超声变幅杆的设计

本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 题题目目 学学院院 专专业业 班班级级 学学号号 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 完成日期完成日期 (2015(2015 届届) ) 超声变幅杆及其性能参数测试平台设计 机械工程学院 机械设计制造及其自动化 2015 年 5 月 诚诚 信信 承承 诺诺 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。 承诺人承诺人( (签名签名) )：： 年年月月日日 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 ABSTRACTABSTRACT 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 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 , complete the dynamicsanalysis of three horn by the finite 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 frequency 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 amplification ratio of the designed horn. 3.Set up the experimental test plat.The experimental plat of measuring the amplification coefficient of variable amplitude rod is established, and then the experimental plat of measuring the ultrasonic vibration system perance is established, and the 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 perance of the ultrasonic vibration system is determined. Keywords:Keywords: ultrasonic horn；finite element；modal analysis；harmonic response analysis；experimental plat 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.10 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x 0 11 3.2.3 指数形变幅杆的放大系数M p 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x 0 14 3.3.3 圆锥形变幅杆的放大系数M p 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x 0 15 3.4.