电容耦合型非接触式旋转超声振动头.pdf

本发明公开了一种电容耦合型非接触式旋转超声振动头，包括：设有间隔开的两个原边电极板的支架；压电换能器，压电换能器包括前盖板、后盖板和交替排列的多个电极板和多个压电陶瓷片，多个电极板间隔相连，位于最前方和最后方的两个电极板分别与两个原边电极板间隔开且分别与两个原边电极板耦合；与原边电极板相连的匹配电路；旋转刀柄；与压电换能器的前盖板相连的变幅杆；安装在变幅杆上的刀具。根据本发明实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头能够适于高速旋转，适于在大功率、大振幅的场合下应用，具有结构简单、重量轻、电能传输效率高、损失小等优点。

1.  一种电容耦合型非接触式旋转超声振动头，其特征在于，包括：
支架，所述支架上设有沿前后方向间隔开设置的两个原边电极板；
压电换能器，所述压电换能器包括前盖板、后盖板和安装在所述前盖板和所述后盖板之间且沿前后方向交替排列的多个电极板和多个压电陶瓷片，多个所述电极板间隔相连，多个所述电极板中位于最前方和最后方的两个所述电极板分别与两个所述原边电极板间隔开且分别与两个所述原边电极板耦合；
匹配电路，所述匹配电路与所述原边电极板相连；
旋转刀柄，所述旋转刀柄适于与机床相连；
变幅杆，所述变幅杆与所述压电换能器的前盖板相连；
刀具，所述刀具安装在所述变幅杆上。

2.  根据权利要求1所述的电容耦合型非接触式旋转超声振动头，其特征在于，多个所述电极板中位于最前方的所述电极板与相邻的所述原边电极板之间的距离以及位于最后方的所述电极板与相邻的所述原边电极板之间的距离均不大于1毫米。

3.  根据权利要求1所述的电容耦合型非接触式旋转超声振动头，其特征在于，多个所述电极板均为圆环形，两个所述原边电极板均为半圆环形，多个所述电极板和两个所述原边电极板沿前后方向间隔平行设置。

4.  根据权利要求1所述的电容耦合型非接触式旋转超声振动头，其特征在于，两个所述原边电极板均为圆筒形，多个所述电极板均为圆环形且位于最前方和最后方的所述电极板分别向前和向后延伸出圆筒段，两个所述圆筒段分别与两个所述原边电极板沿所述压电换能器的径向间隔平行设置以分别与两个所述原边电极板耦合。

5.  根据权利要求1所述的电容耦合型非接触式旋转超声振动头，其特征在于，所述旋转刀柄与所述压电换能器的后盖板一体成型。

6.  根据权利要求1所述的电容耦合型非接触式旋转超声振动头，其特征在于，所述旋转刀柄包括刀柄壳体和螺纹压盖，所述压电换能器和所述变幅杆安装在所述刀柄壳体内，所述螺纹压盖安装在所述刀柄壳体上且将所述变幅杆固定在所述刀柄壳体的前端，所述变幅杆向前伸出所述螺纹压盖且所述刀具安装在所述变幅杆的前端。

7.  根据权利要求6所述的电容耦合型非接触式旋转超声振动头，其特征在于，所述刀柄壳体的外周壁上设有两个在所述刀柄壳体的径向上相对的开槽。

8.  根据权利要求1所述的电容耦合型非接触式旋转超声振动头，其特征在于，所述变幅杆与所述压电换能器的前盖板一体成型。

9.  根据权利要求1所述的电容耦合型非接触式旋转超声振动头，其特征在于，所述支架包括支架本体和设在所述支架本体的内周壁面且沿前后方向间隔开的两个固定电极安装板，两个所述原边电极板分别安装在两个所述固定电极安装板上。

10.  根据权利要求1所述的电容耦合型非接触式旋转超声振动头，其特征在于，所述支架包括支架本体、设在所述支架本体的内周壁面上的固定电极安装板和沿前后方向可移动地设在所述支架本体的内周壁面上且与所述固定电极安装板沿前后方向间隔开的移动电极安装板，两个所述原边电极板分别安装在所述固定电极安装板和所述移动电极安装板上。

