CN117483218A - 一种顺滑齿横振仿生刮振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种顺滑齿横振仿生刮振器，包括：弹性振动部件、多齿激振部件、可调夹持部件、整体连接部件；可调夹持部件装配在整体连接部件上；弹性振动部件通过可调夹持部件装配在整体连接部件上；多齿激振部件直接装配在整体连接部件上；通过可调夹持部件调节弹性振动部件的空间位置，以实现对激振功率的调节；工作过程中，多齿激振部件的激振齿与弹性振动部件激振部分的刮器齿啮合；啮合关系能够对激振部分产生非线性单侧约束条件，使得弹性振动部件形成具有非线性特征的振动。本发明提供的仿生刮振器能够在保证较大输出功率的条件下，实现结构的微型化，能够应用于一些工作空间受限的情况。
Description
技术领域
本发明属于仿生刮振技术领域，尤其涉及一种顺滑齿横振仿生刮振器。
背景技术
高频大功率振动在工业、医疗和航天等领域有着重要的应用价值，甚至在一些场合具有不可或缺的地位。一般而言，高频大功率弹性振动是指频率范围约为1～100kHz，包括声频和超声频范围；功率不小于1W的弹性振动。由于频率高和功率大的特征，高频大功率弹性振动能对作用目标产生明显的力学效应，如改变运动状态、产生内应力、产生运动摩擦热和冲击破碎等效应。在械加工领域，超声振动切削是一种利用大功率超声振动辅助加工刀具进行切削的方法；大功率超声振动一方面能有效降低切削力和切削热，进而提高加工质量和刀具寿命，具体应用中开发出了超声振动车削、超声振动铣削、超声振动深孔钻削等；另一方面，大功率超声振动能够辅助实现难加工材料和零件的高效加工，例如高温合金超声振动铣削、光学玻璃的超声振动磨削、复合材料的超声振动磨削、谐振陀螺薄壁谐振体的加工等。在临床医疗领域，使用大功率超声振动的超声手术刀在进行组织切割的同时具有凝血的效果，有效改善手术条件，同时减少组织损，有利于术后伤口愈合；超声切骨刀能实现对骨组织的高效切割，减小骨组织切割力，缓解医护人员疲劳，同时也具有切割损伤小的特点。另外，随着人类对深空领域探索的加强，高频机械振动辅助的天体取样装置引起了相关技术人员的深入研究，并得到了实际应用；中国、美国和欧盟都曾发射各自的天体探测器，装备有声频/超声频振动辅助的岩土取样装置用于分析研究。
目前，已知的高频机械振动产生装置主要有流体动力式、压电式和磁致伸缩式[1]等。流体动力式主要是采用高速流体(气流或液流)激励振动部件产生高频机械振动，该类设备体积较大，主要用于在激振流体内产生声频/超声频的振动波，还没有见到用作固体内弹性振动激励的应用案例[1]。压电式是通过交变电压激励电陶瓷产生机械振动，再经过变幅杆对振幅进行放大而后输出。磁致伸缩式是通过流经线圈的交变电流产生变化的磁场，使得磁场内的磁性材料产生机械振动，同样经过变幅杆对振幅进行放大而后输出[3]。压电式和磁致伸缩式作为两种主要的高频激振器模式，具有结构简单、稳定可靠和带载能力强的优点被广泛应用。但是这两种高频振动激励装置的体积相对较大，存在着难以实现微型化的问题，在一些特殊领域难以实现应用。例如微创手术中使用的超声手术刀采用夹心结构的压电式激振装置产生大功率超声振动，然后通过细长传振杆将超声振动传导至手术刀具尖端进行组织切割；大功率超声振动经过这种细长传振杆传导后容易被抑制而产生功率衰减，导致应用效果不佳，同时由于传振杆不能柔性变形，导致该种超声手术刀不能应用于柔性手术机器人[3]；另外一种处于研究阶段的薄片式微型压电超声手术刀存在着输出功率不足，带载能力弱的缺点，同时工作过程中产热量巨大，使得手术刀本体温度过高而导致组织烫伤，另外这种微型压电超声手术刀需要将电源引入患者体内，难以保证手术安全性。因此，急需一种可微型化的新型高频大功率超声激振装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种顺滑齿横振仿生刮振器能够在保证较大输出功率的条件下，实现结构的微型化，能够应用于一些工作空间受限的情况。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种顺滑齿横振仿生刮振器，包括：弹性振动部件、多齿激振部件、可调夹持部件、整体连接部件；
