，变幅杆8为普通圆柱形变杆，可以有效提高无线电能的感应能力。

压电陶瓷压板1、压电陶瓷3和变幅杆8通过螺栓连接为一体，并置于刀柄6的腔体64内。

弹簧夹头15通过锁紧螺母5安装在变幅杆8的下端；变幅杆8下端部开设有开口向下且上小下大的内锥型孔81，变幅杆8下端部外缘设有外螺纹，弹簧夹头15安装在锁紧螺母5内，锁紧螺母5螺纹连接在变幅杆8下端，弹簧夹头15向上深入到内锥形孔81内。锁紧螺母5为用于装配弹簧夹头15的专用螺母，为现有常规技术。

四分之一圆盘形电能发射线圈支架4包括四分之一圆形铁氧体12、铁氧体固定槽体40和固定支架42，固定支架42同轴线设置在超声加工中心的主轴外壳底部并与圆盘形电能发射线圈支架环向相对，且四分之一圆盘形电能发射线圈13置于换刀卡槽61的同心外圆环，与圆盘形电能接收线圈2形成四分之圆形间隙；四分之一圆盘形电能发射线圈支架4为通过一个窄固定支架42与铁氧体固定槽体40相连的开口圆环41，四分之一圆盘形电能发射线圈支架4通过开口圆环41上的锁紧箍固定。

变幅杆8与刀柄6的底部端面法兰82连接。变幅杆8上端有法兰盘82，变幅杆通过法兰盘82与刀柄6的下端内侧面过盈配合。

本发明采用四分之一圆盘形电能发射线圈与圆盘形电能接收线圈的工作配合为四分之一圆环形的环向相对非接触式供电方法，比传统的接触式电能传输方式有许多有点，首先四分之一环形非接触式供电方法避免了利用裸露的导体相互接触来传递电能，传输能力不易受到外部环境影响，同时也提高了安全性，其次相对于普通的圆盘式非接触供电，四分之一环形非接触式供电方法可以实现超声加工中心的自动换刀功能，具有更高的加工效率。

本发明采用非整圆结构，具体取值根据需求确定，可以是3/4、1/2、1/4等，取值越大电传效率越高，但是，取值太大，影响自动换刀，太低也达不到电传输的要求，本发明采用1/4整圆形结构且能达到电传输的要求，是具有难度和创新性的。

非整圆的圆盘形电能发射线圈支架4的内环面上设置有环形凹槽，非整圆的圆盘形铁氧体设置12在环形凹槽中，非整圆的圆盘形铁氧体12上设置有环形槽，非整圆的圆盘形电能发射线圈13设置在环形槽中，非整圆的圆盘形电能发射线圈13和圆盘形电能接受线圈11的环形面相对应设置；非整圆的圆盘形电能发射线圈13为一个或两个，为两个时，间隔环形设置，当然，根据需要还可以设置3个以上。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。