CN106391435B - 一种实现微粒悬浮及旋转的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超声加工设备技术领域，具体涉及一种实现微粒悬浮及旋转的装置，包括底座、壳体、超声波发生器和超声反射端，壳体设于底座的上方，壳体的外表面设置压电陶瓷片单元，壳体内设置超声反射端，超声反射端的正上方设置超声波发生器。本发明基于声悬浮和旋转声场实现微粒悬浮及旋转的装置通过超声驻波悬浮和超声行波产生的旋转行波，使微粒实现悬浮及旋转。
Description
技术领域
本发明属于超声加工设备技术领域，具体涉及一种实现微粒悬浮及旋转的装置。
背景技术
随着技术的发展，超精密控制机构已经发展成为许多高精度、复杂设备的重要组成部件，其控制的精度直接决定了被控制期间所要求达到的精度。超声加工，是指对工具或工件沿一定方向施加超声频振动进行振动加工的一种加工方法。超声加工系统，一般由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传动系统、工具、工艺装置等构件组成。超声波发生器的作用是将交流电源转换成超声频电振荡信号；换能器的作用是将超声频电振荡信号转换为超声频机械振动；变幅杆的作用是将换能器的振动幅度进行放大。
现有技术中利用超声驻波悬浮技术使加工物料悬浮起来，然后对微粒的内部结构进行加工。随着对被加工物料结构及性能要求的提高，对物料加工的方法和装置也有了更高的要求。对物料的各个方位进行加工时，经常需要手工移动或转动物料、移动或转动加工设备，手工操作易污染物料，移动或转动加工设备又影响加工效率。因此，现有技术中的加工方法及设备难以满足物料的加工要求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种实现微粒悬浮及旋转的装置。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种实现微粒悬浮及旋转的装置，包括底座、壳体、超声波发生器和超声反射端，壳体设于底座的上方，壳体的外表面设置压电陶瓷片单元，壳体内设置超声反射端，超声反射端的正上方设置超声波发生器。本发明基于声悬浮和旋转声场实现微粒悬浮及旋转的装置通过超声驻波悬浮和超声行波产生的旋转行波，使微粒实现悬浮及旋转。
优选的，所述超声反射端为球形凹面结构，对超声驻波有聚焦的作用，提高超声驻波的悬浮能力。
优选的，所述超声反射端通过固定螺母设于底座的中部，产生稳定的超声驻波。
优选的，所述壳体为中空结构，其底部的内凸部与所述超声反射端球形凹面处于同一球面上，保证微粒悬浮和旋转的稳定性。
优选的，所述壳体为中空圆筒状。使对微粒的加工发生在大圆筒的内部，由于旋转行波声场产生于大圆筒的内部，所以大圆筒的内部的各个部分都能使悬浮微粒进行旋转，使超声加工的位置可以发生在圆筒的各个部位。
优选的，所述压电陶瓷片单元包括偶数块尺寸相同的压电陶瓷片，各压电陶瓷片均匀地布设于所述壳体的外表面，使壳体内能产生稳定的旋转行波声场。
优选的，所述壳体的外表面均匀地分布4×4＝16块环形压电陶瓷片，对环形压电陶瓷片进行极化，弧长及极化方向依次为λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-，其中奇数分区为A相极化区，偶数分区为B相极化区，对A、B两个极化区分别接入正弦和余弦的交变信号。
优选的，所述A、B两个极化区接入的交变信号能互换，实现微粒旋转的反向切换，利于微粒的全方位加工。
优选的，所述壳体通过螺钉固定于底座上，提高整体结构的稳定性。
优选的，所述壳体采用铝质材料制成，铝质材料具有质量轻、导热性能好等优点。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1、使用铝制大圆筒结构，使对物体的加工发生在大圆筒的内部。由于旋转行波声场在大圆筒的内部，所以大圆筒内部的各个部分都能使悬浮物体进行旋转，使超声加工的场所可以发生在圆筒的各个部位；
2、在圆筒的外侧安装压电陶瓷片，圆筒外侧均匀分布16块环形压电陶瓷片，将压电陶瓷片的奇偶数分为A、B两个极化区，在A、B两个极化区分别通以正弦和余弦的交变电压。那么，A、B相模态响应的合成，就会产生旋转的行波，即波形沿圆周转动，其法向和切向分量分别对悬浮物体产生悬浮和旋转驱动效果，球转子就可以悬浮起来且沿行波的传播方向高速旋转；
3、使用内凹球形作为超声驻波悬浮的反射端，对超声驻波有聚焦的作用，使超声驻波的悬浮能力有了大幅度的提高；
4、本发明的实现微粒悬浮及旋转的装置不仅适用于一般的生产环境，更加适合于对生产环境要求较高的无尘环境中，能够减少外界环境对超声加工的影响，提升产品质量；
