1、畢業設計（論文）開題報告題目超聲變幅桿及其性能參數測試平臺設計學院機械工程學院專業機械設計制造及其自動化姓名班級學號指導教師Word 文檔一、課題研究的依據和意義1.1 超聲變幅桿綜述超聲加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質或干磨料中產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及由此產生的氣蝕來去除材料，或給工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行加工，或利用超聲振動使工件相互結合的加工方法1 。如圖 1.1。圖 1.1 超聲加工示意圖2近幾十年以來， 超聲加工，包括復合加工的發展極為迅速， 工藝技術在深小孔加工、難加工材料加工方面有極為廣泛的應用， 尤其是在難加工材料領域解決了很多的技術問題，得到了良

2、好的效果。 難加工材料的研究促進了超聲加工技術的發展， 從而進一步促進了新材料的發展，不難發現，超聲加工技術的應用會越來越廣泛3 。而本課題所要研究的超聲變幅桿是超聲波振動系統中一個重要的組成部分。 它與超聲波換能器一起共同組成了超聲波振子。 超聲波換能器是一種能把高頻電能轉化為機械能的裝置， 超聲波變幅桿是一個無源器件， 本身不產生振動， 只是將超聲波換能器輸入的振動改變振幅后再傳遞出去，完成了阻抗變換。超聲波換能器在合適的電場激勵下能產生有規律的振動，其振幅一般在 10 m 左右，這樣的振幅要直接完成焊接和加工工序是遠遠不夠的。 因此將換能器合理地連接一個超聲變幅桿， 超聲波的振幅便能在很

3、大的圍變化， 只要材料強度足夠， 振幅可以超過 100 m 。超聲波變幅桿亦可起到提高振速比、提高效率，提高機械品質因數，加強耐熱性， 擴大適應溫度圍， 延長換能器的使用壽命的作用。超聲波換能器通過安Word 文檔裝變幅桿 (超聲波變幅器 )調整了換能器與超聲波工具頭之間的負載匹配，減小了諧振阻抗，使其在諧振頻率工作提高了電聲轉換效率， 有效降低了超聲波換能器的發熱量，提高使用壽命。1.2 超聲變幅桿的發展及國外研究動態最初，為了高強大功率超聲波的應用，在上世紀40 年代發明了縱振指數型變幅桿。 50 年代原聯學者又提出了懸鏈線型變幅桿和多級組合變幅桿。60 年代提出了描述變幅桿形狀因數的概念

4、， 并發展了一種應力沿桿件均勻分布的高斯型變幅桿， 獲得了高位移振幅。 森榮司提出振動方向變換器， 開辟了用變幅桿件功率合成方法獲得高強特大功率 (50KW 以上 )超聲的途徑。上世紀 80 年代森榮司等又提出夾心彎曲換能器結構。 90 年代根本佐久良雄等人則提出了夾心扭轉換能器結構，大大推動了超聲變幅桿的發展。隨后又出現了彎曲振動變幅桿和扭轉振動變幅桿，擴大了工業應用圍。除了以上桿件形狀外， 在大功率超聲冷拔絲、 管等應用中出現了等厚度或變厚度的盤形或環形聚能器；在超聲焊接、切割中又出現了大型塊狀變幅桿件。按照振動類型，可分為縱振、扭振、彎振以及復合振動 (縱彎、縱扭、彎扭 )，四類。在功率

5、超聲的加工和處理應用中， 縱振型應用最為普遍。 從單一變幅桿的母線形狀來分類，又可分為階梯、指數、懸鏈線、圓錐、高斯、傅里葉、余弦等類型，若將這些單一形狀變幅桿組合起來進行設計， 則是復合型變幅桿。 按其功能來分， 又可分為二分之一波長和四分之一波長兩種。 雖然分類較多， 但縱振、扭振和彎振變幅桿的設計都是從其相應的振動方程出發， 設計過程及步驟都是一樣的。 超聲波變幅桿被廣泛應用于化工、石油、塑料焊接、金屬焊接、打孔、車削、清洗、機械加工等諸多領域。對超聲波變幅桿設計方面的研究進展主要有： 師大學的 Shuyulin 研究了超聲指數形變幅桿在縱向扭轉時的能量傳播特性曲線， 以及對指數衰減系數

6、的選擇。 現在有限元模型已被用來設計軸對稱形狀的變幅桿。，和等人用有限元方法分析變幅桿的固有頻率， 在此基礎上設計變幅桿的形狀使其更接近固有頻率。埃及學者，提出了用有限元 ANSYS 軟件對雙錐形變幅桿進行分析， 采用的是面單元進行， 得出了不同的端面處的應力值與振幅值，為選擇最佳的變幅桿外形提供了一種方法。 理工大學的福令等人推導出安裝簡單工具的雙曲過渡形復合變幅桿頻率方程和放大系數的一般公式。 并討論了超聲波加工工具對復合變幅桿諧振性能的影響。 廖華麗等人研究了功率超聲變幅桿在有負載情況下的速度波、力波和功率傳遞的特性，從理論上進行了研究并得到了一些相關結論。綜合變幅桿設計方面的文獻，有限