本发明是模仿切叶蚁激振器官结构所设计。如附图1A，切叶蚁(Atta cephalotes)是一种生活在南美洲的物种，它能够通过尾部和后柄部之间相对运动而产生振动[4]。振动传导致头部牙齿，帮助切叶蚁切割植物叶子。如附图1B和1C所示，切叶蚁尾部长有锉齿结构，在肌肉的带动下运动，激励后柄部产生弹性振动[5]。
本发明模仿切叶蚁激振器官，多齿激振部件相当于尾部，设计有激振齿；弹性振动部件相当于后柄部能产生弹性振动。弹性振动部件与多齿激振部件之间接触啮合关系如附图2所示，多齿激振部件沿着速度v方向运动，多齿激振部件在途中标号1、2、3位置时，分别对应弹性振动部件1、2、3位置，两者之间通过啮合接触形成振动激励。弹性振动部件和多齿激振部件间作用有预压力P。假设弹性振动部件尖端和多齿激振部件在工作过程中持续保持接触，两者接触啮合使得弹性振动部件尖端产生位移S，将S展开为傅里叶级数，如下式：
通过有限元仿真，或模态试验测量等方法，得出弹性振动部件尖端一点的频率响应函数为H(ω)。
则预压力P应满足下式：
满足该条件，弹性振动部件和多齿激振部件在工作过程中，才能形成间断接触，形成非线性单侧约束条件。
可调夹持部件装配在整体连接部件上；
弹性振动部件通过可调夹持部件装配在整体连接部件上；
多齿激振部件直接装配在整体连接部件上；
通过可调夹持部件调节弹性振动部件的空间位置，以实现对激振功率的调节；
工作过程中，多齿激振部件的激振齿与弹性振动部件激振部分的刮器齿啮合；
啮合关系能够对激振部分产生非线性单侧约束条件，使得弹性振动部件形成具有非线性特征的振动。
优选地，采用激振齿与刮器齿接触啮合的方式激励振动；
所述激励振动为一种机械式的几何关系约束；
所述几何关系约束具有单侧性和周期时变性的特征；
单侧性是指激振齿和刮器齿可接触，也可以相互分离而不接触；
周期实变性是指激振齿运动使得啮合接触点周期性变化，这是一种具有强非线性特征的约束条件；
非线性约束条件使得整个顺滑齿横振仿生刮振器组成非线性振动系统。
优选地，所述非线性振动系统的工作模式至少包括：频率激振、倍频激振、分频激振。
优选地，多齿激振部件模仿切叶蚁的音锉器官，整体外形为条形或盘形，分别应用于往复型运动和回转型运动；
其中，回转型运动的盘形多齿激振部件的动力源为电动机、气动涡轮或液压马达中的任一种；
往复型运动的条形多齿激振部件的动力源为电动往复推杆、直线电机、气压、液压缸或输出回转运动的动力源中的任一种。
优选地，弹性振动部件包括：激振部分、输出部分和支撑臂；
激振部分的前端具有刮器齿；
激振部分具有刮器齿，通过刮器齿与多齿激振部件的激振齿啮合形成位移激励；
支撑臂的数量为一对或多对；
支撑臂用于弹性振动部件和可调夹持部件的连接装配；
装配方式为可多次拆装的夹持式安装或不可拆装的焊接式安装。
优选地，多齿激振部件的激振齿和弹性振动部件的刮器齿的轮廓曲线为圆弧、渐开线、抛物线和摆线中的任一种。
优选地，可调夹持部件包括：专用支持件和阻尼弹簧；
专用支持件和阻尼弹簧形成质量-弹簧-阻尼系统；
工作过程中，可调夹持部件能够保证激振齿和刮器齿之间形成自适应接触力；
通过调节阻尼弹簧预压量改变自适应接触力的大小，从而实现对功率的调节；
其中，阻尼弹簧是由同时具备弹性效应和阻尼效应的材料制造而成。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、本申请提供的仿生刮声器能够采用简单的机械结构装置产生高频大功率的弹性振动，是一种新型高频振动激励装置，具有单位体积功率大的特点。这种机械式振动激励方式有利于装置的小型化或微型化，同时能保证足够的输出功率。
2、本申请提供的仿生刮声器采用了激励齿和刮器接触啮合的方式形成非线性周期变化的约束条件，给系统引入非线性因素，可以拓宽振动带宽。同时利用非线性振动系统丰富的动力学现象，可是实现多种工作模式，例如等频率振动模式、二倍频振动模式、二分频振动模式、三倍频振动模式、三分频振动模式等。
3、本申请提供的仿生刮声器的动力源可以是电动式、气动式和液压式等直接驱动，也可以通过机械转动装置传动，例如齿轮传动、钢丝软轴传动等。动力形式多样，可适用于多种工况场合。
4、相比于压电式和磁致伸缩式需要使用压电材料或磁致伸缩材料，这两种特殊材料性能对温度敏感，在一些温度较高或较低的工况下难以工作。本申请提供的仿生刮声器以机械零件激励振动，只需要零件材料在不同温度下保持力学性能即可，易于在不同温度工况场合下使用。
5、本申请提供的仿生刮声器通过机械运动激励振动，可不牵涉电能驱动的因素，可以适应电磁环境有特殊要求的场合。
