全文摘要
本发明涉及振动能量收集技术领域，具体为一种机床主轴的振动能量收集装置及方法，该装置包括能量收集器、机床主轴、以及主轴箱壳体，所述机床主轴设有固定轴承，所述主轴箱壳体包括第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁垂直于所述第二侧壁，所述固定轴承的外壁与所述第一侧壁之间设有支撑架，所述第二侧壁与所述支撑架之间设有能量收集器，所述能量收集器通过磁致伸缩材料收集所述机床主轴的振动能量，将振动能量转换成电能，进而可以实现对机床的其他元件供电，节省了部分外部电源的供给，同时不影响机床主轴的正常运行，并有利于振动的传递。
主设计要求
1.一种机床主轴的振动能量收集装置，包括能量收集器（14）、机床主轴（12）、以及主轴箱壳体（10），其特征在于：所述机床主轴（12）设有固定轴承（13），所述主轴箱壳体（10）包括第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁垂直于所述第二侧壁；所述固定轴承（13）的外壁与所述第一侧壁之间设有支撑架（11）；所述第二侧壁与所述支撑架（11）之间设有能量收集器（14），所述能量收集器（14）通过磁致伸缩材料收集所述机床主轴（12）的振动能量，将振动能量转换成电能；所述能量收集器（14）包括调节支撑座（1）、第一永磁体（7），所述调节支撑座（1）和所述第一永磁体（7）设于所述能量收集器（14）的两端，所述调节支撑座（1）固设于所述主轴箱壳体（10）的第二侧壁，所述第一永磁体（7）固设于所述支撑架（11）；所述调节支撑座（1）与所述第一永磁体（7）之间设有线圈骨架（8）；所述线圈骨架（8）设有内孔，所述内孔一端设有第一顶杆（6），所述第一顶杆（6）与所述第一永磁体（7）固接，所述内孔另一端设有第二顶杆（4）；所述第一顶杆（6）与所述第二顶杆（4）之间设有磁致伸缩棒（5），所述磁致伸缩棒（5）位于所述内孔中；所述线圈骨架（8）设有所述第一顶杆（6）的一端为封闭端，设有所述第二顶杆（4）的一端为敞口端，所述敞口端设有第二永磁体（2），所述第二永磁体（2）与所述第一永磁体（7）的相对面极性相反，所述第二永磁体（2）与所述调节支撑座（1）固接；线圈骨架（8）设有线圈，所述线圈骨架（8）外套有线圈外罩（3）；第二永磁体（2）为环形，所述第二永磁体（2）的环形内孔与所述线圈骨架（8）相配合；所述第二永磁体（2）的外端面与所述线圈外罩（3）的内孔相配合。
设计方案
1.一种机床主轴的振动能量收集装置，包括能量收集器（14）、机床主轴（12）、以及主轴箱壳体（10），其特征在于：
所述机床主轴（12）设有固定轴承（13），所述主轴箱壳体（10）包括第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁垂直于所述第二侧壁；
所述固定轴承（13）的外壁与所述第一侧壁之间设有支撑架（11）；
所述第二侧壁与所述支撑架（11）之间设有能量收集器（14），所述能量收集器（14）通过磁致伸缩材料收集所述机床主轴（12）的振动能量，将振动能量转换成电能；
所述能量收集器（14）包括调节支撑座（1）、第一永磁体（7），所述调节支撑座（1）和所述第一永磁体（7）设于所述能量收集器（14）的两端，所述调节支撑座（1）固设于所述主轴箱壳体（10）的第二侧壁，所述第一永磁体（7）固设于所述支撑架（11）；
所述调节支撑座（1）与所述第一永磁体（7）之间设有线圈骨架（8）；
所述线圈骨架（8）设有内孔，所述内孔一端设有第一顶杆（6），所述第一顶杆（6）与所述第一永磁体（7）固接，所述内孔另一端设有第二顶杆（4）；所述第一顶杆（6）与所述第二顶杆（4）之间设有磁致伸缩棒（5），所述磁致伸缩棒（5）位于所述内孔中；
所述线圈骨架（8）设有所述第一顶杆（6）的一端为封闭端，设有所述第二顶杆（4）的一端为敞口端，所述敞口端设有第二永磁体（2），所述第二永磁体（2）与所述第一永磁体（7）的相对面极性相反，所述第二永磁体（2）与所述调节支撑座（1）固接；
