CN101259465B - 一种弯扭模式转换型超声波扭转振动换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弯扭模式转换型超声波扭转振动换能器，其包括有弯-扭振动体(1)、驱动组件(2)、换能器后盖(3)；驱动组件(2)放置于弯-扭振动体(1)与换能器后盖(3)之间，且通过A预紧螺钉(33)顺次穿过A端盖(31)的通孔、A通孔(22)、A预紧螺孔(121)将A端盖(31)、绝缘块(21)安装在弯-扭振动体(1)的A顶面(107)上；通过B预紧螺钉(34)顺次穿过B端盖(32)的通孔、B通孔(23)、B预紧螺孔(151)将B端盖(32)、绝缘块(21)安装在弯-扭振动体(1)的B顶面(108)上。两个弯曲臂将对应的两组压电陶瓷驱动件产生的一对频率振幅相同、振动方向相反的弯曲振动放大并传至模式转换器，通过模式转换器将两弯曲振动耦合转换成为耦合扭转振动(63)，经变幅杆(101)放大后得到输出扭转振动(64)，以较简单的方式获得了超声波扭转振动。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波扭转振动换能器，适用于超声波振动切削(振动钻削、振动铰削和振动攻丝)、超声焊接、超声波马达和超声疲劳实验等领域。
背景技术
在振动切削领域，特别是难加工材料加工和微小孔加工方面，扭转振动具有明显优势。超声波扭转振动钻孔能够显著降低钻削力、提高钻孔质量、降低出口毛刺；超声波扭转振动铰削能够抑制低速加工中产生的积屑瘤、提高孔的表面质量；超声波扭转振动攻丝能够大大降低攻丝扭矩、提高攻丝效率、提高刀具寿命和螺纹质量。
在超声波焊接领域，采用扭转振动在某些情况下比其它振动形式更为有效。超声塑料焊接方面，采用扭转振动的大尺寸焊接工具头比纵向振动容易设计。
在超声波马达领域，扭转振动是驱动超声马达转子运动最直接的振动形式。
超声振动用于疲劳实验，可将实验效率提高数百倍。
相对于其他类型的超声振动，扭转振动振动换能器是一种较难实现的换能器形式。理论上可以通过切向极化的压电陶瓷制作扭转换能器，但是切向极化的压电陶瓷在制造工艺上很难实现。使用长度方向极化的压电陶瓷按照一定的粘接方法，也可以得到实现扭转振动，但是这种方法制造的扭转换能器功率和输出振幅较小。通过特殊结构也可以把纵向超声振动转换为扭转振动，但是结构较为复杂。以上原因限制了超声波扭转振动的应用范围。
发明内容
为了更方便的得到超声扭转振动，本发明提供一种弯扭模式转换型超声波扭转振动换能器，该扭转换能器先将超声波电源输出的电信号转换成两个频率振幅相同、方向相反的弯曲振动，再经过模式转换，将两个弯曲振动耦合成扭转振动，这种换能器结构简单、制作方便、输出功率振幅大。
本发明是一种弯扭模式转换型超声波扭转振动换能器，包括有弯-扭振动体1、驱动组件2、换能器后盖3。驱动组件2放置于弯-扭振动体1与换能器后盖3之间，且通过A预紧螺钉33顺次穿过A端盖31的通孔、A通孔22、A预紧螺孔121将A端盖31、绝缘块21安装在弯-扭振动体1的A顶面107上；通过B预紧螺钉34顺次穿过B端盖32的通孔、B通孔23、B预紧螺孔151将B端盖32、绝缘块21安装在弯-扭振动体1的B顶面108上。
所述弯-扭振动体1的圆柱体上对称加工出A弧面103、B弧面109，在弯-扭振动体1的顶面中心切割有分隔缝104，分隔缝104的端部为过渡孔106，分隔缝104将弯-扭振动体1的圆柱体分离成A弯曲臂102、B弯曲臂105；A弯曲臂102与B弯曲臂105的接合部110与弯-扭振动体1上的耦合面67形成了弯曲-扭转模式转换器结构。