附图说明
图1A是切叶蚁照片；
图1B是切叶蚁激振器官照片；
图1C是切叶蚁激振器官结构示意图；
图2是激振齿和刮器齿接触啮合激振示意图；
图3A是回转运动型激振装置机构简图；
图3B是直线往复运动型激振装置机构简图；
图4A是一对支撑臂的弹性振动部件结构图；
图4B是两对支撑臂的弹性振动部件结构图；
图5A是实施例1的激振装置装配图；
图5B是实施例1的弹性振动部件零件图；
图5C是实施例1刮器齿廓形图；
图5D是实施例1激振齿廓形图；
图6A是实施例1的弹性振动部件激振端振动位移时域和频域图；
图6B是实施例1的弹性振动部件输出端振动位移时域和频域图；
【附图标记说明】
11：多齿激振部件；12：弹性振动部件；13：可调夹持部件；14：整体连接部件，131专用夹持件，132阻尼弹簧，15旋转轴，16销钉
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图2-图6B所示：本实施例中公开了一种顺滑齿横振仿生刮振器，包括：弹性振动部件、多齿激振部件、可调夹持部件、整体连接部件。
详细地，可调夹持部件装配在整体连接部件上；弹性振动部件通过可调夹持部件装配在整体连接部件上；多齿激振部件直接装配在整体连接部件上；通过可调夹持部件调节弹性振动部件的空间位置，以实现对激振功率的调节。
工作过程中，多齿激振部件的激振齿与弹性振动部件激振部分的刮器齿啮合；啮合关系能够对激振部分产生非线性单侧约束条件，使得弹性振动部件形成具有非线性特征的振动。
本实施例中采用激振齿与刮器齿接触啮合的方式激励振动；所述激励振动为一种机械式的几何关系约束；所述几何关系约束具有单侧性和周期时变性的特征；单侧性是指激振齿和刮器齿可接触，也可以相互分离而不接触；周期实变性是指激振齿运动使得啮合接触点周期性变化，这是一种具有强非线性特征的约束条件；非线性约束条件使得整个顺滑齿横振仿生刮振器组成非线性振动系统。
本实施例中所述非线性振动系统的工作模式至少包括：频率激振、倍频激振、分频激振。
本实施例中多齿激振部件模仿切叶蚁的音锉器官，整体外形为条形或盘形，分别应用于往复型运动和回转型运动。
其中，回转型运动的盘形多齿激振部件的动力源为电动机、气动涡轮或液压马达中的任一种；往复型运动的条形多齿激振部件的动力源为电动往复推杆、直线电机、气压、液压缸或输出回转运动的动力源中的任一种。
本实施例中弹性振动部件包括：激振部分、输出部分和支撑臂；激振部分的前端具有刮器齿；通过刮器齿与多齿激振部件的激振齿啮合形成位移激励；支撑臂的数量为一对或多对；支撑臂用于弹性振动部件和可调夹持部件的连接装配；装配方式为可多次拆装的夹持式安装或不可拆装的焊接式安装。
本实施例中多齿激振部件的激振齿和弹性振动部件的刮器齿的轮廓曲线为圆弧、渐开线、抛物线和摆线中的任一种。
本实施例中可调夹持部件包括：专用支持件和阻尼弹簧；专用支持件和阻尼弹簧形成质量-弹簧-阻尼系统；工作过程中，可调夹持部件能够保证激振齿和刮器齿之间形成自适应接触力；通过调节阻尼弹簧预压量改变自适应接触力的大小，从而实现对功率的调节；其中，阻尼弹簧是由同时具备弹性效应和阻尼效应的材料制造而成。
如图1A-图6B所示，11弹性振动部件；12弹性振动部件，13可调夹持部件，14整体连接部件，131专用夹持件，132阻尼弹簧，15旋转轴，16销钉
图5B中，弹性振动部件采用图4A中十字结构，具体尺寸如图5B所示，厚度h＝0.6mm；材料为6065弹簧钢。
图5C中，弹性振动部件的激振部分前端由刮器齿，刮器齿横截面轮廓为圆弧，其半径r1＝1mm。
图5D中，多齿激振部件为圆盘形，圆盘半径R＝9.6mm，其外圆柱面上均匀分布激振齿，激振齿横截面廓形为圆弧，圆弧半径r2＝0.5mm。激振齿数为120；
工作过程中，多齿激振部件的转速为5500rpm，该转动可以通过电动机直接输入或通过钢丝软轴输入。弹性振动部件的激振部分振动位移如图6A所示，振动频率为11kHz，振幅约为80μm。弹性振动部件的输出部分振部分振动位移如图6B所示，振动频率为22kHz，振幅约为45μm。该实施例采用了倍频的工作模式，产生超声频振动输出，可作为一种新型的超声装置。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
[1]冯若.超声手册[M].南京大学出版社,1999.
