带有加工工具的阶梯形超声变幅杆设计分析

摘要：设计了带加工工具的阶梯形超声变幅杆。鉴于传统的带有加工工具的超声变幅杆设计计算的不准确性，运用ANSYSWorkbench软件，设计带有加工工具的超声变幅杆并进行模态分析，并在此基础上优化设计，运用阻抗分析仪验证设计结果的准确性，为设计带加工工具的阶梯形超声变幅杆提供了新思路。关键词：阶梯形超声变幅杆；ANSYSWorkbench；模态分析；阻抗分析仪中图分类号：TG663文献标识码：A文章编号：1009－9492(2017)06－0099－03DesignandAnalysisofSteppedUltrasonicHornwithMillingToolLYUSheng-feng1，LONGJian-jun1，LIGan-xian2（1.GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou510006，China；2.SouthChinaSeaInstituteofOceanology，ChineseAcademyofSciences，Guangzhou510301，China）Abstract:Adesignofsteppedultrasonichornwithmillingtoolwaspresented.Inviewofinaccuracyofthedesignofmethodofsteppedultrasonichornwithmillingtool，theANSYSworkbenchisusedtodesignsteppedultrasonichornwithmillingtoolandthemodalanalysisiscarriedout.Thenoptimaldesignisproceeded，whichprovidesanewideaforthedesignofsteppedultrasonichornwithmillingtool.Keywords:steppedultrasonichorn；ANSYSWorkbench；modalanalysis；impedanceanalyzer带有加工工具的阶梯形超声变幅杆设计分析吕升锋1，龙建军1，李赶先2（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006；2.中国科学院南海海洋研究所，广东广州510301）DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2017.06.029收稿日期：2016－12－210引言超声变幅杆，又称超声变速杆、超声聚能器。在超声技术中，特别是在高声强超声设备的振动系统中是很重要的。它的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，即聚能作用[1]。单一的频率在20kHz以上换能器的振幅只有几微米，远远不能够满足功率超声需求，因此在功率超声的引用中就必须在换能器的端面连接一个超声变幅杆，才能将其机械振动的幅值放大到所需的要求值。超声波换能器通过安装变幅杆调整了换能器与超声波工具头之间的负载匹配，减小了谐振阻抗，使其在谐振频率工作，提高了电声转换效率。在超声功率应用方面，人们根据实际需要研制出不同种类的超声变幅杆。最简单、单一、常用的变幅杆有：指数形、悬链形、阶梯形、圆锥形、傅里叶、高斯变幅杆。还有一些为了提高变幅杆的某些性能，如增大放大系数，提高振速比等，研制出了组合型的超声变幅杆。按照振动类型，又可以分为纵振、弯振、以及复合振动。相比指数形、悬链形、圆锥形变幅杆而言，由于阶梯形变幅杆振幅放大系数与阶梯变幅杆的大小截面的半径之比的平方成正比，因此具有更大的放大系数。所以本文设计采用阶梯形纵振变幅杆。目前，超声变幅杆设计主要采用传统的解析法与等效电路法，但是这些方法的计算量比较大而且还不是很准确。本文采用了SolidWorks建立实验模型，运用ANSYSWorkbench对带加工工具的超声变幅杆进行模态分析和优化设计[2]。1带加工工具的阶梯形变幅杆的理论设计依据一维波动理论，考虑由均匀、各向同性材料所构成的变截面杆，不计机械损耗，并设平面纵波沿杆轴向传播，其波阵面近似为一平面波，并且认为应力在横截面上是均匀分布的，即变幅杆的纵向形变所引起的横向形变很小，不致引起应力波的波阵面的畸变，因此振速分布应满足方程[3-4]：∂2v∂x2+1s.∂s∂x.∂ξ∂x+k2ξ=0（1）其中：K—圆波数，k=ω/c；ω－圆频率；c－纵波在变幅杆中的传播速度；ξ－质点位移；S－变幅杆的横截面积系数。机电工程技术2017年第46卷第06期研究与开发99对于如图1所示的带加工工具的阶梯形变幅杆，其边界条件为：V1(0)=Vf（2）F1(0)=0（3）V1(L1)=V2(0)（4）V2(L2)=Ve（5）F1(L1)=F2(0)（6）F2(L2)=-ZeVe（7）其通解公式为：Vn(xn)=Ansinknxn+Bncosknxn（8）Fn(xn)=-jZn(Ancosknxn-Bnsinknxn)（9）把这些系数代入通解公式（7）、（8）可得：T1(x1)=jρ1c1Vfsink1x1（10）T2(x2)=jρ2c2Vf[Z1Z2sink1L1cosk2x2+cosk1L1sink2x2]（11）在阶梯形变幅杆的输出端安装加工工具，其谐振频率方程有式（11）可得：Ze=jZttanktLt（12）再将式（12）代入（11）得：tank1L1=-(ZtZ1tanktLt+Z2Z1tank2L2)1-ZtZ2tanktLttank2L2（13）如果把突变界面设置在阶梯处，则L1=/4，此时式（13）化为：tanktLttank2L2=Z2Zt（14）式中：Z－各部分特性声阻抗，Z=ρsc；显而易见，传统的解析方法比较繁琐而且计算量比较大。