线圈骨架（8）设有线圈，所述线圈骨架（8）外套有线圈外罩（3）；
第二永磁体（2）为环形，所述第二永磁体（2）的环形内孔与所述线圈骨架（8）相配合；所述第二永磁体（2）的外端面与所述线圈外罩（3）的内孔相配合。
2.根据权利要求1所述的机床主轴的振动能量收集装置，其特征在于：所述第一顶杆（6）为凸台结构，凸台顶部位于所述线圈骨架（8）的内孔，凸台底部位于所述线圈骨架（8）外与所述第一永磁体（7）固接；所述线圈骨架（8）与凸台底部之间设有碟簧（9）。
3.根据权利要求2所述的机床主轴的振动能量收集装置，其特征在于：所述第一顶杆（6）、所述第二顶杆（4）与所述磁致伸缩棒（5）接触的端面均为圆弧状。
4.根据权利要求2所述的机床主轴的振动能量收集装置，其特征在于：
所述碟簧（9）的内孔、所述线圈骨架（8）的内孔均与所述第一顶杆（6）相配合。
5.根据权利要求1所述的机床主轴的振动能量收集装置，其特征在于：所述调节支撑座（1）与所述主轴箱壳体（10）的第二侧壁通过螺纹连接；调节支撑座（1）与所述主轴箱壳体（10）的第二侧壁之间的螺栓设有普通垫片和弹簧垫片。
6.一种机床主轴的振动能量收集方法，采用权利要求1—5任一项所述的机床主轴的振动能量收集装置，其特征在于：包括以下步骤，
S1、机床加工产生振动时，振动源先后经机床主轴、固定轴承以及支撑架传递给位于能量收集器一端的第一永磁体，第一永磁体发生振动；
S2、第一永磁体振动引起第一顶杆振动，第一顶杆振动使磁致伸缩棒的材料结构产生压缩变形，磁致伸缩棒内部产生应力和应变，内部磁畴方向发生偏转；
S3、第二永磁体位于能量收集器另一端，第一永磁体与第二永磁体的相对面极性相反，第一永磁体与第二永磁体为能量收集器提供偏置磁场，偏置磁场使磁畴方向转到与偏置磁场一致的方向，磁致伸缩棒内部磁畴方向的改变引起周边磁场形态发生变化，线圈的磁场强度发生改变；
S4、变化的磁场中线圈产生感应电流和感应电动势；
S5、电能通过导线传输至用电设备。
设计说明书
技术领域
本发明涉及振动能量收集技术领域，具体为一种机床主轴的振动能量收集装置及方法。
背景技术
在机床加工的过程中，不论是普通机床还是数控机床，都会引发振动。这些振动源出现在回转主轴、床身、刀架及刀具处等。这些振动不仅会影响零件的加工精度和表面的粗糙度，对刀具的损伤也是很大的，振动迫使工作人员降低切削速度，从而生产的效率降低。
现有技术中吸收机床振动的能量收集技术，主要是磁致伸缩式、电磁式、静电式、压电式。磁致伸缩式是基于磁致伸缩材料的性能来实现的，能在交变磁场的作用下，物体产生机械振动；或者相反，在拉伸、压缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料内部磁通密度相应地发生变化，在线圈中感应电流，即将机械能先转换成磁能，再将磁能转换为电能。磁致伸缩材料能量密度高、耦合系数大，具有传感和驱动功能，对振幅变化反应灵敏，因而作为智能材料或相应器件在智能材料领域得到了越来越广泛的应用和发展。
在振动的过程中，因机床主轴直接安装零件，所以机床主轴承受了机床大部分的振动。现有采用磁致伸缩式能量收集装置的缺点是不能在机床主轴与主轴箱壳体之间的空间进行安装，因此不能最大程度的解决机床主轴产生的振动。如果采用能量收集装置吸收一部分机床主轴的振动，并将其转化为电能，将有助于机床加工精度的提高，并能节约能源，是能量收集技术的新的应用领域。
发明内容
本发明的目的是为了解决机床在加工过程中如何最大程度解决机床主轴产生的振动问题，提供了一种机床主轴的振动能量收集装置及方法。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种机床主轴的振动能量收集装置，包括能量收集器、机床主轴、以及主轴箱壳体，所述机床主轴设有固定轴承，所述主轴箱壳体包括第一侧壁和第二侧壁，所述第一侧壁垂直于所述第二侧壁，所述固定轴承的外壁与所述第一侧壁之间设有支撑架，所述第二侧壁与所述支撑架之间设有能量收集器，所述能量收集器通过磁致伸缩材料收集所述机床主轴的振动能量，将振动能量转换成电能。
