（机械制造及其自动化专业论文）超声悬浮夹具的基础性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 当今，在精密加工领域，对工件或产品的表面质量要求越来越高。例如半导体工业 中的硅片加工，对表面粗糙度和洁净度提出了极高的要求。为了避免工件在加工或运输 过程中对表面产生划痕或污染，寻找一种非接触的悬浮夹持和运输的方法，具有重要的 现实意义。 本文以超声波近场声悬浮为研究对象，探索超声波悬浮运用于精密加工领域的可行 性。旨在更深入地发掘超声波近场声悬浮机理，从而提出一种基于超声波近场声悬浮效 应的非接触夹具。 本文运用近场声悬浮理论、有限元法、直接边界元法等相关理论和分析方法，内容 主要围绕近场声辐射力大小、变幅杆工作表面声场分布、近场声悬浮条件以及非接触夹 具设计几个方面进行，主要研究成果是： 1 、研究了用于声场分布的直接边界元法。采用有限元法对超声系统进行模态分析 和谐响应分析，利用边界元法计算了超声系统辐射声场，得到了矩形变幅杆的表面声压 和辐射声场，并与理论值比较，验证了边界元法求解辐射声场的正确性。 2 、应用声学理论，建立了近场辐射声压求解模型，推导出圆形悬浮物初始悬浮条 件的计算公式。运用有限元与边界元分析技术，计算了悬浮物悬浮条件以矩形超声振 子为例，利用自行设计的悬浮试验装置，测试并分析了超声波近场悬浮物体的条件，理 论分析结果得到了较好的实验验证。 3 、采用有限元方法，对超声波非接触夹具系统进行了模态分析和谐响应分析，得 到了夹持系统的振幅与随频率变化规律。最后通过实验验证了非接触夹具的可行性。 本文的创新之处在于： ( 1 ) 将激光三角法应用在测量近场声悬浮高度上； ( 2 ) 使用有限元法和边界元法联合求解得到矩形变幅杆的表面辐射声场； ( 3 ) 建立圆片状物体的超声波近场悬浮条件： ( 4 ) 设计了一种能够实现稳定地悬浮片状物体的夹具。 关键词：超声波近场声悬浮；非接触夹具；有限元法；边界元法 超声悬浮夹具的基础性研究 b a s i cs t u d yo f c l a m p i n ga p p a r a t u su s i n g u l t r a s o n i cl e v i t a t i o n a b s t r a c t n o w ，t l l er e q u i r e m e n t so fp r o d u c t s s u r f a c eq u a l i t yb e c o m e1 1 i g h e ra 1 1 dl l i g h e ri nt l l ef i e l d o fl l i 曲- p r e c i s i o np r o c e s s i n g s u c ha ss i l i c o np r o c e s s i n gi ns e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y ，t h e r ei sa h i 曲d e m a n df o rs u r f a c er o u g l u l e s sa l l dc l e a n l i n e s s i no r d e r t oa v o i d 、o r kp i e c e ss c r 印p i n gd u e t om i n o rs u p e r f i c i a lc o 熊u l l i n a t i o na n ds c r a t c h e sd u r i n gt r a l l s p o n a t i o n ，p e o p l eh a v eb e e n l o o k i n gf o ran o n c o n t a c tl e v i t a t i o nt r a n s p o i r tw a y 7 i l l i sa r t i c l em a i n l yt a j k sa b o u tn e a r f i e l da c o u s t i cl e v i t a t i o n ( n f a l ) ，s h o w st h a ti ti sv e 巧 p o s s i b l et ou s eu l t r a s o l l i cl e v i t a t i o ni nt h ef i e l do fh i 曲- p r e c i s i o np r o c e s s i n g i ta i m st oa n a l y s i s p r i n c i p l e so fn f a l i i ld e p t ha l l dd e s i g n sac l 锄p i n g 印p 2 u r a t u sw h i c hi sb a s e do nn f a l i nt l l i st e x t ，t h e o 巧a b o u tn f a l ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h ed i r e c tb o u