震动加工装置及其电力供应系统与无线电力传输器的制作方法

1.本发明提供一种震动加工装置，即超声波刀把或超声波加工机，通过无线电力传输器将电力供应至震动加工装置中，用以驱动震动加工装置震动并进行加工作业。


背景技术：

2.震动加工设备能在加工刀具引发高频震动，通过震动对工件进行切削作业，对于传统机械加工技术不利的特殊材料，例如超高硬度材料、脆性材料或挠性材料具有加工优势，相关技术可参考例如中国台湾twi671159、twi666087等专利的说明。
3.前述专利中，为同时或先后进行铣削及震动加工作业，将加工刀具安装在可旋转的加工主轴上，并且利用线圈电磁感应方式，将电力由外部供应至可旋转的主轴或刀具中，又为了有效利用电磁感应传输电力，安装在主轴外部的一次侧线圈与安装在主轴上或刀具上的二次侧线圈需要尽可能地靠近，在实际机械设备中，一次侧线圈与二次侧线圈之间的距离须维持于数微米以下，对主轴与刀具的机构设计以及实际作业时的操作方式有诸多限制。


技术实现要素：

4.关于前述一次侧线圈与二次侧线圈必须尽可能地靠近的机构限制，亦曾考虑将一次侧线圈与二次侧线圈设置为具有相同共振频率的线圈，即可利用一次侧线圈与二次侧线圈之间的共振，提高一次侧线圈与二次侧线圈间的可容许间距，然而，在实际机械设备中，受到主轴旋转、加工负载及温度的影响，一次侧线圈、二次侧线圈及震动元件整体电路的共振频率可能会飘移不定，而不能稳定地在一次侧线圈与二次侧线圈之间引发共振效应。
5.有鉴于此，本发明的其中一项目的在于提供一种对震动加工设备供应电力的技术，能在稳定供应电力的情形下，免除或降低一次侧线圈与二次侧线圈必须极度靠近的机构限制，提高震动加工设备机构设计的自由度。
6.为达成上述目的，本发明提供一种电力供应系统，用于向震动加工装置供应电力，该震动加工装置具有致震器，该致震器具有谐振频率，该致震器能受电力驱动而震动，该电力供应系统包括无线电力接收器与无线电力传输器；其中，无线电力接收器适于供连接该致震器，该无线电力接收器具有接收器共震频率，该接收器共震频率与该谐振频率相同；无线电力传输器包括发射器、频率转换器与控制器，该发射器经配置适于向该无线电力接收器传输电力，该发射器具有发射器共振频率，该频率转换器连接于该发射器而能受电力驱动向该发射器输出工作电压，该工作电压具有震荡频率，该工作电压施加于该发射器时产生工作电流，该控制器连接于该频率转换器，该控制器依该工作电压的相位及该工作电流的相位控制并调整该震荡频率。
7.在本发明一实施例中，该发射器共振频率与该接收器共振频率相同。
8.在本发明一实施例中，上述无线电力传输器中，频率转换器例如是半桥逆变器。
9.在本发明一实施例中，该控制器调整该震荡频率，以使该工作电压与该工作电流
的相位差最小化或趋近于预定值，较佳者，使该工作电压与该工作电流的相位差为零。
10.在本发明一实施例中，无线电力传输器还包含直流对直流转换器，该直流对直流转换器连接于该频率转换器而能受电力驱动向该频率转换器输出一驱动电压，该控制器连接于该直流对直流转换器以调整该驱动电压。
11.本发明还提供一种震动加工装置，包括上述的电力供应系统、致震器以及加工刀具。电力供应系统中的无线电力接收器连接于该致震器，该致震器设置于该加工刀具，该致震器能受该无线电力接收器电力驱动而带动该加工刀具的至少一部分震动。
12.在上述的震动加工装置中，致震器例如是压电元件。
13.在上述的震动加工装置中，该发射器的电容值为c1，该发射器的电感值为l1，该无线电力接收器的电容值为c2，该无线电力接收器的电感值为l2，该致震器的谐振频率为f
r
，则：
[0014][0015]
利用上述装置，震动加工装置的电力供应系统能够利用相配适的无线电力传输器与无线电力接收器，较佳者，发射器共振频率与接收器共振频率相同，在以电磁感应方式传输电力时能在无线电力传输器与无线电力接收器之间引发电压与电流的共振，提高无线电力传输器与无线电力接收器之间的可容许间距，其次，在无线电力传输器、无线电力接收器或震动加工装置的致震器发生共振频率或谐振频率改变时，可通过控制器测出电压与电流的相位变化，及时调整震荡频率，维持共振，获得稳定且有效率的电力供应。
附图说明
[0016]
图1为本发明电力供应系统的示意图。
[0017]
图2为本发明电力供应系统的电路图。
[0018]
图3至图5为本发明电力供应系统中工作电压、工作电流、致震器的电压与电流的实测波形图。
[0019]
