专利名称：大功率超声波钻孔设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种钻孔设备，尤其涉及一种适用于建筑物上钻孔的便携式的大
功率超声波钻孔设备。
背景技术：
超声波技术作为一种物理手段和工具，具有许多特殊的作用。相对于电动机低频 率高振幅的特性，超声波则恰恰相反，振动频率很高，振动幅度很小。换一句通俗的话，超声 波适合干一些精密细致的活。具体到在建筑物构件上打孔的领域，目前用得最多的是电动 式冲击钻。但是冲击钻存在着冲击振动大、噪音大的缺陷，对周围环境有很大的干扰，影响 人们正常的生活和工作。而且用冲击钻在建筑物上钻孔时，产生的建筑物粉末会向周围发 散开来，严重污染周围的空气和环境。 为了提高钻孔时的效率，也出现了超声波钻孔设备，如中国专利文献01203690.0 公开了一种"超声波扭转振动钻孔装置"，它主要由超声波换能器、压紧螺母、微调螺丝、变 幅杆、工具头、钻头组成，工具头是一中心有孔的带纵向切槽的弹性夹头，其锥面和螺扣与 变幅杆连接，钻头插在工具头的中心孔中，通过工具头锥面产生的夹紧力，将钻头夹住，变 幅杆上设有可使钻头产生扭转振动的凹槽。这种超声波钻孔装置，仅仅是车床的一个附加 工具。超声波在这里起到一个辅助振动的作用，用于提高普通车床钻头的钻孔效率。它需 要用车床带动工件旋转而打孔，不是一个独立的设备，根本不可能在建筑物上钻孔。它的钻 头是夹在超声波工具头上的，钻头比较细，只能打小孔。 另外也还有一种成熟的超声波打孔机，广泛地用于珠宝首饰打孔领域。它的基本 组成部件是机架、工件台、磨料悬浮液循环系统、超声波换能器、变幅杆、工具头、平衡式自 动加力压机构、打孔针、驱动电源等组成。它的打孔机理不是靠钻头的钻削，而是通过超声 波钻头激发磨料的高速运动，将珠宝欲打孔部位的物质一点一点的磨削而达到打孔的目 的。磨料悬浮液循环系统把储存的磨料颗粒与工作的磨料颗粒循环交换，顺便把磨削下来 的废料带走。它的打孔针同样很细，通过焊接的方法焊在工具头上。打孔针只是起到激发 磨料粒子高速运动的作用，没有直接的钻孔功能，与工件之间也没有相对的旋转运动。基于 台式的，具有磨料循环的系统，打孔针很细，所以，也根本不能用来进行建筑物打孔。 以上这两种现有的打孔设备，其超声波钻头都是按照小工具头理论设计的，不要 求它与整个超声波系统有相同的共振频率。这种工具头的制作就比较随意，可前提是单个 钻头的体积和质量都必须很小，一般是要求小于与其连接的部件(即超声波共振部件，一 般是工具头)的1/10。
发明内容本实用新型主要解决现有的冲击钻在建筑物上钻孔时，振动大、噪音大，严重影响 周围环境，而且已有的超声波钻孔设备一般要与机床、工件台配合使用，只适合在小工件上 打孔，不适合在建筑物上钻孔的技术问题；提供一种无冲击、无振动、无噪音，对周围环境无影响，功率大、强度大，可手持工作，可便携式移动，适合在建筑物上钻孔的大功率超声波钻孔设备。 本实用新型同时解决现有的冲击钻在建筑物上钻孔时，产生的建筑物粉末会向周围发散开来，严重污染周围空气、影响周围环境，而已有的超声波钻孔设备也没有解决钻孔产生的粉末四散的缺陷的技术问题；提供一种一边钻孔一边就能将钻孔产生的粉末收集排放，对周围空气和环境无影响的大功率超声波钻孔设备，满足人们安全、环保和绿色的要求。 本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的本实用新型包括壳体、设于壳体内的超声波换能器和穿设于壳体上并与超声波换能器相连的超声波变幅杆，所述的超声波变幅杆的露出于壳体外的端头上连接有超声波钻头，超声波钻头的直径和长度是超声波纵向振动的半波长或半波长的整数倍，所述的壳体呈圆柱体，壳体侧面外周套有一个固定滑套，壳体和固定滑套上都设有把持用的手柄。本实用新型的超声波钻头不是安装在超声波工具头上的，而是直接连接在超声波变幅杆上的。