CN102785940A - 超声波/气浮混合式非接触自动运输装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型超声波/气浮混合式非接触自动运输装置，属于精密驱动领域。包括振动板、方形薄板、超声波发生器、超声波换能器、空气压缩机、喇叭式变幅杆、进气管道及固定装置。其中由振动板、方形薄板可组成气动悬浮结构，利用气动悬浮可以悬浮起重载的悬浮物。本发明采用两个换能器使其产生行波，在行波的作用下可以使气动悬浮起来的重载悬浮物从起始点运送到目标终点，从而实现可传输重载的一种非接触式自动运输装置。这种非接触式重载传输装置优点在于：易操作，结构简单，可实现非接触式自动运输，消除了超声波只能传输轻载悬浮物的缺点，其超声悬浮力还可以实现被悬浮物的稳定自动传输。

Description

超声波/气浮混合式非接触自动运输装置

技术领域

本发明涉及一种超声波/气浮混合式非接触自动运输装置，属于精密驱动领域。

背景技术

随着科学技术的发展，传统的运输装置已经发展的很成熟，但还是存在着一些问题。其一，传统的运输方式大都是采用机械式运输，所以不免产生摩擦、磨损、发热等现象，从而限制了其在高科技领域的应用。其二，传统运输装置的驱动部分大多采用电磁电机，所以它具有体积大，噪声大，精度低等缺点，已经不能满足现代科技小型化、高精度、响应快的特性了。故为了适应现代生产的需求，非接触式自动运输装置的研究已得到越来越多的学者、科研机构、各大公司的广泛关注。在现有的一些专利与研究中涉及最多的非接触式悬浮是气动悬浮与磁悬浮。

虽然现有一些专利介绍了气动悬浮的装置，但是现有的气动悬浮运输装置中普遍存在几个问题。其一，气动悬浮运输装置的驱动部分还是采用传统的机械式驱动或者是电机驱动；其二，由气动悬浮起来的物体受到气体剪切力的作用，会存在着无规则的运动，必须靠一些驱动来引导它，但也是还会存在着四周运动的趋势，此时必须靠一些特有的装置或者结构来阻碍它，但这无意中增添了结构的复杂性；其三，对悬浮物体表面要进行特定的处理，从而限制了非接触式运输的应用领域，如专利“气垫运输装置”(申请公开号：CN201186817Y)中的被运输的物质必须要做成尾部有斜面的物质块。

发明专利“超精密微位移导轨磁悬浮方法及其装置”(申请公开号：CN1415456A)提出了一种磁悬浮式运输装置，其特征在于给线圈通以足够大的电流，使其产生磁悬浮力来克服平台的重力，从而达到非接触式悬浮，再用直线电机驱动其运动。但这种装置只能悬浮金属材料平台，对非金属材料平台则无法进行运输，所以它的应用范围也受到了限制。

发明专利“行波型超声振动精密输送装置”(申请公开号：CN1827498A)提出了一种利用长环型压电振子作为激振体的精密输送装置，其特征在于利用时间和空间相位差为90°、频率为20KHz以上的交变电压，在长环型压电振子体内激励出弯曲振动行波，利用行波推动粉体或块体物料的运送，从而实现了行波无衰减、输送物体材料和长度不受限制等优点。但是这种装置只能运输粉体物料、大颗粒块状散体物料，而对于重载的物体则不能运输，因其不能产生足够大的悬浮力支撑起重载的物体。

从以上可以看出对于任何材料的重载悬浮物的非接触式自动运输的问题没有得到很好的解决，从而限制了非接触式运输在微电子、IT、航天航空、医药等高科技领域的应用。

发明内容

为了解决无材料限制重载悬浮物的非接触式自动运输问题，本发明设计出一种超声波/气浮混合式非接触自动运输装置。该装置主要利用气动悬浮可以悬浮起重载悬浮物和两个超声波换能器的搭配可以产生行波的优点而设计出来的。它的结构简单、容易操作、悬浮能力的大小可以通过供气压力来控制，其中产生的超声波悬浮力还能保证悬浮物稳定的自动传输。该装置可应用于微电子、IT、航天航空、医药等高科技领域。为达到以上的目的，本发明采用以下技术方案：

