（机械工程专业论文）超声波粉体输送装置的研究.pdf

南京航空航天大学博士后研究报告 摘要 超声波粉体输送装置是从超声屯机延伸出来的一种全新概念的粉体输送装 置，它利用压电振动在细管管壁上产生的超声频域内的衰减行波来输送粉体， 因此被称为超声波粉体输送装置。由于它具有输送速率小、结构简单、响应 快、易控制等特点，特别适合于少量或微量粉体的精确定量输送，是化工、精 密陶瓷、制药、食品等工业领域迫切需要的一种新型粉体输送装置，具有广泛 的应用前景。 本报告针对径向伸缩型超声波粉体输送装置的结构、输送机理、环形压电 陶瓷片和细管的振动与响应、称量与控制技术等问题进行了较为深入的理论分 析和实验研究。l 主要内容包括： 1 简述了超声波粉体输送装置的产生及研究现状，指出了目前存在的主要 问题和今后的研究方向： 2 介绍r 设计、制作的原理样机的结构，分析了超声波粉体输送装置的输 送机理，阐述了超声波粉体输送装置的特点、分类及应用： ：j 对关键部件环形压电陶瓷片和细管的振动和响应进行数值解析，并 对解析结果进行了分析和讨论，验证了输送机理分析的正确性： 4 设计、构建r 包括原理样机在内的自动称量与控制系统，并对称量和控 制系统的各组成部分进行了分析和讨论； 5 对超声波粉体输送装置的输送速率进行r 实验研究，并分析和讨论了儿 个主要因素对输送速率的影响。 关键词： ，i i 电陶瓷、衰减行波、粉体输送、粉体称量、自动控制 一 一_一 南京航空航天大学博士后研究报告 a b s t r a c t u l t r a s o n i cp o w d e r - f e e d i n gd e v i c ef e e d sp o w d e r su s i n gt h el o s s yt r a v e l i n gw a v e s g e n e r a t e db yu l t r a s o n i cv i b r a t i o no nt h ew a l lo fa t h i np i p ei tp o s s e s s e st h ef o l l o w f e a t u r e s ：l o wf e e d i n gr a t e ，s i m p l es t r u c t u r e ，a n dc o m p a c t n e s si ns i z e ，h i g h s p e e d r e s p o n s e ，e a s yt oc o n t r o la n ds oo nb e c a u s eo ft h es u p e rf e a t u r e s ，t h ed e v i c ei sv e r y s u i t a b l ef o rt h ep r e c i s ef e e d i n go fs m a l lq u a n t i t yo fp o w d e r s ，a n du r g e n t l yn e e d e di n t h ei n d u s t r i a lf i e l d s ，s u c ha sc h e m i c a l ，p h a r m a c ya n df o o di n d u s t r y t h i sr e p o r tm a i n l yc o n c e n t r a t e so nt h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so i t h es t r u c t u r e s ，o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e s ，a u t o m a t i cw e i g h i n ga n dc o n t r o lt e c h n i q u e so f t h eu l t r a s o n i cp o w d e r - f e e d i n gd e v i c e ，a n dt h ev i b r a t i o n so f t h ec e r a m i c sa n dt h i np i p e t h em a i nw o r k si nt h i sr e p o r tc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) t h eh i s t o r i e s ，p r e s e n tr e s e a r c hs t a t u so f t h eu l t r a s o n i cp o w d e r - f e e d i n gd e v i c e a r er e v i e w e d t h ed i f f i c u l t i e si nt h ed e v e l o p m e n to ft h eu l t r a s o n i cp o w d e r - f e e d i n g d e v i c ea r ea n a l y z e da