7、元方法己經被用來設計變幅桿1 。二分之一波長的縱振變幅桿有多種設計方案：傳統解析法Word 文檔等效電路法替代法 (機械阻抗相等法 )傳輸矩陣法有限元法其他方法：變幅桿設計方法還有傳輸線法、分段趨近法、表觀彈性法等本課題主要是利用解析法完成對階梯形、 圓錐形、指數形三種類型超聲變幅桿的設計。其意義在于比較上述三種變幅桿各自的優缺點， 從而對變幅桿的理論設計和實際的生產生活中變幅桿的選擇提供重要參考依據。二、課題研究的基本容和擬解決的主要問題2.1 課題的主要技術參數或研究目標超聲變幅桿的大端與換能器連接， 小端與刀具連接， 主要數據：大端直徑 87mm，小端直徑 17mm（圓錐形變幅桿大端 8

8、7mm，小端 37mm），工作頻率 20KHz ，所用材料為 45 鋼。2.2 課題主要完成容和工作量要求（1）查閱和收集超聲變幅桿相關方面的資料。（2）學習 Matlab、SolidWorks、ANSYS 等相關軟件。（3）了解超聲變幅桿的作用和理論設計方法。（4）利用解析法完成對三種類型超聲變幅桿的設計（5）對所設計變幅桿進行三維建模并完成有限元分析。（6）搭建實驗平臺，熟悉各儀器操作規則，測定變幅桿的主要性能參數。（7）撰寫和完成畢業設計論文。（8）完成手工繪制機械技能訓練圖一（0 號或 1 號圖幅的機械裝配圖）。2.3 課題擬解決的主要問題設計任務主要在于根據實際應用需要設計出階梯形、

9、圓錐形、指數形的變幅桿，并對已有變幅桿進行實驗研究， 得出其主要性能參數。 設計過程是根據波動理論對三種類型變幅桿進行參數計算， 從而得出變幅桿的外形尺寸和性能參數， 再利用有限元對所設計變幅桿進行對比分析， 總結各類型變幅桿的優缺點， 最后搭建實驗平臺對已有變幅桿進行性能測試，得出其主要性能參數，對理論設計具有實際指導意義。三、研究步驟、方法及措施3.1 超聲變幅桿的設計原理超聲變幅桿的性能可以用許多參量來描述。在實際應用中最常用的是： 共振頻率，共振長度，放大系數，形狀因數，輸入力阻抗等等。放大系數Mp ，是指變幅桿工作在共振頻率時輸出端與輸入端的質點位移或速度振幅的比值，形狀因數是衡量變

10、幅桿所能達到最大振動速度的指標之一，它僅與變幅桿的幾何形狀有關，值越大，所Word 文檔能達到的最大振動速度也越大，輸入力阻抗Zi ，定義為輸入端策動力與質點振動速度的復數比值 6 。3.2 變截面桿縱振動的波動方程考慮由均勻、各向同性材料所構成的變截面桿， 在桿的橫截面尺寸遠小于波長時，不計其機械損耗，并設平面縱波沿桿軸向傳播， 即在桿的橫截面上應力分布是均勻的。圖 3.1 變截面桿的縱振動 2圖 3.1 所示的是變截面桿縱振的示意圖，圖中的 x 軸是變幅桿的中心對稱軸，作用在微小體元（ x ， xdx 所限定的區間）上的應力為dx ，利用牛頓定律，加以x推導，可以得處變幅桿理論的關鍵動力學

11、方程9 ：(S )2dx（ 3.1）dx Sxt 2其中： SS(x) 桿的橫截面積函數；( x) 質點位移；( x)E應力函數；x桿材料的密度；E 氏模量。當處于簡諧振動的情況下，式（3.3）又可以改寫成21S2（ 3.2）x2k0Sx x3.3 超聲變幅桿的有限元分析在超聲波加工中， 要使變幅桿有效和可靠地工作，保證所加工零件的精度和加工效率，變幅桿必須具有良好的動態特性，因此，必須對變幅桿進行動力學研究。其容Word 文檔包括兩個方面： 固有振動特性分析和響應特性分析。 所謂固有振動特性分析， 是研究在無阻尼自由振動的條件下， 變幅桿的固有特征， 即固有頻率和振動應力。 響應分析是用于確

12、定變幅桿在承受隨時間按正弦規律變化的軸向載荷時的穩態響應， 目的是計算出變幅桿的動力響應， 并得到響應位移和響應應力。 對于諧響應分析， 峰值響應發生在激振頻率和變幅桿的固有頻率相等時， 換句話說，只有當工作頻率和變幅桿的固有頻率相等時，變幅桿端面才能達到最大位移。因此，在諧響應分析之前，應該首先做模態分析以確定變幅桿的固有頻率。 由于變幅桿有很多固有頻率， 我們只需求得工作頻率附近的一個固有頻率 5 。113.4 搭建實驗平臺，測定變幅桿的主要性能參數實驗條件(1) 超聲波發生器：型號為 H66MC ，電源電壓 220V，頻率 50Hz，輸出功率大于250W，頻率可調圍為18 22kHz。(

