一种用于工业机器人加工的集成式超声主轴电机振动系统

摘要

一种用于工业机器人加工的集成式超声主轴电机振动系统，包括电机外壳，电机的主轴为三段式复合变幅杆，复合变幅杆自前向后依次为小圆柱段、圆锥段和大圆柱段，小圆柱段前端伸出电机外壳前端面，大圆柱段外圆与电机外壳内壁转动连接，大圆柱段外圆设有电机转子，大圆柱段后端面同轴线设有压电陶瓷堆，压电陶瓷堆后端面同轴线设有前无线传输盘，电机外壳后端设有与前无线传输盘平行的后无线传输盘，后无线传输盘连接有导线。本发明在保证原有的压电陶瓷堆不变的基础下，即不影响原有换能器功率的情况下，明显减小了变幅器的整体尺寸，能够满足工业机器人末端换刀装置使用要求。

说明书

技术领域

本发明属于工业机器人超声切削加工及应用领域，具体涉及一种用于工业机器人加工的集成式超声主轴电机振动系统。

背景技术

传统用于切削加工的超声振动系统，在主轴电机外围设计压电式换能器、变幅杆、无线传输单元等，将超声部件与主轴电机进行装配，完成超声加工振动系统，结构较复杂且导致系统整体结构尺寸较大，在工业机器人末端等空间受限场合无法满足工作要求。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种靶标可多方向运动组合、提高实战训练效果的用于工业机器人加工的集成式超声主轴电机振动系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于工业机器人加工的集成式超声主轴电机振动系统，包括电机外壳，电机的主轴为三段式复合变幅杆，复合变幅杆自前向后依次为小圆柱段、圆锥段和大圆柱段，圆锥段前细后粗，小圆柱段的外径等于圆锥段细端直径，大圆柱段的直径的等于圆锥段粗端直径，小圆柱段前端伸出电机外壳前端面，大圆柱段外圆前侧和后侧分别通过第一轴承和第二轴承与电机外壳内壁转动连接，大圆柱段外圆在第一轴承和第二轴承之间设有电机转子，大圆柱段后端面同轴线设有压电陶瓷堆，压电陶瓷堆后端面同轴线设有前无线传输盘，电机外壳后端设有与前无线传输盘平行的后无线传输盘，后无线传输盘连接有导线。

压电陶瓷堆由偶数片端面极化的型号PZT-8压电陶瓷片和相应数目电极片组成，相邻两片压电陶瓷片的纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后通过粘合剂粘接为一体。

前无线传输盘、压电陶瓷堆和复合变幅杆的大圆柱段之间通过沿复合变幅杆中心线设置的紧固螺栓连接为一体，前无线传输盘后侧面中心处设置沉头槽，紧固螺栓的头部位于沉头槽内。

小圆柱段的前端面中心处开设有用于安装刀具的锥孔。

复合变幅杆、压电陶瓷堆和前无线传输盘三部分总长度等于超声主轴电机振动系统的一个波长，第一轴承和第二轴承分别位于一个波长的相邻两个节面的位置，复合变幅杆在节面处进行去法兰盘设计。

前无线传输盘采用重金属制成，后无线传输盘采用轻金属制成。

重金属采用铜合金或合金钢，轻金属采用钛合金或铝合金。

采用上述技术方案，本发明具有以下技术特点和有益效果：

1、本发明将电机主轴部分进行超声集成设计，将原有的均匀截面旋转主轴设计成由变幅杆、换能器、无线传输盘组成的超声振动系统，同时兼顾电机主轴和超声振动两方面的功能。实现超声振动系统与电机主轴的集成化结构。

2、将复合变幅杆、压电陶瓷堆、前无线传输盘三部分同轴线组合形成电机主轴，将该电机主轴进行一体式超声振动系统设计，三段式复合变幅杆作为压电式换能器的前盖板，同时实现换能器发射端功能和变幅杆能量传递功能；

3、为了进一步缩短尺寸，前无线传输盘的中心处进行沉头设计，使紧固螺栓的头部嵌入前无线传输盘中。

4、电机主轴的前端中心加工锥孔，安装切削加工中所需刀具。

5、在超声主轴电机内部设计无线传输系统，实现超声波电信号传递；电机的后端盖直接设计为后无线传输盘，换能器的后盖板设计为前无线传输盘，进一步缩减系统总体尺寸，实现集成化设计。

