1、 本科毕业论文 (2015 届 ) 题 目 超声变幅杆及其性能参数测试平台设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2015 年 5 月 诚 信 承 诺 我谨在此承诺：本人所写的毕业论文超声变幅杆及其性能参数测试平台设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人 (签名 )： 年 月 日 摘 要 本文从已知的变幅杆大小端直径、工作频率和材料出发，对超声加工系统中的变幅杆进行了研究。本文主要包括以下研究内容： 1.根据已有的变幅杆大小端直径，通过波动方程理论，完成对阶梯
2、型、指数形、圆锥形三种变幅杆的外形设计计算。 2.利用有限元方法，借助有限元软件 ANSYS 对设计出的三种变幅杆进行动力学分析。先在 SolidWorks 中建立三种变幅杆的三维模型，再导入 ANSYS 中进行模态分析和谐响应分析。模态分析是指在规定超声波发生器所产生的振动的频率范围内，测定出变幅杆的各个固有频率。谐响应分析是指确定变幅杆的一个固有频率，并在变幅杆的一个固定断面施加一个正弦规律的振动，再测定变幅杆的自由端的振动变化。通过比较自由端和固定端的振幅大小变化，求出所设计的变幅杆的振幅放大比。 3.搭建实验测定平台。搭建了单独测定变幅杆放大系数的实验平台，还搭建了测定超声振动系统性能
3、的实验平台，并对已有的变幅杆加以实验测定。通过阻抗分析仪、激光位移传感器等得到谐振频率、放大系数的实际测量数据，并判定了已有的超 声振动系统的性能。 关键词： 超声变幅杆；有限元；模态分析；谐响应分析；实验平台 ABSTRACT Starting from the known diameters of both ends of ultrasonic horn, the working frequency and the material, the horn with the ultrasonic processing system were studied. This paper mainly
4、 includes the following contents: 1.According to the diameters of both ends of ultrasonic, and by the theory of wave equation, complete the size calculation of tapered, exponential and stepped ultrasonic horn. 2.Using the finite element method, complete the dynamics analysis of three horn by the fin
5、ite element software ANSYS. First, we should set up 3D models of three horn in SolidWorks, and then import 3D models to ANSYS for modal analysis and harmonic response analysis. Modal analysis is in accordance with the ultrasonic generator vibration frequency range and determine each natural frequenc
6、y of the horn. Harmonic response analysis is in the determined natural frequency of a horn, and the horn of a fixed section applied a sinusoidal vibration, to determine the vibration change of the free end of the horn. By comparing the amplitude change of the free end and the fixed to get the amplif
7、ication ratio of the designed horn. 3.Set up the experimental test platform.The experimental platform of measuring the amplification coefficient of variable amplitude rod is established, and then the experimental platform of measuring the ultrasonic vibration system performance is established, and t