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[5]Guang Y,Lin F,Deyuan Z,et al.Morphology and Mechanical Propertiesof Vibratory Organs in the Leaf-cutting Ant(Atta cephalotes)[J].Journal ofBionic Engineering,2018,15(4):722-730.DOI:10.1007/s42235-018-0060-6。
Claims (7)
1.一种顺滑齿横振仿生刮振器，其特征在于，包括：弹性振动部件、多齿激振部件、可调夹持部件、整体连接部件；
可调夹持部件装配在整体连接部件上；
弹性振动部件通过可调夹持部件装配在整体连接部件上；
多齿激振部件直接装配在整体连接部件上；
通过可调夹持部件调节弹性振动部件的空间位置，以实现对激振功率的调节；
工作过程中，多齿激振部件的激振齿与弹性振动部件激振部分的刮器齿啮合；
啮合关系能够对激振部分产生非线性单侧约束条件，使得弹性振动部件形成具有非线性特征的振动。
2.根据权利要求1所述的仿生刮振器，其特征在于，
采用激振齿与刮器齿接触啮合的方式激励振动；
所述激励振动为一种机械式的几何关系约束；
所述几何关系约束具有单侧性和周期时变性的特征；
单侧性是指激振齿和刮器齿可接触，也可以相互分离而不接触；
周期实变性是指激振齿运动使得啮合接触点周期性变化，这是一种具有强非线性特征的约束条件；
非线性约束条件使得整个顺滑齿横振仿生刮振器组成非线性振动系统。
3.根据权利要求2所述的仿生刮振器，其特征在于，
所述非线性振动系统的工作模式至少包括：频率激振、倍频激振、分频激振。
4.根据权利要求3所述的仿生刮振器，其特征在于，
多齿激振部件模仿切叶蚁的音锉器官，整体外形为条形或盘形，分别应用于往复型运动和回转型运动；
其中，回转型运动的盘形多齿激振部件的动力源为电动机、气动涡轮或液压马达中的任一种；
往复型运动的条形多齿激振部件的动力源为电动往复推杆、直线电机、气压、液压缸或输出回转运动的动力源中的任一种。
5.根据权利要求1所述的仿生刮振器，其特征在于，
弹性振动部件包括：激振部分、输出部分和支撑臂；
激振部分的前端具有刮器齿；
激振部分具有刮器齿，通过刮器齿与多齿激振部件的激振齿啮合形成位移激励；
支撑臂的数量为一对或多对；
支撑臂用于弹性振动部件和可调夹持部件的连接装配；
装配方式为可多次拆装的夹持式安装或不可拆装的焊接式安装。
6.根据权利要求5所述的仿生刮振器，其特征在于，
多齿激振部件的激振齿和弹性振动部件的刮器齿的轮廓曲线为圆弧、渐开线、抛物线和摆线中的任一种。
7.根据权利要求6所述的仿生刮振器，其特征在于，
可调夹持部件包括：专用支持件和阻尼弹簧；
专用支持件和阻尼弹簧形成质量-弹簧-阻尼系统；
工作过程中，可调夹持部件能够保证激振齿和刮器齿之间形成自适应接触力；
通过调节阻尼弹簧预压量改变自适应接触力的大小，从而实现对功率的调节；
其中，阻尼弹簧是由同时具备弹性效应和阻尼效应的材料制造而成。
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2023
- 2023-11-15 CN CN202311522549.2A patent/CN117483218A/zh active Pending
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |