CN108918014B - 夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力方法及装置，其变幅杆圆锥过渡段上开设螺旋结构的螺旋槽，所述换能器由四片压电陶瓷片、四片电极片、后端盖和连接螺栓组成，相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反、正负性相同，电极片两两相连，正与正接、负与负接，形成180度对称分布的两对电极；两对电极片对称均匀分布在模具的上端的两个壁槽内，模具下方通过带有螺纹的压片将变幅杆的法兰与模具相连，两对电极片分别与阻抗分析仪的两个接线夹相连，计算机分别与阻抗分析仪和机械手臂相连，机械手臂的外端设置有力矩扳手。本发明形成一个闭环，数据不断生成、采集、处理、传输，从而不断优化各项参数、指令及动作，达到压制换能器的目标。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超声振动的测量，特别是涉及一种夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力方法及装置。
背景技术：
随着硬脆材料，特别是纳米复相陶瓷和金属基复合材料加工需求日益增多，功率超声加工技术得到广泛的应用。其中换能器是整个超声振动变幅器中的重点，其功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，所以其自身的加工精度尤为重要。用紧固螺钉连接压电陶瓷片和变幅杆时，须严格计算其预紧力，只有合适的预紧力才能得到合格的、理想的导纳圆图、对数坐标图和谐振频率Fs、动态电抗R1、机械品质因素Qm。现有技术中没有监测预紧力的设备，造成监测不便，降低生产效率和监测精度。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、结构紧凑、方便拆卸、功效俱佳且满足装配要求的夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力方法及装置。
本发明的技术方案是：
一种夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力方法，包括以下步骤：
（1）.组装振动变幅器：将换能器和变幅杆进行一体式设计，将换能器部分和复合变幅杆部分分别进行1/4波长理论设计，并在1/4复合变幅杆圆锥过渡段上开设螺旋结构的螺旋槽，从而使原来的纵振转换为纵扭复合振动；换能器由四片压电陶瓷片、四片电极片、后端盖和连接螺栓组成，通过连接螺栓将换能器与复合变幅杆连接起来，形成一体式螺旋结构纵-扭复合超声振动变幅器；
（2）.连接电极：相邻两片纵振压电陶瓷片之间、其中一片纵振压电陶瓷片与后端盖之间均设置有一片电极片，压电陶瓷片均沿厚度方向极化,且相邻两片纵振压电陶瓷片的极化方向相反、正负性相同，电极片两两相连，正极与正极连接、负极与负极连接，形成两对电极且两对电极片成180度对称分布；
（3）.安装模具：模具为台阶式筒状结构，在模具的上端侧壁上设置两个成180度的壁槽，两对电极片对称均匀分布在两个壁槽内，与槽壁相接触成180度，模具下方通过带有螺纹的压片将变幅杆的法兰与模具相连，使模具在加扭过程中保持静止，从而使两对电极片在加扭的过程中，保持上下左右对齐；
（4）.安装监测部件：两对电极片分别与阻抗分析仪的两个接线夹相连，计算机分别与阻抗分析仪和机械手臂相连，机械手臂的外端设置有力矩扳手；
（5）.在线监测：振动变幅器组装后，竖立放置三爪卡盘中，通过夹紧变幅杆而固定整个振动变幅器，且放置过程中需严格保证整个变幅器的垂直度；计算机指令机械手臂运动，通过力矩扳手给振动变幅器的连接螺栓施加扭矩而完成压电陶瓷片的压制，阻抗分析仪采集两对电极的参数，并传输给计算机生成图形；计算机将得到的数据进行图像和数据处理，生成导纳圆图和对数坐标图以及一系列参数，计算机再根据导纳圆图、对数坐标图和上述参数对压电陶瓷片的状态进行分析，将计算出的运动参数传输给机械手臂的控制中心，控制机械手臂做出相应的动作，从而使压电陶瓷片的各种参数趋于完善，使换能器的压制过程自动化、精确化、高效化。