8、he existing variable amplitude rod was measured experimentally. The actual measurement data of the resonant frequency and the amplification coefficient are obtained by the impedance analyzer and laser displacement sensor, and the performance of the ultrasonic vibration system is determined. Keywords
9、: ultrasonic horn； finite element； modal analysis； harmonic response analysis； experimental platform 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外研究发展历程 . 1 第二章 超声波加工概述 . 4 2.1 超声波的特点 . 4 2.2 超声加工的基本原理 . 5 2.3 超声加工的特点 . 7 第三章 变幅杆的设计 . 8 3.1 变幅杆设计理论 . 8 3.1.1 变幅杆设计概述 . 8 3.1.2 变截面纵振动的波动方程 . 8 3.2 指数形变幅杆的理论计算 . 1
10、0 3.2.1 指数形变幅杆频率方程和谐振长度 . 11 3.2.2 指数形变幅杆的位移节点 0x . 11 3.2.3 指数形变幅杆的放大系数 pM . 12 3.2.4 指数形变幅杆的计算 . 12 3.3 圆锥形变幅杆的理论计算 . 12 3.3.1 圆锥形变幅杆的频率方程和谐振长度 . 13 3.3.2 圆锥形变幅杆的位移节点 0x . 14 3.3.3 圆锥形变幅杆的放大系数 pM . 14 3.3.4 圆锥形变幅杆的计算 . 14 3.4 阶梯形变幅杆的理论计算 . 14 3.4.1 阶梯形变幅杆的位移节点 0x . 15 3.4.2 阶梯形变幅杆的放大系数 pM . 16 3.4
11、.3 阶梯形变幅杆的计算 . 16 第四章 运用 ANSYS 对变幅杆的动力学分析 . 17 4.1 有限 元方法简介 . 17 4.2 有限元方法动力学分析的理论基础 . 18 4.2.1 模态分析的力学基础 . 18 4.2.2 谐响应分析的力学基础 . 19 4.3 变幅杆的动力学分析 . 20 4.3.1 变幅杆模型的建立 . 21 4.3.2 变幅杆网格的划分 . 22 4.3.3 变幅杆的模态分析 . 23 4.3.4 变幅杆的谐响应分析 . 25 第五章 变幅杆性能参数测试实验平台的搭建 . 29 5.1 实验目的 . 29 5.2 实验设备 . 29 5.2.1 压电式加速度传
12、感器 . 29 5.2.2 电荷放大器 . 31 5.2.3 示波器 . 32 5.3 实验测试系统的搭建 . 32 第六章 超声振动系统实验平台的搭建 . 34 6.1 实验简介 . 34 6.2 主要实验设备 . 34 6.2.1 激光位移传感器 . 34 6.2.2 阻抗分析仪 . 35 6.3 实验测试系统的建立 . 35 6.4 实验测试过程与结果分析 . 36 第七章 总结与展望 . 39 7.1 总结 . 39 7.2 展望 . 39 致谢 . 41 参考文献 . 42 1 第一章 绪论 1.1 引言 超声波 加工是一种近十几年来新兴的加工技术，目前已经在很多工业中得到了应用。超
13、声波振动的使用在生产和生活中越来越多，例如在在生活中的超声波清洗，还有生产中的超声波焊接等方面。且已经证明了超声波振动在其他很多行业中有诸多优点。这些行业包括汽车、食品加工、医疗、纺织等。通过超声加工，以达到产品性能的显著提升和质量的改进。 超声振动的能量在加工中是通过两种不同的方法实现的。超声波加工，这种方法是基于材料去除的磨料原理。是用被连接在超声变幅杆末端的被制成精确外形的刀具对工件进行研磨。基于超声波辅助加工的传统加工技术。本 文主要探讨的是关于第一种方法，即超声波加工方法。超声波加工所应用的加工的材料和范围十分广阔，特别适合于加工一些难加工或是需要高精度的材料，例如含碳量高的合金钢等
14、。反复的高频振动冲击模式带来了一些独特的性能并被改进成金属切削工艺 1，其中工件和刀具之间的相互作用被看成是一个微振动的过程。 在超声波加工系统中，换能器是产生振动的，但是它产生的振动的振幅一般非常小，大约只有 mm01.0001.0 ，这种程度的振幅对于加工工件的磨料驱动是远远不够的 2。在这种情况下，就需要一个部件能够放大换能器产生的振幅，这个零件就是变幅杆，它能有效地放大振幅。在目前的生产和研究中中，设计比较简单和常见的有：指数形，阶梯形还有圆锥形形状的变幅杆。除此之外，为了得到各种不同形状变幅杆的优点，回避其缺点，以提高形状因数，增大放大系数，在实际的生产应用中会使用各种各样的复合型变
