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1、word本科毕业论文(2015届)题目超声变幅杆与其性能参数测试平台设计学院机械工程学院专业机械设计制造与其自动化班级学号学生某某指导教师完成日期2015年5月诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文超声变幅杆与其性能参数测试平台设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉与其他作者的观点和材料，均作了注释，假设有不实，后果由本人承担。承诺人(签名)： 年 月 日摘要本文从的变幅杆大小端直径、工作频率和材料出发，对超声加工系统中的变幅杆进展了研究。本文主要包括以下研究内容：1. 根据已有的变幅杆大小端直径，通过波动方程理论，完成对阶梯型、指数形、圆锥形三种变幅杆的外形设计计算。2. 利用有限元方法
2、，借助有限元软件ANSYS对设计出的三种变幅杆进展动力学分析。先在SolidWorks中建立三种变幅杆的三维模型，再导入ANSYS中进展模态分析和谐响应分析。模态分析是指在规定超声波发生器所产生的振动的频率X围内，测定出变幅杆的各个固有频率。谐响应分析是指确定变幅杆的一个固有频率，并在变幅杆的一个固定断面施加一个正弦规律的振动，再测定变幅杆的自由端的振动变化。通过比拟自由端和固定端的振幅大小变化，求出所设计的变幅杆的振幅放大比。3. 搭建实验测定平台。搭建了单独测定变幅杆放大系数的实验平台，还搭建了测定超声振动系统性能的实验平台，并对已有的变幅杆加以实验测定。通过阻抗分析仪、激光位移传感器等得
3、到谐振频率、放大系数的实际测量数据，并判定了已有的超声振动系统的性能。关键词：超声变幅杆；有限元；模态分析；谐响应分析；实验平台ABSTRACTStarting from the known diameters of both ends of ultrasonic horn, the working frequency and the material, the horn with the ultrasonic processing system were studied.This paper mainly includes the following contents:1. Accordin
4、g to the diameters of both ends of ultrasonic, and by the theory of wave equation, plete the size calculation of tapered, exponential and stepped ultrasonic horn.2. Using the finite element method, plete the dynamics analysis of three horn by the finite element software ANSYS. First, we should set u
5、p 3D models of three horn in SolidWorks, and then import 3D models to ANSYS for modal analysis and harmonic response analysis. Modal analysis is in accordance with the ultrasonic generator vibration frequency range and determine each natural frequency of the horn. Harmonic response analysis is in th
6、e determined natural frequency of a horn, and the horn of a fixed section applied a sinusoidal vibration, to determine the vibration change of the free end of the horn. By paring the amplitude change of the free end and the fixed to get the amplification ratio of the designed horn.3. Set up the expe
7、rimentaltest platform.The experimental platform of measuring the amplification coefficient of variable amplitude rod is established, and then the experimental platform of measuring the ultrasonic vibration system performance is established, and the existing variable amplitude rod was measured experi
8、mentally. The actual measurement data of the resonant frequency and the amplification coefficient are obtained by the impedance analyzer and laser displacement sensor, and the performance of the ultrasonic vibration system is determined.Keywords: ultrasonic horn；finite element；modal analysis；harmoni
9、c response analysis；experimental platform目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 国内外研究开展历程1第二章 超声波加工概述42.1 超声波的特点42.2 超声加工的根本原理57第三章 变幅杆的设计83.1 变幅杆设计理论83.1.1 变幅杆设计概述83.1.2 变截面纵振动的波动方程83.2 指数形变幅杆的理论计算103.2.1 指数形变幅杆频率方程和谐振长度113.2.2 指数形变幅杆的位移节点113.2.3 指数形变幅杆的放大系数123.2.4 指数形变幅杆的计算123.3 圆锥形变幅杆的理论计算123.3.1 圆锥形变幅杆的频率方程和谐振长度1
10、33.3.2 圆锥形变幅杆的位移节点143.3.3 圆锥形变幅杆的放大系数143.3.4 圆锥形变幅杆的计算143.4 阶梯形变幅杆的理论计算143.4.1 阶梯形变幅杆的位移节点153.4.2 阶梯形变幅杆的放大系数163.4.3 阶梯形变幅杆的计算16第四章 运用ANSYS对变幅杆的动力学分析174.1 有限元方法简介174.2 有限元方法动力学分析的理论根底184.2.1 模态分析的力学根底184.2.2 谐响应分析的力学根底194.3 变幅杆的动力学分析214.3.1 变幅杆模型的建立214.3.2 变幅杆网格的划分224.3.3 变幅杆的模态分析244.3.4 变幅杆的谐响应分析25
11、第五章 变幅杆性能参数测试实验平台的搭建305.1 实验目的305.2 实验设备305.2.1 压电式加速度传感器305.2.2 电荷放大器325.2.3 示波器335.3 实验测试系统的搭建33第六章 超声振动系统实验平台的搭建356.1 实验简介356.2 主要实验设备356.2.1 激光位移传感器356.2.2 阻抗分析仪366.3 实验测试系统的建立366.4 实验测试过程与结果分析37第七章 总结与展望407.1 总结407.2 展望40致谢42参考文献43 / 第一章 绪论1.1 引言超声波加工是一种近十几年来新兴的加工技术，目前已经在很多工业中得到了应用。超声波振动的使用在生产和
12、生活中越来越多，例如在在生活中的超声波清洗，还有生产中的超声波焊接等方面。且已经证明了超声波振动在其他很多行业中有诸多优点。这些行业包括汽车、食品加工、医疗、纺织等。通过超声加工，以达到产品性能的显著提升和质量的改良。超声振动的能量在加工中是通过两种不同的方法实现的。超声波加工，这种方法是基于材料去除的磨料原理。是用被连接在超声变幅杆末端的被制成准确外形的刀具对工件进展研磨。基于超声波辅助加工的传统加工技术。本文主要探讨的是关于第一种方法，即超声波加工方法。超声波加工所应用的加工的材料和X围十分广阔，特别适合于加工一些难加工或是需要高精度的材料，例如含碳量高的合金钢等。反复的高频振动冲击模式带
13、来了一些独特的性能并被改良成金属切削工艺1，其中工件和刀具之间的相互作用被看成是一个微振动的过程。在超声波加工系统中，换能器是产生振动的，但是它产生的振动的振幅一般非常小，大约只有，这种程度的振幅对于加工工件的磨料驱动是远远不够的2。在这种情况下，就需要一个部件能够放大换能器产生的振幅，这个零件就是变幅杆，它能有效地放大振幅。在目前的生产和研究中中，设计比拟简单和常见的有：指数形，阶梯形还有圆锥形形状的变幅杆。除此之外，为了得到各种不同形状变幅杆的优点，回避其缺点，以提高形状因数，增大放大系数，在实际的生产应用中会使用各种各样的复合型变幅杆，所谓的复合型变幅杆，实际上就是由两种或以上的普通变幅
14、杆连接组合形成的。由于此次课题暂不涉与到复合型变幅杆，便不多赘述。下文对三种单一的变幅杆做详细的计算分析和研究。在研究过程中，还有对上述三种变幅杆的动力学分析局部，主要是模态分析还有谐响应分析。动力学的分析运用了有限元分析法，运用的软件是ANSYS。此外还设计搭建了测试变幅杆放大系数的实验测试平台，对现有的变幅杆进展了实验测试，以论证实验平台的可行性。本文的主要目的是对超声变幅杆动力学特性所需的外形与几何尺寸的选择提出普遍适用的结论。1.2 国内外研究开展历程超声学有很多不同的研究方向，超声波加工技术就是这许多研究方向的其中之一，其开展迅速，发挥着重大作用。伴随着超声学的开展，超声加工的应用X
15、围越来越广，而也正是超声加工的开展，反过来也推动了超声学的进步。19世纪二三十年代，超声波加工实验首次开始进展，当时是由美国的一些物理学家参与研究。在那时，玻璃制品的加工还是非常苦难，所以超声波加工实验的对象就是玻璃。那时还没有涉与到超声变幅杆这个概念，这个概念是1945年左右提出的。最开始，变幅杆的类型是纵指数形的，其目的是为了放大超声波的功率。后来，发现单一指数形形状的变幅杆不适合用于所有的生产情况中，在这个前提下，悬链形和复合型被提了出来，并运用到了实践中。对于变幅杆的外形形状在此之前一直没有一个参数加以描述，直到形状因数这个概念被提出，有了这个参数概念，变幅杆的设计理论更加趋于成熟，沿杆方向分布更均匀的高斯形变幅杆被发明了出来，以此获得了高位移的振幅。还有一个超声加工中非常重要的零件在这时被提了出来：振动方向变换器。基于此零件，大功率超声获得的途径有了更多的选择。在此根底上，另一种结构也被提了出来：夹心弯曲换能器。此后，变幅杆的开展突飞猛进，特别是在日本，在这一领域有了很多新的先进的发明，这些发明进一步推动了变幅杆的开展。随着变幅杆领域的快速开展，弯曲振动形的还有扭转振动形的都在工业应用中得到了很好的利用。除了以上所提到的常规形状的变幅杆，在一些
