超声珩齿中弯曲振动变幅器的设计与研究

齿轮是超声珩齿加工中的一类特殊负载,它的振动特性和固有频率对系统的加工频率影响很大.由于齿轮的尺寸和质量大,且其尺寸不能任意更改,现有的振动系统设计理论,如全谐振设计理论、质量置换理论、局部共振理论等,都不能适用于这一情况.为解决此问题,应用Mindlin中厚板理论、变幅杆设计原理和机械阻抗理论对由变幅杆、齿轮组成的变...     

齿轮超声加工纵向振动系统的设计与实验研究

为了解决齿轮超声加工纵向振动系统设计问题,基于纵向振动动力学方程,利用结合面的力、位移振动耦合与边界条件,提出纵向振动变幅器的非谐振设计方法,推导了频率方程;应用Matlab2011Ra对变幅器未知尺寸、振型分布进行理论数值求解,并利用ANSYS12.0对所设计变幅器进行模态分析与谐响应分析．设计加工了不同模数齿轮的纵向振动变幅器,基于C6140车床搭建了齿轮超声加工纵向振动系统的激光测振仪测试系统,进行谐振实验．变幅器的谐振频率和振幅经理论求解、有限元分析、实验测试对比,各自的最大求解偏差都小于5%,可以满足工程应用需要.研究表明：可应用力、位移耦合非谐振设计方法,完成中小模数齿轮变幅器的纵向振动系统设计,对齿轮超声振动系统设计具有理论指导和工程应用价值．     

新型齿轮超声加工纵向振动系统的设计

在传统的齿轮纵向振动系统中,齿轮与变幅杆耦合处振幅较小,导致齿轮端面输出振幅偏小,满足不了齿轮超声加工的要求.基于非谐振设计理论和全谐设计理论,设计了一种新型齿轮纵向振动系统,该振动系统由齿轮与圆柱杆耦合振动单元、换能器、半波长圆锥形变幅杆组成,齿轮与变幅杆耦合处振幅较大,增大了齿轮端面的输出振幅.圆锥变幅杆形状参数固定时,齿轮分度圆直径和圆柱杆直径对齿轮端面的输出振幅没有影响,减小圆锥变幅杆小端直径可以增大齿轮端面的输出振幅.通过有限元分析和谐振特性实验验证这种新设计方法的可行性.研究结果为齿轮振动系统提供了一种新的设计方法,对齿轮超声加工工艺的工程应用具有重要意义.     

超声珩齿振动系统的设计方法及其动力学特性

超声辅助珩齿是一项应用前景良好的齿轮精加工方法,其振动系统的设计是关键技术之一。分析了变幅杆和齿轮振动时的耦合关系,对振动系统做了合理简化。在此基础上,结合边界条件,提出一种新的振动系统设计方法,并利用它设计了变幅杆,分析了变幅杆和齿轮的动力学特性。通过与有限元分析及试验结果比较,说明所提出理论模型是完全合理可行的,实例计算结果比有限元分析结果更接近实测值。所获得的结论对超声珩齿振动系统的设计有一定的指导意义。     

基于Mindlin理论的功率超声纵弯谐振变幅器设计理论与实验研究

多种材料的阶梯环盘负载与变幅杆共同组成了功率超声纵弯谐振变幅器,在超声加工、超声处理等领域有着广泛应用。为了快速准确地对纵弯谐振变幅器进行设计,提出了一种基于Mindlin理论的变幅器设计方法。基于Mindlin理论求出了中厚环盘单元的位移、转角、弯矩和剪力的解析表达式。通过振动单元间的连续条件和边界条件,建立了纵弯谐振变幅器的振动模型与频率方程。基于该振动模型,利用MATLAB/GUI开发了纵弯谐振变幅器尺寸设计软件。通过理论计算设计了纵弯谐振变幅器,并进行了有限元模态分析、阻抗分析试验和超声谐振试验。仿真与试验的结果证明,基于Mindlin理论的纵弯谐振变幅器设计方法所设计的纵弯谐振变幅器的谐振频率与设计频率相符合,具有较好的设计精度,可为变幅器设计提供参考。     