15、幅杆，所谓的复合型变幅杆，实际上就是由两种或以上的普通变幅杆连接组合形成的。由于此次课题暂不涉及到复合型变幅杆，便不多赘述。下文对三种单一的变幅杆做详细的计算分析和研究。 在研究过程中，还有对上述三种变 幅杆的动力学分析部分，主要是模态分析还有谐响应分析。动力学的分析运用了有限元分析法，运用的软件是 ANSYS。此外还设计搭建了测试变幅杆放大系数的实验测试平台，对现有的变幅杆进行了实验测试，以论证实验平台的可行性。本文的主要目的是对超声变幅杆动力学特性所需的外形及几何尺寸的选择提出普遍适用的结论。 1.2 国内外研究发展历程 2 超声学有很多不同的研究方向，超声波加工技术就是这许多研究方向的其
16、中之一，其发展迅速，发挥着重大作用。伴随着超声学的发展，超声加工的应用范围越来越广，而也正是超声加工的发展，反过来也推动了 超声学的进步。 19 世纪二三十年代，超声波加工实验首次开始进行，当时是由美国的一些物理学家参与研究。在那时，玻璃制品的加工还是非常苦难，所以超声波加工实验的对象就是玻璃。那时还没有涉及到超声变幅杆这个概念，这个概念是 1945 年左右提出的。最开始，变幅杆的类型是纵指数形的，其目的是为了放大超声波的功率。后来，发现单一指数形形状的变幅杆不适合用于所有的生产情况中，在这个前提下，悬链形和复合型被提了出来，并运用到了实践中。对于变幅杆的外形形状在此之前一直没有一个参数加以描
17、述，直到形状因数这个概念被提出，有了这个参 数概念，变幅杆的设计理论更加趋于成熟，沿杆方向分布更均匀的高斯形变幅杆被发明了出来，以此获得了高位移的振幅。还有一个超声加工中非常重要的零件在这时被提了出来：振动方向变换器。基于此零件，大功率超声获得的途径有了更多的选择。在此基础上，另一种结构也被提了出来：夹心弯曲换能器。此后，变幅杆的发展突飞猛进，特别是在日本，在这一领域有了很多新的先进的发明，这些发明进一步推动了变幅杆的发展。随着变幅杆领域的快速发展，弯曲振动形的还有扭转振动形的都在工业应用中得到了很好的利用。除了以上所提到的常规形状的变幅杆，在一些特 殊领域工业中也出现了一些特殊形状的变幅杆，
18、例如变厚度的盘形变幅杆等，虽然外形看上去不是变幅杆的外形，但是从功能上来说也属于变幅杆的范畴。 纵观变幅杆的发展历史， Y.S.Wong,W.K.H.Seah 在其中做出了巨大的贡献。对变幅杆采用 CNC 加工就是他们提出的，事实证明，这种方法对变幅杆的加工起到了很好的促进作用。 孙玉林教授对指数形超声变幅杆展开了深入的研究，对纵振扭转的能量 还有指数衰减系数，及其具体选择方案做了研究 3。 ANSYS 对于变幅杆的设计优化运用的十分灵活是在 埃及科学家 S.G.Amin 等提出了 ANSYS 软件包对变幅杆的具体仿真过程后实现的 ，他们自己还对双锥形变幅杆进行了仿真测试，过程中不是现在最常用
19、的体单元，而是面单元，所做的这个仿真得出了变幅杆在不同截面处的振幅大小，这种仿真研究为工业实践中选择合适外形尺寸的变幅杆提供了非常好的参考方案 4。 目前，有限元分析法等软件技术已经普遍被用来设计轴对称形状的变幅杆。随着有限元软件技术的发展，又有 L.C.Lee 等人运用这一类软件测定了变幅杆的固有频率 ，这在变幅杆的发展中是及其重要的一步，因为运用仿真得到了固有频率，这样子在设计时就能使变幅杆更好地达到 固有频率，就能达到更好的效果 5。 有限元技术的运用并不仅仅局限于变幅杆，它有非常广的运用范围，只在超3 声加工领域，还能用于研究压电式换能器。 B.Dubus 等人就运用有限元软件对其进行
20、了研究，并得出了一些普适结论。 当变幅杆承受负载时，其一些特性又有了不一样的结论，所以对于负载下变幅杆的特性研究还是很有必要的，因为变幅杆总是在有负载下工作的，廖华丽等人就在这一方面展开了详细的研究，且得到了很好的效果 6。 纵观变幅杆的发展历程，之前前辈们对于变幅杆的研究已经非常的透彻，本文只是在众多前辈的研究成果的基础上 ，做一些在这个领域有关的研究。 4 第二章 超声波加工概述 2.1 超声波的特点 超声波，顾名思义，也是声波的一种，声波是一种纵波。正常声波的频率范围是 Hz1600016 。高出了这个范围，人耳便不能感受到了，这就是超声波，不被人耳所感知的一种声波，当然还有低于这个范围
21、的声波叫做次声波，也不能被人耳所感知，但本次课题研究中所涉及的是前者。超声波的运用，一般有以下两种：一是在特种加工领域，利用超声波所携带的巨大能量，在材料加工领域发挥其巨大的作用。 二是在信息采集领域，利用超声波强大的穿透能力来采集信息，且对人体几乎无伤害。超声波具有以下一些特性： 1)超声波 是声波的一种，所以它和声波的特性一样，能在固体、液体、气体等各种介质中传播，其传播的速度和波长、介质密度、频率等有关。可以用下面这个公式表示 fc (2.1) 其中，式中： c 超声波的传播速度 sm ； 超声波的波长 m ； f 超声波的频率 Hz 。 2)超声波在传播的过程 中，其运动的轨迹可用余弦函数来表述，即以下公式： tAx cos (2.2) 其中，式中： x 质点运动的位移 m ； A 质点振动的振幅 m ； 圆频率 srad ； t 时间 s ； 振动的相位角 rad 。 3)正如前面所提到的一样，超声加工利用的就是超声波所携带的巨大的能量，
