具有夹角结构纵振动变幅杆的设计方法

变幅杆是功率超声纵振系统中的关键部件之一,常见的是沿直线方向传播的变幅杆.有的应用场合需要变换纵振动传输方向.本文研究了具有夹角结构的超声纵振动变幅杆的设计方法.利用两端自由边界条件和夹角连接处的位移、力、弯矩及转角连续条件建立了设计变幅杆的频率方程,给出了计算变幅杆振幅放大系数的方法.利用本文中提出的设计方法,计算了若干个由两段杆组成的不同夹角的变幅杆的谐振频率,与有限元计算结果及Vib Pilot系统测试的变幅杆频率基本一致;后与谐振频率为19.8k Hz的压电换能器相连接,激光测振仪测试了系统的谐振频率、变幅杆的放大系数及变幅杆输出端面的振型.测试得到的变幅杆的放大倍数、振型与计算结果吻合.测试的端面振型呈活塞振动,说明在谐振频率上将换能器激励的沿水平方向的纵向振动,经过变幅杆成功地变换到了其输出端上.最后,对该型变幅杆作了大量计算,得出了放大倍数随几何尺寸变化的规律.     

纵-扭同频复合超声振动变幅杆设计

为了在切削与焊接加工过程中获得超声变幅杆的纵-扭复合振动,本文通过对纵-扭转振动模式下的圆锥过渡阶梯形复合变幅杆进行理论分析,得出其纵-扭振动的共振频率方程以及振速放大倍数,并对复合变幅杆的三段长度进行控制,实现了纵-扭复合同频共振.利用有限元软件ANSYS对理论设计的复合变幅杆进行结构动力学仿真分析,结果表明有限元分析与理论计算结果吻合较好.     

单端输入多端输出的纵振动转换体的研究

传统的超声振动系统一般为一个换能器连接一套变幅杆(或还有工具头),产生沿长度方向上的伸缩振动,这就意味着一套超声振动系统只能加工、处理一个对象,不利于生产效率的提高.本文提出单端输入多端输出的纵振动转换体,由一个输入杆、纵振动变换器、多个输出杆组成.利用振动转换体输入杆、输出各杆两端面的自由边界条件,以及输入杆与变换器、变换器与输出杆连接处振动质元的纵向力、横向力、弯矩与转角连续条件,推导出了设计振动转换体的频率方程,对转换体的纵振动谐振频率进行了计算,与有限元法和实验测试值基本吻合.将振动转换体与纵振频率为19.80 k Hz的换能器相连接,激光测振仪测试了复合振动系统的纵振谐振频率和谐振频率处各输出杆的振型.结果表明,各输出杆端面为活塞振动.换能器若连接本文提出的纵振动转换体,可以实现纵振动的多端输出,处理多个工作对象.文中分析了实现纵振动的转换原理,并通过计算得到了纵振动转换体的谐振频率与各振动部件的几何参数、角度的关系.     

径向穿孔超声变幅杆纵振特性的有限元分析

为解决大功率超声换能器的发热问题,对径向穿孔变幅杆的纵向振动特性进行了研究.利用有限元数值仿真方法探讨了穿孔深度、孔径及穿孔数量对变幅杆共振频率的影响,以及有无穿孔情况下其轴上位移振幅及振速的分布.结果表明:一端穿孔使得变幅杆谐振频率增大,节面穿孔使得变幅杆谐振频率降低,且基频频率仿真结果和理论计算结果的相对误差随穿孔数量、孔径及穿孔深度的增加而减小;不同位置穿孔对等截面及变截面变幅杆位移及振速放大系数影响均不大,且均对变幅杆节面位置影响很小;一端穿孔的变幅杆可获得更高的振动位移及振速;数值计算与有限元仿真结果较好吻合.此结果将有利于散热型大功率超声换能器的研究.     

具有模态解耦构型的纵弯直线超声电机

为减小纵弯直线超声电机的模态间耦合效应,提高电机的控制性能和效率,研制了一种新构型的模态解耦型超声电机.该电机采用兰杰文换能器结构,压电陶瓷布置模式为:纵振压电陶瓷置于电机中部,弯振压电陶瓷置于电机纵弯振型的波腹处.利用有限元模态分析方法,通过调整结构参数对电机纵弯固有频率进行调谐使其趋于一致.对样机的阻抗特性分析和多普勒激光测振结果显示:纵弯模态间耦合程度明显降低,其典型机械输出特性中最大速度为920mm/s,最大推力为45N,指标优于在基本尺寸和激励条件相近前提下的非解耦构型的480mm/s和25N.     