步骤（5）中的一系列参数包括：谐振频率Fs、反谐振频率Fp、半功率点F1与F2、最大导纳Gmax、静电容C0、动态电抗R1、动态电容C1、动态电感L1、自由电容CT、自由介电常数、机械品质因素Qm、机电耦合系数Keff、Kp、K31、K33。
装配之前，将各零件中接触面、圆周面精磨，达到粗糙度及跳动要求，相邻压电陶瓷片纵向极化方向相反，电极片均匀分布在压电陶瓷片之间。装配中，压电陶瓷片、电极片及各接触面需进行净化处理，保证洁净度要求。
机械手臂的操作端应保持和换能器紧固螺钉在同一水平面，保证变幅器只受到水平面的扭矩作用，施加预紧力前，需根据理论和经验给机械手臂设定最大输出力矩和加速度，防止因为预紧力过大，而使换能器失效。
一种夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力装置，包括换能器和变幅杆，所述换能器和变幅杆采用一体式设计，并且分别进行1/4波长理论设计，所述变幅杆圆锥过渡段上开设螺旋结构的螺旋槽，所述换能器由四片压电陶瓷片、四片电极片、后端盖和连接螺栓组成，相邻两片压电陶瓷片之间、其中一片压电陶瓷片与后端盖之间均设置有一片电极片，所述压电陶瓷片均沿厚度方向极化,且相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反、正负性相同，电极片两两相连，正极与正极连接、负极与负极连接，形成两对电极且两对电极片成180度对称分布；模具的上端侧壁上设置两个成180度的壁槽，两对电极片对称均匀分布在两个壁槽内，与槽壁相接触成180度，模具下方通过带有螺纹的压片将变幅杆的法兰与模具相连，两对电极片分别与阻抗分析仪的两个接线夹相连，计算机分别与阻抗分析仪和机械手臂相连，机械手臂的外端设置有力矩扳手。
各零件中接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求，相邻所述压电陶瓷片纵向极化方向相反，所述电极片均匀分布在所述压电陶瓷片之间。所述压电陶瓷片、电极片及各接触面进行净化处理，保证洁净度要求，所述压片的圆环端面上间隔设置有圆柱孔。
所述机械手臂的操作端保持和换能器的连接螺钉在同一水平面，保证变幅器只受到水平面的扭矩作用。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过对加扭过程产生的图像和数据的不断采集、处理、分析，以理想的图像和参数为标准，不断调整机械手臂的动作，自动寻找每个换能器所需的预紧力，使换能器的压制趋于自动化、精确化、高效化。
2、本发明由计算机控制的机械手臂对换能器施加扭矩，与铜电极片相连的阻抗分析仪将换能器在施加扭矩过程中的数据实时的传输到计算机上，计算机对数据进行分析、处理，再实时的控制机械手臂的运动，通过与理想数据作对比，以设定参数为标准，从而控制机械手臂的操作，使整套装置能准确的自动寻找出每个换能器所需的预紧力。
3、本发明设计一个带有两个成180度壁槽的圆筒形模具，两对电极片对称均匀分布在两槽内，与槽壁相接触，模具下方与变幅杆相连，变幅杆由三爪卡盘固定，由此可保证两对电极片在加扭的过程中，始终保持上下左右对齐。
4、本发明机械手臂由与其相连的计算机实时控制，通过计算机传输的参数进行相应的动作。机械手臂另一端装配有力矩扳手，可以精确的显示机械手臂传递的力矩大小，通过向紧固螺钉施加扭矩而完成压电陶瓷片的压制，并将数据传输回机械手臂的控制中心，不断地优化机械手臂的动作。工作前需给机械手臂设置最大输出力矩，防止压电陶瓷片因为过载而失效。
5、本发明成本较低、操作简单、受环境影响小、适用范围广、精度能满足一般科研及事业单位要求，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明：