本发明可分为两个部分：气动悬浮部分和超声行波运输部分。

气动悬浮部分：振动板(5)纵向上开有13个压力腔(2)和13个节流孔(3)，横向上开有75个压力腔(2)和75个节流孔(3)，再在振动板底面开一个凹槽。通过螺钉(6)把振动板(5)与方形薄板(7)固定在一起，这样振动板(5)上的凹槽与方形薄板(6)就形成了一个密封的容腔。空气压缩机出来的气体经过管路(9)和管接头(8)到达这个容腔。容腔的作用是为了缓存高压气体，保证流进节流孔内的气体压力是一致的。气体再经过节流孔(3)与压力腔(2)作用在被悬浮物(1)上，从而构成了一个气动悬浮部分。气动悬浮可以支撑起重载的任何物体，其中还可以通过控制进气压力来改变悬浮力。

超声行波运输部分：本发明采用两个超声波换能器，分别为接收式超声波换能器(11)和发射式超声波换能器(16)，这两个超声波换能器通过内六角螺栓(12)固定在基板(13)上。再分别用螺钉把基板(13)、侧板(14)与底座(15)固定在一起。振动板(5)通过螺钉(4)固定在左右的两个喇叭式变幅杆(10)上，其中两个喇叭式变幅杆(10)分别固定在接收式超声波换能器(11)和发射式超声波换能器(16)。这两个超声波换能器要分别用超声波发生器来驱动它们工作并达到共振频率，再调节这两个超声波发生器使两个换能器的共振频率存在着一定相位差，使其产生超声行波。这样就构成超声波产生行波部分。利用产生的行波就可实现超声波的非接触式自动运输。

其工作原理是：

本发明的超声波/气浮混合式非接触自动运输装置可分为两个工况：气动悬浮工况和超声波行波运输工况。

气动悬浮工况：通过螺钉(6)把振动板(5)与方形薄板(7)固定在一起，这样振动板(5)上的凹槽与方形薄板(7)就形成了一个密封的容腔。当空气压缩机出来的气体经过管路(9)和管接头(8)到达容腔，然后容腔内的高压气体就以恒定的压力进入到气节流孔(3)与压力腔(2)。压力腔(2)出来的高压气体作用在被悬浮物上用以克服悬浮物的重力，从而达到平衡，使其悬浮在一定的高度上。当悬浮物的重量增加时，可以通过调节空气压缩机输出的压力气体来克服其重量。此时应当注意的是：由于悬浮物被悬浮在一定的高度上，这样悬浮物与振动板就形成了一层薄薄的气膜。气膜内的气体迅速流动形成气体剪切力，在剪切力的作用下，如果没有驱动部分引导悬浮物的运动话，悬浮物会产生无规则的运动。所以本发明采用了利用超声行波来引导悬浮物的运动，其中也靠超声波产生的悬浮力来抑制悬浮物的侧向运动。

超声波行波运输工况：本发明采用两个超声波换能器，分别为接收式超声波换能器(11)和发射式超声波换能器(16)，再把两个喇叭式变幅杆(10)分别固定在这两个超声波换能器上，用以放大超声波换能器振子的振幅。通过调节超声波发生器驱动这两个超声波换能器使其达到共振频率，其中这两个换能器的共振频率是一致的，同时还要保证发射式超声波换能器与接收式超声波换能器的频率相位差为90°。接收式超声波换能器(11)用以吸收由发射式超声波换能器(16)发出的纵向强声波，这样使固定在喇叭式变幅杆(10)上的振动板(5)就能稳定的产生横向行波。同时受到高频超声波的作用，振动板(5)产生高频振动，从而激励着气体介质也高频运动，由于运动的气体会产生剪切力，因此在行波的作用下悬浮物也受到气体剪切力的作用，这样悬浮物就会按照行波传递的方向运动。同时由于气体剪切力的作用，被悬浮物会存在着侧向运动，为此可以改善振动板的形状，利用在振动板产生的超声波悬浮力来抑制其侧向运动。