超声研齿声学系统的非谐振设计与验证

在螺旋锥齿轮超声加工领域,为了提高齿轮研磨的均匀性和齿面上材料的去除效率,提出了由非谐振负载锥齿轮组成的超声研齿声学系统的设计方法。根据螺旋锥齿轮的结构特点,将齿轮简化成以节锥线为母线的圆锥台,并与换能器和变幅杆相结合构成声学系统模型。在超声波传播原理和质点机械振动理论的基础上,通过振动耦合的速度和内力连续条件,以及边界条件建立声学系统的振动频率方程,进而确定满足谐振频率和振动模态的声学系统形状尺寸参数。利用有限元方法对整体声学系统进行模态和谐响应分析,得到其在纵向谐振频率16.072kHz激励下输出振幅达到7.08μm。最后进行了螺旋锥齿轮的超声研磨和传统研磨对比实验,结果表明超声研齿工艺具有明显的技术优势,这为超声加工在螺旋锥齿轮精密制造中的应用提供了一定的理论与实验基础。     

纵弯转换超声振动雾化系统的振动特性与设计研究

提出了由纵向振动系统与弯曲振动圆盘组成的纵弯转换超声振动雾化系统的新型结构。通过理论分析和有限元分析,揭示了由换能器、变幅杆与工具组成的振动系统的各种谐振状态特性, 研究了系统的谐振设计方法。分析表明：新型雾化振动系统工作于负载谐振模式,其谐振频率主要取决于纵振动系统的结构,弯曲振动薄圆盘相当于系统的负载。当弯曲振动圆盘谐振频率与系统的谐振频率越接近时,系统的输出振幅越大。通过实验证明了理论研究正确性。     

旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计与试验研究

砂轮变幅器是旋转超声内圆磨削谐振系统的关键部件,其设计质量直接影响超声磨削的工艺效果。但目前内圆磨削砂轮变幅器缺乏较为完善的理论分析模型。为提高砂轮变幅器理论分析模型的通用性,基于非谐振设计理论建立了纵向谐振砂轮变幅器的理论分析模型,并利用砂轮变幅器各振动单元间的力、位移连续条件与边界条件推导了其频率方程。然后,针对频率方程进行编程求解,并通过ANSYS有限元仿真分析进行验证。最后,加工制作了纵向谐振砂轮变幅器,并开展阻抗特性分析试验、超声谐振试验和振动位移测量试验,分析了其谐振特性。试验结果表明,所研制的砂轮变幅器的谐振试验频率与理论设计频率一致,其输出端振动位移的试验值与仿真值的相对误差为7.83%,符合旋转超声内圆磨削的要求,验证了理论分析模型求解的正确性。研究结果为旋转超声内圆磨削砂轮变幅器的设计提供了便捷且有效的方法。     

超声珩齿振动系统动力学特性分析与仿真

为研究超声珩齿振动系统的非谐振设计,通过MATLAB软件对振动系统的动力学频率方程进行求解,分析了变幅杆设计长度和变幅器振动频率对频率方程解误差的影响,并得出一组变幅器的设计参数。为验证非谐振设计方法的可行性,通过ANSYS模态分析,能使变幅器的谐振频率与理论设计的结果基本一致。     

玻璃振动模压中变幅杆高温模态分析及实验研究

为研究应用于光学元件的超声振动模压中变幅杆的高温振动特性,基于纵振波动方程设计所需频率的超声变幅杆,利用Creo软件建立其参数化模型。考虑变幅杆高温下的材料特性变化,结合实验所得数据对高温下的变幅杆进行模态分析,得到其在高温下的谐振频率。分析研究表明,变幅杆谐振频率随着温度的升高而降低。为提升变幅杆高温的下频率稳定性,通过有限元软件对其进行了结构优化设计。按照优化后的尺寸加工出变幅杆,通过实验检测其谐振频率,结果表明,在高温下优化后变幅杆的谐振频率仍稳定在设定频率附近。     

多环盘组合结构的横向弯曲耦合振动建模与求解

超声谐振系统是旋转超声加工的核心设备,而多环盘结构是超声谐振系统中一种典型的负载结构,其横向弯曲耦合振动分析对于超声谐振系统设计具有重要意义。基于Mindlin厚板动力学理论,利用环盘的位移、转角、剪力和弯矩的连续条件和边界条件,建立了多环盘组合结构的横向弯曲耦合振动分析模型,推导了频率求解方程,并基于MATLAB设计了多环盘横向弯曲耦合振动频率的计算软件。通过理论模型求解、有限元模态分析和齿轮模态实验之间的对比分析,验证了该求解模型的准确性和程序的实用性,为旋转超声加工系统的设计提供了技术参考。     

Half-thickness inversion layer high-frequency ultrasonic transducers using LiNbO3 single crystal.