电容耦合型非接触式旋转超声振动头
技术领域
本发明涉及旋转超声精密加工技术领域，具体而言，涉及一种电容耦合型非接触式旋转超声振动头。
背景技术
相关技术中的旋转超声加工设备，其超声波发生器和压电换能器之间使用电刷和集流环传输电能，但这种方式存在主轴转速受限、易发生滑动磨损、易产生接触火花等缺点。
为了避免这些问题而采用电感耦合型非接触式电能传输，在松耦合变压器的基础上，以一对线圈和磁芯作为耦合元件，在原边线圈加载高频交变电流，根据电磁感应原理，使副边线圈中产生高频交变电动势，从而将超声波发生器输出的电能传输到压电换能器。
但松耦合变压器的原边和副边都由线圈、线圈骨架和磁芯等部分构成，结构较为复杂，且副边线圈、线圈骨架和磁芯固定于刀柄上，显著增加了刀柄质量，不利于刀柄的高速旋转，而且松耦合变压器的原边和副边之间存在一定的气隙，导致了较大的漏感，因此能量损失较大，传输效率较低，不利于大功率、大振幅的旋转超声加工。此外，由于加工设备的制造材料多为钢铁类金属，松耦合变压器置于金属环境中会产生漏磁，同时金属中会产生涡流，从而导致较大的能量损失。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明提出一种电容耦合型非接触式旋转超声振动头,该电容耦合型非接触式旋转超声振动头能够适于高速旋转，适于在大功率、大振幅的场合下应用，具有结构简单、重量轻、电能传输效率高、损失小等优点。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种电容耦合型非接触式旋转超声振动头，所述电容耦合型非接触式旋转超声振动头包括：支架，所述支架上设有沿前后方向间隔开设置的两个原边电极板；压电换能器，所述压电换能器包括前盖板、后盖板和安装在所述前盖板和所述后盖板之间且沿前后方向交替排列的多个电极板和多个压电陶瓷片，多个所述电极板间隔相连，多个所述电极板中位于最前方和最后方的两个所述电极板分别与两个所述原边电极板间隔开且分别与两个所述原边电极板耦合；匹配电路，所述 匹配电路与所述原边电极板相连；旋转刀柄，所述旋转刀柄适于与机床相连；变幅杆，所述变幅杆与所述压电换能器的前盖板相连。刀具，所述刀具安装在所述变幅杆上。
根据本发明实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头，能够适于高速旋转，适于在大功率、大振幅的场合下应用，具有结构简单、重量轻、电能传输效率高、损失小等优点。
另外，根据本发明上述实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，多个所述电极板中位于最前方的所述电极板与相邻的所述原边电极板之间的距离以及位于最后方的所述电极板与相邻的所述原边电极板之间的距离均不大于1毫米。
根据本发明的一个实施例，多个所述电极板均为圆环形，两个所述原边电极板均为半圆环形，多个所述电极板和两个所述原边电极板沿前后方向间隔平行设置。
根据本发明的一个实施例，两个所述原边电极板均为圆筒形，多个所述电极板均为圆环形且位于最前方和最后方的所述电极板分别向前和向后延伸出圆筒段，两个所述圆筒段分别与两个所述原边电极板沿所述压电换能器的径向间隔平行设置以分别与两个所述原边电极板耦合。
根据本发明的一个实施例，所述旋转刀柄与所述压电换能器的后盖板一体成型。
根据本发明的一个实施例，所述旋转刀柄包括刀柄壳体和螺纹压盖，所述压电换能器和所述变幅杆安装在所述刀柄壳体内，所述螺纹压盖安装在所述刀柄壳体上且将所述变幅杆固定在所述刀柄壳体的前端，所述变幅杆向前伸出所述螺纹压盖且所述刀具安装在所述变幅杆的前端。
根据本发明的一个实施例，所述刀柄壳体的外周壁上设有两个在所述刀柄壳体的径向上相对的开槽。
根据本发明的一个实施例，所述变幅杆与所述压电换能器的前盖板一体成型。
根据本发明的一个实施例，所述支架包括支架本体和设在所述支架本体的内周壁面且沿前后方向间隔开的两个固定电极安装板，两个所述原边电极板分别安装在两个所述固定电极安装板上。
根据本发明的一个实施例，所述支架包括支架本体、设在所述支架本体的内周壁面上的固定电极安装板和沿前后方向可移动地设在所述支架本体的内周壁面上且与所述固定电极安装板沿前后方向间隔开的移动电极安装板，两个所述原边电极板分别安装在所述固定电极安装板和所述移动电极安装板上。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头的结构示意图。
图2是根据本发明一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头的剖视图。
图3是根据本发明另一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头的结构示意图。
图4是根据本发明另一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头的剖视图。
图5是根据本发明一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头的局部结构示意图。
图6是根据本发明一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头的局部剖视图。
图7是根据本发明另一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头的局部结构示意图。
图8是根据本发明另一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头的局部剖视图。
图9是根据本发明一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头的支架的结构示意图。
图10是根据本发明另一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头的支架的结构示意图。
图11是根据本发明另一个实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头支架的结构示意图。
附图标记：电容耦合型非接触式旋转超声振动头1、支架100、原边电极板110、支架本体120、固定电极安装板130、移动电极安装板140、压电换能器200、前盖板210、后盖板220、电极板230、圆筒段231、压电陶瓷片240、旋转刀柄300、刀柄壳体310、螺纹压盖320、开槽330、变幅杆400、刀具500。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述根据本发明实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头1。
如图1-图11所示，根据本发明实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头1包括支架100、压电换能器200、匹配电路(图中未示出)、旋转刀柄300、变幅杆400和刀具500。
支架100上设有沿前后方向间隔开设置的两个原边电极板110(前后方向如图1-图11中的箭头A所示)。压电换能器200包括前盖板210、后盖板220和安装在前盖板210和后盖板220之间且沿前后方向交替排列的多个电极板230和多个压电陶瓷片240，相 邻的压电陶瓷片240的纵向极化方向相反，多个电极板230间隔相连，多个电极板230中位于最前方和最后方的两个电极板230分别与两个原边电极板110间隔开，且多个电极板230中位于最前方和最后方的两个电极板230分别与两个原边电极板110耦合。所述匹配电路与原边电极板110相连。旋转刀柄300适于与机床相连。变幅杆400与压电换能器200的前盖板210相连。刀具500安装在变幅杆400上。这里需要理解的是，“交替排列”指电极板230和压电陶瓷片240反复交替设置，术语“间隔相连”指每个电极板230与间隔的电极板230相连，而非与相邻的电极板230相连。
下面描述根据本发明实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的工作过程。
通过超声波发生器，经过所述匹配电路，在两个原边电极板110上加载超声频交变电压，多个电极板230中位于最前方和最后方的两个电极板230作为副边电极板，将支架100安装在机床的床身上，使原边电极板110处于静止状态，压电换能器200跟随主轴旋转，使原边电极板110与所述副边电极板做相对旋转运动。通过原边电极板110与所述副边电极板的耦合，在两对电极板之间形成位移电流，将电能从两个原边电极板110传输到两个所述副边电极板，两个所述副边电极板上产生超声频交变电压。由于两个所述副边电极板同时作为压电换能器200的两个不同极的电极板，从而在压电陶瓷片240两端施加超声频交变电压，使压电陶瓷片240产生逆压电效应，将电能转化为超声频纵向机械振动。压电陶瓷片240、前盖板210、变幅杆400和刀具500构成振动传输线，将压电陶瓷片240产生的机械振动传输到刀具500端部，并输出超声振幅。
旋转刀柄300与机床的主轴连接，机床的主轴带动电容耦合型非接触式旋转超声振动头1旋转，使刀具500在做高速旋转运动的同时做超声频纵向振动，从而实现旋转超声加工。
根据本发明实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头1，通过将压电换能器200的多个电极板230中位于最前方和最后方的两个电极板230同时作为非接触式电能传输系统的副边电极板，即非接触式电能传输系统和压电换能器200具有两片共用的电极板230，以实现非接触式电能传输系统和压电换能器200的集成，从而简化电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的结构。