n dp o i n t e do u t 2 ) a nu l t r a s o n i cp o w d e r f e e d i n gd e v i c ei sd e s i g n e da n dm a d et h es t r u c t u r e ， p o w d e rf e e d i n gp r i n c i p l e s ，f e a t u r e s ，c l a s s ，a n da p p l i c a t i o n so ft h eu l t r a s o n i cp o w d e r - f e e d i n gd e v i c ea r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d 3 ) t h ev i b r a t i o n sa n dr e s p o n s e so f t h ec e r a m i c sa n dt h i np i p ea l ec o m p u t e d ，a n d t h er e s u l t sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d 4 ) a na u t o m a t i cp o w d e rw e i g h i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n db u i l t ，t h e w e i g h i n ga n dc o n t r o lt e c h n i q u e sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e dt h ea u t o m a t i cp o w d e r w e i g h i n ga n dc o n t r o ls y s t e ms a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t so ft h ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so n t h eu l t r a s o n i cp o w d e r f e e d i n gd e v i c e 5 ) t h ep o w d e r f e e d i n gr a t e so ft h eu l t r a s o n i cp o w d e r f e e d i n gd e v i c ea r et e s t u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h ei n f l u e n c e sb yt h em a i nf a c t o r sa l e a n a l y z e da n d d i s c u s s e d k e y w o r d s ：p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s ，l o s s yt r a v e l i n gw a v e s ，p o w d e r f e e d i n g ， p o w d e r - w e i g h i n g ，a u t o m a t i cc o n t r o l n 南京航空航天大学博士后研究报告 1 1 项目来源 第l 章绪论 本研究为南京航空航天大学江苏省超声电机工程研究中心自选项目，后得 到留学回国人员科研启动基金的部分资助。 1 2 历史、现状及意义 超声波粉体输送装置是从超声电机技术“，”延伸出来的一种全新概念的粉体 输送装置。它利用压电陶瓷的逆压电效应【5 。1 将交变电场的电能转换为压电陶瓷 在超声频域内的振动，再通过压电超声振动在细管管壁上激励出衰减行波旧1 。 由于衰减行波的存在，使得细管内壁上的各质点做微观椭圆运动阳j ，而椭圆运 动的微小位又移通过摩擦力推动了粉体在细管内移动。由于超声波粉体输送装 锭的t 作频率处于超声频域内，所以被称为超声波粉体输送装置。 传统的粉体输送装置，如螺旋式、带式、振动床式、气力式等广泛用于化 t 、食品、制药、粉末冶金等工业领域”“。由于受结构和输送机理的限制， 这些装置的结构复杂且庞大，输送速率非常之火，无法实现少量或微量粉体的 输送。另一方面，在上述工业领域和实验室内，少量或微量粉体物料的输送、 称量、分装、添加等操作非常频繁，目前还依靠手_ 丁操作。 f 于超声波粉体输送装置具有结构简单、尺、j 小，输送速率小、易控制等 优点，非常适合于少量或微量粉体物料的精确定量输送，是上述工业领域和现 代实验帑t f ，所迫切需要的一种新型粉体输送装置。 说到超声波粉体输送装置的诞生，还需提到超声电机的历史，因为超声波 粉体输送装置也同样离不开“椭圆运动理论”的指导。