所述弯-扭振动体1的变幅杆设计为阶梯型变幅杆101。
A压电陶瓷片211、B压电陶瓷片212放置于A电极201与B电极202之间，C压电陶瓷片213、D压电陶瓷片214放置于B电极202与C电极203之间，E压电陶瓷片215、F压电陶瓷片216放置于D电极204与E电极205之间，G压电陶瓷片217和H压电陶瓷片218放置于E电极205与F电极206之间。A压电陶瓷片211、C压电陶瓷片213、E压电陶瓷片215、G压电陶瓷片217构成A组压电陶瓷驱动件26；B压电陶瓷片212、D压电陶瓷片214、F压电陶瓷片216、H压电陶瓷片218构成B组压电陶瓷驱动件27。
所述驱动组件2由绝缘块21、八片压电陶瓷片、六片电极粘接而成圆柱状；
本发明超声波扭转振动换能器的优点在于：(1)两个弯曲臂(A弯曲臂102、B弯曲臂105)将对应的两组压电陶瓷驱动件(A组压电陶瓷驱动件26、B组压电陶瓷驱动件27)产生的一对频率振幅相同、振动方向相反的弯曲振动(A弯曲振动61、B弯曲振动62)放大并传至模式转换器，通过模式转换器将两弯曲振动耦合转换成为耦合扭转振动63，经变幅杆101放大后得到输出扭转振动64，以较简单的方式获得了超声波扭转振动；(2)压电陶驱动组件2采用了的八片厚度方向极化的压电陶瓷片，可以得到较大的振动振幅和输出功率；(3)换能器结构简单，压电陶瓷制作和粘接容易；(4)易于与其他形式的振动结合，设计复合振动换能器
附图说明
图1是本发明超声波扭转振动换能器的外部结构图。
图1A是图1的一侧面视图。
图2是图1的另一方位示图。
图3是驱动组件的结构图。
图3A是压电陶瓷片极化方向与叠放次序示意图。
图4是本发明超声波扭转振动换能器的振动模式示意图。
图4A是振动转换关系简示图。
图中： 1.弯-扭振动体 101.变幅杆 102.A弯曲臂 103.A弧面
104.分隔缝 105.B弯曲臂 106.过渡孔 107.A顶面 108.B顶面
109.B弧面 110.接合部 121.A预紧螺钉孔 151.B预紧螺钉孔
2.驱动组件 21.绝缘块 22.A通孔 23.B通孔 24.B缝隙
25.C缝隙 26.A组压电陶瓷驱动件 27.B组压电陶瓷驱动件
201.A电极 202.B电极 203.C电极 204.D电极 205.E电极
206.F电极 211.A压电陶瓷片 212.B压电陶瓷片 213.C压电陶瓷片 214.D压电陶瓷片
215.E压电陶瓷片 216.F压电陶瓷片 217.G压电陶瓷片 218.H压电陶瓷片 3.换能器后盖
31.A端盖 32.B端盖 33.A预紧螺钉 34.B预紧螺钉 35.A缝隙
61.A弯曲振动 62.B弯曲振动 63.耦合扭转振动 64.输出扭转运动 65.过渡孔轴线
66.过渡孔轴线在耦合面上的投影线 67.耦合面
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种可用于多个领域的弯扭模式转换型超声波扭转振动换能器，包括有弯-扭振动体1、驱动组件2、换能器后盖3。
请参见图1、图1A、图2所示，驱动组件2放置于弯-扭振动体1与换能器后盖3之间，且通过A预紧螺钉33顺次穿过A端盖31的通孔、A通孔22、A预紧螺孔121将A端盖31、绝缘块21安装在弯-扭振动体1的A顶面107上；通过B预紧螺钉34顺次穿过B端盖32的通孔、B通孔23、B预紧螺孔151将B端盖32、绝缘块21安装在弯-扭振动体1的B顶面108上。装配时，换能器后盖3的A端盖31、B端盖32直边形成的A缝隙35应与弯-扭振动体1的分隔缝104对齐，以免工作中A端盖31、B端盖32相互干涉影响换能器正常工作。两个预紧螺钉(A预紧螺钉33、B预紧螺钉34)的预紧力应保持一致。