并且，由于电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的结构得到简化，相比相关技术中的电感耦合型非接触式电能传输系统，电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的重量更轻、零件数量更少，使电容耦合型非接触式旋转超声振动头1更加适于进行高速旋转，从而便于进行高速旋转加工。
此外，由于电场被限制在原边电极板110与其耦合的电极板230之间，能够防止相关技术中的电感耦合型非接触式电能传输系统在机床这类金属环境中易发生漏磁的情况，显 著减小能量损失，使电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的电能传输效率更高，以提高刀具500的输出振幅，从而使电容耦合型非接触式旋转超声振动头1能够适用于大功率、大振幅的场合。
因此，根据本发明实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头1能够适于高速旋转，适于在大功率、大振幅的场合下应用，具有结构简单、重量轻、电能传输效率高、损失小等优点。
下面参考附图描述根据本发明具体实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头1。
在本发明的一些具体实施例中，如图1-图11所示，根据本发明实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头1包括支架100、压电换能器200、匹配电路、旋转刀柄300、变幅杆400和刀具500。
电极板230和压电陶瓷片240的数量相等且可以均为偶数个。压电换能器200的前盖板210、后盖板220、电极板230和压电陶瓷片240可以通过螺纹紧固件600安装在一起。
其中，多个电极板230中位于最前方的电极板230与相邻的原边电极板110之间的距离以及位于最后方的电极板230与相邻的原边电极板110之间的距离可以均不大于1毫米。由此可以减小原边电极板110和电极板230的边缘漏电场，从而增大原边电极板110和电极板230之间电能传输的效率。
在本发明的一些具体实施例中，如图1、图2、图5和图6所示，多个电极板230可以均为圆环形，两个原边电极板110可以均为半圆环形，多个电极板230和两个原边电极板110可以沿前后方向间隔平行设置。由此可以在保证原边电极板110与电极板230能够进行相对旋转的情况下保证两者的耦合面积，而且由于两个原边电极板110为半圆环形，可以防止电容耦合型非接触式旋转超声振动头1在机床上安装时发生干涉，以便于电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的安装。
在本发明的另一些具体实施例中，如图3、图4、图7和图8所示，两个原边电极板110可以均为圆筒形，多个电极板230均为圆环形，且多个电极板230中位于最前方的电极板230可以向前伸出圆筒段231，多个电极板230中位于最后方的电极板230可以向后伸出圆筒段231，两个圆筒段231可以分别与两个原边电极板110沿压电换能器200的径向间隔平行设置以分别与两个原边电极板110耦合。由此同样可以在保证原边电极板110与电极板230能够进行相对旋转的情况下保证两者的耦合面积，而且由于两个原边电极板110为圆筒形，可以防止电容耦合型非接触式旋转超声振动头1在机床上安装时发生干涉，以便于电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的安装。
有利地，旋转刀柄300与压电换能器200的后盖板220可以一体成型。由此可以简化电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的装配工艺。
图3和图4示出了根据本发明另一些具体实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头1。如图3和图4所示，旋转刀柄300可以包括刀柄壳体310和螺纹压盖320，压电换能器200和变幅杆400可以安装在刀柄壳体310内，螺纹压盖320可以安装在刀柄壳体310上，且螺纹压盖320可以将变幅杆400固定在刀柄壳体310的前端，变幅杆400可以向前伸出螺纹压盖320，且刀具500可以安装在变幅杆400的前端。具体而言，前盖板210和变幅杆400可以采用半波长法分别设计。这样可以提高刀具500输出的振幅，使刀具500输出的振幅更加平稳。