图6为本发明震动加工装置的示意图。
[0020]
附图标记说明：v1-直流电；v2-驱动电压；v3-工作电压；vp-致震器的电压；i1-驱动电流；i2-工作电流；ip-致震器的电流；ψ-相位差；1-无线电力传输器；11-整流器；12-直流对直流转换器；13-频率转换器；14-发射器；141-发射线圈；142-第一电容器；15-控制器；2-无线电力接收器；21-接收线圈；22-第二电容器；3-震动加工装置；31-致震器；32-加工刀具。
具体实施方式
[0021]
请参考图1与图2，本发明提供一种电力供应系统，适于安装在震动加工装置中，以对震动加工装置中的致震器供应电力，其中致震器具有谐振频率，本发明电力供应系统包括无线电力传输器1与无线电力接收器2。
[0022]
无线电力传输器1包括整流器11、直流对直流转换器12、频率转换器13、发射器14与控制器15。
[0023]
整流器11例如为桥式整流器，可接受外部交流电源输入，并输出直流电v1。
[0024]
直流对直流转换器12例如为降压-升压转换器(buck-boost converter)，连接于整流器11而能由整流器11接受电力驱动，改变直流电的电压后输出驱动电压v2与驱动电流i1，但在本发明其他可能的实施例中，亦可改为使用半桥式、全桥式、返驰式或其他类型的直流对直流电压转换器。
[0025]
频率转换器13例如为逆变器，连接于直流对直流转换器12，能受直流对直流转换器12输出的驱动电压v2驱动，并且输出具有周期性震荡特性的工作电压v3，工作电压v3具有震荡频率，具体而言，频率转换器13为半桥逆变器，以开关电路方式输出震荡波形为方波的工作电压v3，但若改采用全桥逆变器或其他类型的逆变器，亦无不可。
[0026]
发射器14连接于频率转换器13，能接受工作电压v3驱动并产生一工作电流i2，并且与无线电力接收器2电磁耦合，将电力传输予无线电力接收器2，具体而言，发射器14包括一发射线圈141与一第一电容器142，发射线圈141与第一电容器142串联连接，使发射器14具有一电容值c1与一电感值l1，其中电感值l1可由发射线圈141的电感值近似而得，电容值c1可由第一电容器142的电容值近似而得，发射器14并具有一发射器共振频率f
c1
，可由以下公式求得。
[0027][0028]
控制器15例如是系统单芯片，连接于直流对直流转换器12、频率转换器13与发射器14，经过编程而能检测并监看输出至发射器14的工作电压v3与工作电流i2的有效值及相位，并且依工作电压v3与工作电流i2控制并调整直流对直流转换器12与频率转换器13，以调整工作电压v3与工作电流i2的相位，并且能将工作电压v3与工作电流i2控制在目标范围中，目标范围例如是预先设定或写入控制器15的目标范围，或是/或同时是另外经由目标命令输入控制器的目标范围，具体而言，对于工作电压v3与工作电流i2的有效值，当工作电压v3过高或过低时，控制器15控制直流对直流转换器12降压或升压以调整驱动电压v2，从而维持工作电压v3的稳定，或将工作电压v3控制于目标范围中，另一方面，当工作电流i2过高或过低时，控制器15亦可控制直流对直流转换器12降压或升压以调整驱动电压v2，间接利用工作电压v3控制工作电流i2，将工作电流i2控制于目标范围中；对于工作电压v3与工作电流i2的相位，当工作电压v3与工作电流i2的相位差为零，或相位差为预先设定并储存于控制器15中的预定值时，代表工作电压v3的震荡频率与致震器的谐振频率同步或符合某一希望达成的特定关系，控制器15维持频率转换器13在工作电压v3产生的震荡频率，当工作电压v3与工作电流i2的相位差不为零，或相位差偏离预定值时，代表工作电压v3的震荡频率偏离了致震器的谐振频率或某一目标值，控制器15则控制频率转换器13改变工作电压v3的震荡频率，直到工作电压v3与工作电流i2的相位差最小化或趋近于零或趋近于预定值为止。
[0029]
关于上述工作电压v3与工作电流v2的相位差、工作电压的震荡频率及致震器的谐振频率之间的关系，可由工作电压v3、工作电流i2以及致震器的电压vp与电流ip实测并解析后获得。在已知的实验环境中，可预先设定工作电压的震荡频率等于致震器的谐振频率，可检测并绘制出工作电压v3、工作电流v2以及致震器的电压vp与电流ip的波形图，如图3所示，工作电压与工作电流的相位近乎同步，相位差趋近于零，致震器电压与电流的相位亦趋