n d a 巧e l e m e n t m e t h o da r eu s e dt 0s o l v es o m ep r o b l e m ，s u c ha sn e a r - f l e l da c o u s t i cr a d i a t i o nf o r c e ，t l l e r a d i a t e ds o u n df i e l do fu l n a s o u n ds y s t e m ，c o n d i t i o no fn f a la n dt h ed e s i g no fc l a m p i n g 印p a r a t u s m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 7 i 1 1 ed i r e c tb o u n d a r ye l e m e n tn l e t h o du s e di ns o u n df i e l da n a l y s i si ss t i l d i e d m o d e l a n a l y s i sa i l dh a u r m o m o u sr e s p o n s ea 1 1 a l y s i so fu l t r a s o u n ds y s t e ma r ee x e c u t e du s i n gf i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，a 1 1 dt h er a d i a t e ds o u n df i e l do fu l t r a s o u l l ds y s t e mi sc a l c u l a t e db yu s i n gt h e d i r e c tb o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d r e c t a n g u l a rh o ms u r f 如es o u n d p r e s s u r ea 1 1 dr a d i a t e ds o m l d f i e l da r eo b t a i n e d 7 1 1 1 ec o r r e c 协e s so f t h ep r o p o s e dm e t h o di sv a l i d a t e d 、) r i t ht h ea c a d e m i co n e s t h er e s u l ts h o w st h a tt i l eb o u n d a 巧e l e m e n tm e t l l o dc a i lp r 0 v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sa n d r e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fu l t 豫s o u n ds y s t e mw 1 1 i c hi su s e df o rn f a l 2 i te s t a b l i s h e san e a r f i e l da c o u s t i cr a m a t i o np r e s s u r e s o l v i n gm o d e la p p l y i n gw i t h a c o u s t i c st h e o 巧a 1 1 dd e r i v e sa ni i l i t i a la c o u s t i cl e v i t a t i o nc 2 l l c u l a t i n gf o 肌u l ao fr o t u n d i t y o b j e c t s c o m b i n i n gw i t hf i n i t ee l e m e n ta r l db o u n d a r ye l e m e n ta n a l y s i s ，l e v i t a t ec o n d i t i o n so f l e v i t a t e do 场e c t sa r ec a l c u l a t e d i tt a k e sr e c t a n g u l a ru l t r a s o n i co s c i l l a t o rf o re x 锄p l e ，t e s t i n g a 1 1 d a n a l y z i n gc o n d i t i o n s o fn e a r - f i e l da c o u s t i cl e v i t a t i o nb yu s i n gs e l f d e s i g n e dt e s t e q u i p m e n t s ，t h er e s u l t sa r ep r o v e dt ob eb e t t e r 3 b y