所述弯-扭振动体1的圆柱体上对称加工出A弧面103、B弧面109，A弧面103、B弧面109可以削弱两个弯曲臂的抗弯强度，同时起到放大弯曲振动振幅的作用；在弯-扭振动体1的顶面中心切割有分隔缝104，分隔缝104的端部为过渡孔106，分隔缝104将弯-扭振动体1的圆柱体分离成A弯曲臂102、B弯曲臂105；A弯曲臂102与B弯曲臂105的接合部110与弯-扭振动体1上的耦合面67形成了弯曲-扭转模式转换器结构。耦合面67是与过渡孔106相切的弯-扭振动体的横截面。过渡孔106的半径R为1～5mm。
所述弯-扭振动体1的变幅杆101设计为阶梯型变幅杆，变幅杆101和模式转换器之间通过圆弧(A弧面103、B弧面109)过渡。
在本发明中，通过分隔缝104将弯-扭振动体1的圆柱体分割成A弯曲臂102、B弯曲臂105。
在本发明中，在分隔缝104端部设有的过渡孔106，可以用于防止两个弯曲臂(A弯曲臂102、B弯曲臂105)根部出现应力集中。
在本发明中，弯-扭振动体1采用整体加工方式，各部分之间无任何装配关系。
请参见图3、图3A所示，所述驱动组件2由绝缘块21、八片压电陶瓷片、六片电极粘接而成圆柱状；八片压电陶瓷片是指A压电陶瓷片211、B压电陶瓷片212、C压电陶瓷片213、D压电陶瓷片214、E压电陶瓷片215、F压电陶瓷片216、G压电陶瓷片217和H压电陶瓷片218。六片电极是指A电极201、B电极202、C电极203、D电极204、E电极205和F电极206。A压电陶瓷片211、B压电陶瓷片212放置于A电极201与B电极202之间，C压电陶瓷片213、D压电陶瓷片214放置于B电极202与C电极203之间，E压电陶瓷片215、F压电陶瓷片216放置于D电极204与E电极205之间，G压电陶瓷片217和H压电陶瓷片218放置于E电极205与F电极206之间。A压电陶瓷片211、C压电陶瓷片213、E压电陶瓷片215、G压电陶瓷片217构成A组压电陶瓷驱动件26；B压电陶瓷片212、D压电陶瓷片214、F压电陶瓷片216、H压电陶瓷片218构成B组压电陶瓷驱动件27；A电极201、B电极202、C电极203、D电极204、E电极205、F电极206为两组压电陶瓷驱动组件共用；A组压电陶瓷驱动件26、B组压电陶瓷驱动件27分别对应A弯曲臂102和B弯曲臂105。绝缘块21在换能器工作中除起到两个预紧螺钉(A预紧螺钉33、B预紧螺钉34)与B电极202、E电极205之间绝缘的作用外，还要作为驱动组件2中各压电陶瓷片的粘接骨架，同时还要承受较大的剪切变形，因此绝缘块21应选用具有较好的弹性和绝缘性能、有一定强度、易于粘接的材料。
在本发明中，同一组内的四片压电陶瓷片按照相反的极化方向两两叠放，即A组压电陶瓷驱动件26中的A压电陶瓷片211与C压电陶瓷片213按照相反的极化方向叠放形成第一叠放组，E压电陶瓷片215与G压电陶瓷片217按照相反的极化方向叠放形成第二叠放组；B组压电陶瓷驱动件27中的B压电陶瓷片212与D压电陶瓷片214按照相反的极化方向叠放形成第三叠放组，F压电陶瓷片216与H压电陶瓷片218按照相反的极化方向叠放形成第四叠放组。图3A中箭头表示压电陶瓷片的极化方向，相邻的压电陶瓷片极化方向相反，同一层内的压电陶瓷片极化方向关于驱动组件2的中心线对称。由于工作时，第一叠放组与第三叠放组之间会产生相对位移，两组叠放组之间应该留有与分隔缝104宽度相等的C缝隙26；第二叠放组与第四叠放组之间会产生相对位移，两组叠放组之间应该留有与分隔缝104宽度相等的B间隙25；且安装时B缝隙24、C缝隙25应与分隔缝104对齐。分隔缝104、A缝隙35、B缝隙24和C缝隙25的宽度相等，一般为0.5～1mm。