图1为夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力装置的结构示意图；
图2为图1中振动变幅器的结构示意图；
图3为筒形模具的结构示意图；
图4为压片的结构示意图。
具体实施方式：
实施例：参见图1-图4，图中，1-振动变幅器，2-模具，3-阻抗分析仪，4-计算机，5-机械手臂，6-变幅杆，7-压电陶瓷片，8-电极片，9-后盖，10-连接螺栓，11-壁槽，12-压片，13-圆柱孔，14-力矩扳手。
夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力装置包括换能器和变幅杆6，换能器和变幅杆6采用一体式设计，并且分别进行1/4波长理论设计，变幅杆6圆锥过渡段上开设螺旋结构的螺旋槽，换能器由四片压电陶瓷片7、四片电极片8、后端盖9和连接螺栓10组成，相邻两片压电陶瓷片7之间、其中一片压电陶瓷片7与后端盖9之间均设置有一片电极片8，压电陶瓷片7均沿厚度方向极化,且相邻两片压电陶瓷片7的极化方向相反、正负性相同，电极片8两两相连，正极与正极连接、负极与负极连接，形成两对电极且两对电极片成180度对称分布；模具2的上端侧壁上设置两个成180度的壁槽11，两对电极片对称均匀分布在两个壁槽11内，与槽壁11相接触成180度，模具2下方通过带有螺纹的压片12将变幅杆6的法兰与模具相连，两对电极片分别与阻抗分析仪3的两个接线夹相连，计算机4分别与阻抗分析仪3和机械手臂5相连，机械手臂5的外端设置有力矩扳手14。
各零件中接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求，相邻压电陶瓷片7纵向极化方向相反，电极片8均匀分布在压电陶瓷片7之间。压电陶瓷片、电极片及各接触面进行净化处理，保证洁净度要求，所述压片的圆环端面上间隔设置有圆柱孔。
机械手臂5的操作端保持和换能器的连接螺钉在同一水平面，保证变幅器只受到水平面的扭矩作用。
振动变幅器组装后，竖立放置三爪卡盘中，通过夹紧变幅杆6而固定整个振动变幅器，且放置过程中需严格保证整个变幅器的垂直度；计算机4指令机械手臂5运动，通过力矩扳手14给振动变幅器的连接螺栓10施加扭矩而完成压电陶瓷片7的压制，阻抗分析仪3采集两对电极的参数，并传输给计算机4生成图形；计算机4将得到的数据进行图像和数据处理，生成导纳圆图和对数坐标图以及一系列参数，计算机4再根据导纳圆图、对数坐标图和上述参数对压电陶瓷片7的状态进行分析，将计算出的运动参数传输给机械手臂5的控制中心，控制机械手臂5做出相应的动作，从而使压电陶瓷片7的各种参数趋于完善，使换能器的压制过程自动化、精确化、高效化。
一系列参数包括：谐振频率Fs、反谐振频率Fp、半功率点F1与F2、最大导纳Gmax、静电容C0、动态电抗R1、动态电容C1、动态电感L1、自由电容CT、自由介电常数、机械品质因素Qm、机电耦合系数Keff、Kp、K31、K33。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力方法，包括以下步骤：
（1）.组装振动变幅器：将换能器和变幅杆进行一体式设计，将换能器部分和复合变幅杆部分分别进行1/4波长理论设计，并在1/4复合变幅杆圆锥过渡段上开设螺旋结构的螺旋槽，从而使原来的纵振转换为纵扭复合振动；换能器由四片压电陶瓷片、四片电极片、后端盖和连接螺栓组成，通过连接螺栓将换能器与复合变幅杆连接起来，形成一体式螺旋结构纵-扭复合超声振动变幅器；
（2）.连接电极：相邻两片纵振压电陶瓷片之间、其中一片纵振压电陶瓷片与后端盖之间均设置有一片电极片，压电陶瓷片均沿厚度方向极化,且相邻两片纵振压电陶瓷片的极化方向相反、正负极性相同，电极片两两相连，正极与正极连接、负极与负极连接，形成两对电极且两对电极片成180度对称分布；
（3）.安装模具：模具为台阶式筒状结构，在模具的上端侧壁上设置两个成180度的壁槽，两对电极片对称均匀分布在两个壁槽内，与槽壁相接触成180度，模具下方通过带有螺纹的压片将变幅杆的法兰与模具相连，使模具在加扭过程中保持静止，从而使两对电极片在加扭的过程中，保持上下左右对齐；