早在2 0 世纪7 0 年代 超声波粉体输送装置的研究 初，s i e m e n s 和m a t s u s h i t a 等跨国公司就研制出了超声电机的雏形，由于当时 的压电材料，以及设计、制造水平等因素的限制，未能达到具有应用价值的性 能。直到8 0 年代初，日本的指田年生才先后成功地研制出柱波型和行波型超声 电机，并提出了划时代意义的椭圆运动理论。 椭圆运动理论不仅从根本上解释了，超声电机的工作原理，为各种超声电机 的出现提供了契机，极大地丰富了超声电机的设计理论，也为发明超声波粉体 输送装置带来了灵感。 据已掌握的研究资料，自1 9 9 1 年起，日本山形大学的高野刚浩等人就以其 研究超声电机的经验。成功地利用细管管壁上的衰减行波输送了粉体金刚砂。 高野等人制作了多种形式的实验样机，并发表了数篇研究报告”2 。，开创了超 声波粉体输送装置研究的先河。同时，日本企业界也积极参与超声波粉体输送 装簧、以及自动称量和控制的研究。目前在仁l 本市场上已有少量实用机型出 现。 超声波粉体输送装置的结构不对称性、输送对象的特殊性，工作部件振动 模态、细管内壁与粉体的接触状态、行波形成与传递的不确定性，以及粉体的 移动过程，能量消耗过程等的复杂性都超过了超声电机，且影响工作性能的粥 素也多于超声电机，使得输送机理和输送过程更难以用数学语言来描述。 高野刚浩等人的研究论文也更侧重于对装置结构的介绍和实验结果的发 表，在理论研究方面，还停留在用超声电机驱动理论来解释粉体输送机理的阶 段，还未能从理论上分析超声波粉体输送装置的结构参数、操作参数、输送对 象的物性参数、以及环境参数对输送能力和功耗等指标的影响，也未能推导出 炎于输送速率和能量消耗的理论模型。 在国内，还未见其它样机出现，也未见有关的研究论文或成果公开发表。 2 南京航空航天大学博士后研究报告 可以认为，国外对超声波粉体输送装置的理论、实验以及应用研究还在较 底水平上徘徊，丽在国内则是一片空白。因此，在国内开展超声波粉体输送装 置的研究，不仅具有实际应用意义，同时还具有一定的理论意义。 1 3 目前存在的主要问题 超声波粉体输送装置是涉及压电学、材料学、振动和波动理论、粉体力 学、摩擦学、电力、电子、实验与测试技术、自动控制理论、计算力学等多学 科领域的复杂系统，理论和实验研究的难度和工作量都非常大。目前还存在以 下一些主要问题有待解决： 1 ) 对压电陶瓷片的振动模态、细管的振动模态和波动进行深入的理论分析 和研究。为结构的优化、称量和控制系统的设计提供理论依据： 2 1 根据振动和波动理论、散粒体力学以及摩擦学理论，深入分析输送机 理、建立输送能力及能量消耗的理论模型，并根据实验研究的结果，验证或修 正上述理论模型； 3 ) 通过理论和实验研究，弄清驱动电压和频率等操作参数、粉体物性、口i 电陶瓷片和细管的结构参数、以及细管材料和内壁表面特性等主要因素对粉体 输送特性的影响规律； 4 ) 为超声波粉体输送装露研发可以连续工作的、高精度的称量装置，实现 少量或微量粉体的连续自动化精确称量： 5 ) 研发包括驱动电源和温度补偿电路在内的，实现对输送量和输送速率进 行精确控制的、一体化的控制系统： 6 ) 根据相关工业领域的需求，开展超声波粉体输送装置的应用研究。 超声波粉体输送装置的研究 1 4 本研究的主要目标 1 ) 参考日本有关资料，制作超声波粉体输送装置的原理样机，通过观察实 验，定性地弄清其输送机理： 2 1 利用振动与波动理论对关键部件进行理论分析或数值解析进一步弄清 输送机理以及产生输送能力的条件； 3 ) 设计、构建包括驱动电源在内的自动称量与控制系统，为理论研究、实 验研究、以及应用研究提供必要的条件： 4 ) 对超声波粉体输送装置进行实验研究，基本弄清各主要因素对输送性能 的影响规律。 1 5 本研究的主要内容 本研究针对超声波粉体输送装置的结构、输送机理、自动称量与控制技 术、以及影响输送能力的几个因素等问题，开展了以下几个方面的研究工作， 主要内容包括： 第l 章绪论 简要介绍了超声波粉体输送装爱的产生、国内外研究和应用的现状、以及 本研究的意义，指出了超声波粉体输送装置研究中存在的一些主要问题，并提 d 了本研究的工作目标。 第2 章超声波粉体输送装置的结构与输送机理 自行设计、制作r 一台径向伸缩型超声波粉体输送装置的原理样机，以原 理样机为例，介绍并阐述了超声波粉体输送装置的结构和输送机理，并对超声 波粉体输送装置的和特点、分类、以及应用进行了分析和探讨。 4 南京航空航天大学博士后研究报告 第3 章关键部件振动与响应的数值解析： 对环形压电陶瓷片、细管的振动和响应进行有限元数值解析，并对解析结 果进行了分析和讨论，证明了本研究对输送机理分析的正确性。 第4 章自动称量与控制技术 根据超声波粉体输送装置的结构、工作原理、以及初步实验的结果，设 计、构建了一自动称量与控制系统，该系统不仅满足了研究工作的需要，也为 超声波粉体输送装置的未来应用打下了基础。 第5 章超声波粉体输送装置的实验研究： 利用自行构建的自动称量与控制系统，对原理样机的输送速率进行了实验 研究，根据实验结果对包括粉体物性、结构参数、以及操作参数在内的若干i i 要因素对输送性能的影响进行了分析和讨论。 第6 章全文总结 总结本研究的主要贡献和不足，对今后的研究进行展望。 