6、根据压电陶瓷片面积和紧固螺栓截面积进行预紧力计算，使用测力矩扳手施加预紧力，保证电机主轴各部分紧密联接。

7、电机主轴的所有结合面需要进行精磨，达到一定的粗糙度要求，以保证电机主轴各结合面间紧密贴合，有利于波的传递。

综上所述，本发明针对在主轴电机外部安装超声装置的振动系统尺寸较大的特点，根据工业机器人末端换刀装置空间受限等原因，进行了压电式换能器、复合变幅杆、无线传输单元的集成式超声系统设计，并将电机主轴进行超声集成设计。波长的节面处采用无法兰盘设计，在全波长的两个节面位置安装轴承实现主轴旋转。电子转子安装在复合变幅杆的均匀大圆柱段处，随其一起旋转。电机外壳同时作为定子使用，其后端盖作为后无线传输盘，与超声波电源通过导线连接。换能器后盖板同时作为前无线传输盘，加工时随主轴进行旋转运动，将超声波电信号传递给压电陶瓷堆，实现机电转换，将超声波电信号转换为高频机械振动。复合变幅杆将机械振动进行振幅放大，实现能量转换。最终将超声振动施加于末端刀具，应用于工业机器人切削加工。因此，在保证原有的压电陶瓷堆不变的基础下，即不影响原有换能器功率的情况下，明显减小了变幅器的整体尺寸，能够满足工业机器人末端换刀装置使用要求。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中电机主轴振动系统结构尺寸设计示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种用于工业机器人加工的集成式超声主轴电机振动系统，包括电机外壳1，电机的主轴为三段式复合变幅杆2，复合变幅杆2自前向后依次为小圆柱段11、圆锥段12和大圆柱段13，圆锥段12前细后粗，小圆柱段11的外径等于圆锥段12细端直径，大圆柱段13的直径的等于圆锥段12粗端直径，小圆柱段11前端伸出电机外壳1前端面，大圆柱段13外圆前侧和后侧分别通过第一轴承3和第二轴承5与电机外壳1内壁转动连接，大圆柱段13外圆在第一轴承3和第二轴承5之间设有电机转子4，大圆柱段13后端面同轴线设有压电陶瓷堆6，压电陶瓷堆6后端面同轴线设有前无线传输盘7，电机外壳1后端设有与前无线传输盘7平行的后无线传输盘8，后无线传输盘8连接有导线10。

压电陶瓷堆6由偶数片端面极化的型号PZT-8压电陶瓷片和相应数目电极片组成，相邻两片压电陶瓷片的纵向极化方向相反，压电陶瓷片净化后通过粘合剂粘接为一体。

前无线传输盘7、压电陶瓷堆6和复合变幅杆2的大圆柱段13之间通过沿复合变幅杆2中心线设置的紧固螺栓9连接为一体，前无线传输盘7后侧面中心处设置沉头槽15，紧固螺栓9的头部位于沉头槽15内。

小圆柱段11的前端面中心处开设有用于安装刀具的锥孔14。

复合变幅杆2、压电陶瓷堆6和前无线传输盘7三部分总长度等于超声主轴电机振动系统的一个波长，第一轴承3和第二轴承5分别位于一个波长的相邻两个节面的位置，复合变幅杆2在节面处进行去法兰盘设计。

前无线传输盘7采用重金属制成，后无线传输盘8采用轻金属制成。

重金属采用铜合金或合金钢，轻金属采用钛合金或铝合金。

复合变幅杆2、压电陶瓷堆6和前无线传输盘7组成全波长超声振动系统。复合变幅杆2和夹心式换能器（压电陶瓷堆6）分别进行半波长设计，结构尺寸如图2所示。

如图2所示，半波长复合变幅杆2，左边两段（小圆柱段11L1和圆锥段12L2之和）为1/4波长，大圆柱段13为1/4波长；半波长压电式换能器，右边两段（压电陶瓷堆6L4和后盖板L5之和）为1/4波长，左侧发射端为1/4波长；复合变幅杆22的大圆柱段13（L3段）为半波长。

第一轴承3安装于偏离节点的大圆柱段13左极限位置处，第二轴承5设置在偏离节点的大圆柱段13右侧极限位置处，在这两个极限处采用隔振措施。

压电陶瓷片预应力为3000-3500N/CM2，根据压电陶瓷片的面积和联接螺栓的横截面积，计算变幅器预紧力，并通过测力矩扳手施加预紧力，以保证变幅器轴向力，进一步保障结合面间紧密贴合。

本发明是一种用于工业机器人加工的集成式超声主轴电机振动系统，该超声主轴电机明显减小了传统超声振动系统的尺寸，此发明还可以应用于其他结构受限的超声振动系统中。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等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，均属于本发明技术方案的保护范围。