Half-thickness inversion layer high-frequency ultrasonic transducers were fabricated using lithium niobate (LiNbO3) single crystal plate. The transducers developed for this study used a 36 degrees rotated Y-cut LiNbO3 thin plate with an active element thickness of 115 microm. The designed center frequency was in the range of 30 to 60 MHz. Half-thickness inversion layer was formed after the sample was annealed at a high temperature, and it is shown that the inversion layer thickness can be controlled by the temperature. Silver powder/epoxy composite and parylene were used as acoustic matching layers. A lossy silver epoxy was used as the backing material. Using an analytical method, the electrical impedance for different inversion layer ratios was determined. The measured resonant frequency was consistent with the modeled data. Even-order higher frequency broadband ultrasonic transducers with a center frequency at 60 MHz was obtained using half-thickness inversion layer of LiNbO3 single crystal.     

Half-thickness inversion layer high-frequency ultrasonic transducers using LiNbO/sub 3/ single crystal

Half-thickness inversion layer high-frequency ultrasonic transducers were fabricated using lithium niobate (LiNbO₃) single crystal plate. The transducers developed for this study used a 36deg rotated Y-cut LiNbO₃ thin plate with an active element thickness of 115 mum. The designed center frequency was in the range of 30 to 60 MHz. Half-thickness inversion layer was formed after the sample was annealed at a high temperature, and it is shown that the inversion layer thickness can be controlled by the temperature. Silver powder/epoxy composite and parylene were used as acoustic matching layers. A lossy silver epoxy was used as the backing material. Using an analytical method, the electrical impedance for different inversion layer ratios was determined. The measured resonant frequency was consistent with the modeled data. Even-order higher frequency broadband ultrasonic transducers with a center frequency at 60 MHz were obtained using half-thickness inversion layer of LiNbO₃ single crystal     

超声珩齿圆锥形变幅器动力学特性

为获取非谐振单元超声珩齿变幅器动力学特性,根据Mindlin理论及建立的变幅杆和中厚圆环板的力耦合条件,推导了变幅器的频率方程和位移振幅方程,利用MATLAB软件求出了变幅器设计参数和位移振幅的数值解。有限元分析及动力学实验得到的谐振频率和位移振幅与数值解一致。     

Design and implementation of spherical ultrasonic motor

We present a mechanical design and implementation of spherical ultrasonic motor (SUSM) that is an actuator with multiple rotational degrees of freedom (multi-DOF). The motor is constructed of 3 annular stators and a spherical rotor and is much smaller and simpler than conventional multi-DOF mechanisms such as gimbals using servomotors. We designed a novel SUSM using experimental data from a single annular stator and a finite element method. The SUSM using a spherical rotor of diameter 20 mm without any reduction gear has demonstrated advantages of high responsiveness, good accuracy, and high torque at low speed. The dynamic implementation of SUSM was consistent with the driving model of SUSM based on a friction drive.     

纵-扭复合超声振动加工系统设计及频率简并研究

纵-扭复合超声振动加工技术在硬脆性材料的加工中受到越来越多的重视,针对该种需求,设计了一种纵-扭复合超声振动加工系统,基于有限元方法对该类系统普遍存在的频率简并问题进行了研究。利用数值解析方法设计出超声换能器和超声变幅杆,之后在变幅杆上做出螺旋槽,一部分纵向振动转换为扭转振动;以目标频率附近的纵、扭谐振频率尽量接近为原则,利用有限元软件分析系统的结构参数对纵、扭谐振频率的影响规律,实现频率简并;在此基础上对系统进行模态分析和瞬态动力学分析,结果表明系统可以实现纵-扭复合超声振动,验证了此种频率简并方法的有效性和实用性。     

两层堆码包装单元的随机振动响应

试验研究了两层堆码包装单元在不同振动等级、不同约束方式下的随机振动响应,对固定约束方式下堆码包装单元的响应特性采用有限元法作了进一步分析。结果表明:两层堆码包装单元顶层产品的振动主要受第一共振频率控制,底层产品的振动受到第一和第二共振频率共同控制。产品加速度在共振频率附近的响应很大,在非共振频率范围的响应很小。产品加速度响应功率谱主要为产品的共振响应谱。有限元计算得到的共振频率和产品加速度PSD曲线趋势与试验结果较好吻合,表明有限元法是堆码包装单元随机振动响应分析的有效方法。