5 超声波粉体输送装置的研究 本章主要参考文献 1 赵淳生，超声马达的发展与应用，测控技术，1 9 9 6 ( 1 ) 2 指田年生，超声电机的试制( 日) ，应用物理，1 9 8 2 ( 5 1 ) 3 陈永校、郭吉丰编著，超声波马达，浙江大学出版社，1 9 9 4 4 胡伟、赵淳生，直线型超声马达的研究，振动、测试与诊断，1 9 9 6 ( 3 ) 5 张福学、孙康主编，压电学( 上) ，国防工业出版社，1 9 8 4 9 6 张福学、孙康主编，压电学( 下) ，国防工业出版社，1 9 8 4 9 7 b 贾菲等著，林声和译，压电陶瓷，科学出版社，1 9 7 9 8 富j i i 义朗著，超声波电子学振动论( 日) ，东京：朝仓书店， 1 9 9 8 9 上羽贞行、富川义朗合著，杨志刚，郑学伦译，超声波马达理论与应 用，上海科技出版社，1 9 9 8 1 2 1 0 虞和谦主编，机械工程手册( 第：二版) 物料搬运设备卷，机械工业出版 社，1 9 9 7 1i 屈维德主编，机械振动手册，机械工业出版社，1 9 9 2 f1 2 t a k e h i r ot a k a n oa n dy o s h ir ot o m i k a w a ，c h a r a c t e r is t i c s0 1 、a i o w d e rs u p p l y i n gd e v i c eu s i n gf i e x u r a lp r o g r e s s i v ew a v e si na l o s s y u 1 t r a s o n j ct r a n s m i s s i 0 1 3l i l l ( 3 w o r ld c o n g r e s s o n u l t r s s o n i c s 2 4 2 7a u g u s t1 9 9 7 ，y o k o h a m a 6 南京航空航天大学博士后研究报告 1 3 t a k e h i r ot a k a n oa n dy o s h i r ot o m i k a w a e x c i t a t i o n o fa p r o g r e s s i v ew a v ei n a l o s s yu l t r a s o n i ct r a n s m i s s i o i l1 i l i ea n d a n a p p li c a t i o nt o ap o w d e r f e e d i n gd e v i c e ，s m a r ts t r u c t ， 7 ( 1 9 9 8 ) p r i n t e di nu k 1 4 高野刚浩、浦桥稀等，粉体移送窖目的el 亡金属制， f7o 衰减屈曲 进行波。发生，日本音响学会讲演论文集，1 9 9 9 9 1 5 高野刚浩、富川义朗，衰减寸- 5 屈曲进行波利用l 亡粉体移送尹，_ 天，日本音响学会秋季论文集，1 9 9 8 9 1 6 高野剐浩、富川义朗，屈曲行进波利用寸6 粉体搬送尹，_ 工粉体流 量七，廿，日本机械学会 n o 9 9 8 v s t e c h ，振动一音响新技术，二，水y 厶讲演论论文集，1 9 9 9 6 ，广岛 17 高野刚浩、富川义朗，进行波利用寸6 粉体移送尹， 廿，日本机械学会 n o 9 9 8 v s t e c h ，振动一音响新技术， 求矿 厶厶厶讲演论论文集，1 9 9 9 6 ，日本广岛 4 高野刚浩、富川义朗，进行波利用于5 粉体移送于， _ 工进行波e 同方向一。粉体力移送，日本音响学会论文集，平成8 年9 月 5 b 贾菲等著，林声和译，压电陶瓷，科学出版社，1 9 7 9 6 屈维德主编，机械振动手册，机械工业出版社，1 9 9 2 7 富川义朗超声波电子学振动论( 日) 东京：朝仓书店，1 9 9 8 【8 上羽贞行、富川义朗合著，杨志刚，郑学伦译，超声波马达理论与应 用，上二海科技出版社，1 9 9 7 9 陈永校、郭吉丰编著，超声波马达浙江大学出版社，1 9 9 4 1 0 高野刚浩、浦桥稀等，粉体移送它目的七l 亡金属制， l7o 衰减届曲 进行波。发生，日本音响学会讲演论文集，1 9 9 9 9 1 5 超声波粉体输送装置的研究 第3 章关键部件振动与响应的数值解析 3 1 引言 环形压电陶瓷片和细管是超声波粉体输送装簧的关键部件，关于环形压电 陶瓷片面内振动的( 3 1 ) 模态，有关资料曾经进行j ，较为深入数值解析和实验研 究“1 。但是，对环形压电陶瓷片( r ，1 ) 模态的振动与响应的研究还比较少，至于 细管管壁行波的形成、椭圆运动的产生以及输送机理等问题也还停留在定性解 释的阶段。 奉章在合理假设的条件下，利用l 、s y s 有限元软件“。对原理样机所用的环 形压电陶瓷片和细管进行r 模态解析和响应解析，并根据对压电陶瓷片扫频实 验的结果、以及有关资料的实验结果4 ：对数值解析进行r 直接或间接的验证。 i l e 明了压电陶瓷片( r ，1 ) 振动模态、以及细管管壁【：衰减行波的存在，也证明了 本报告对输送机理分析的正确性。 3 2 环形压电陶瓷片的振动解析 l j 三如本报告第l 章分析超声波粉体输送装置的输送机理时所指出的，是版 电陶瓷片的径向振动激励细管产生了径向伸缩的超声振动行波。而要考察输送 部件的振动和波动情况，首先必须对环形n j 电陶瓷l 的振动和响应进行研究， 以确认环形眼电陶瓷片( r ，1 ) 振动模态的存在，并求解其共振频率和内壁振动变 形的幅值。 j i 电振动解析足典型的机电耦合场计算，涉及剑电能和机械能的相q ：转 换。对其振动进行解析须将弹性方程和压电方程联瓿，才能得到精确的理论解 析解。但是，由于实际结构、约束、边界条件、以及激励方式一般都比较复 杂，使得求解过稃极为繁琐、复杂，且往往得不到令人满意的解析解”。 1 6 南京航空航天大学博士后研究报告 通常，对结构、形状以及边界条件比较简单的压电元件或压电振子的振动 可采用理论法求解，对较为复杂的结构可采用m a s o n 等效电路法求解，但这两 种方法只能求得共振频率，得不到在某共振频率下的振型。 随着计算机、以及计算技术的发展，出现了若干种功能全、性能好、对话 功能好的振动分析软件，这使得振动分析变得更快速、更简单、更直观，更适 合复杂结构和耦合场i9 ”1 的数值解析。 图3 一l 压电陶瓷片的解析模型、边界条件及单元划分 3 2 1 压电陶瓷片的模态解析 为简化计算，在建立环形压电陶瓷片的解析模型时，进行r 如下简化与假 ( 1 ) 忽略压电陶瓷片内环与细管外譬之m 的静态和动态作羽力 ( 2 ) 忽略压电陶瓷片内环与细管外擘接触的f i 均匀性 ( ： ) 忽略安装压板对压电陶瓷片施加的轴向倾紧力的影响。 超声波粉体输送装置的研究 图3 1 为压电陶瓷片的有限元数值解析模型、边界条件以及单元划分的示 意图。环形压电陶瓷片( 产地：南京化工大学) 的材料为p z t 4 型，其电学与力学 性能参数a n s y s 软件中的例题。 机械边界为环形压电陶瓷片的两端面和内外圆自由；模态解析的电学边界 为一端电极接地，一端施加1 0 0 v 的恒定电压：响应解析时，施加幅值为1 0 0 v 的正弦交变电压。 压电陶瓷片的外径3 2 m m ，内径1 l m ，厚度2 m m 。划分单元类型为s o l i d i ， 单元数2 8 8 ，节点数9 0 0 。采用直接耦合法和b 1 0 c kl a f l c z o s 模态提取法，频率 搜索范围为4 0 8 0 k h z ，扩展模态数为4 0 个。 对计算结果扩展模态的振型逐一观察、鉴别后，确认计算对象的( r ，1 ) 振动模态的共振频率为5 1 7 7 k h z 。图3 - 2 为计算得到的压电陶瓷片在( r ，1 ) ( a ) 径向缩小( b ) 径向扩张 图3 2 数值解析得到的压电陶瓷片的( r 1 ) 振动模态 模态卜的住向伸缩振动的振型。解析结果自f 明r ( r ，1 ) 共振模态的存n ：，n 对臆 的共振频率为5 1 7 7 k h z 。 1 8 南京航空航天大学博士后研究报告 3 2 2 压电陶瓷片的响应解析 在对压电陶瓷片进行模态解析的基础上，又对其进行了响应解析。并得到 了环形压电陶瓷片在共振频率4 0 8 0 k h z 范围内的响应曲线，也即压电陶瓷片内 环上任意一点径向振动的振幅与所施加的正弦交变电压频率的关系曲线。 响应解析采用a n s y s 软件的f u i1 法。如图3 1 所示，单元划分、机械边 界条件与模态解析相同。电学边界条件为一端电极接地，一端施加幅值为l o o v 的正弦交变电压。取恒定阻尼系数为0 0 1 5 ，计算频率范围为4 0 k h z 一8 0 k t z ，计 算步长为1 k t f z 。 l 2 0 4 04 85 66 4 频率( k h z ) 图3 3 压电陶瓷片径向伸缩响应解析结果 矧3 3 为计算得到的环形噩电陶瓷片的响应曲线的一例。其【 】横轴举标为 激励电压的频率，纵轴为压电陶瓷片内环j 二任意一点的径向振动的振幅。 计 算结果可知，压电陶瓷在其自然频率5 17 7 k h z 处具有最大振幅。当阻尼系数为 o0 15 时，最大振幅约为l8 x l o m 。 1 9 一f 三u 哩鞲 超声波粉体输送装置的研究 3 3 细管的振动解析 要分析和研究细管的振动和响应，最理想的作法是在圆柱坐标下推导出其 振动方程和波动方程。但是，圆筒振动问题相当复杂，至今未有普遍公认的、 统一的假定，只有为数众多的研究者从不同的角度出发，得到自己的结论。如 蚓筒薄壳就有十种以f ：的计算理论“j ，让人无所适从。 本节采h ja n s y s 有限元分析软件对细管的振动和响应进行了数值解析，验 证了细管衰减行波的存在，并得到了沿轴线方向细管内壁各点径向振动振幅的 人致数值范围。经比较，解析结果与参考资料 4 的实测值大致相吻合。 图3 - 4 细管的解析模型、边界条件及单元划分 3 3 1细管的模态解析 为简化解折计簿，力：建矗细管的解析模型时，做，如f 假设和简化 1 ) 忽略管内及料简内粉体影响 2 ) 忽略进料段影响 南京航空航天大学博士后研究报告 4 ) 忽略安装压板以及紧固螺栓的影响 5 ) 忽略细管外壁与料筒之间接触的影响。 简化后的细管解析模型、边界条件以及单元划分如图： _ 4 所示。