在分工况运行的情况下，工况依次为：气动悬浮工况和超声波行波运输工况。首先利用气动悬浮工况悬浮起悬浮物，再利用超声波行波运输工况产生的行波推力推动着物体运动。

本发明的优点在于：

1、利用了气动悬浮可以悬浮起重载悬浮物和两个超声波换能器的搭配可以产生行波的优点而设计出来的一种新型装置。

2、结构简单，容易操作，悬浮能力的大小可以通过供气压力来控制。

3、运输速度易于调整，根据需要可以调节超声波发生器的电压幅值和频率的相位差即可精确的控制悬浮物的运动速度，并实现双向运输。

4、可以利用超声波产生的悬浮力克服悬浮物因气体剪切力而引起的侧向运动，使其能够稳定的自动传输。

5、可以悬浮起任何物体，对悬浮物的材料没有要求，结构易于设计，可以广泛应用于微电子、IT、航天航空、医药等高科技领域。

附图说明

图1是超声波/气浮混合式非接触自动运输装置的三维结构示意图

图2是超声波/气浮混合式非接触自动运输装置的二维结构示意图

图3是超声波/气浮混合式非接触自动运输装置的气动悬浮部分的结构全剖示意图

图4是本发明的振动板截面的全剖结构图

图3是超声波/气浮混合式非接触自动运输装置的气动悬浮部分的结构全剖示意图，包括振动板(5)、螺钉(6)、方形薄板(7)。其中振动板上开有压力腔(2)、节流孔(3)和凹槽(17)。通过螺钉(6)把方形薄板(7)与振动板(5)固定在一起。空气压缩机出来的气体经过处理后再经过进气口(18)到达凹槽(17)内，凹槽(17)可起到一个缓存的作用，使得流进节流孔(3)的气体压力始终保持一致。压力腔(2)的设置是为了提高气动悬浮的刚度。从而构成了一套气动悬浮装置。它的优点在于：能悬浮起重载物体，结构简单，易于操作，可通过调节进气压力来控制气动悬浮的承载力。

图4是振动板截面的全剖结构图。由于发射式超声波换能器经过超声波发生器驱动后会发出强的声波并产生高频振动，而在另外一边的接收式超声波换能器受到超声波发生器的驱动则吸收由发射式超声波换能器发出的纵向声波并也以与接收式换能器相同的频率高频振动着，因而会在振动板(5)上产生横向的行波且振动板也会高频的振动并激励着气体介质高频振动而产生声压。同时由于气体剪切力的作用，会使得悬浮起来的悬浮物产生向侧面的运动，从而达不到稳定沿着行波的方向运输。因此本发明把振动板(5)结构设置成如图4所示的结构。利用振动板(5)的高频振动而产生的声压来阻止悬浮物因受到气体剪切力的作用而侧向运动，从而实现了稳定运输的目的，防止了运输时悬浮物从振动板的侧面落下的情况。

具体实施方式

实施方式

参见图2、图3和图4，通过螺钉(6)把振动板(5)与方形薄板(7)连接在一起。再通过螺钉4把振动板(5)与左右两个喇叭式变幅杆(10)固定在一起，而两个变幅杆又分别与发射式超声波换能器(16)与接收式超声波换能器(11)固定在一起。两个超声波换能器则用内六角螺栓(12)与基板(13)固定在一起。基板(13)、侧板(14)、底座(15)分别用内六角螺栓(12)与螺钉(20)连接在一起。空气压缩机(23)出来的气体经过过滤后进入稳压阀(22)再流入振动板的凹槽(17)内。接收式超声波换能器(11)和发射式超声波换能器(16)分别与超声波发生器(24)、超声波发生器(21)相连。这样就构成了一个完整的超声波/气浮混合式非接触自动运输装置。