2带加工工具的阶梯形变幅杆的优化设计假设阶梯形变幅杆材料选用45号钢，其泊松比σ=0.28，弹性模量E=209GPa，密度ρ=7810kg/m，其大端直径D1=50mm，小端直径d1=30mm，加工工具d2=10mm，Lt=10mm，根据实验需要设定一法兰面固定，其直径D2=54mm，过渡圆弧半径为11mm，厚度为2mm，设计频率f=28kHz，则根据理论设计可得出L1=λ/4=46.2mm，L2=45.1mm，放大系数M=1.667[5]。2.1阶梯形变幅杆的网格划分用solidworks构建实验所需模型，将其导入ANSYSWorkbench中进行模态分析。添加材料，并且进行网格划分，划分尺寸采用默认值。结果如图2所示[6]。2.2阶梯变幅杆的模态分析计算前十阶模态并设置求解区间为19kHz～30kHz，因设计实验需要，在法兰盘处施加完全约束，得到结果如图3所示[7]。2.3结果分析与设计频率最为接近的为27442kHz，其振动为纵向振动，符合设计要求，而且其频率设计误差为w=27442/28000=0.98%，满足实际的应用需要[8]。3性能参数测试阻抗分析仪能在阻抗范围和宽频率范围进行精确测量，它利用物体具有不同的导电作用，在物体表面加一固定的低电平电流时，通过阻抗精确地测量出压电元件性能优劣[9]。将此次实验中的与超声变幅杆匹配的换能器与设计的超声变幅杆相连接，采用PV70A阻抗分析仪进行分图1阶梯形变幅杆图2网格划分结果图3变幅杆模态分析结果机电工程技术2017年第46卷第06期研究与开发100析，其主要目的是观察所设计的超声变幅杆是否处于正常工作状态（即工作谐振频率附近），从而来验证所设计的超声变幅杆的正确性。阻抗分析仪测量示意图如图4所示。从图4中可以看出其谐振频率点在27746kHz附近，而且其导纳圆比较接近圆形，所以本此实验设计的超声变幅杆满足其应用要求。4结束语带加工工具的超声变幅杆设计的传统法设计比较繁琐而且存在一定的误差，将有限元法运用到变幅杆的设计中，能够简化变幅杆的繁琐设计，并且能够进一步优化。本文通过运用ANSYSWorkbench的方法设计带加工工具的阶梯形超声变幅杆，将固有频率和设计频率进行分析对比，进一步提高了阶梯变幅杆设计的可靠性[10]。参考文献：［1］林仲茂.超声变幅杆的原理及设计［M］.北京：科学出版社，1987.［2］蔡耀中，吴立群，杨贤龙.解析法设计阶梯型变幅杆可靠性研究［J］.机械工程与自动化，2014（3）：3-4.［3］陈桂生.超声换能器设计［M］.北京：海洋出版社，1984.［4］张可昕，张向慧，高炬.带有加工工具的超声复合变幅杆的优化设计［J］.机械设计与制造，2011（11）：33-35.［5］郑建新，侯雅丽.阶梯形变幅杆数值设计研究［J］.机械设计，2015（5）：91-94.［6］薛庚健，马麟，李亚洁.阶梯形超声变幅杆的设计分析［J］.机械设计与制造，2013（12）：14-16.［7］贾杨，沈建中.阶梯形变幅杆的频率特性分析［J］.声学技术，2006（2）：154-159.［8］朱寅.超声变幅杆有限元谐振分析［J］.机械，2005，32（12）：13-15.［9］田丰君.基于夹心式压电换能器的超声波近场声悬浮支撑技术研究［D］.长春：吉林大学，2010.［10］贺西平，高洁.超声变幅杆设计方法研究［J］.声学技术，2006，25（1）：82-86.第一作者简介：吕升锋，男，1990年生，河南南阳人，硕士研究生。研究领域：超声波加工。(编辑：向飞)图4阻抗分析仪测试示意图目前，现实中还没有自动化程度如此之高的设备[6]，该设备在这个方向上进行了创新和改造，结果表明目前这个产品的自动化程度是很高的，扬声器纸盆自动化生产设备是可行的。将通过对注浆装置的改进使原有需要等待的时间大大的被压缩，原来一次加工一个转变为一次加工多个，提高了效率。烘干成型流水线把原来需要等一个烘干后再烘干另一个，改为边烘干边运行，把烘干的时间压缩到运行的时间中，再加上剪裁机构保证每个纸盆出模后都是完整的成品。烘干成型流水线有效地节约了装置的运行时间，节省了材料的同时也更加高效、精准。扬声器纸盆自动化生产设备展示了装置的实用性、人性化。整个装置采用模块化的设计，有利于装置的维修和调换。参考文献：［1］徐灏.机械设计手册：第5卷［M］.北京：机械工业出版社，2000.［2］程宪平，冷增祥.机电传动与控制［M］.武汉：华中科技大学出版社，2009.［3］王三民，诸文俊.机械原理与设计［M］.北京：机械工业出版社，2006.［4］王田苗，丑武胜.机电控制基础理论及应用［M］.北京：清华大学出版社，2003.［5］曲凌.慧鱼创意机器人设计与实践教程［M］.上海：上海交通大学出版社，2007.［6］梁景凯，盖玉先.机电一体化技术与系统［M］.北京：机械工业出版社，2006.第一作者简介：沈佳渊，男，1995年生，江苏昆山人，大学本科。研究领域：机电一体化。(编辑：阮毅)（上接第22页）􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆􀤆吕升锋等：带有加工工具的阶梯形超声变幅杆设计分析研究与开发101