细管各表 面均无约束，模态解析时细管j 二无任何载荷，响应解析时在细管左i 端外壁各节 点施加振幅为2 x l o “m 的正弦交变位移作为激励。细管外径为1 2 m m ，内径8 m m 长度为9 0 m m 。划分单元数5 4 0 个，单元类型s o li d 9 5 ，节点数为6 5 9 4 。 数值解析用到的有机玻璃材料性能参数见有关资料“，采用b l o c k l a n c z o s 模态提取法，搜索频率范围为5 0 h z 7 0 k h z ，扩展模态数为4 0 个。 对计算结果进行分析和甄别后，在计算频率范围内发现r 二h ) l 个径向伸 缩的芡振模态。可见，有：该频率范围内，比较容易激励 “径向伸缩振动。图3 5 是计算得到的几个径向伸缩模态的例子。 3 3 2细管的响应解析 细管响应解析的解析模型、边界条件以及单元划分与模态计算相同。计算 的频率范围4 0 8 0 k l t z ，计算步长为1 k l t z 。激励载衙为沿径向在细管左端外劂j 的各节点施加的、幅值为2 x 1 0 “m 的正弦交变位移。 在保证其它计算条件不变的情况下，改变恒定阻尼系数，得到_ 细管在频 率5 5 4 4 2 时的受迫振动的振型。如图3 - 5 所示，随着阻尼系数的增人，受迫振 动的衰减程度逐渐增加。可见，阻尼系数的增加有利于衰减行波的产生。 矧3 7 是细管在5 1 7 4 4 5 2 8 4 4 k t t z 范闱内的响应曲线。阁【 j ，横坐标为激 励频率，纵坐标为径向振动的振幅，各曲线分别距左端轴向距离分别为0 、 ： 0 、4 j 、6 0 、9 0 m m 处，细管内壁上各点的径向振动的振幅。 2 超声波粉体输送装置的研究 2 k h z 自然 3 k h z自然 1k h z自然 自然频率：5 04 8 0 k h z 自然频率：5 24 4 2 k h z自然频率：5 52 16 k h z 图3 5 细管径向伸缩振动模态数值候析结果举例 一、一一一一一一 南京航空航天大学博士后研究报告 由图3 7 可见，细管内壁各点相对激励位置的距离越大，径向伸缩振动振 幅越小。也即超声行波的强度是从出料端向进料端逐渐减弱的，这与原理样机 观察实验、以及输送机理分析相符。 ( a ) 阻尼系数= 0 0 1 ，自然频率5 54 4 2 k h z ( b ) 阻尼系数：0 0 i 5 ，自然频率5 5 4 4 2 k h z ( c ) 阻尼系数= 0 0 2 ，自然频率5 54 4 2 k h z 图3 - 6 细管径向伸缩模态的振型随阻尼变化举例 3 4 解析结果讨论 由于本中心未装备激光多普勒测振仪，使得上述计算结果还未能完全经过 实验检验，但f 列工作直接或间接地证明了解析结果的可信性。 1 ) 刖h p 3 5 6 2 a 动态信号分析仪对压f 毡陶瓷片进行扫频实验，测得其共振 点处的频率约为5 1 4 k h z 。这与数值解析结果的5 17 7 k h z 只相差o 3 7 k h z ，误 差约为o7 2 。 超声波粉体输送装置的研究 响应进行r 数值解析，得到结果与该文献中的实验结果吻合得很好。 5 1 7 5 1 95 2 15 2 35 2 55 2 75 2 ，9 频率( k h z ) 3 5 本章小结 图3 - 7 细管内壁各点的响应解析结果举例 本章利用a n s y s 数值解析软件对超声波粉体输送装爱的关键部件一环形凸 电陶瓷片和细管的振动模态及响应进行r 数值解析。 本蘸结论可归纳如1 、 1 ) 通过数值解析，证实了环形压电陶瓷片径向伸缩振动模态的存在，得到 i ( r ，模态下的共振频率为5 17 7 k h z ： 2 ) 对环形匪电陶瓷片的响应进行r 数值解析，解析结果表| j 本原理样机所 川h i 电陶瓷片内径h 任意一点的径向伸缩振动的振幅约为18 x l o m ： 南京航空航天大学博士后研究报告 模态下的振型和共振频率： 4 ) 对细管的响应进行数值解析，结果表明本原理样机所用细管内径上任意 一点的径向伸缩振动的振幅约在l x l o - 6 m 数量级。 5 ) 通过对雎电陶瓷片和细管的模态及响应的数值解析，验证r 大阻尼材料 细管管壁上衰减行波的存在，证明了输送机理分析的正确性。 超声波粉体输送装置的研究 本章主要参考文献 11 郭辉，应用面内振动模态的超声电机的研究，南京航空航天大学博十学 位论文，2 0 0 1 1 2 i1 2 美国a n s y s 公司北京办事处，a n s y s 高级技术分析指南 1 3j 美国a n s y s 公司北京办事处，a n s y s 动力学分析指南 1 4 t a k e h i r ot a k a n oa n dy o s h ir ot o m i k a w a ，c h a r a c t e r is t i c so f a p o w d e rs u p p l y i n gd e v i c eu s i n gf 1e x u r a p r o g r e s s i v ew a v e sina i , o s s y u l t r a s o n i ct r a