局部感应非接触能量传输旋转超声加工头及关键技术研究

摘要

旋转超声波加工是一种精密、高效的硬脆材料及复合材料加工方法，研制高转速、高效、大功率旋转超声波加工设备是目前研究热点。相比于传统非旋转超声波加工，旋转运动的加入使得超声能量传递与耦合变得复杂和困难，这大大限制了旋转超声波加工技术应用。基于电磁感应的非接触能量传输方式能够替代传统碳刷滑环为超声振子提供电能，这种非接触能量传输方式安全、稳定，且对转速没有限制。相对于传统的紧耦合变压器，非接触电磁耦合器漏感大，耦合能力较差，使其传输效率和传输功率受到了限制。其次，旋转超声波加工过程中切削力和温度的变化使得换能器的输出振幅不断变化，影响了超声加工效果。
　　为解决以上问题，本文进行了以下几方面研究工作：
　　a.设计了附件化的旋转超声波加工头，新的结构解除了旋转超声加工不可实现大功率，高转速的限制，同时简化了刀具更换的复杂性，降低了对安装精度的要求，能够实现加工中心的自动换刀，并通过实验验证了两种结构的可行性；
　　b.基于线圈匝数优化的电路补偿方法讨论，建立四种补偿拓扑的等效电路数学计算模型，补偿方式中考虑了线圈匝数对传输性能的影响，实现电路的传输效率最大化，提高了旋转超声加工非接触能量传输的安全性和稳定性；
　　c.基于Ansoft和Multisim仿真软件对非接触能量传输电路进行仿真，极大的简化了非接触能量传输电路补偿元件的计算过程；
　　d.讨论旋转超声加工中负载力与温度对传输性能的影响，通过对比确定了在切削力、温度变化的情况下，最佳的补偿方式；
　　e.设计旋转超声加工头专用的电控柜，实现超声加工的自动匹配与自动控制。

目录

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字母注释表

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 旋转超声波加工装备的国内外发展概况

1.3 非接触能量传输装置的国内外发展概况

1.4主要研究内容及创新点

第二章 非接触能量传输旋转超声加工电路补偿方法研究

2.1 非接触供电旋转超声加工装备结构设计

2.2 旋转变压器及换能器等效电路模型

2.3 四种补偿方式的拓扑模型

2.4 基于线圈匝数电路补偿方法

2.5 本章小结

第三章 非接触能量传输旋转超声加工电路仿真研究

3.1 基于Ansoft的旋转变压器三维仿真

3.2 基于Multisim的补偿电路仿真

3.3 旋转变压器主副边磁芯间隙对k值及传输效率的影响

3.4 本章小节

第四章 非接触能量传输旋转超声加工电路补偿方法实验研究

4.1 电路补偿方法验证实验

4.2 局部感应与全环感应对比试验

4.3 温度、负载对电路传输性能的影响规律探究

4.4 本章小结

第五章 旋转超声加工装备电控柜及附件研制

5.1 自动匹配装置的设计

5.2 超声专用夹头设计

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