在本发明中，两个电极之间粘接有两个平行放置、极化方向相反的压电陶瓷片，即A压电陶瓷片211与B压电陶瓷片212平行放置、极化方向相反地放置于A电极201与B电极202之间；C压电陶瓷片213与D压电陶瓷片214平行放置、极化方向相反地放置于B电极202与C电极203之间；E压电陶瓷片215与F压电陶瓷片216平行放置、极化方向相反地放置于D电极204与E电极205之间；G压电陶瓷片217与H压电陶瓷片218平行放置、极化方向相反地放置于E电极205与F电极206之间。图示驱动组件2为本发明所需的基本单元结构，如需增大换能器的功率容量，可以使用两组或多组驱动组件2叠加实现。
参见图4、图4A所示，在本发明中，当B电极202、E电极205上加正电压，A电极201、C电极203、D电极204、F电极206上加负电压时，驱动组件2内部形成由B电极202、E电极205所在平面指向A电极201、C电极203和由B电极202、E电极205所在平面指向D电极204、F电极所在平面的对称电场；在电场作用下A弯曲臂102对应的A组压电陶瓷驱动件26中的A压电陶瓷片211与C压电陶瓷片213沿厚度方向伸长，E压电陶瓷片215、G压电陶瓷片217沿厚度方向缩短，A弯曲臂102产生沿A弯曲振动61箭头所指方向的位移；同相原理，B弯曲臂105对应的B组压电陶瓷驱动件27中的F压电陶瓷片216、H压电陶瓷片218沿厚度方向伸长，B压电陶瓷片212、D压电陶瓷片214沿厚度方向缩短，B弯曲臂105产生沿B弯曲振动62箭头所指方向的位移；方向相反的两个位移使模式转换器产生耦合扭转振动63箭头所指方向的位移；在超声波电源交变电压的作用下，驱动组件2内的电场强度和方向随输出电压变化而变化，在电场作用下八片压电陶瓷片交替伸长和缩短，从而使两个弯曲臂(A弯曲臂102、B弯曲臂105)产生的一对频率、振幅相同、振动方向相反的A弯曲振动61、B弯曲振动62，经过模式转换器耦合得到扭转振动63，经变幅杆101放大后得到输出扭转振动64。若弯曲振动的振幅为A，耦合面67的直径为D，则耦合面67的扭转振幅θ＝4A/D。
本发明的超声波扭转振动换能器，可驱动刀具进行超声波振动切削；也可以驱动工具头进行超声焊接；同时，该换能器还可以作为超声马达驱动器件。在本发明的基础上，可以方便的演化出纵扭、弯扭等形式的复合振动换能器，在超声波椭圆振动切削领域和超声马达领域有广阔的应用前景。
Claims (4)
1.一种弯扭模式转换型超声波扭转振动换能器，其特征在于：包括有弯-扭振动体(1)、驱动组件(2)、换能器后盖(3)；驱动组件(2)放置于弯-扭振动体(1)与换能器后盖(3)之间，且通过A预紧螺钉(33)顺次穿过A端盖(31)的通孔、A通孔(22)、A预紧螺孔(121)将A端盖(31)、绝缘块(21)安装在弯-扭振动体(1)的A顶面(107)上；通过B预紧螺钉(34)顺次穿过B端盖(32)的通孔、B通孔(23)、B预紧螺孔(151)将B端盖(32)、绝缘块(21)安装在弯-扭振动体(1)的B顶面(108)上；