在这里，超声波钻头不是作为工具头的一个附加部件，换句话说，超声波工具头就是超声波钻头。两者是同一个物体，只是所处的角度不同，叫法不同而已。所以，其体积和质量也就可以和工具头相当，其体积、大小、强度的设计就很容易达到钻孔设备的要求。超声波钻头、超声波变幅杆及超声波换能器都按照超声波振动频率的半波长或全波长的长度进行设计，它们之间一般通过中心螺丝连接。由于超声波钻头是按照超声波标准的半波长原理设计的，与超声波变幅杆、超声波换能器处于共振的谐振匹配状态，这样就允许超声波钻头具备足够的直径、长度和强度，而且还易于更换。整个超声波振动系统固定在壳体上，是以壳体为支撑的一个能独立工作的、可便携式移动的设备。壳体上的手柄便于携带和把持，这样就形成一个便携式的超声波钻孔设备。使用时，超声波换能器与超声波驱动电源通过高频电缆连接，超声波驱动电源为超声波钻孔设备提供高频率、高功率的交流电流，用于驱动超声波钻头产生超声波振动。[0009] 我们知道，要达到钻孔的目的，有个基本的条件，即钻头要有旋转运动，还需要有前后的纵向运动。在这里，我们利用大功率超声波产生的纵向振动驱动超声波钻头作前后纵向运动，这是钻孔的主要运动。通过固定滑套可固定整个设备，从而使超声波钻孔机成为一个独立的、可以任意移动的设备，可以手持，在任意的建筑物墙上钻孔。固定滑套上可以安装把手，用于操作时由操作人员把持，或将固定滑套固定在推进机构上。扳动手柄，带动壳体在固定滑套内自由旋转，从而使得钻头来回旋转，可以提高钻孔效率。操作工人通过握持手柄往复旋转壳体，带动超声波钻头也作往复旋转，从而实现钻头的旋转运动。超声波钻孔设备可手持工作，也可以固定在专用的支撑架上，以降低劳动强度，提高工作效率。由此达到便携式和静音的目的。 使用时，启动超声波驱动电源，使超声波换能器作超声波振动，表现形式为超声波换能器作纵向来回伸縮运动，典型的振动频率是20kHz。换能器的振幅一般在几个微米，这样的振幅功率密度不够，是不能直接使用的。超声波变幅杆和超声波换能器连接，按设计需要放大振幅，同时也放大了输出能量。变幅杆的露出壳体外的一头与超声波钻头连接，带动钻头作纵向超声波振动，振幅一般为5 50iim。经过优化设计，振幅也可以达到更高的50 ii m 90 ii m。整个便携式超声波钻孔系统由人工推顶或由机械装置推顶，使超声波钻头紧紧顶住建筑物构件钻孔部位，超声波换能器通过超声波变幅杆带动超声波钻头作超声波振动。超声波钻头的运动以换能器驱动的纵向伸縮运动为主，辅以手动的较慢速度的往复 旋转运动。纵向伸縮运动的频率一般为14kHz 30kHz，振动幅度在5 ii m 100 ii m之间。 超声波钻头的旋转可以是来回往复旋转，也可以是向一个方向的旋转，转速一般在30转/ 分钟 300转/分钟之间。非金属建筑材料的特性是硬而脆，韧性不高。在超声波钻头高 频、小振幅、大功率的超声波作用下，非金属建筑材料被挤压击碎，实现无冲击、无振动、无 噪音地钻孔，对周围环境无影响。 作为优选，所述的超声波钻头、超声波变幅杆及超声波换能器的轴线位置均设有 通孔，所述的超声波换能器的通孔的尾端连接有管路，所述的管路的管口设于所述的壳体 上。使用时，将设在壳体上的管口与真空泵的进口相连。钻孔产生的粉末在真空泵的吸力 作用下被吸入超声波钻头的通孔中，并经过超声波变幅杆的通孔、超声波换能器的通孔，通 过管路吸入水过滤器，很简单地就解决了粉尘收集问题。实现一边钻孔一边就能将产生的 粉末收集起来集中排放，避免粉末向四周散开而污染环境。钻孔完成后，还可以将水灌入通 孔中，把遗留在通孔中的粉末冲走。确保钻孔对周围空气和环境无影响，满足人们安全、环 保和绿色的要求。超声波驱动电源、水过滤器、真空泵放置在超声波钻孔设备附近，工作时 分别通过高频电缆、皮管与超声波钻孔设备相连，工作完成后可以快速脱开接头，分别装入 专用的手提箱带走，非常方便。 