一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的超聲振動(dòng)領(lǐng)域，尤其是涉及一種采用單電信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)的超聲橢圓振動(dòng)壓電換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲橢圓振動(dòng)在超聲振動(dòng)切削、超聲焊接、超聲研磨、超聲拋光、直線超聲電機(jī)和旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)等領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用。目前研宄人員大多采用縱向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、彎曲振動(dòng)和徑向振動(dòng)中的兩種振動(dòng)形式進(jìn)行復(fù)合來(lái)產(chǎn)生超聲橢圓振動(dòng)，需要采用兩組或兩組以上的壓電陶瓷片來(lái)激發(fā)產(chǎn)生具有一定相位差的兩個(gè)或多個(gè)振動(dòng)模態(tài)，還必須為每組壓電陶瓷片配備一路超聲驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)，且需要控制各路超聲驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)之間的相位差，超聲振動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大、控制難度高、生產(chǎn)成本高、不易實(shí)現(xiàn)微型化、工作性能不夠穩(wěn)定，這些問(wèn)題制約了超聲橢圓振動(dòng)換能器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣。
[0003]為了克服上述超聲橢圓振動(dòng)換能器技術(shù)中的不足，《北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》2005年2月第31卷第2期上論文“基于有限元分析的橢圓振動(dòng)切削換能器”，提出了一種單一電信號(hào)激勵(lì)的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的超聲橢圓振動(dòng)切削換能器，并對(duì)該換能器進(jìn)行了有限元?jiǎng)恿W(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研宄，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果，但是要進(jìn)一步提高縱向振動(dòng)到彎曲振動(dòng)的轉(zhuǎn)換，提高橢圓振動(dòng)軌跡短軸與長(zhǎng)軸的比值，提高切削效果，僅依靠在變幅桿前端一側(cè)添加質(zhì)量塊和刀具的方式是不夠理想的，并且從變幅桿到附加質(zhì)量塊以及從附加質(zhì)量塊到刀具需要兩次物理聯(lián)接，導(dǎo)致從壓電換能器到刀具的超聲振動(dòng)能量損失較大，影響了超聲橢圓振動(dòng)切削效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型提供了一種新型的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器，目的是為了克服上述單激勵(lì)超聲振動(dòng)換能器中存在的不足。
[0005]一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器，包括超聲振動(dòng)換能器和橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器，所述的超聲振動(dòng)換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，后蓋板和前蓋板通過(guò)螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯(lián)接壓緊，構(gòu)成了超聲振動(dòng)換能器的能量轉(zhuǎn)換部分，將超聲電源輸出的超聲電能轉(zhuǎn)換為超聲振動(dòng)換能器的超聲振動(dòng)能量。
[0006]所述的橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個(gè)整體設(shè)置在前蓋板的前端，或者將橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器焊接設(shè)置在前蓋板的前端。橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器包括直梁和斜梁構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直梁和斜梁垂直于其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動(dòng)換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板聯(lián)接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板偏離中心軸線的一側(cè)聯(lián)接，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成0-90度夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板的聯(lián)接處均為圓弧過(guò)渡聯(lián)接。
[0007]橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器為直梁和斜梁復(fù)合結(jié)構(gòu)的目的是為了改變單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的振動(dòng)模態(tài)，使其縱向振動(dòng)模態(tài)頻率和彎曲振動(dòng)模態(tài)頻率接近或相等；由于斜梁結(jié)構(gòu)的存在，超聲振動(dòng)換能器產(chǎn)生的縱向超聲振動(dòng)在傳遞到斜梁后，在斜梁根部分解為一部分縱向振動(dòng)分量和一部分彎曲振動(dòng)分量，當(dāng)斜梁分解的縱向振動(dòng)分量和彎曲振動(dòng)分量傳遞到直梁后，和直梁上傳播的縱向振動(dòng)相復(fù)合，最終在直梁末端形成具有一定相位差的縱向振動(dòng)分量和彎曲振動(dòng)分量復(fù)合的超聲橢圓振動(dòng)。相比現(xiàn)有文獻(xiàn)介紹的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器，該單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器具有功率容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)剛度大、制造容易、成本低、控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單和振動(dòng)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
[0008]更進(jìn)一步，所述的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的前蓋板上設(shè)置有法蘭盤(pán)，用于單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器與外部結(jié)構(gòu)的聯(lián)接。
[0009]更進(jìn)一步，所述的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器只有一組縱向振動(dòng)壓電陶瓷片。
[0010]更進(jìn)一步，所述的單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器只需一路超聲電信號(hào)激勵(lì)。
[0011]更進(jìn)一步，單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的工作頻率范圍為18kHz-40kHz。
[0012]本實(shí)用新型采用了機(jī)械振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)理把超聲振動(dòng)換能器的縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)換分解為直梁的縱向振動(dòng)、斜梁的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)分量，最終在直梁末端合成為縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)，簡(jiǎn)化了超聲橢圓振動(dòng)換能器的整體結(jié)構(gòu)，大大降低了振動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了制造、裝配難度和生產(chǎn)成本，整個(gè)單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，有利于微型化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；另外該實(shí)用新型僅需要一路控制電路及超聲電信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)，控制難度低，避免了兩相或多相超聲振動(dòng)復(fù)合形成橢圓振動(dòng)換能器的復(fù)雜超聲電源開(kāi)發(fā)費(fèi)用，簡(jiǎn)化了控制電路及超聲電源結(jié)構(gòu)，降低了控制電路及超聲電源成本，減小了控制電路及超聲電源體積，易于實(shí)現(xiàn)控制電路及超聲電源的微型化，集成化，提高了可靠性，工作性能更加穩(wěn)定，應(yīng)用前景廣闊。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖。
[0015]圖3是本實(shí)用新型的應(yīng)用實(shí)例示意圖。