u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s ，t l l em o d a la n a l y s i sa n dr e s p o n s ea n a l y s i so fh 锄o n y o fu l t r a s o n i cc l 锄pb o d yi sd e s i g n e d ，g e t t i n gt h ec h a n g e so f 锄p l i t u d ev e r s u sf e q u e n c yo ft h e c l 锄p i n g 印p a r a _ t u ss y s t e m f i n a l l y ，t 1 1 er e s u hi sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t s t h ei n n o v a t i o no ft h ea l r t i c l ei sa sf o l l o w s ： ( 1 ) l a s e rt r i a n g u l a t i o nm e m o d i su s e di nm e a s u r i n gt h eh e i g h to fn f a l 一i i 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n db o u n i a d ，e l e m e n tm e t h o da r eu s e dt o g e t h e rt ot oo b t a i n r a d i a t e da c o u s t i cf i e l do nt h es u r f 如eo far e c t a n g u l a rh o m ； ( 3 ) c o n d i t i o ne q u a t i o no f n f a l i so b t a i n e d ； ( 4 ) ac l 锄p i n g 印p 删u s 、h i c hi sb a s e d o nn f a li sd e s i g i l e d k e yw o r d s ： n e a r - f e i da c o u s t i cl e v i t a t i o n ( n f a l ) ；c i a m p i n ga p p a r a t u s ； f i n i t ee i e m e n t m e t h o d ；b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：超虚悬显去县数基趟! 眭珏究 作者签名：益岩 日期：丝丑年丝月丝日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：2 笾2 年么圭月二趋日 嗍：号年刿心 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 超声波近场声悬浮的原理与分类 几千克的片状物体在声源上方附近区域被悬浮起来的这种现象被称为超声近场声 悬浮( n e a r 咱e l da c o u s t i cl e v i t a t i o n ，n f a l ) 【。其中，采用的声波一般是超声波。依 据声源结构的不同，近场声悬浮一般分为表面波引起的悬浮和挠曲振动引起的悬浮两 种。 1 1 1 表面波引起的悬浮 声波的固有属性决定我们能够不接触物体而使物体表面受力。将片状零件的下表 面置于高强度超声波换能器或超声变幅杆工作表面上方附近区域也能将其浮起。 这种方式依赖于超声波发生器的功率，可获得的悬浮高度通常不超过l m m 。与驻 波悬浮【2 】相比，作用于零件上的力较大。悬浮力大小与悬浮物和换能器之间的距离有关。 理论上任何物体都能悬浮在离辐射表面相对低的高度。 图1 1 表面波近场悬浮 f i g1 1 s c h e m a t i cd i a 髓i l t lo fa c o u s t i cl e v i t a l i o nu s i n gp i s t o nm o t i o n 如图1 1 所示，一个底面是平面的物体在受到表面波的辐射后就可以浮起来。假设 辐射表面的振动严格为简谐运动：v = 1 ，。c o s 耐，同时被悬浮物为刚性的；另外，悬浮物的 底面尺度远大于声波的波长。 根据c h u 和a p f e l 得到的公式，辐射压力n 的关系表达式如下： 兀：坐( 1 + 塑塾乌e ( 1 1 ) 2 、 2 七。办 。 其中e 是能量密度，表达式如下： 超声悬浮夹具的基础| 生研究 e ：卫+ 鱼堕 2 成c 口 2 ( 1 2 ) 式中符号定义如下： 兀一辐射压，厂一比热系数，成一媒介密度，c 口一声音在媒介中的速度，1 ，。一振 幅( = v 彩) ，办一悬浮高度。 理论上，当口。= 办，7 = 1 4 时，辐射压力最大为： n = o 6 岛c ： 图1 2 表面波近场悬浮实验装置 f i g 1 2e x p e r i m e n t a ls e 郇 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 图1 2 所示是表面波引起的悬浮实验装置。由图中可以看出悬浮物放在超声变幅杆 工作表面，超声变幅杆纵向振动，引起空气介质振动，产生声辐射力作用在片状物体 上。 一2 一 f如 岫叠矿 简 嘴 即 可 7一婀坐4 ) = j n 厅 足斟銎度高果 大连理工大学硕士学位论文 1 1 2 挠曲振动引起的悬浮 当超声在板中传播，引起板振动，片状物体也可以被悬浮起来【3 1 ，如图1 3 所示。 在这种情况下声波的传播不是一个常量。将处于间隙的质点的速度分解为三个方向 v ( x ，y ，z ) ，波速可以有下式表示： ，( w ，z ) 2 寿胪( 七，后，) e x p 【m ，x + b y + 七：z ) 】锨，啦 ( 1 5 ) + 七；+ 七；= 七：= 沏2 c ：) ( 1 6 ) 对表面波而言，有波矢量后，七，在z 方向上的辐射压p ( 七，七，) 为： = 半i 等胁 ) ( 1 7 ) 玑= 等笋 在z 方向的总辐射压力为： 叫幽= l h k l ，k y k i d k y t ：+ 砖c 砖 图1 3 挠曲振动引起的悬浮 f i g 1 3 s c h e m a t i co fm ea c o u s t i cl e v i t a t i o nu s i n gan e x u r a jv i b r a t i o nm o d e ( 1 8 ) ( 1 9 ) 图1 4 是挠f h j 振动引起的悬浮实验装置。悬浮物悬浮在振动板的上方，振动板通过 螺栓与郎之万换能器联接起来。 超声悬浮夹具的基础| 生研究 图1 4 挠曲振动近场悬浮实验装置 f i g 1 4e x p e r i m e n t a ls e t u p 1 2 近场声悬浮的研究现状 利用声辐射压力使流体介质产生高强度声波，进而使微小物体悬浮起来的现象被成 为声悬浮。声悬浮是高声强条件下的一种非线性现象。 1 9 7 5 年，w h y m 破发现了近场声悬浮现象1 4 j 。在他的论文里，他描述到一个频率 2 0 k h z ，直径7 4 m m 的声源能在源表面上方将直径5 0 m m ，厚0 5 m m 的黄铜圆片托举起 一个微小高度( 几十分之一波长) 。黄铜圆片本身作为反射面。1 9 8 2 年，c h u 和a p f e l 用公式计算了近场声辐射压力以及近场悬浮力垆j 。 n o m 呦等人于2 0 0 2 年建立了一种超声系统【6 】，如图1 5 所示，从实验和理论上对 近场声悬浮做了阐述。这个系统和h a s h i m o t o 等人搭建的系统f _ 7 】很相似。悬浮物被放置 在声源辐射表面上，工作频率是1 9 5 k h z 。利用激光位移传感器测量辐射表面振幅和近 场悬浮高度。当声源的振动速度小于8 0 c i 眺时，实验结果与理论相当吻合。 大连理工大学硕士学位论文 图1 5 活塞式声源形成的悬浮 f i g 1 5 l e v i t a t i o nb yp i s t o nv i b r a t i o n 除了对空气中的近场声悬浮进行研究外，u e h a 等人在1 9 9 8 年开始研究水下的近场 声悬浮现象【8 j 【9 j 。 图1 6 所示是水下近场声悬浮实验装置的示意图，其与空气中的很相似。实验装置 中加入了电子天平用于测量悬浮力，如图1 6 ( b ) 所示。这个实验中，圆片除了受到典 型的排斥力外，在特定条件下受到了一种异想不到的声辐射力吸引力的作用，如图 1 7 所示。空气中的近场声悬浮在频率1 7 3 0 k h z 之间并未发现圆片承受吸引力。目前， 吸引力产生的原因还不清楚。 器能换 杆 万 幅 之 变 郎 1卜1卜 超声悬浮夹具的基础性研究 图1 6 水下近场悬浮现象 f i g 1 6 u n d e rw a t e rn f a l 斥力 引力 蠢o 图1 7 作用在物体上的力f 与悬浮距离h 之间的关系 f i g 1 7 1 n l ef o r c ef a c t i n g0 n 廿1 ep l 觚盯o b j e c tv s d i s t a n c eh h a s l l i m o t o 等人引用纵向振动理论对近场声悬浮进行了阐述【7 1 。实验系统示意图如 图1 8 所示。他们得出结论：悬浮高度和圆片单位面积重量的平方根成反比例，与振动 r业鞲fj宕考-r l r 示餐 大连理工大学硕士学位论文 板表面振幅成正比例。在悬浮的稳定性方面他们也做了相关研究。此外，m a t s u o 等人还 应用一种新的方法定义了悬浮物水平方向所承受的夹持力【1o 】。 超 豁岬剐k 吉 振动板c 苎z 翔电源 图1 8 弯曲振动引起的悬浮 f i g 1 8 l e v i t a t i o ni n d u c e db yf l e x u r a lv i b r a t i o n 1 3 近场声悬浮的应用 当今，在精密加工领域，对工件或产品的表面质量要求越来越高。例如半导体工业 中的硅片加工，对表面粗糙度和洁净度提出了极高的要求。由于近场声悬浮具有非接触 的特性，通常被用于精密加工领域。 1 3 1 超声波运输系统 在精密电子元件制造业，如半导体，大规模集成电路，液晶显示器和光盘等工业， 必须严格保证夹持与运输，以防止产品表面被划伤。在化学和生物工业，样品也必须远 离污染物。在这些工业中，采用近场声悬浮夹持系统是一种很理想的解决方法。 图1 9 所示是利用弯曲行波原理制成的空气中无接触超声波运输系统。行波作用区 域的不同对物体产生了两个方向的作用，一个是垂直方向的作用力以悬浮物体，另一个 是沿着物体表面的近边界流。物体表面的近边界流具有速度梯度，这种速度梯度产生的 超声悬浮夹具的基础性研究 粘滞力使物体能在水平方向移动。如果该板块开始振动，被悬浮物就会被快速的悬浮起 来，并且由于粘滞力的作用使振动渐渐加剧。 图1 1 0 所示的是利用弯曲行波原理制成的水中无接触超声波运输系统。悬浮和吸引 这两种状态是必须的。悬浮物体在悬浮模式下被运输，吸引物体在吸引模式下被吸引【9 1 。 换能器 图1 9 空气中超声波运输系统 f i g 1 91 r a n s p o n a t i o ns y s t e mu s i n gn f a li na j r 纵向换能器纵向换能器 长? 。一9 ) q l j 弱 图1 1 0 水中超声波运输系统 f i g1 101 h n s p o n 纰i o ns y s t e mu s i n gn f a l 咖d e r w a t e r 大连理工大学硕士学位论文 1 3 2 超声波冷却系统 目前，冷却计算机中央处理器( c p u ) 的最好方法是采用风扇和散热片。但是，随着 电子和机械元件的尺寸越来越小，一方面，由于传统的风扇尺寸的限制，它已经不能适 应冷却这些小尺寸元件的需求了。例如，手提电脑和手机内部的狭小空间就不可能放入 风扇去实现冷却。另一方面，随着微电子系统结构的逐渐复杂，实现一个风扇对多个元 件的冷却已经相当困难。 在近场悬浮现象中，声源的振动表面会产生流体介质( 一般为气体) 的流动，利用 这种介质的流动可以将热量带走，进而实现冷却功能。图1 1 1 就是由w u i l l 】提出的一个 冷却系统的示意图。系统包含一个能在热源下方产生振动的压电双晶片。通过压电双晶 片的振动可以产生声流，进而加强热源周围对流换热。声流速度与压电双晶片振幅成正 比例。双晶片在谐振频率下工作。系统能使热源与双晶片之间的热交换比率达到2 l o 。 图1 1 1 压电双晶片冷却系统 f i g 1 1 1c o o l i n gs y s t e m 1 3 3 非接触超声波电机 超声波电机作为一种新型驱动机构，引起了国内外的广泛重视。它与普通马达相比， 具有结构简单、可变化多种结构、控制准确灵敏、不产生也不受磁干扰、驱动无噪声 等优点。 超声悬浮夹具的基础性研究 常规的超声波电机的定子和转子是接触的，其工作机理是通过压电元件激励定子 使之表面形成椭圆运动，再由定子与转子接触面的摩擦带动转子运动，这一类马达称为 接触型马达。此类马达因其定、转子表面接触而产生一些不利的影响：接触面的磨损使 马达工作寿命降低；因摩擦将产生发热现象；因定、转子表面接触，限制了马达转速，从 而制约了马达的工作范围。非接触型超声波马达的定、转子是不接触的，因而克服了接 触型马达的一些缺点，它是超声波马达的一个新的研究领域。 图1 1 2 显示的是转子转动速度作为定子振动的函数所绘的曲线。转速几乎与定子振 动速度成正比例关系。在频率为2 6 k h z 时，转子达到最大的旋转速度3 0 0 0 印m ，此时定 子的振动速度为2 6 州s 。这个3 0 0 0 r p m 的速度对应于转子圆周的线速度9 6 “s ，并且， 远远大于定子的振动速度。从上面，大家可以发现传统的接触式超声波电机是不可能达 到这个速度的1 1 2 j 。 图1 1 2 非接触超声波电机 f i g 1 12 n o n c o n t a c tu l 仃舔o n i cm o t o r 1 3 4 m e m s 在微机电系统( m e m s ) 中，设备的稳定运行往往会受到很多耦合机理的影响，例如 电结构耦合、流体结构耦合和热结构耦合。n f a l 在流体结构耦合中发挥了很重要的作 用。 基于n f a l 现象中的声辐射力，它可以应用在很多方面，例如微型泵、微射流和挤 压油膜阻尼器( s f d ) 等等。图1 1 3 所示是一种微型泵的示意图。泵由压电圆片驱动。 压电圆片与带弹性的薄膜联结在一起，薄膜覆盖在泵腔上。泵的出口与入口与圆形泵腔 相连1 1 3 1 。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 3 一种典型的微型泵 f i g 1 13o n e 够p i c a lm i c r 0 一p u m p 同时，由于声流产生剪切力，n f a l 可以用于更广泛的方面，例如微型搅拌器、流 体粒子运输系统、微反应器、微型阀和微型蠕动泵。图1 1 4 是由n a s a 研制的使用压 电驱动器驱动的微型蠕动泵。行波沿着充满液体或者气体的多泵腔内传播。泵腔的形成， 关闭和滚动使泵内流体或气体产生压缩效应。行波的运动没有引起任何泵的部件移动， 并且这种行波未造成任何部件磨损【1 4 l 。 图1 1 4 一种弯曲行波驱动的压电超声泵 f i g 1 14 p e r i s t a l t i cp u m p 板 1 4 近场声悬浮的优缺点 随着微电子工业的发展，对非接触运输夹持与运输系统的要求越来越高。为了设计 实现非接触人们提出了许多想法，如气动悬浮系统，磁悬浮系统和静电悬浮系统。但是， 要实现这些系统需要考虑两个问题：( 1 ) 在前面提到的几个系统里，除了气动悬浮系统 外，其他的系统实现悬浮要求悬浮物体必须是导电材料制成的。( 2 ) 在气动悬浮系统中， 超声悬浮夹具的基础性研究 需要大量的纯净气体。对于常规使用来说，该系统的夹持和运输部件过于复杂和昂贵。 基于此，提出利用超声悬浮现象来搭建非接触的悬起系统。这种方法具有以下优点： ( 1 ) 近场声悬浮可以进行非接触操作。传统夹持方式对工件的作用是非接触的，夹 具通过与工件的直接接触来支撑与限定其位置。近场声悬浮不与工件接触，通过气体介 质来传递作用力并限制工件位置。 ( 2 ) 近场声悬浮在人体承受频率下工作，对人体的影响可以忽略不计，并且不会产 生噪声。 ( 3 ) 近场声悬浮对悬浮物体的导电性没有要求。它不仅可以悬浮起金属物体，而且 也可以悬浮起非金属物体。 ( 4 ) 近场声悬浮系统结构简单、紧凑，制造与操作方便。 近场声悬浮系统的缺点在于它的高耗能低效率。此系统消耗的大部分能量提供给其 周围的介质做运动，这也是利用此系统制作冷却系统的原因。 1 5 本文的研究意义 目前在精密和微细加工领域，加工尺度己经从宏观领域逐渐延伸到了微观领域，甚 至进入了纳米级别，对操作环境的要求越来越高，传统的接触式操作方法越来越显现出 其弊端。 本文针对典型圆片状零件，提出一种基于超声波近场悬浮现象的非接触夹具，依此 来适应高洁净的加工环境。从超声波悬浮条件入手，对超声波近场悬浮进行研究，建立 超声波悬浮时的声场强度分布，分析其悬浮能力的影响因素，期望能对声悬浮声场规律 有整体的认识，从而为探索超声波悬浮机理打下基础。设计一种非接触的夹持机构，为 超声波悬浮真正应用在大规模自动化生产中提供理论依据和实践指导。 同时本文所作的工作对扩大超声波悬浮的应用领域的一次有益探索。 1 6 本文的研究任务 ( 1 ) 通过实验得到影响近场悬浮技术参数。主要有超声波发生器的频率、振幅对悬 浮效应的影响。悬浮物体质量和形状对悬浮效应的影响。 ( 2 ) 依据近场悬浮原理设计一套可无接触夹持物体的夹具。 大连理工大学硕士学位论文 2 超声波悬浮实验装置的建立 2 1 试验装置系统的组成 试验装置包括几个部分：超声系统部分、悬浮高度测量部分以及设计的夹具机构部 分。本章将对超声系统部分做一个详述。在后面的章节将分别介绍悬浮高度测量部分和 夹具机构部分。超声系统部分主要包括一下几个部件：超声发生器、换能器和变幅杆。 超声发生器，通常称为超声波发生源，超声波电源。它的作用是把我们的市电( 2 2 0 v 或 3 8 0 v ，5 0 或6 0 h z ) 转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。换能器是在超声频 率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能 量转换器件。超声变幅杆，又称为超声变速杆、超声聚能器，它的主要作用是把机械振 动的质点位移或速度放大，或者将超声能量集中在较小的面积上，即聚能作用。 2 2 超声波发生器的选择 超声波发生器实质是一个功率信号发生器，它产生一定频率的正弦( 或类似正弦) 信号超声波。目前，超声波主要分为自激式和它激式电源。 2 2 1 超声波发生器的原理 发生器的原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，这个信号可以是正 弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率，一般应用在超声波设备 中的超声波频率为2 0 k h z 、2 5 k h z 、2 8 l 【h z 、3 3 k h z 、4 0 k h z 、6 0 k h z ；l o o k h z 或以上现 在尚未大量使用。但随着以后精密清洗的不断发展。相信使用面会逐步扩大【1 5 】 1 6 】。 功率放大器可有多种形式，如电子管甲类放大器、甲乙类放大器：晶体管甲类或乙类 放大器( 均属于模拟式) ；晶体管开关式放大器等，功率一般从5 0 w 到5 0 0 0 w 不等，由信 号发生器产生的频率信号经过功率放大器后需经过阻抗匹配，使得输出的阻抗与换能器 相符，推动换能器将电信号转换为机械振动。 比较完善的超声波发生器还应该有反馈环节，主要提供两个方面的反馈信号：第一 个是提供输出功率信号。当发生器的供电电源( 电压) 发生变化时。发生器的输出功率 也会发生变化，这时反映在换能器上就是机械振动忽大忽小，导致作用效果不稳定。因 此需要稳定输出功率，通过功率反馈信号相应调整功率放大器，使得功率放大稳定。 第二个是提供频率跟踪信号。