[发明专利]一种非接触式旋转超声加工能量传输及反馈信号采集的装置和方法

说明书

本发明公开了一种非接触式旋转超声加工能量传输及反馈信号采集的装置和方法，所述装置包括固定端和旋转端，旋转端包括旋转端磁芯和旋转端线圈；固定端包括超声能量传输单元和超声反馈信号采集单元；超声能量传输单元包括超声能量传输单元磁路和超声能量传输单元线圈；超声反馈信号采集单元包括超声反馈信号采集单元磁路和超声反馈信号采集单元线圈。本发明将超声能量传输信号与超声反馈信号分离，对旋转端电信号进行采集，可实时反馈并调整超声加工过程中谐振状态及快速响应失谐状态下的谐振跟踪。

技术领域

本发明属于旋转超声加工技术领域，具体涉及一种非接触式超声旋转加工能量传输及反馈信号采集的装置和方法。

背景技术

旋转超声加工技术是在传统游离磨料超声加工技术的基础上，复合以旋转运动从而实现材料去除的一种加工方法。旋转超声加工在玻璃、陶瓷等硬脆材料的加工过程中，可以有效减小切削力，提高材料去除率，降低刀具磨损，尤其对于难加工材料具有良好的加工效果。

旋转超声加工方法主要有：旋转超声铣削、旋转超声磨削、旋转超声钻削等方法。这些加工方法的实现都离不开旋转超声加工系统。一个完整的旋转超声加工系统通常由超声电源、超声能量传输装置和旋转超声刀柄构成。超声电源包括信号发生模块、反馈信号处理模块。旋转超声刀柄包括标准锥柄部分、换能器、变幅杆和加工刀具。加工过程中，旋转超声刀柄随机床主轴高速旋转，超声能量传输装置将超声电源产生的超声能量传递给旋转超声刀柄。旋转超声刀柄中的换能器接收超声能量并转换为高频振动，通过变幅杆的放大作用带动刀具实现旋转超声加工。

超声能量传输及谐振状态检测是旋转超声加工系统的核心。在加工过程中，为了获得良好的加工质量，需要系统实时可靠地对反馈信号进行检测和谐振状态跟踪。在超声辅助加工过程中，加工刀具的磨损、加工负载和系统温度的变化，均会影响振动系统的振动状态，会使振动系统偏离谐振点；在失谐状态下振动系统的性能无法发挥，进而严重影响工件的加工质量及刀具的使用寿命。所以需要有实时可靠的超声加工能量传输和反馈信号采集装置和方法，检测和调整振动系统的谐振工作状态，有利于提高加工质量；同时在加工过程中出现异常状况比如力过大、刀具损坏等情况都可被检测系统检测，保证加工的稳定性和可靠性。

传统的超声能量传输主要采用碳刷和导电滑环相接触的方式进行电能传输，由于采用接触导电的方式，没有中间电能传输环节，这种电能传输方法在工作过程中，超声电源可以直接实时地对电路中的反馈信号进行处理和谐振状态跟踪，但是接触式超声能量传输方式，旋转超声加工过程中，超声刀柄高速旋转，容易产生打火和积碳现象，碳刷磨损严重且使用寿命短，安全性低。

为实现超声能量在高速旋转加工状态下向超声刀柄的可靠传递，避免接触式传输带来的积碳打火等现象，在旋转超声加工技术领域常采用非接触式超声能量传输方法进行电能传输。非接触式电能传输方式扩宽了旋转超声加工的应用范围。

非接触式超声能量传输方法根据超声加工系统安装尺寸的限制和要求，分为半环非接触式超声能量传输和全环非接触式超声能量传输，由于为了避免机床换刀机械手位置的干涉，二者分别适用于自动换刀功能的机床和不带自动换刀功能的机床。

现有技术中，无论是对于半环还是全环非接触式超声能量传输，虽然能解决了传统接触式电能传输的安全性和可靠性问题，但是由于增加了非接触电能传输单元，无法对于超声振动系统的谐振状态进行直接可靠检测，只能通过检测超声电能传输信号的变化对超声振动系统的谐振状态进行判断，这种检测方法是一种简单的被动检测：因为能量传输信号用于超声能量传输的同时，也用于振动系统的反馈信号检测，能量传输信号与反馈检测信号往往相互干扰，系统的稳定性不高，振动系统的反馈信号不能真实反应出谐振状态，谐振状态跟踪缓慢。