进一步地，所述能量收集器包括调节支撑座、第一永磁体，所述调节支撑座和所述第一永磁体设于所述能量收集器的两端，所述调节支撑座固设于所述主轴箱壳体的第二侧壁，所述第一永磁体固设于所述支撑架，所述调节支撑座与所述第一永磁体之间设有线圈骨架，所述线圈骨架设有内孔，所述内孔一端设有第一顶杆，所述第一顶杆与所述第一永磁体固接，所述内孔另一端设有第二顶杆，所述第一顶杆与所述第二顶杆之间设有磁致伸缩棒，所述磁致伸缩棒位于所述内孔中。
进一步地，所述线圈骨架设有所述第一顶杆的一端为封闭端，设有所述第二顶杆的一端为敞口端，所述敞口端设有第二永磁体，所述第二永磁体与所述第一永磁体的向对面极性相反，所述第二永磁体与所述调节支撑座固接。
进一步地，所述第一顶杆为凸台结构，凸台顶部位于所述线圈骨架的内孔，凸台底部位于所述线圈骨架外与所述第一永磁体固接，所述线圈骨架与凸台底部之间设有碟簧。
进一步地，所述第一顶杆、所述第二顶杆与所述磁致伸缩棒接触的端面均为圆弧状。
进一步地，所述碟簧的内孔、所述线圈骨架的内孔均与所述第一顶杆相配合。
进一步地，所述调节支撑座与所述主轴箱壳体的第二侧面通过螺纹连接，调节支撑座与所述主轴箱壳体的第二侧面之间的螺栓设有普通垫片和弹簧垫片。
进一步地，所述线圈骨架设有线圈，所述线圈骨架外套有线圈外罩。
进一步地，所述第二永磁体为环形，所述第二永磁体的环形内孔与所述线圈骨架相配合，所述第二永磁体的外端面与所述线圈外罩的内孔相配合。
本发明还提供一种机床主轴的振动能量收集方法包括以下步骤，
S1、机床加工产生振动时，振动源先后经机床主轴、固定轴承以及支撑架传递给位于能量收集器一端的第一永磁体，第一永磁体发生振动；
S2、第一永磁体振动引起第一顶杆振动，第一顶杆振动使磁致伸缩棒的材料结构产生压缩变形，磁致伸缩棒内部产生应力和应变，内部磁畴方向发生偏转；
S3、第二永磁体位于能量收集器另一端，第一永磁体与第二永磁体的向对面极性相反，第一永磁体与第二永磁体为能量收集器提供偏置磁场，偏置磁场使磁畴方向转到与偏置磁场一致的方向，磁致伸缩棒内部磁畴方向的改变引起周边磁场形态发生变化，使线圈的磁场强度发生改变；
S4、变化的磁场中线圈产生感应电流和感应电动势；
S5、电能通过导线传输至用电设备。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
一、通过能量收集器吸收机床主轴在加工时所产生的部分振动，从而减少适量不必要的振动；能量收集器通过磁致伸缩材料的维拉里效应先将振动能转换成电磁能，然后再将其转换成电能，进而可以实现对机床的其他元件供电，节省了部分外部电源的供给；
二、通过在机床主轴上安装固定轴承，并且在固定轴承的外壁与主轴箱壳体的第一侧壁之间设置支撑架，将能量收集器放置于主轴箱壳体的第二侧壁与支撑架之间，不影响机床主轴的正常运行，并有利于振动的传递；
三、通过将能量收集器的线圈骨架设计成了“L”型，线圈骨架一端设有封闭端面，另一端敞口，敞口端与第二永磁体连接，方便安装且结构紧凑；
四、通过在能量收集器两端分别设置第一永磁体与第二永磁体，第一永磁体做为能量收集器部件之间的连接装置，安装拆卸方便；第二永磁体作为线圈骨架的另一端面，又作为能量收集器部件之间的连接装置，安装拆卸方便；第一永磁体与第二永磁体的向对面极性相反，第一永磁体与第二永磁体为能量收集器提供偏置磁场。
附图说明
图1为本发明机床主轴的振动能量收集装置结构图；
图2为本发明能量收集器中磁致伸缩棒与线圈骨架的装配示意图；
图3为本发明能量收集器外形图；
图4为本发明能量收集器内部结构图。
图中：1-调节支撑座、2-第二永磁体、3-线圈外罩、4-第二顶杆、5-磁致伸缩棒、6-第一顶杆、7-第一永磁体、8-线圈骨架、9-碟簧、10-主轴箱壳体、11-支撑架、12-机床主轴、13-固定轴承、14-能量收集器。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种机床主轴的振动能量收集装置，包括能量收集器14、机床主轴12、以及主轴箱壳体10。能量收集器14安装在机床主轴12与主轴箱壳体10之间的空间内。具体为机床主轴12设有固定轴承13，所述主轴箱壳体10包括第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁垂直于第二侧壁。固定轴承13的外壁与第一侧壁之间设有支撑架11。所述第二侧壁与支撑架11之间设有能量收集器14，不影响机床主轴12的正常运行，并有利于振动的传递。