当换能器工作在谐振频率点时其效率最高，工作最稳 定，而换能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化后改变，当然这种改变的频率只 是漂移，变化不是很大，频率跟踪信号可以控制信号发生器，使信号发生器的频率在一 超声悬浮夹具的基础性研究 定范围内跟踪换能器的谐振频率点。让发生器工作在最佳状态。图2 1 所示超声波发生 器的原理图。 图2 1 超声波发生器原理 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l eo fu l t 托峪o n i cg e n e r a t o r 换能器 超声波发生器的发展与电子器件的发展密不可分，可分为三个阶段。第一个阶段是 采用电子管放大器；第二个阶段是采用晶体管模拟放大器；第三个阶段是采用晶体管数 字( 开关) 放大器。 2 2 2 试验采用型号及原因 晶体管数字( 开关) 放大器是目前应用较广的超声波功率放大器，也是主流产品，其 具有的优点如下： ( 1 ) 功耗低、效率高。开关管在开关瞬时的功耗较大但时间很短在截止或导道时 的功耗很小，时间较长因此总的功耗较小，而且基本恒定，最高效率可以达到9 0 以上。 ( 2 ) 体积小、重量轻。由于效率高功耗低使得散热要求较低，而且各个开关管可 以推动的功率较大加上直流电源直接变换使用不需电源变压器降压，因此它的体积较 小、重量轻、单位功率所占的体积和重量值较小。 ( 3 ) 可靠性好与微处理器等配合较容易。电子器件在工作时的温升较低工作就可 靠，加上全数字( 开关) 输出可用微处理器直接控制。 基于以上优点，试验采用晶体管数字( 开关) 放大器。 大连理工大学硕士学位论文 2 3 超生波换能器的选择 换能的含义是把一种形式的能量转换成另一种形式的能量。超声换能器是一种电声 换能器，它能实现电能和声能之间的相互转换。 随着超声技术的发展，压电换能器的种类越来越多，不同的应用场合要求换能器具 有不同的性能。例如，对发射型的超声换能器，要求换能器在共振频率下具有较高的辐 射效率及较大的辐射功率。而对于接受型的换能器，则要求比较宽的频带及高的接收灵 敏度。对超声清洗用的换能器，不仅要求换能器的辐射效率高，辐射功率大，还要求换 能器产生不同频率的超声波，以便能清除由单一换能器产生的驻波效应。在超声近场悬 浮中对超声换能器的要求是产生功率大、振幅大，以便产生高稳定性及可以控制的悬浮 力，使被悬浮物体稳定地被悬浮在声场中1 1 7 j 。 表2 1 几种常用压电换能器结构及其应用特点 t a b 2 1s e v e r a lc o m m o np i e z o e l e c t r i ct 啪s d u c e rs t l l j c t u r e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 压电换能器结构形式工作原理应用特点 将两个极性相反的 矗靖l 、 晶片粘结在基体上，位移量大并具有 双晶片压电换能 。：? 。i i 一基俸 在外加电场作用下一定的承载能力； 器 0 ，。： - ，。l 两晶片分别伸长和不易形成强超声 、品片2 压缩，形成弯曲振动辐射 变形。 承载能力大、响应 快、位移可重复性 层叠型压电换能 瓣嚣雄黼墨蠹 将多层晶片层叠在 好、体积效率高、 器 一起，在外电场作用 电场控制相对简 单。缺点：位移量 品片 下产生纵向位移。 小、电容高。不宜 作为超声波发射 器件用 将几片晶片连接在 夹心式压电换能一起，与两块盖板用承载能力大、位移 器 渊， 螺栓紧崮联接在一量大、频率高、能 ( 郎之万压电换能 ；i 起，能在外电场作用 产生强超声波辐 盖扳2 晶片 益坂 器)下产生各种振动变射 形 超声悬浮夹具的基石出i | 生研究 压电换能器按照结构形式大致可分为双晶片压电换能器、叠层型压电换能器( 又称 为压电叠堆) 、夹心式压电换能器( 又称为朗之万振子) 等等，根据不同的应用场合选 择不同的压电换能器结构，它们的特点各异，表2 1 所示是比较常用的压电换能器。 从表2 1 中对比可以看出，超声近场悬浮试验装置以夹心式压电换能器为宜。这种 换能器通常由首尾两块金属盖板，中间为压电陶瓷片、导电电极和绝缘环结构，一根应 力螺栓将各部件压紧而组成。图2 2 所示是典型的压电换能器结构。 l 、前盖板2 、预紧螺栓 3 、压电片4 、铜电极 5 、绝缘层6 、后盖板 图2 2 夹心式压电换能器结构 f i g 2 2 s t m c t l l r eo fs a n d w i c h e dp i e z o e l e c t r i cn ? 觚s d u c e r 这种结构的换能器具有如下优点： ( 1 ) 机电转换效率高，一般可达到8 0 左右。 ( 2 ) 制作简单方便，并可以加工成各种各样形状，如圆盘、圆环、圆筒、圆柱、 矩形以及球形等。 ( 3 ) 压电陶瓷片的数目和连接方式都有选择的余地，通过改变成分可以得到具有 各种不同性能的超声换能器，如发射型、接收型以及收发两用型等。重要的是能在较宽 的阻抗及频率范围内构造所需的换能器。 ( 4 ) 造价低廉，性能较稳定，易于大规模推广应用。 