5、本发明的实现微粒悬浮及旋转的装置不受加工材料的影响，既可以加工金属，也可以加工非金属，甚至加工一些液体，应用领域广阔。
附图说明
图1是本发明实施例1的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构示意图。
图2是本发明实施例1的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构示意图(不包括壳体)。
图3是本发明实施例1的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构示意图(不包括超声反射端)。
图4是本发明实施例1的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构示意图(不包括壳体和悬浮微粒)。
图5是本发明实施例1的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构俯视图。
图6是本发明实施例1的实现微粒悬浮及旋转的装置另一状态的结构示意图。
图7是本发明实施例1的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构正视图。
图8是本发明实施例2的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构示意图。
图9是本发明实施例2的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构示意图(不包括壳体)。
图10是本发明实施例2的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构示意图(不包括超声反射端)。
图11是本发明实施例2的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构示意图(不包括壳体和悬浮微粒)。
图12是本发明实施例2的实现微粒悬浮及旋转的装置的结构示意图(不包括超声反射端和悬浮微粒)。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
实施例1：
如图1-7所示，本实施例的基于声悬浮和旋转声场实现微粒悬浮及旋转的装置，包括底座1、壳体2、超声波发生器和超声反射端7，底座1的纵截面为H形结构，底座为中空的圆柱体，圆柱体中部的横截面上固定圆形底板1-1，其中圆形底板的外径与圆柱体的内径相适配。底板1-1的中心形成用于固定超声反射端7的安装口，超声反射端7通过固定螺母8与底板1-1固定连接且超声反射端7的上端不凸出底座1的上表面，从而将超声反射端7固定于底座1内，超声反射端7呈球形凹面状，球形凹面的超声反射端7能显著提高驻波悬浮的能力，不仅能悬浮密度较小的物体而且能够悬浮密度较大的金属，如铝球、钢球、铅球等。在超声驻波悬浮的过程中，水平方向的波动会比垂直方向的波动大，球形凹面的超声反射端7具有良好的聚焦作用，在大幅度提高驻波悬浮能力之外还减小了微粒5在驻波悬浮过程中水平方向的波动，更加有利于微粒5的旋转。超声反射端7的正上方设置超声波发生器。
壳体的纵截面为上下开口的凸字形，包括上、下布设的超声行波发生器段6和安装段2，安装段2的尺寸与底座1的尺寸适配，即使安装段2安装于底座1上时，安装段2的内、外径分别与底座1的内、外径相等，安装段2与底座1之间采用Z形交接，并通过螺钉3对称固定，限制安装段2与底座1之间的相对位移。超声行波发生器段6的内壁沿径向凸出形成凸出部，凸出部与超声反射端7的球形凹面处于同一球面上，提高微粒在悬浮和旋转过程中的稳定性。
超声行波发生器段6采用铝质材料制成，超声行波发生器段6的外表面均匀地分布4×4＝16块环形压电陶瓷片4，弧长及极化方向依次为：λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-，其中奇数分区构成A相极化区，偶数分区构成B相极化区。利用逆压电效应，极化方向与电场方向相同的分区产生沿圆周切向的伸长变形，极化方向与电场方向相反的分区产生沿圆周切向的缩短变形。当A相极化区接入sin wt(激励频率等于定子径向悬浮装置的工作模态频率)交变电压时，定子将被激发出A相工作模态；当B相通以和A相同频、同幅的且相位差为90°的cos wt交变电压时，定子产生B相工作模态，B相与A相空间正交。将这两个电压同时分别加到A相和B相陶瓷分区上，A、B相模态响应的合成，定子就呈现旋转的行波(即波形沿圆周转动)，定子径向悬浮装置内表面形成高声强行波，其法向和切向分量分别对球转子产生悬浮和旋转驱动效果，球转子就可以悬浮起来且沿行波的传播方向高速旋转。若要产生反向的行波，只需改变或互换输入信号，即A相和B相陶瓷分区上施加的信号交换即可。