能量收集器14通过磁致伸缩材料收集机床主轴12的振动能量，将振动能量转换成电能。通过能量收集器14吸收机床主轴12在加工时所产生的部分振动，从而减少适量不必要的振动。能量收集器14通过磁致伸缩材料的维拉里效应先将振动能转换成电磁能，然后再将其转换成电能，进而可以实现对机床的其他元件供电，这样就节省了部分外部电源的供给。
无论是数控车床还是普通车床，在机床主轴12与主轴箱壳体10之间都有空间和位置来安装能量收集器14，但能量收集器14的尺寸需要根据实际的场合来确定。固定轴承13为深沟球轴承，该轴承特点是摩擦阻力小，转速高，能用于承受径向负荷或径向和轴向同时作用的联合负荷的机件上，也可用于承受轴向负荷的零件上。固定轴承13的类型和型号是根据机床的类型和所在机床主轴12的端面直径进行选择。
固定轴承13的外壁与支撑架11之间采用焊接的方式进行连接，接而支撑架11再与主轴箱壳体10的第一侧面进行焊接，便于能量收集器14可靠安全的进行能量转换。当机床主轴12振动时会将振动源传递给固定轴承13的外壁，然后再传递给支撑架11，能量收集器14与支撑架11连接的一端接收到振动，进而进行能量转换工作。
如图2-4所示，能量收集器14的整体结构为圆柱型，一端为调节支撑座1、另一端为第一永磁体7，调节支撑座1固设于主轴箱壳体10的第二侧壁，第一永磁体7固设于支撑架11。支撑架11的一侧与第一永磁体7利用磁力连接方式使其固定，第一永磁体7做为能量收集器14部件之间的连接装置，便于安装和位置调整，并且拆卸方便。调节支撑座1与第一永磁体7之间设有线圈骨架8。线圈骨架8设有内孔，内孔一端设有第一顶杆6，第一顶杆6与第一永磁体7利用磁性加上粘接的方式进行固定。内孔另一端设有第二顶杆4。第一顶杆6与第二顶杆4之间设有磁致伸缩棒5，磁致伸缩棒5位于内孔中。磁致伸缩棒5采用磁致伸缩材料，磁致伸缩材料为Galfenol或Terfenol-D。
线圈骨架8的轮廓设计成“L”型，“L”型使线圈骨架8一端可设计成封闭端面，另一端可设计为敞口。线圈骨架8设有第一顶杆6的一端为封闭端，设有第二顶杆4的一端为敞口端，敞口端设有第二永磁体2，方便安装且结构紧凑。第二永磁体2与所述第一永磁体7的向对面极性相反，第一永磁体与第二永磁体为能量收集器提供偏置磁场。第二永磁体2与调节支撑座1黏连固定。第二永磁体2作为线圈骨架8的一个端面，一方面可以固定线圈骨架8上的线圈，另一方面做为能量收集器14部件之间的连接装置，因此便于安装和位置调整，并且拆卸方便。
第一顶杆6为凸台结构，方便线圈骨架8的支撑。凸台顶部位于线圈骨架8的内孔，凸台底部位于线圈骨架8外与第一永磁体7固接。线圈骨架8与凸台底部之间设有碟簧9，凸台结构便于线圈骨架8和碟簧9的安装更牢靠固定。碟簧9的安装可采用背对背或面对面的安装方式，本实施例碟簧9采用背对背安装方式。
第一顶杆6、第二顶杆4与磁致伸缩棒5接触的端面均为圆弧状，便于振动时第一顶杆6、第二顶杆4与磁致伸缩棒5的接触面可以接受到不同角度的力。碟簧9内孔与第一顶杆6相配合。线圈骨架8的内孔与第一顶杆6相配合，使得线圈骨架8的右侧面和碟簧9紧密接触。
调节支撑座1与主轴箱壳体10的第二侧面通过螺纹连接，调节支撑座1与所述主轴箱壳体10的第二侧面之间的螺栓设有普通垫片和弹簧垫片，普通垫片和弹簧垫片套在螺栓上进行连接调整。通过调节普通垫片和弹簧垫片的数量和厚度调整能量收集器与第二侧壁的间距和附加在磁致伸缩棒上的预压力。线圈骨架8设有线圈，线圈骨架8外套有线圈外罩3，将预先缠绕好线圈的线圈骨架8套上设计好的线圈外罩3。第二永磁体2为环形，第二永磁体2的环形内孔与线圈骨架8相配合。第二永磁体2的外端面与线圈外罩3的内孔相配合。