13、2) 壓電式加速度傳感器： 采用 YD 系列的壓電式加速度傳感器， 型號 YD10D ，2，頻率圍 12 10%。電荷靈敏度 0.002Pc/ms20kHz，量程 300000ms(3) INV 4 多功能抗混濾波放大器精度 2%，電荷輸入時頻率圍為 0.1 20kHz。(4) 智能信號采集處理分析儀：型號為 INV3060F 5120。(5) PCI 數據采集卡； Labview 7.1 測試軟件。3.4.2 試驗方法(1) 傳感器的標定設電荷輸入端傳感器電荷靈敏度為Sg ，電壓值為 V mV，多功能抗混濾波放大器的設定增益為K K1K 2。此時的被測信號值為：2U XV K Sg 。如果測

14、量值為振幅，則標定值：V U XK Sg 2 f；如果測量值為振速，則標定值為：V U X2f K Sg 。(2) 將壓電式加速度傳感器通過螺紋連接在變幅桿小端。(3)將壓電式加速度傳感器的輸出端接入 INV 4 多功能抗混濾波放大器中進行電荷放大，并進行低通濾波。(4)將放大器接 INV3060F 5120 型智能信號采集處理分析儀， 并將輸出端數據線與電腦連接。(5)測量壓電換能器的振動特性測試儀器與裝置 :YM3371 數字頻率計、H66MC超聲波發生器、 INV4 多功能抗混濾波放大器、PCM 數據采集器、 INV306DF 智能信號采集處理分析儀及YD10D 壓電式加速度計。四、研究

15、工作進度：Word 文檔包括兩個方面： 固有振動特性分析和響應特性分析。 所謂固有振動特性分析， 是研究在無阻尼自由振動的條件下， 變幅桿的固有特征， 即固有頻率和振動應力。 響應分析是用于確定變幅桿在承受隨時間按正弦規律變化的軸向載荷時的穩態響應， 目的是計算出變幅桿的動力響應， 并得到響應位移和響應應力。 對于諧響應分析， 峰值響應發生在激振頻率和變幅桿的固有頻率相等時， 換句話說，只有當工作頻率和變幅桿的固有頻率相等時，變幅桿端面才能達到最大位移。因此，在諧響應分析之前，應該首先做模態分析以確定變幅桿的固有頻率。 由于變幅桿有很多固有頻率， 我們只需求得工作頻率附近的一個固有頻率 5 。

16、113.4 搭建實驗平臺，測定變幅桿的主要性能參數實驗條件(1) 超聲波發生器：型號為 H66MC ，電源電壓 220V，頻率 50Hz，輸出功率大于250W，頻率可調圍為18 22kHz。(2) 壓電式加速度傳感器： 采用 YD 系列的壓電式加速度傳感器， 型號 YD10D ，2，頻率圍 12 10%。電荷靈敏度 0.002Pc/ms20kHz，量程 300000ms(3) INV 4 多功能抗混濾波放大器精度 2%，電荷輸入時頻率圍為 0.1 20kHz。(4) 智能信號采集處理分析儀：型號為 INV3060F 5120。(5) PCI 數據采集卡； Labview 7.1 測試軟件。3.

17、4.2 試驗方法(1) 傳感器的標定設電荷輸入端傳感器電荷靈敏度為Sg ，電壓值為 V mV，多功能抗混濾波放大器的設定增益為K K1K 2。此時的被測信號值為：2U XV K Sg 。如果測量值為振幅，則標定值：V U XK Sg 2 f；如果測量值為振速，則標定值為：V U X2f K Sg 。(2) 將壓電式加速度傳感器通過螺紋連接在變幅桿小端。(3)將壓電式加速度傳感器的輸出端接入 INV 4 多功能抗混濾波放大器中進行電荷放大，并進行低通濾波。(4)將放大器接 INV3060F 5120 型智能信號采集處理分析儀， 并將輸出端數據線與電腦連接。(5)測量壓電換能器的振動特性測試儀器與

18、裝置 :YM3371 數字頻率計、H66MC超聲波發生器、 INV4 多功能抗混濾波放大器、PCM 數據采集器、 INV306DF 智能信號采集處理分析儀及YD10D 壓電式加速度計。四、研究工作進度：Word 文檔7 M . Nada. Ultrasonic horn design for ultrasonic machining technologiesJ. Applied and Computational Mechanics, 2010, 4: 7988.8 林仲茂 . 超聲變幅桿的原理和設計 M . : 科學 , 1987: 80-82.9 S. G. Amin ,M . H. M . Ahmed,H. A . Youssef.Computer-aided design of acoustichorns for ultrasonic machining using finite-element analysisJ. Journal of Materials processing Technology, 199