n s l l l i s s i 0 i i ，i n e w o r l d c o n g r e s s o n 0 1l r a s o n ic s ，2 4 2 7a u g u s t1 9 9 7 ，y o k o i i a m a 1 5 张福学、孙康主编，压电学( ! j ) ，国防 二业出版社，1 9 8 4 9 1 6 张福学、孙康主编，压电学( f ) 闰防- t 业出版社，1 9 8 4 9 l l7 王衿奉、姜祖桐等，压电振动，科学出版社，】9 8 9 1 8 富川义朗，超音波- l ， 口= ，五振动论，日本，朝仓书店，1 9 9 8 2 1 】9 荚闰a n s y s 公司北京办事处，a n s y s 耦合场技术分析指南 2 ( ) 上围强主编，实用工程数值模拟技术及其在a n s y s 上的实践，西北t q p 人学出版社，2 0 0 0 4 2 1 心维德t 编，机械振动手册 m ，机械丁、啦 版社，1 9 9 2 f2 2 l ，米罗维奇著，上海交通大学理论力学教研室译，振动分析基础 海交通大学，1 9 8 2 2 6 南京航空航天大学博士后研究报告 1 9 8 3 2 2 4 古口修主编，尹传家译，振动工程大全( 下) ，机械工业出版社 1 9 8 3 2 2 j 犬久保信行著，尹传家译，机械模态分析，j 二海交通人学出版衬， 1 9 8 5 9 2 6 丁启财，固体中的非线性波，中国友谊出版公司，1 9 8 5 1 2 7 机械工程手册编委会，机械工程手册( 第二版) 第3 分册，工程材料 卷，机械工业出版社，1 9 9 6 2 7 超声波粉体输送装置的研究 4 1 引言 第4 章自动称量与控制技术 本章根据超声波粉体输送装置的输送机理、以及初步实验结果，参考超声 电机的驱动与控制技术，设计、构建了，一适合于少量或微量粉体精确定量输送 的自动称量与控制系统。虽然该系统距实际应用还有一定距离，但已在一定精 度下，初步实现了对输送量和输送速率的精确控制，满足了研究工作的需要， 也为将来的研究和应用打下了基础。 4 2 目标与实现方式 为，实现超声波粉体输送装置对少量或微量粉体物料的精确定量输送，考 虑本课题研究工作以及未来应用需要，对超声波粉体输送装置的称量与控制系 统提出j ，如f 基本控制目标： 1 ) 精确称量，即精确地输送指定质量( 或重量) 的粉体： 2 ) 匀速输送，即在较高精度下保持输送速率的稳定； 但是，以f 原因造成了超声波粉体输送装置的输送量或输送速率具有小确 定性，这就要求超声波粉体输送装置的称量和控制系统采用闭环控制方式。 这些原i i j ! j 包括： 1 ) 细管内壁与粉体颗粒问的接触状态、摩擦力人小、以及槲对滑移具，1 i 确 定性： 2 ) 粉体颗粒之间的相互作用、柏目：影响具有小确定性： 3 ) 符内以及料斗内的粉体的吸振作t l j ，使细管的振动具有小确定性： 南京航空航天大学博士后研究报告 4 ) 环境温度的变化会使共振点漂移，使输送速率发生变化： 5 ) 下落的粉体对天平托盘产生冲击力，使采样值不确定地波动： 根据对超声波粉体输送装置输送机理以及初步实验结果的分析，可以采用 如下2 种方式控制超声波粉体输送装置的输送速率： 1 ) 调压控制：在保持工作频率不变的情况卜，通过调整驱动信号的电压来 改变或控制输送速率； 2 ) 调频控制：在保持驱动信号电压不变的情况下，在共振点附近调整驱动 信号的工作频率，以改变或控制输送速率： 照片4 1 自行设计、构建的自动称量与控制系统 超声波粉体输送装置的研究 4 3 组成与原理 为实现对超声波粉体输送装置输送量和输送速率的精确控制，自行设计、 构建了一自动称量与控制系统。如照片4 - 1 所示，该自动称量与控制系统，是 由原理样机，驱动电源，电子天平，数据采集控制卡，计算机，以及数据采 集、处理与控制程序等组成的一个闭环控制系统。 图4 - 1 是自动称量与控制系统的组成与原理框图。计算机按照操作者的指 示，通过数据采集控制卡发出“开”信号，开始输送粉体：电子天平按一定时 间间碥检测输送粉体的质量，并经数据采集控制卡传至计算机；计算机根据采 集到的质量数据、以及时间参数，计算出某一时刻的输送速率，再根据计算结 果做出判断。发出“调压”或“调频”、以及“关”的控制信号。从而实现了 对输送量和输送速率的控制、是一完整的闭环控制系统。 图4 1自动称量与控制系统的结构与原理示意图 3 0 南京航空航天大学博士后研究报告 4 4 主要组成部分 4 4 1 驱动电源 为实现对超声波粉体输送装置的输送量和输送速率的精确控制，驱动电源 需要满足如f 要求： 1 ) 输出信号频率可变，以便实现输送速率的可变与控制； 2 ) 输出信号电压可变，以便考察驱动电压对输送性能的影响； 3 ) 输出信号开关响应迅速，以实现对少量或微量粉体的精确定量输送； 4 ) 具有频率自动跟踪功能，以消除共振频率漂移的影响。 本研究使用的驱动电源为南京航空航天大学研制的行波型超声电机用u m d l o o i i 型驱动电源。为使输出的驱动电压和丁作频率能够自动调整，对原有驱 动电源的电路进行了合理改动，改进后驱动电源的输出电压和信号频率，可受 计算机自动控制。