其工作原理是：当空气压缩机(23)出来的气体经过过滤后到达稳压阀(22)，再经过管路(9)和管接头(8)到达容腔，这个容腔是由振动板(5)上的凹槽(17)、方形薄板(7)与密封圈构建而成的。这样容腔内的高压气体就可以以恒定的压力进入到气节流孔(3)与压力腔(2)，最后流出来的高压气体作用在被悬浮物上克服悬浮物的重力，从而达到受力平衡，使其悬浮在某一高度上。由于气体剪切力的作用，会使得悬浮物产生无规则的运动，此时再用超声波来驱动悬浮物，使其按照一定的方向运动，实现非接触式自动运输。本发明装置采用两个超声波换能器，分别为接收式超声波换能器(11)和发射式超声波换能器(16)，通过调节超声波发生器(21)和超声波发生器(24)来驱动这两个超声波换能器使其高频振动并达到相等的共振频率。在设计中，应注意的是：这两个换能器要始终保持结构一致，特性一致的特点。再通过调节各自的超声波发生器使发射式超声波换能器(16)与接收式超声波换能器(11)的频率相位差为90°。由于两个超声波换能器的频率相位差为90°，这样接收式超声波换能器(11)就会吸收了发射式超声波换能器(16)发出的纵向声波，使得固定在喇叭式变幅杆(10)上的振动板(5)只产生了横向的超声行波。同时由于受到高频超声波的作用，振动板(5)也产生高频振动，从而激励着气体介质高频运动，而高频运动的气体就会产生剪切力，这样在行波的作用下由高频振动的气体产生的剪切力就具有了一定矢量性，从而推动着刚被气动悬浮起来的悬浮物沿着行波的方向运动，即由发射式超声波换能器(16)运动到接收式超声波换能器(11)。同时把振动板(5)结构设置成如图4所示的结构。由于振动板(5)的整体高频振动会产生声压悬浮力，这样振动板的横向侧面凸起的部分也会产生悬浮力，这个悬浮力可以阻止悬浮物因受到气体剪切力而向侧面的运动，避免了悬浮物与横向侧面凸起部分的相接触，防止了运输时悬浮物从振动板的侧面落下，从而实现了稳定的按照行波传递的方向非接触式自动运输。

Claims (3)

1.一种超声波/气浮混合式非接触自动运输装置，包括螺钉(4)、振动板(5)、螺钉(6)、方形薄板(7)、管接头(8)、管路(9)、喇叭式变幅杆(10)、接收式超声波换能器(11)、内六角螺栓(12)、基板(13)、侧板(14)、底座(15)、发射式超声波换能器(16)；其特征在于振动板(5)通过螺钉(4)固定在左右两个喇叭式变幅杆(10)，其中两个喇叭式变幅杆(10)分别固定在接收式超声波换能器(11)和发射式超声波换能器(16)；两个超声波换能器通过内六角螺栓(12)固定在基板(13)上；再分别用螺钉把基板(13)、侧板(14)与底座(15)固定在一起。

2.根据权利要求1所述的超声波/气浮混合式非接触自动运输装置，其特征在于振动板(5)上开有压力腔(2)、节流孔(3)和凹槽，振动板(5)通过螺钉(6)与方形薄板(7)固定在一起，这样经方形薄板(7)与振动板(5)固定在一起就构成了一个气腔；经空气压缩机出来的气体再经过管路(9)和管接头(8)到达气腔内，气体再经过节流孔(2)与压力腔(3)作用在被悬浮物(1)上，从而构成了气动悬浮；气动悬浮可以悬浮重载的悬浮物。

3.根据权利要求1所述的超声波/气浮混合式非接触自动送料装置，其特征在于振动板(5)固定在两个超声波换能器上，利用超声波发生器来驱动这两个超声波换能器达到共振频率并调节其频率的相位差，使其相位差为90°，这样在振动板(5)上就会产生行波；利用权利要求2中的气动悬浮支撑起重载的悬浮物，因而被悬浮起的重载悬浮物就会在行波的推力作用下可以实现稳定的沿着一定方向实现非接触式自动运输。

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