作为优选，所述的设于壳体上的手柄位于所述的壳体的侧面。确保握手更方便，更 易于用力，旋转壳体也更加省力和方便。 作为优选，所述的壳体内的空腔中为压縮空气，壳体的侧面设有出气孔，壳体的尾 端设有压縮空气进口。工作时，压縮空气(也是冷风)从压縮空气进口流入壳体内，又从出 气孔流出，能有效带走换能器机电转换产生的热量，用于对超声波换能器进行冷却，确保超 声波换能器工作的稳定性。 作为优选，所述的超声波钻头为圆棒或方棒，或横截面呈多边形的棒体，超声波钻 头的横截面的最宽处的宽度为5mm 80mm，超声波钻头的长度为100 300mm。 作为优选，所述的超声波钻头的振幅为10 llOym，超声波钻头的纵向伸縮运动 的频率为14KHz 30KHz。 作为优选，所述的超声波钻头的头部有个外扩的凸头，所述的凸头的端面设有锥 形凸起。锥形凸起构成尖头，起导向作用，有利于超声波钻头钻入建筑物构件中。外扩的凸 头确保超声波钻头的头部适当扩大，以利超声波钻头从建筑物构件中旋转出来时还能进一 步粉碎建筑块，提高钻孔效率。 作为优选，所述的壳体上设有电源接口 ，所述的超声波换能器通过高频电缆与所 述的电源接口相连，所述的电源接口又通过高频电缆与独立于壳体外的超声波驱动电源相 连。超声波驱动电源与超声波钻孔系统相对独立，确保大功率超声波钻孔设备的手持部分 重量轻，便于操作，可靠性也高。 作为优选，所述的超声波驱动电源包括依次相连的电源整流滤波模块、直流电压 调节模块、功率开关放大模块、高压隔离输出模块、电感电容匹配模块，还包括依次相连的 电容分压反馈模块、脉冲移相调节模块、脉冲耦合推动模块，脉冲耦合推动模块的输出接所 述的功率开关放大模块，所述的脉冲移相调节模块上连接有频率显示模块，所述的功率开 关放大模块还与相位/电流反馈报警模块相连，相位/电流反馈报警模块再与所述的脉冲耦合推动模块相连；所述的电感电容匹配模块的输出与所述的超声波换能器电连接，超声波换能器又与所述的电容分压反馈模块电连接。该驱动电源用来产生高频高功率电流，驱动超声波振动部件工作。直流电压调节模块用来调节超声波发振器的功率，使之适应钻头不同的工作状态。 作为优选，所述的超声波驱动电源还包括时序开关控制模块，所述的时序开关控制模块与所述的脉冲耦合推动模块相连。通过时序开关控制模块可以设定超声波换能器的发振时间和间歇时间，从而设定钻孔时间，使大功率超声波钻孔设备的使用更趋方便，也更加智能化。 本实用新型的有益效果是受超声波驱动电源的驱动，超声波换能器产生振动，超声波变幅杆放大聚焦能量，超声波钻头输出能量，电源驱动的纵向伸縮运动和手动的旋转运动同时对建筑物构件施加作用力。超声波振动频率高、振幅大，建筑物构件被迅速粉碎。这种超声波声音人耳听不到。超声波在钻孔部位的高频振动，会很快地被周围的建筑物体吸收，附近的人体根本也感觉不到。达到了无冲击、无振动、无噪音、对周围环境无影响目的。而且钻孔过程中产生的粉末通过真空吸尘的方法经通孔由真空泵排出，实现一边钻孔一边就能将钻孔产生的粉末收集排放，对周围空气和环境不产生污染，满足安全、环保和绿色的要求。
图1是本实用新型的一种轴向剖视结构示意图。
图2是本实用新型中超声波驱动电源的一种电路原理连接框图。 图中1-1.铝外壳，1-2.固定环，2.超声波换能器，3.超声波变幅杆，4.超声波钻
头，5.通孔，6.管路，7.固定滑套，8.手柄，9.出气孔，IO.压縮空气进口，ll.凸头，12.锥
形凸起，13.电源接口，14.超声波驱动电源，141.电源整流滤波模块，142.直流电压调节模
块，143.功率开关放大模块，144.高压隔离输出模块，145.电感电容匹配模块，146.电容分
压反馈模块，147.脉冲移相调节模块，148.脉冲耦合推动模块，149.频率显示模块，150.相
位/电流反馈报警模块，151.时序开关控制模块。