关于驱动电源的原理等详细内容，可参考有关资料小“，本章 1 i 再赘述。 4 4 2 电子天平 为实现对控制目标输送量和输送速率的精确控制，茸先必须选择的是 所输送粉体质量的仪器。由于电子天平具有停点快、称量迅速、操作方便、功 能多等特点i 1 ，非常适合对超声波粉体输送装置粉体输送量的实时检测。 自动称最与控制系统采用美国双杰兄弟集团有限公司生产的t 5 0 0 犁台式f 扭 r 入、p ( i 川1 r o n i cs c a i 。e ) 。其称量范围为o - 5 0 0 9 ，称量精度为0 1 h 。如到 4 2 所示，为j ，实时获得超声波粉体输送装置输送量的质量信号，在电子天、i ， 超声波粉体输送装置的研究 的电压比较器前面，焊接引线将与质量成比例的模拟信号引出，并将该质量模 拟信号送至数据采集板。 ph 、 电子天平 图4 2 电子天平的结构框图及其质量模拟信号的获得 4 , 4 3 数据采集控制卡 数据采集控制昔是连接驱动电源、电子天平以及计算机的重要部件。电予 天平检测到的质量模拟信号传给数据采集板，经a d 转换变成数字信号传给计 锋机；也将计算机发出的、用于控制电压和频率的数字信号经d a 转换传给驱 动电源，从而实现对输送速率的控制；同时还将计算机发出的“开关”指令， 传给驱动电源，以控制原理样机的开和关。 本系统采用台湾研华工控公司生产的p c l - 8 1 8 1 。型数据采集控制 ( i c - - i a b c a r d ) 。有关数据采集板的详细内容，如原理、功能、性能指标等，可参阅 彳j 笑义献和说明# ，本章不再赘述。 3 2 南京航空航天大学博士后研究报告 4 4 4 计算机及程序 自动称量与控制系统采用i m b 兼容p c 机，用v c 语言。8 j 编制了数据采集、 处理以及控制程序。图4 - 3 是简单的定量称量程序框图的一例。如果在该程序 中添加输送速率控制模块( 如模糊控制9 模块) ，称量精度有望得到提高。 i 初始化：设置初始采样质量为 fm x = o ，设置时钟采用频率，驱动 l 电压、频率等 土 输入目标质量： m ( g ) 墨 图4 - 3 自动称量与控制程序框图举例 超声波粉体输送装置的研究 4 5 系统的精度 本报告第5 章利用该自动称量与控制系统对原理样机的输送速率进行了实 验研究。实验结果表明，自动称量与控制系统可以满足原理样机实验研究的需 要。受天平精度的影响，目前该系统的称量精度约为0 1 9 。 4 6 本章小结 1 ) 本章在分析超声波粉体输送装置的特点及初步实验结果的基础上，设 计、构建r 一自动称量与控制系统，实现了对少量或微量粉体的精确定量输 送。 2 ) 测试结果表明，该系统的称量精度可达o 1 9 ，与电子天平的称量精度相 同。虽然距实际应用还有一定距离，但已满足了对原理样机实验研究的需要。 南京航空航天大学博士后研究报告 本章主要参考文献 1 魏守水，超声马达的驱动及其控制技术，南京航空航天大学博士学位论 2 张铁民，行波型超声电机伺服控制系统的研究，南京航空航天大学博士 后研究工作报告，2 0 0 0 1 2 3 上羽贞行、富川义朗合著，杨志刚、郑学伦译，超声波马达理论与应 用，上海科技出版社，1 9 9 7 4 陈永校、郭吉丰编著，超声波马达， 浙江大学出版社，1 9 9 4 5 夏长亮、陈永校，行波类环形超声波电动机及其变频控制，电工电能新 技术，1 9 9 4 ，1 9 ( 3 ) ( 6 王树、董蜀湘、魏晓勇等，压电行波马达计算机控制系统研究，压电与 声光，1 9 9 6 ，1 8 ( 6 ) ( 7 机械工程手册编委会，机械工程手册( 第二版) ，检测、控制与仪表 卷，机械工业出版社，1 9 9 6 8 沈纪新编著，v is u a lc h 事业速成，清华大学出版社，1 9 9 6 9 刘增良主编，模糊技术与应用选编( 2 ) ，北京航空航天大学出版社 1 9 9 7 5 3 5 超声波耪体输送装置的研究 第5 章超声波粉体输送装置的实验研究 5 1 引言 本章利用自行设计的自动测试与控制系统对试制的原理样机的输送速率进 行了测试，并根据测试的结果对粉体种类、驱动电压、工作频率、细管输送段 长度、以及料筒内粉体的高度等主要影响因素对输送速率的影响规律进行了分 析、讨论。得出的结论可作为超声波粉体输送装簧、驱动电源、称量与控制系 统的设计、以及开展有关理论和实验研究的参考。 5 2 实验设备及方法 为了精确测得超声波粉体输送装置在稳定工作状态下输送粉体的质量m 和 对应的时间t ，进而求得输送速率q ，控制、调整工作或频率电压，以及实现超 声波粉体输送装置的的迅即开和关，本实验使用了自行开发的由原理样机、 驱动电源、电子天平、数据采集控制卡、计算机、以及自编软件构成的自动称 最与控制系统( 见照片4 - 1 ) 。 输送速率q 是衡量超声波粉体输送装置输送能力的重要指标，通常被定义 为在稳定工作状态下，单位时间内所输送的粉体的质量【1 _ “。由于影响输送速率 的因素比较多，本研究在保持进料段长度l 为6 c m 的情况下，只考虑r5 个 要因素即：粉体种类( 含粒度) 、工作电压u 、工作频率f w 、输