大连理工大学硕士学位论文 2 4 变幅杆的选择 在超声波的应用中，换能器端面上的振幅很小( 0 0 0 1 o 0 1 m m ) ，这样的振幅对于用 于超声近场悬浮产生的悬浮力太小不足以悬浮起物片。变幅杆作为振幅扩大装置，应该 在一定的频率下，为工具端面提供最大的振幅，以提高超声波产生的悬浮力。目前，在 实际中常见的变幅杆类型有：指数形、悬链线形、阶梯形和圆锥形变幅杆。此外，为了改 善变幅杆的某些性能，如提高形状因数，增加放大系数等，还研究出各种复合型变幅杆 【1 8 】 o 2 4 1 变幅杆设计步骤 根据工作频率及变幅杆的一般步骤如下【1 9 】【2 0 】【2 1 1 。 ( 1 ) 确定工作频率及变幅杆输出端的最大位移振幅己。 ( 2 ) 选择变幅杆制造材料，一般为钢或者铝。 ( 3 ) 依据选择的材料和声速及疲劳强度来估计所需的形状因数缈。 ( 4 ) 根据换能器辐射面所能得到的位移振幅舌来估算总放大系数m r ，换能器辐射 面的振速主要取决于输入换能器的电功率和效率以及散热情况，一般情况下不易超过 1 2 5 c n 以( 相当于在2 0 l ( h z 时位移振幅为1 0 “m ) 。 ( 5 ) 根据所需要的放大系数m 和所要求的形状因数矽值来选择变幅杆类型及确定 变幅杆输入端( 一般为大端) 和输出端的直径或者面积比。但应注意输入端的直径不能选 取过大，否则变幅杆的横向振动就不能忽略。 ( 6 ) 如果单变幅杆不能满足总放大系数，就需要两节变幅杆。 2 4 2 阶梯型变幅杆设计理论 单级变幅杆一般的设计方法，是按单级变幅杆的形状函数，解其相应的振动方程。 利用边界条件确定其方程中的待定系数，导出该变幅杆的频率方程，求出振幅放大系数、 节面位置、形状因数等参数。 对由若干级变幅杆组合而成的复合变幅杆，利用变截面杆纵振波动方程，将各级变 幅杆的面积函数代入，并利用边界条件确定出方程中的待定系数，可导出该复合杆的频 率方程等各性能参量的解析表达【2 2 1 。 变截面杆纵振动的波动方程为： 篓+ ! 箜丝+ 后2 亭= o( 2 1 ) 超声悬浮夹具的基础性研究 式中孝为纵振位移，s 为位置x 处的横截面大小，后= ，c = ( e p ) 2 为杆中纵振波速， e 、p 为材料的杨氏模量和密度。以宽端接有圆柱杆的复合悬链线形变变幅杆为例： f i v i l l o 盹 一工 v 2 图2 3 宽端接有圆柱杆的复合悬链线形变幅杆 f i g 2 3c y l i n d r i c a lr o dc o n n e c t e dw i t ht h ec o m p o s i t ec h a i n s h a p e dh o m 冥边界条件为： x 一。：孝：磊，：譬，芒：o x ：一：孝：岛，六：譬，芸：o ( 2 2 ) 在端面z = o 处两段杆的位移和应力是连续的( 假设两段材料是一样的) ： x = 0 ：卣：乞，s l e 芸：s 2 e 芒 ( 2 3 ) 由方程( 2 1 ) 解得直圆柱和悬链线形杆的位移，代入( 2 2 ) ( 2 3 ) 式，就可以得 到该复合杆的频率方程。 2 5 超声系统选择 试验采用s b - 2 0 一1 型焊接机的超声发生器和换能器。它的超声发生器采用晶体管数 字( 开关) 放大器，如图2 4 所示。图2 5 是夹心式压电换能器和变幅杆部分。 人连理t 夫学硕士学位论文 图24 超卢波发生器 f 罾24 u i f 肼o n i cg e “e r m o r 图25 超声换能器和变幅杆部分 2 5u l o n l c t 啪s d u 甜柚d h o m 鼍 一葡器盛 ； 。t 超声悬浮夹具的基础性研究 3 超声波近场悬浮高度的测量 3 1 引言 目前，超声波悬浮成为近年来国内外专家的研究热点之一。超声波悬浮分为驻波悬 浮与近场悬浮两种，其中对驻波悬浮的研究取得了显著成就。近场悬浮理论没有完全成 熟，利用其构造悬浮输送装置还处于实验室阶段。 片状物体可以被悬浮在声源上方一个微小高度，这个现象被称为近场声悬浮。物体 被悬浮的高度对研究近场悬浮理论来说意义重大。由于悬浮高度具有动态和微小的特 点，测量其高度有一定难度。一些文献提出了解决方法，比如利用激光位移传感器法、 电阻测量法等。但是，激光位移传感器法由于测量系统复杂，测量仪器昂贵，不适合一 般科研院所和个人研究使用。电阻测量法由于搭建的电路系统不易稳定，应用并不广泛。 介绍一种用激光衍射测量微小悬浮高度的方法。通过自行搭建的测量系统，对超声 波近场悬浮能力进行了定量的分析。实验结果表明，此种方法实现了非接触地测量动态 微小悬浮高度，方便易用，精确度高。 3 2 激光三角法 近年来随着电子学和光学技术的飞速发展，光电检测己经成为非接触测量的一种主 要技术方法。激光三角法( l a s e rt r i a n g u l a t i o n ) 是光电检测技术的一种，由于该方法具有 结构简单、体积小、高分辨率、测量对象广、受环境声场影响小、工作距离大、测量准 确度高并可在线实时测量等优点，因此在工业中的微小长度、距离以及三维形貌等测量 中有着广泛的应用【2 引。 激光三角位移测量法的基本原理是由激光源发出一束激光照射在被测物体表面上， 通过反射最后成像在检测器件上，当物体表面的位置发生改变时，其反射光束所生成的