夹角型纵振变幅杆的有限元设计

对夹角型纵振动变幅杆进行了有限元设计,计算了不同尺寸变幅杆纵振动谐振状态下的放大系数与纵振动位移分布。结果显示:放大系数主要受变幅杆输入杆与输出杆的长度及半径的影响,输入杆与输出杆间的夹角对放大系数影响不大。而纵振动位移分布与节点位置则受角度影响较大。加工了5个不同尺寸变幅杆并利用激光测振仪测量其振型与纵振动放大系数,测试显示纵振动可由输入端传递至输出端上,放大系数测试结果与有限元计算一致。     

输出端为锥形的夹角型超声变幅杆

传统超声变幅杆能量沿轴线方向传播,有些应用场合需要改变纵振动传播方向,并有较好的振幅放大系数.作者提出了输入端为均匀圆柱、输出端为锥形的夹角型超声变幅杆.为了研究该文所提出的变幅杆的声学特性,利用有限元方法计算了不同尺寸超声变幅杆纵振动的谐振频率、放大系数与位移分布.结果显示,谐振频率、放大系数都与变幅杆的夹角、输入输出杆的几何尺寸有关;同尺寸锥形输出杆的变幅杆比均匀杆输出杆的放大系数更大,影响振幅放大系数的主要因素是变幅杆的截面比.加工了9个不同尺寸变幅杆并利用激光测振仪测试了其振型、频率、与振幅放大系数,结果表明在输出端上成功实现了纵振动传输,振幅得到了放大,且放大系数测试值与计算值基本一致.     

前端开孔的大振幅柱型超声变幅杆

提出了一种前端开横向矩形通孔的柱型变幅杆.利用有限元方法计算了谐振频率下振幅放大倍数和输出端面位移分布,研究了孔尺寸对变幅杆谐振频率的影响并优化了孔尺寸,得到最大放大倍数,与传统变幅杆相比放大倍数有大幅提高.分析了优化前后变幅杆的应力.将变幅杆与换能器相连接,激光测振仪测试了振动系统的频率、振型、变幅杆的输出端面位移分布及相对于变幅杆输入端的振幅放大倍数,测试结果与有限元计算结果一致.测试结果还表明激励电压与变幅杆输出端位移具有线性关系.     

超声换能振动系统共振长度及速度增益的传输矩阵求法

用传输矩阵表示纵向振动变截面杆端面的力和速度间的关系,把夹心换能器及变幅杆看成由几个振动元件机械串联而成,由各元件的传输矩阵相乘,得到换能器或变幅杆总的传输矩阵,从而求出共振长度以及换能器或变幅杆两端面的振速比,即速度增益.     

振动片式压电电机定子的实验

为了电机结构的紧凑性,考虑无变幅杆定子的设计方案,设计制作不同结构振动片式压电电机,所设计电机的定子由压电换能器和振动片组成.通过对不同结构形式定子的样机的有、无变幅杆,以及不同倾角振动片电机输出特性的进行对比实验与分析.结果表明,振动片倾角值存在一个最优的匹配范围,而预压力存在一个最佳值;当电机尺寸较小时,可以省去变幅杆部分,使电机结构更加紧凑;振动片式驻波型压电电机在一定的条件下具有反转效果.     

超声波在引线键合机变幅杆中的传递规律

基于解析模型的方法, 研究了超声波在热超声金丝球引线键合机变幅杆中的传递规律. 在忽略变幅杆横向惯性效应, 假定线弹性、无阻尼情况下, 考虑变幅杆纵向微小振动, 从一维变截面杆振动方程出发, 建立热超声金丝球引线键合机复合变幅杆的动力学方程, 推导它的频率方程, 获得各阶振型. 研究结果表明: 在变幅杆的各阶振型中, 两端都是位移腹点, 但是幅值不同, 这也是变幅杆可以传递超声波的原因;夹持器应只有位于位移节点, 才能为变幅杆系统提供支撑的同时不对超声波传递产生影响.     

接触界面压力对高次谐波和键合强度的影响

为减少超声键合换能器劈刀在振动过程中的非线性振动,改善劈刀振动的稳定性,提高芯片键合的强度,建立超声波在接触界面传播的模型.在超声引线键合机上,通过改变劈刀和变幅杆接触界面的接触压力,分别测量变幅杆和劈刀的振动和芯片键合强度,并对劈刀振动位移进行频谱分析.研究结果表明:超声波通过接触界面时,由于接触界面层的非线性特性会产生高次谐波和波形畸变;劈刀振动中的高次谐波成分对芯片键合强度造成负面影响.只有当接触界面压力适中时,劈刀振动的波形畸变最小,高次谐波成分最少,超声波的非线性系数最小,芯片键合强度最大.测量劈刀振动的高次谐波町以作为预测芯片键合程度的一种方法.     

多频扭转夹心式换能器研究

研究了一种可以工作在多个频率段的扭转夹心式换能器．该换能器由前后金属盖板、两组周向极化压电晶堆及电负载组成．分析了接电负载压电圆管的扭转振动特性，推出了其机电等效电路和共振频率方程．利用等效电路方法，给出了换能器的共振频率方程，并得到了换能器的共振频率与负载阻抗曲线，为此类换能器的设计提供了理论依据．该换能器可望应用于超声焊接、超声加工及超声马达等领域．     

纵弯复合模式超声换能器设计

设计了一种夹心式纵弯复合振动模式超声换能器,该换能器由纵向夹心式压电超声换能器与弯曲正六边形薄板组成.采用有限元方法,对一定几何尺寸边界自由的正六边形薄板进行模态分析,得到中心位移最大的某一模态,设计以该模态的频率作为共振频率的纵弯复合模式换能器.实验结果表明,换能器的共振频率测试值与设计值基本吻合,达到预期设计目标,这种六边形辐射板换能器可应用于特殊环境的超声测量,或应用于超声生物处理和声化学反应设备中,对该换能器的设计和理论模拟有利于更好掌握其振动特性及其产生的声场分布,对实际应用有指导意义.     

大型立式电机有限元结构仿真分析

基于Solid Edge建立了某型号大功率电机的实体模型,在MSC.PATRAN环境下,建立了相应的有限元模型,调用MSC.NASTRAN对有限元模型进行了仿真,通过对电机整机的运动学分析、模态分析和静力学分析,得到了电机两端轴承的受力状态以及应力、应变、位移等参数值.根据仿真结果,进行了电机的强度和刚度的校核.结果表明:现有电机的结构基本满足设计要求,同时给出了电机结构的优化方案,为同类产品的开发和改进提供了参考.     

多曲盘旋转雾化装置设计及振动试验

旋转圆盘雾化器广泛用于工业领域.设计了一种多曲盘旋转雾化装置,介绍了装置的整体设计方案和主要结构参数的确定,并对电机不同工作频率下装置的振动特性进行了试验.结果表明:装置的最大振动位移在装置水平方向,为10 Hz时的0.308 mm;最大振动速度在装置垂直方向,为35 Hz时的11.9 m/s;最大振动加速度在装置垂直方向,为40 Hz时的10.5 m/s2.装置在10 Hz以及35～50 Hz范围内运行时存在较大振动;在15～30 Hz范围内运行相对较为平稳,建议装置在此范围内运行;装置在垂直方向上振动较为明显,应增添垂直方向上约束以实现装置的减振.     

纵振换能器谐振频率的研究分析

为得到纵振换能器不同尺寸参数下的谐振频率,满足超声塑化不同聚合物颗粒的要求,需要分析纵振换能器尺寸参数对谐振频率的影响规律。推导纵振换能器的频率方程,利用Matlab数值求解不同尺寸参数下纵振换能器谐振频率,数值和仿真分析纵振换能器尺寸参数对谐振频率的影响规律,实验验证数值和仿真分析的正确性。研究结果表明：推导纵振换能器频率方程求得谐振频率解析值、仿真值和实验值有较好的一致性,最大误差小于4%,验证了数值分析求得纵振换能器谐振频率的正确性。谐振频率随着纵振换能器尺寸参数的增大减小,变幅杆长度和放大比对谐振频率影响较大。     

高频超声在变幅杆件中传播损耗的测试

应用2.5 MHz超声探头,在两组不同尺寸阶梯形变幅杆中获得了相同测试条件下的超声回波信号.再利用数字示波器对信号进行采样,得到了数字化超声回波时域信号.根据傅里叶变换理论,得出了回波信号的波形和功率谱图,进而发现超声能量在这些不同尺寸变幅杆中谐振频率附近传播衰减的规律.结果表明,变幅杆放大系数大,从一端传递到另一端的平均声能量密度大.超声在阶梯形变幅杆中传播,其谐振频率附近回波功率谱线幅度与变幅杆几何尺寸有关.     

夹心式纵-弯复合振动模式超声换能器的研制

研究了一种新型的夹心式纵－弯复合振动模式压电超声换能器．这种换能器用两套压电陶瓷片分别产生纵振动和弯曲振动．利用波动方程的通解,再加上边界条件,推出了纵振动和弯曲振动的频率方程．由频率方程设计出换能器的尺寸,使两种振动模式工作在同一频率．为验证设计理论,制做了一个频率为１０ｋＨｚ的换能器．实验结果表明,换能器的共振频率与设计值基本吻合．