近于同步。请参考图4，当调整降低工作电压的震荡频率，或者参考图5，调整提高工作电压的震荡频率后，工作电压与工作电流之间以及致震器的电压与电流之间，均出现相位差ψ，可以判断得知当工作电压与工作电流的相位趋近于同步时，工作电压的震荡频率亦趋近于致震器的谐振频率。
[0030]
值得一提的是，致震器可能具有多个谐振频率，控制器可受控制或自行切换，将工作电压的震荡频率控制在数个谐振频率之间调整切换，举例而言，致震器可以具有25khz、50khz、75khz等数种谐振频率，控制器能以其中一个谐振频率为基础，例如25khz，控制频率转换器输出具有25khz震荡频率的工作电压，并且依工作电压与工作电流的相位差，在25khz附近调整震荡频率，遇使用者切换或其他预设事件时，控制器能切换至另一谐振频率，例如以50khz为基础控制频率转换器，而能以数种不同震荡频率的工作电压驱动致震器。
[0031]
无线电力接收器2与发射器14的构造相似，并且与发射线圈141电磁耦合，从而能自发射器14接收电力，具体而言，无线电力接收器2包括一接收线圈21与一第二电容器22，接收线圈21与发射线圈141电磁耦合，接收线圈21与第二电容器22串联连接，使无线电力接收器2具有一电容值c2与一电感值l2，其中电感值l2可由接收线圈21的电感值近似而得，电容值c2可由第二电容器22的电容值近似而得，无线电力接收器2并具有一接收器共振频率f
c2
，可由以下公式求得。
[0032][0033]
其中，无线电力接收器2与发射器14能经组态而使接收器共振频率f
c2
与发射器共振频率f
c1
相同，以提高无线电力接收器2与发射器14之间电磁耦合、传输电力的效率。
[0034]
上述电力供应系统能适用于震动加工装置，请参考图6，震动加工装置3包括致震器31与加工刀具32。
[0035]
致震器31连接于无线电力接收器2，具体而言，致震器31为一至数个压电元件，可受无线电力接收器2供应的电力驱动，并且受电压、电流震荡作用而震动，致震器31具有谐振频率，在受到以谐振频率震荡的电压、电流作用时具有最大震幅，较佳者，谐振频率与接收器共振频率f
c2
及发射器共振频率f
c1
相同，而满足下列公式。
[0036][0037]
加工刀具32例如是加工机械所使用的刀把、刀杆、刀片或其组合，能配合使用于铣床、切削加工中心机或其他加工机械中，致震器31设置于加工刀具32，而能在震动时带动加工刀具32的末端或加工刀具32整体震动，以进行加工作业。
[0038]
利用上述装置，使用者可将一般交流电连接供应予无线电力传输器，由整流器将交流电转换为直流电，再由直流对直流转换器将直流电转换为需求电压的直流电，再由频率转换器将直流电转换为具有需求震荡频率的工作电压，供予发射器，经由发射器与无线电力接收器以电磁耦合方式传输电力，再将电力供予致震器，达成电力供应。
[0039]
在上述电力传输的路径中，发射器与无线电力接收器是以电磁耦合方式传输电力，且发射器与无线电力接收器的共振频率相同，可提高发射线圈与接收线圈之间的可容许间距，降低对线圈设置位置的机构限制，提高机构设计的自由度。
[0040]
其次，在上述电力传输的过程中，进一步利用控制器检测发射器的工作电压与工作电流的相位，依相位差调整频率转换器输出工作电压的震荡频率，能尽可能将工作电压与工作电流的相位差最小化，使工作电压的震荡频率能追踪致震器谐振频率的偏移，实现频率追踪，维持以符合谐振频率的工作电压驱动致震器，获得较佳的电力传输与使用效率。
[0041]
上述的频率追踪，控制器仅检测无线电力传输器中的工作电压与工作电流，无须对无线电力接收器或致震器进行检测，而不需要从加工刀具另外导出信号，也不需要在无线电力传输器与无线电力接收器之间设置额外的通讯装置，能维持极简化的机构与电路设计需求。
[0042]
在上述实施例中，无线电力传输器具有整流器与直流对直流转换器，可供使用者输入广范围区间电压的交流电作为电源，但若在使用者能够取得特定规格的电源时，例如直流电、特定电压的交流电或特定电压的直流电时，无线电力传输器亦可省略整流器与直流对直流转换器两者或其中任一者。
[0043]
综上所述，本发明的电力供应系统适于将电力供予震动加工装置中的致震器使用，能够以共振方式传输电力，并且能对致震器的谐振频率进行频率追踪，可在极简化的机构限制下获得良好的电力传输与使用效率，实为加工技术相关业者所企盼，但以上实施例仅在于说明并阐述本发明的技术内容，本发明的范围应以权利要求范围为准。