[0016]圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明:1.螺栓，2.后蓋板，3.壓電陶瓷片，4.電極片，5.前蓋板，6.法蘭盤(pán)，7.橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器，8.超聲電源。
【具體實(shí)施方式】
[0017]結(jié)合圖1、2所示，一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器，包括超聲振動(dòng)換能器和橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器7，超聲振動(dòng)換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓I及依次套設(shè)在螺栓I上的后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5，前蓋板上設(shè)置有可與外部結(jié)構(gòu)聯(lián)接用的法蘭盤(pán)6，后蓋板2和前蓋板5通過(guò)螺栓I將后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5聯(lián)接壓緊，構(gòu)成了單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的能量轉(zhuǎn)換部分，可將超聲電源8輸出的超聲電能轉(zhuǎn)換為超聲振動(dòng)換能器的超聲振動(dòng)能量，單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器只有一組縱向振動(dòng)壓電陶瓷片3，壓電陶瓷換能器段直徑30mm，壓電陶瓷片3為PZT-8，尺寸為:Φ30ΧΦ15Χ5,壓電陶瓷片3的片數(shù)為2。
[0018]橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器7和前蓋板5制作成一個(gè)整體零件設(shè)置在前蓋板5的前端，橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器7包括直梁和斜梁構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直梁和斜梁垂直于其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動(dòng)換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板5聯(lián)接，另一端懸伸，截面邊長(zhǎng)為12X12mm，長(zhǎng)72mm ;斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板5偏離中心軸線的一側(cè)聯(lián)接，斜梁中心軸線和前蓋板5的聯(lián)接處距離前蓋板5的中心軸線距離為25mm，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，截面邊長(zhǎng)為12X12mm。斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成30夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板5的聯(lián)接處均為圓弧過(guò)渡聯(lián)接，過(guò)渡圓弧半徑為5mm。
[0019]單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器固有頻率為19.84KHz，阻抗為83歐姆，動(dòng)態(tài)電阻為19歐姆，超聲電源8輸出電壓范圍為0-400V，電流范圍為0-4A，輸出頻率為19.84±0.0lKHz,且超聲電源8在指定頻率范圍內(nèi)具有自動(dòng)頻率跟蹤功能。
[0020]運(yùn)行時(shí)，單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器的電極片4接入超聲電源8輸出的電信號(hào)后，由于壓電陶瓷片3的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片3將會(huì)產(chǎn)生縱向超聲振動(dòng)，即超聲振動(dòng)換能器將超聲電源8輸出的電能轉(zhuǎn)換為超聲振動(dòng)能量，并驅(qū)動(dòng)整個(gè)換能器系統(tǒng)進(jìn)行縱向超聲振動(dòng)，當(dāng)超聲振動(dòng)能量從超聲振動(dòng)換能器傳遞到橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)。
[0021]當(dāng)單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器加載電壓，運(yùn)行10分鐘達(dá)到穩(wěn)定振動(dòng)狀態(tài)后，超聲電源8的輸出電壓為220V，電流為1.35A，使用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)得橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端的超聲橢圓振動(dòng)長(zhǎng)短半軸振幅分別為14.3微米和5.2微米，并通過(guò)具有李沙育圖形運(yùn)算功能的雙蹤示波器對(duì)激光多普勒測(cè)振儀測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行圖形運(yùn)算，可以得到長(zhǎng)短軸比為2.73的超聲橢圓振動(dòng)軌跡。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器:包括超聲振動(dòng)換能器和橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器，所述的超聲振動(dòng)換能器整體呈圓柱體，其包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，后蓋板和前蓋板通過(guò)螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯(lián)接壓緊；其特征在于:所述的橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在前蓋板的前端，所述橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器包括直梁和斜梁構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直梁和斜梁垂直于其中心軸線的截面均為矩形，直梁的中心軸線和超聲振動(dòng)換能器的中心軸線重合，直梁的一端與超聲換能器的前蓋板聯(lián)接，另一端懸伸；斜梁的一端和超聲換能器的前蓋板偏離中心軸線的一側(cè)聯(lián)接，另一端和直梁的中間部位聯(lián)接，斜梁的中心軸線和直梁的中心軸線成0-90度夾角，直梁和斜梁與超聲換能器前蓋板的聯(lián)接處均為圓弧過(guò)渡聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器，其特征在于:所述的橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個(gè)整體設(shè)置在前蓋板的前端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器，其特征在于:所述的橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器焊接設(shè)置在前蓋板的前端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器，其特征在于:前蓋板上設(shè)置有法蘭盤(pán)，用于單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器與外部結(jié)構(gòu)的聯(lián)接。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種單激勵(lì)超聲橢圓振動(dòng)換能器，包括超聲振動(dòng)換能器和橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器。所述的超聲振動(dòng)換能器包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，后蓋板和前蓋板通過(guò)螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯(lián)接壓緊；所述的橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在前蓋板的前端，為直梁和斜梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器可以將超聲振動(dòng)換能器產(chǎn)生的縱向超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換為橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動(dòng)。本實(shí)用新型的超聲振動(dòng)換能器采用夾心式結(jié)構(gòu)，具有功率容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、橢圓振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換器部分結(jié)構(gòu)剛度大、能量轉(zhuǎn)換效率高、工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】B06B1-06
【公開(kāi)號(hào)】CN204320630
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201420763547
【發(fā)明人】殷振, 李艷, 曹自洋, 汪幫富, 莊孝斌, 朱淑梅, 吳陽(yáng), 黃強(qiáng), 吳雷, 徐帖
【申請(qǐng)人】蘇州科技學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2014年12月9日