刀具500可以可拆卸地安装在刀柄壳体310上，由此可以根据实际情况选择合适的刀具500，以提高电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的适用性。
具体地，如图3和图4所示，刀柄壳体310的外周壁上可以设有两个在刀柄壳体310的径向上相对的开槽330。由此可以便于压电换能器200的安装。具体而言，为防止变幅杆400与刀柄壳体310发生相对转动，变幅杆400上可以设有周向凸起的节面，通过螺纹压块320将所述周向凸起的节面压紧，从而固定变幅杆400。
在本发明的另一些具体实施例中，如图1和图2所示，变幅杆400可以与压电换能器200的前盖板210一体成型。具体而言，前盖板210和变幅杆400集成的一体件可以采用1/4波长设计法。由此可以简化电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的结构和装配工艺，保证变幅杆400与压电换能器200的前盖板210的连接强度，减轻电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的重量，使电容耦合型非接触式旋转超声振动头1适用于旋转刀柄300的大端直径与压电陶瓷片240直径相当的情况。
在本发明的一些具体实施例中，如图1、图2和图9所示，支架100可以包括支架本体120和设在支架本体120的内周壁面且沿前后方向间隔开的两个固定电极安装板130，两个原边电极板110可以分别安装在两个固定电极安装板130上。具体而言，支架本体120可以为半圆筒形，且固定电极安装板130可以为半圆环形，在安装压电换能器200时，支架100相对于机床的床身移动，使固定电极安装板130在安装路径上不与压电换能器200产生干涉，再将旋转刀柄300安装到机床主轴上，最后移动支架100到合适位置。由此可以便于电极板230与原边电极板110采用圆环面耦合(即图1、图2、图5和图6所示的实施例)的压电换能器200的安装。
在本发明的另一些具体实施例中，如图10所示，支架100可以包括支架本体120、设在支架本体120的内周壁面上的固定电极安装板130和沿前后方向可移动地设在支架本体120的内周壁面上且与固定电极安装板130沿前后方向间隔开的移动电极安装板140，两个原边电极板110可以分别安装在固定电极安装板130和移动电极安装板140上。具体而言，安装时先调节移动电极安装板140的位置，使固定电极安装板130和移动电极安装板140 之间至少留出旋转刀柄300长度的空间，再将旋转刀柄300安装到机床主轴上，最后调节移动电极安装板140到合适位置。由此同样可以便于电极板230与原边电极板110采用圆环面耦合的压电换能器200的安装。
若电极板230与原边电极板110采用圆柱面耦合(既图3、图4、图7和图8所示实施例)时，支架100上不需要设置固定电极安装板130，其结构如图11所示，安装压电换能器200时不会发生干涉，不需要移动支架100。
由于电极板230与原边电极板110之间采用空气作为介质，电容较小，电路的阻抗较大，所述匹配电路的涉及必须满足系统的电路特性和机电等效特性。
本领域的技术人员可以理解的是，旋转刀柄300的设计方式，电极板230与原边电极板110的耦合方式，变幅杆400的设计方式，支架100的设计方式可以根据实际应用任意组合。其中图1和图2示出了旋转刀柄300集成设计、圆环面耦合的实施例，图3和图4示出了旋转刀柄300分体式设计、圆柱面耦合的实施例。
下面描述根据本发明实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的电极板230与原边电极板110之间耦合电容量的计算方法。
若电极板230与原边电极板110之间通过圆环面耦合。耦合电极板的电容量可由如下理论公式进行估算：
C=πϵ0ϵr(rB2-rA2)2d]]>
式中，ε₀为真空介电常数，ε_r为电极板230与原边电极板110之间介质的相对介电常数，r_A、r_B分别为原边电极板110的内、外半径，d为电极板230与原边电极板110之间的距离。
若电极板230与原边电极板110之间通过圆柱面耦合。耦合电极板的电容量可由如下理论公式进行估算：
C=2πϵ0ϵrllnRBRA]]>
式中，l为耦合圆柱面的高度，R_A、R_B分别为电极板230的外圆柱半径、原边电极板110的内圆柱半径。由于圆柱面耦合方式对于旋转刀柄300的安装不产生影响，为提高电能传输能力，本发明实施例采用完整的圆柱面耦合而非半圆柱面耦合，但也可以根据实际功率需求，采用半圆柱等结构。
根据本发明实施例的电容耦合型非接触式旋转超声振动头1的其他构成以及操作对于 本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。