能量收集器14的具体使用过程为：首先将第一永磁体7和支撑架11进行磁性连接，便于能量收集器14的拆卸；进而将第一顶杆6与第一永磁体7利用磁性加上粘接的方式进行固定，第一顶杆6设计成凸台的结构，这样使得线圈骨架8和碟簧9的安装更牢靠固定；进而将碟簧9的内孔与第一顶杆6进行配合，碟簧9的安装可采用背对背或面对面的安装方式，本实施例采用的是背对背方式，并且使用碟簧9可以在振动时使第一顶杆6和磁致伸缩棒5的接触保持紧凑；进而将线圈骨架8的内孔与第一顶杆6进行配合，并将线圈骨架8的右端面与碟簧9紧密接触；进而将磁致伸缩棒5和第二顶杆4依次装进线圈骨架8的内孔里，本实施例将第一顶杆6和第二顶杆4的端面设计成了圆弧状，这样在实际振动时使其与磁致伸缩棒5的接触面可以接受到不同角度的力；进而将线圈外罩3与预先缠绕好线圈的线圈骨架8相配合，使线圈外罩3的右侧端面和线圈骨架8的右端面紧密接触；进而将第二永磁体2的内孔与线圈骨架8配合，第二永磁体2的外端面与线圈外罩3的内孔配合；进而将调节支撑座1的右端面与第二永磁体2利用磁力加上粘接的方式进行固定；进而将调节支撑座1的左端面与主轴箱壳体10的第二侧面使用螺纹连接的方式进行固定，螺母螺栓的型号可按实际安装环境进行选择。
实施例二
本实施例为一种机床主轴的振动能量收集方法，采用实施例一所述的机床主轴的振动能量收集装置，收集方法包括以下步骤，
S1、机床加工产生振动时，振动源先后经机床主轴、固定轴承以及支撑架传递给位于能量收集器一端的第一永磁体，第一永磁体发生振动；
S2、第一永磁体振动引起第一顶杆振动，第一顶杆振动使磁致伸缩棒的材料结构产生压缩变形，磁致伸缩棒内部产生应力和应变，内部磁畴方向发生偏转；
S3、第二永磁体位于能量收集器另一端，第一永磁体与第二永磁体的向对面极性相反，为能量收集器提供偏置磁场，偏置磁场使磁畴方向转到与偏置磁场一致的方向；磁致伸缩棒内部磁畴方向的改变引起周边磁场形态发生变化，使线圈的磁场强度发生改变；
S4、变化的磁场中线圈产生感应电流和感应电动势；
S5、电能通过导线传输至用电设备。
能量收集器两端分别设置第一永磁体与第二永磁体，两个永磁体的向对面极性相反，为能量收集器提供偏置磁场。第一顶杆、第二顶杆、线圈外罩采用导磁材料。第一永磁体、第一顶杆、磁致伸缩棒、第二顶杆、第二永磁体、与线圈外罩形成闭合磁回路。当磁致伸缩棒受振动产生压缩变形，内部磁畴发生偏转，由于偏置磁场的影响，磁畴方向都转到与偏置磁场一致的方向，使线圈的磁场强度发生改变。
当机床加工产生振动时，机床主轴也随之产生不必要的振动，这些振动源会经过机床主轴的固定轴承到支撑架，进而第一磁体接受到这些振动，吸收了一部分不必要的振动。当第一磁体振动时，磁致伸缩棒会随之通过第一顶杆振动，材料结构产生了压缩变形，内部会产生应力。根据维拉里效应，磁致伸缩棒的内部磁畴方向发生了改变，周边的磁场形态也发生了变化，因振动产生了一个变化的磁场。根据法拉第电磁感应定律，线圈在变化的磁场中产生感应电流和感应电动势，完成机械能到电能之间的转换。转化成的电能可以为其他的元件提供电源，节约了部分外部电源的供电装置。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201910001434.6
申请日:2019-01-02
公开号:CN109495019A
公开日:2019-03-19
国家:CN
国家/省市:86(杭州)
授权编号:CN109495019B
授权时间:20191227
主分类号:H02N2/18
专利分类号:H02N2/18;H02K35/02
范畴分类:37P;
申请人:杭州电子科技大学
第一申请人:杭州电子科技大学
申请人地址:310018 浙江省杭州市经济技术开发区白杨街道2号大街1158号
发明人:孟爱华;严纯;潘文武
第一发明人:孟爱华
当前权利人:杭州电子科技大学
代理人:周希良
代理机构:33246
代理机构编号:杭州千克知识产权代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计