具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。[0025] 实施例1 :本实施例的大功率超声波钻孔设备，如图1所示，包括钻孔机枪体和超声波驱动电源14，两者由高频电缆13电连接。钻孔机枪体的壳体由圆桶状铝外壳1-1和安装于桶口的钢质固定环1-2构成。固定环1-2上连接有一个与铝外壳1-1的侧面垂直的手柄8。铝外壳侧面外周套有一个铝质固定滑套7，铝外壳的侧面有一个出气孔9，铝外壳的桶底有一个压縮空气进口 10。 超声波换能器2位于铝外壳1-1内，与超声波换能器2通过螺栓相连的阶梯形超声波变幅杆3穿过固定环1-2并安装于固定环上，超声波变幅杆3的露出于壳体外的端头上通过螺栓连接有超声波钻头4。超声波钻头4呈圆棒，其直径和长度是超声波纵向振动的半波长的整数倍，本实施例中，超声波钻头总长260mm，直径25mm，其头部有个径向外扩的呈六方形的凸头11，凸头11的外切圆直径为30mm，凸头11的高为20mm，凸头11的端面有个锥形凸起12，高度为5mm，形成导向面。当然超声波钻头4也可以是方棒或横截面呈多边形的棒体。超声波钻头4、超声波变幅杆3及超声波换能器2的轴线在一条直线上，而且轴线位置上均开有直径为5mm的通孔5，超声波换能器2的通孔的尾端连接有皮质材料制成的管路6，管路6的管口嵌装于铝外壳1-1的桶底上。钻孔时，该管口与真空泵的进管相连，钻孔产生的粉末，通过真空抽吸的办法，经过真空泵的排出管集中排放。铝外壳l-l的桶底上还装有电源接口 13，超声波换能器2通过高频电缆与电源接口 13相连，电源接口 13又通过高频电缆与独立于钻孔机枪体外的超声波驱动电源14相连。壳体内的空腔中为压縮空气。本实施例中超声波变幅杆3、超声波钻头4均采用20k钢材制成。[0027] 如图2所示，超声波驱动电源14包括依次相连的电源整流滤波模块141 、直流电压调节模块142、功率开关放大模块143、高压隔离输出模块144、电感电容匹配模块145，还包括依次相连的电容分压反馈模块146、脉冲移相调节模块147、脉冲耦合推动模块148，脉冲耦合推动模块148的输出接功率开关放大模块143，脉冲移相调节模块147上连接有频率显示模块149，功率开关放大模块143还与相位/电流反馈报警模块150相连，相位/电流反馈报警模块150再与脉冲耦合推动模块148相连。脉冲耦合推动模块148上还连接有时序开关控制模块151。电感电容匹配模块145的输出与超声波换能器2电连接，超声波换能器2又与电容分压反馈模块146电连接。本实施例中的超声波驱动电源14采用ZJS-1000型立式电源，频率20kHz，功率1000W。超声波驱动电源的机壳上部带有提手，便于携带移动使用。 本实用新型通过直流电压调节模块可以方便地调节超声波驱动电源的功率，超声波钻头的超声波振幅在10ym llOym范围内可调。固定滑套可根据需要安装把手或支架，由操作人员手持，同时对枪体施以一定的压力。压力越大，超声波钻头钻孔的速度越快，同时消耗的功率也越大。针对不同的材料，钻孔速度在每秒2mm 20mm之间。扳动壳体上的手柄，通过壳体旋转带动超声波钻头来回旋转，可以进一步提高钻孔效率。通过时序开关控制模块可以设定超声波换能器的发振时间和间歇时间，从而设定钻孔时间，使大功率超声波钻孔设备的使用更趋方便，也更加智能化。钻孔时枪体产生的噪音小于50dB，人体也感觉不到建筑物构件和枪体产生的震动，达到了无冲击、无振动、无噪音、对周围环境无影响目的。而且钻孔过程中产生的粉末通过真空吸尘的方法经通孔由真空泵排出，实现一边钻孔一边就能将钻孔产生的粉末收集排放，对周围空气和环境不产生污染，满足安全、环保和绿色的要求。
权利要求一种大功率超声波钻孔设备，包括驱动电源，壳体、设于壳体内的超声波换能器(2)和穿设于壳体上并与超声波换能器(2)相连的超声波变幅杆(3)，其特征在于所述的超声波变幅杆(3)的露出于壳体外的端头上连接有超声波钻头(4)，超声波钻头(4)的直径和长度是超声波纵向振动的半波长的整数倍，所述的壳体呈圆柱体，壳体侧面外周套有一个固定滑套(7)，固定滑套(7)和壳体上都设有一个手柄。