（4）.安装监测部件：两对电极片分别与阻抗分析仪的两个接线夹相连，计算机分别与阻抗分析仪和机械手臂相连，机械手臂的外端设置有力矩扳手；
（5）.在线监测：振动变幅器组装后，竖立放置三爪卡盘中，通过夹紧变幅杆而固定整个振动变幅器，且放置过程中需严格保证整个变幅器的垂直度；计算机发出指令使机械手臂运动，通过力矩扳手给振动变幅器的连接螺栓施加扭矩而完成压电陶瓷片的压制，阻抗分析仪采集两对电极的参数，并传输给计算机生成图形；计算机将得到的数据进行图像和数据处理，生成导纳圆图和对数坐标图以及一系列参数，计算机再根据导纳圆图、对数坐标图和上述参数对压电陶瓷片的状态进行分析，将计算出的运动参数传输给机械手臂的控制中心，控制机械手臂做出相应的动作，从而使压电陶瓷片的各种参数趋于完善；
所述一系列参数包括：谐振频率Fs、反谐振频率Fp、半功率点F1与F2、最大导纳Gmax、静电容C0、动态电抗R1、动态电容C1、动态电感L1、自由电容CT、自由介电常数、机械品质因素Qm和机电耦合系数Keff、Kp、K31、K33。
2.根据权利要求1所述的夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力方法，其特征在是：装配之前，将各零件中接触面、圆周面精磨，达到粗糙度及跳动要求，相邻压电陶瓷片纵向极化方向相反，电极片均匀分布在压电陶瓷片之间。
3.根据权利要求1所述的夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力方法，其特征在是：装配中，压电陶瓷片、电极片及各接触面需进行净化处理，保证洁净度要求。
4.根据权利要求1所述的夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力方法，其特征在是：机械手臂的操作端应保持和换能器紧固螺钉在同一水平面，保证变幅器只受到水平面的扭矩作用，施加预紧力前，需根据理论和经验给机械手臂设定最大输出力矩和加速度，防止因为预紧力过大，而使换能器失效。
5.一种利用权利要求1-4任一所述夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力方法的夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力装置，包括换能器和变幅杆，其特征是：所述换能器和变幅杆采用一体式设计，并且分别进行1/4波长理论设计，所述变幅杆圆锥过渡段上开设螺旋结构的螺旋槽，所述换能器由四片压电陶瓷片、四片电极片、后端盖和连接螺栓组成，相邻两片压电陶瓷片之间、其中一片压电陶瓷片与后端盖之间均设置有一片电极片，所述压电陶瓷片均沿厚度方向极化,且相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反、正负极性相同，电极片两两相连，正极与正极连接、负极与负极连接，形成两对电极且两对电极片成180度对称分布；模具的上端侧壁上设置两个成180度的壁槽，两对电极片对称均匀分布在两个壁槽内，与槽壁相接触成180度，模具下方通过带有螺纹的压片将变幅杆的法兰与模具相连，两对电极片分别与阻抗分析仪的两个接线夹相连，计算机分别与阻抗分析仪和机械手臂相连，机械手臂的外端设置有力矩扳手；
各零件中接触面、圆周面进行精磨，达到粗糙度及跳动要求，相邻所述压电陶瓷片纵向极化方向相反，所述电极片均匀分布在所述压电陶瓷片之间；
所述压电陶瓷片、电极片及各接触面进行净化处理，保证洁净度要求，所述压片的圆环端面上间隔设置有圆柱孔。
6.根据权利要求5所述的夹心式纵振换能器装配在线监测及施加预紧力装置，其特征是：所述机械手臂的操作端保持和换能器的连接螺钉在同一水平面，保证变幅器只受到水平面的扭矩作用。
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