本实施例的基于声悬浮和旋转声场实现微粒悬浮及旋转的装置通过超声驻波悬浮和超声行波发生器段产生的旋转行波，使悬浮微粒5实现悬浮及旋转。
实施例2：
如图8-12所示，本实施例的基于声悬浮和旋转声场实现微粒悬浮及旋转的装置，包括底座11、壳体21、超声波发生器和超声反射端61，底座11包括圆形的台板和支撑台板的支架，支架为中空圆柱形，台板的外径大于支架的外径，底座11的结构呈轴对称。台板的中部内凹形成超声反射端61的安装口，并通过固定于安装口的固定螺母71将超声反射端61固定连接于底座11的上方。超声反射端61的上表面呈球形凹面状，其中凹面状结构的底部高于底座11的上表面。超声反射端71的正上方设置超声波发生器。
壳体的纵截面为左右对称的L形结构，包括上、下布设的超声行波发生器段31和安装段，安装段与底座11上表面的超声反射端61的安装口的口沿之间采用Z形交接，并通过螺钉21对称固定，限制壳体与底座11之间的相对位移。超声行波发生器段31采用铝质材料制成，呈中空圆柱形结构，超声行波发生器段61的外表面均匀地分布4×4＝16块环形压电陶瓷片41，弧长及极化方向依次为：λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-，其中奇数分区构成A相极化区，偶数分区构成B相极化区。利用逆压电效应，极化方向与电场方向相同的分区产生沿圆周切向的伸长变形，极化方向与电场方向相反的分区产生沿圆周切向的缩短变形。当A相极化区接入sin wt(激励频率等于定子径向悬浮装置的工作模态频率)交变电压时，定子将被激发出A相工作模态；当B相通以和A相同频、同幅的且相位差为90°的cos wt交变电压时，定子产生B相工作模态，B相与A相空间正交。将这两个电压同时分别加到A相和B相陶瓷分区上，A、B相模态响应的合成，定子就呈现旋转的行波(即波形沿圆周转动)，定子径向悬浮装置内表面形成高声强行波，其法向和切向分量分别对球转子产生悬浮和旋转驱动效果，球转子就可以悬浮起来且沿行波的传播方向高速旋转。若要产生反向的行波，只需改变或互换输入信号，即A相和B相陶瓷分区上施加的信号交换即可。
本实施例的基于声悬浮和旋转声场实现微粒悬浮及旋转的装置通过超声驻波悬浮和超声行波发生器段产生的旋转行波，使悬浮微粒51实现悬浮及旋转。
实施例3：
本实施例与实施例1的不同之处在于：超声行波发生器段的外表面均匀地分布其它偶数块环形压电陶瓷片，可根据实际对超声旋转行波参数的要求进行调整，适应性好。
以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种实现微粒悬浮及旋转的装置，其特征在于，包括底座、壳体、超声波发生器和超声反射端，壳体设于底座的上方，壳体的外表面设置压电陶瓷片单元，壳体内设置超声反射端，超声反射端的正上方设置超声波发生器；所述超声反射端为球形凹面结构；所述壳体为中空结构，其底部的内凸部与所述超声反射端球形凹面处于同一球面上。
2.根据权利要求1所述的实现微粒悬浮及旋转的装置，其特征在于，所述超声反射端采用固定螺母设于底座的中部。
3.根据权利要求1所述的实现微粒悬浮及旋转的装置，其特征在于，所述压电陶瓷片单元包括偶数块尺寸相同的压电陶瓷片，各压电陶瓷片均匀布设于所述壳体的外表面。
4.根据权利要求3所述的实现微粒悬浮及旋转的装置，其特征在于，所述壳体的外表面均匀地分布4×4＝16块环形压电陶瓷片，对环形压电陶瓷片进行极化，弧长及极化方向依次为λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-，其中奇数分区为A相极化区，偶数分区为B相极化区，对A、B两个极化区分别通以正弦和余弦的交变信号。
5.根据权利要求4所述的实现微粒悬浮及旋转的装置，其特征在于，所述A、B两个极化区接入的交变信号能互换。
6.根据权利要求1所述的实现微粒悬浮及旋转的装置，其特征在于，所述壳体通过螺钉固定于底座上。
7.根据权利要求1所述的实现微粒悬浮及旋转的装置，其特征在于，所述壳体采用铝质材料制成。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 单轴式声悬浮温度特性的试验研究及数值分析;崔卫芳等;《压电与声光》;20101031;第32卷(第5期);第833页以及图1 |
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