2. 根据权利要求l所述的大功率超声波钻孔设备，其特征在于所述的超声波钻头(4)、 超声波变幅杆(3)及超声波换能器(2)的轴线位置均设有通孔(5)，所述的超声波换能器 (2)的通孔的尾端连接有管路(6)，所述的管路(6)的管口设于所述的壳体上。
3. 根据权利要求1所述的大功率超声波钻孔设备，其特征在于所述的设于壳体上的手 柄(8)位于所述的壳体的侧面。
4. 根据权利要求1或2或3所述的大功率超声波钻孔设备，其特征在于所述的壳体内 的空腔中通有压縮空气，壳体的侧面设有出气孔(9)，壳体的尾端设有压縮空气进口 (10)。
5. 根据权利要求1或2所述的大功率超声波钻孔设备，其特征在于所述的超声波钻头 (4)为圆棒或方棒，或横截面呈多边形的棒体，超声波钻头(4)的横截面的最宽处的宽度为 5mm 80mm，超声波钻头(4)的长度为100 300mm。
6. 根据权利要求1或2所述的大功率超声波钻孔设备，其特征在于所述的超声波钻头 (4)的振幅为10 110iim，超声波钻头(8)的纵向伸縮运动的频率为14KHz 30KHz。
7. 根据权利要求1或2所述的大功率超声波钻孔设备，其特征在于所述的超声波钻头 (4)的头部有个径向外扩的凸头(ll)，所述的凸头(11)的端面设有锥形凸起(12)。
8. 根据权利要求1或2或3所述的大功率超声波钻孔设备，其特征在于所述的壳体上 设有电源接口 (13)，所述的超声波换能器(2)通过高频电缆与所述的电源接口 (13)相连， 所述的电源接口 (13)又通过高频电缆与独立于壳体外的超声波驱动电源(14)相连。
9. 根据权利要求8所述的大功率超声波钻孔设备，其特征在于所述的超声波驱动电源 (14)包括依次相连的电源整流滤波模块(141)、直流电压调节模块(142)、功率开关放大模 块(143)、高压隔离输出模块(144)、电感电容匹配模块(145)，还包括依次相连的电容分压 反馈模块(146)、脉冲移相调节模块(147)、脉冲耦合推动模块(148)，脉冲耦合推动模块 (148)的输出接所述的功率开关放大模块(143)，所述的脉冲移相调节模块(147)上连接有 频率显示模块(149)，所述的功率开关放大模块(143)还与相位/电流反馈报警模块(150) 相连，相位/电流反馈报警模块(150)再与所述的脉冲耦合推动模块(148)相连；所述的电 感电容匹配模块(145)的输出与所述的超声波换能器(2)电连接，超声波换能器(2)又与 所述的电容分压反馈模块(146)电连接。
10. 根据权利要求9所述的大功率超声波钻孔设备，其特征在于所述的超声波驱动电 源(14)还包括时序开关控制模块(151)，所述的时序开关控制模块(151)与所述的脉冲耦 合推动模块(148)相连。
专利摘要本实用新型涉及一种大功率超声波钻孔设备，包括壳体、设于壳体内的超声波换能器和穿设于壳体上并与超声波换能器相连的超声波变幅杆，超声波变幅杆露出于壳体外的端头上连接有超声波钻头，超声波钻头的直径和长度是超声波纵向振动的半波长的整数倍，呈圆柱体的壳体侧面外周套有一个固定滑套，壳体和固定滑套上设有手柄。超声波钻头、超声波变幅杆及超声波换能器的轴线位置均设有通孔，通孔尾端经管路与壳体上的管口相连。本实用新型电源驱动的超声波纵向伸缩运动和手动的旋转运动同时对建筑物构件施加作用力，超声波振动频率高、振幅大，钻孔产生的粉末经通孔由真空泵排出，达到了无冲击、无振动、无噪音、无污染、对周围环境无影响目的。
文档编号B23B35/00GK201543855SQ20092031315
公开日2010年8月11日 申请日期2009年10月23日 优先权日2009年10月23日
发明者陈元平 申请人:陈元平