所述弯-扭振动体(1)的圆柱体上对称加工出A弧面(103)、B弧面(109)，在弯-扭振动体(1)的顶面中心切割有分隔缝(104)，分隔缝(104)的端部为过渡孔(106)，分隔缝(104)将弯-扭振动体(1)的圆柱体分离成A弯曲臂(102)、B弯曲臂(105)；A弯曲臂(102)与B弯曲臂(105)的接合部(110)与弯-扭振动体(1)上的耦合面(67)形成了弯曲-扭转模式转换器结构；弯-扭振动体(1)的变幅杆(101)设计为阶梯型变幅杆；
所述驱动组件(2)由绝缘块(21)、八片压电陶瓷片、六片电极粘接而成圆柱状；
八片压电陶瓷片是指A压电陶瓷片(211)、B压电陶瓷片(212)、C压电陶瓷片(213)、D压电陶瓷片(214)、E压电陶瓷片(215)、F压电陶瓷片(216)、G压电陶瓷片(217)和H压电陶瓷片(218)；
六片电极是指A电极(201)、B电极(202)、C电极(203)、D电极(204)、E电极(205)和F电极(206)；
A压电陶瓷片(211)、B压电陶瓷片(212)放置于A电极(201)与B电极(202)之间，C压电陶瓷片(213)、D压电陶瓷片(214)放置于B电极(202)与C电极(203)之间，E压电陶瓷片(215)、F压电陶瓷片(216)放置于D电极(204)与E电极(205)之间，G压电陶瓷片(217)和H压电陶瓷片(218)放置于E电极(205)与F电极(206)之间；
A压电陶瓷片(211)、C压电陶瓷片(213)、E压电陶瓷片(215)、G压电陶瓷片(217)构成A组压电陶瓷驱动件(26)；
B压电陶瓷片(212)、D压电陶瓷片(214)、F压电陶瓷片(216)、H压电陶瓷片(218)构成B组压电陶瓷驱动件(27)；
A电极(201)、B电极(202)、C电极(203)、D电极(204)、E电极(205)、F电极(206)为A组压电陶瓷驱动件(26)、B组压电陶瓷驱动件(27)共用；A组压电陶瓷驱动件(26)中的A压电陶瓷片(211)与C压电陶瓷片(213)按照相反的极化方向叠放形成第一叠放组；A组压电陶瓷驱动件(26)中的E压电陶瓷片(215)与G压电陶瓷片(217)按照相反的极化方向叠放形成第二叠放组；B组压电陶瓷驱动件(27)中的B压电陶瓷片(212)与D压电陶瓷片(214)按照相反的极化方向叠放形成第三叠放组；B组压电陶瓷驱动件(27)中的F压电陶瓷片(216)与H压电陶瓷片(218)按照相反的极化方向叠放形成第四叠放组；A压电陶瓷片(211)与B压电陶瓷片(212)平行放置、极化方向相反地放置于A电极(201)与B电极(202)之间；C压电陶瓷片(213)与D压电陶瓷片(214)平行放置、极化方向相反地放置于B电极(202)与C电极(203)之间；E压电陶瓷片(215)与F压电陶瓷片(216)平行放置、极化方向相反地放置于D电极(204)与E电极(205)之间；G压电陶瓷片(217)与H压电陶瓷片(218)平行放置、极化方向相反地放置于E电极(205)与F电极(206)之间。
2.根据权利要求1所述的弯扭模式转换型超声波扭转振动换能器，其特征在于：耦合面(67)是与过渡孔(106)相切的弯-扭振动体的横截面。
3.根据权利要求1所述的弯扭模式转换型超声波扭转振动换能器，其特征在于：耦合面(67)的扭转振幅θ＝4A/D，A为弯曲振动的振幅，D为耦合面的直径。
4.根据权利要求1所述的弯扭模式转换型超声波扭转振动换能器，其特征在于：过渡孔(106)的半径R为1～5mm。
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