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安裝有許多對角裂縫零件的一維縱扭振動(dòng)轉(zhuǎn)換器
Jiromaru Tsujino*, Tetsugi Ueoka, Kenichi Otoda, Atsushi Fujimi
Faculty of Engineering, Kanagawa University, Yokohama 221-8686, Japan
摘要：為了提高一維縱扭振動(dòng)轉(zhuǎn)換器可得到的振動(dòng)速度，對旨在減少振動(dòng)節(jié)點(diǎn)部分的最大振動(dòng)應(yīng)力水平并且要避免安裝在轉(zhuǎn)換器的縱向節(jié)點(diǎn)位置的帶有許多裂縫的零件的新型的復(fù)雜振動(dòng)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了研究。轉(zhuǎn)換器的自由端以橢圓或圓形軌跡振動(dòng)。帶有從橢圓形到圓形或者從長方形到正方形軌跡的復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)可有效應(yīng)用于需要大功率的場合，包括金屬或者塑料的超聲波焊接，超聲波焊線的集成電路，大規(guī)模集成電路和裝置和超聲波馬達(dá)。安裝有許多帶裂縫部件的轉(zhuǎn)換器比只安裝一個(gè)帶有裂縫零件的轉(zhuǎn)換器在振動(dòng)應(yīng)力水平和品質(zhì)因數(shù)方面會得到提高。
關(guān)鍵詞：圓形振動(dòng)軌跡 復(fù)雜的振動(dòng) 復(fù)雜振動(dòng)超聲波焊接 縱扭振動(dòng)轉(zhuǎn)換器 超聲波馬達(dá) 超聲波塑料焊接 帶有對角裂縫的振動(dòng)轉(zhuǎn)換器
1.簡介
帶有從橢圓形到圓形或者從長方形到正放形位點(diǎn)的復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)適用于大功率場合的使用。在縱向振動(dòng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域安裝有一個(gè)裂縫零件且由縱向振動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的一維縱扭振動(dòng)轉(zhuǎn)換器適用于大規(guī)模場合的應(yīng)用，這些場合包括：各種材料的超聲波焊接，超聲波焊線的集成電路，大規(guī)模集成電路和裝置和超聲波馬達(dá)。為了提高振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)和增加轉(zhuǎn)換器的可獲得振動(dòng)速度，對帶有許多裂縫零件的新型轉(zhuǎn)換器做了研究。裂縫零件可以安裝在許多位置，但是要避免安裝在縱向節(jié)點(diǎn)位置處以便減少振動(dòng)節(jié)點(diǎn)部分的最大應(yīng)力振動(dòng)數(shù)值。使用很多裂縫零件可以使最大振動(dòng)應(yīng)力和質(zhì)量因數(shù)增加，同時(shí)在相同的驅(qū)動(dòng)電壓下最大振動(dòng)振幅會明顯增大。這種轉(zhuǎn)換器由很突出的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楹椭挥幸粋€(gè)裂縫零件的轉(zhuǎn)換器相比，其最大振動(dòng)應(yīng)力較小，而且這種振動(dòng)器的最大振動(dòng)振幅會明顯增加。沿著轉(zhuǎn)換器分布的振動(dòng)軌跡，振動(dòng)速度和相分布可以通過激光多普勒測振儀進(jìn)行測量。這種新型的轉(zhuǎn)換器用于超聲波塑料焊接和超聲波馬達(dá)中。
這種新型轉(zhuǎn)換器可獲得的最大振動(dòng)速度會顯著增加。使用復(fù)雜的振動(dòng)轉(zhuǎn)換器可以使塑的焊接優(yōu)點(diǎn)得以提高。
超聲波馬達(dá)聲使用的15mm直徑的新型振動(dòng)器的縱扭振動(dòng)幅和以前的轉(zhuǎn)換器相比，在相同的驅(qū)動(dòng)電壓60v,55kHz條件下，會從6um增加到將近12um.
安裝有多縫隙零件的轉(zhuǎn)換器在提高振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)和增加可得到的復(fù)雜振動(dòng)速度方面是很有效的。
2振動(dòng)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造
兩個(gè)直徑為20mm，長度為79mm的振動(dòng)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造如圖1所示，而且這兩種轉(zhuǎn)換器在除了縱向節(jié)點(diǎn)部分外安裝有裂縫零件。用鋁合金（JISA7075B）制造的圓柱形縱扭轉(zhuǎn)換器在圓周的縱向振動(dòng)節(jié)點(diǎn)部分的兩端安裝有兩個(gè)裂縫零件。轉(zhuǎn)換器由縱向振動(dòng)源驅(qū)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)中使用了具有相同角度和不同角度對角裂縫零件的各種轉(zhuǎn)換器。振動(dòng)轉(zhuǎn)換器有18個(gè)呈45°或135°的對角裂縫，這些10mm寬，0.5mm寬的裂縫是用電火花機(jī)床加工出來的。裂縫深度從1.0mm到30.mm之間變化。轉(zhuǎn)換器的自由端部分以縱扭的方式振動(dòng)并且軌跡呈橢圓形。
圖1，安裝有一對裂縫零件的不同的一維縱扭振動(dòng)轉(zhuǎn)換器
3帶有兩個(gè)裂縫零件的轉(zhuǎn)換器的振動(dòng)特點(diǎn)
對轉(zhuǎn)換器的整個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的自由進(jìn)入循環(huán)進(jìn)行了測量。具有不同角度裂縫零件（a）和具有相同角度裂縫零件（b）的質(zhì)量因數(shù)︱Ymo︳，在890Kpa的穩(wěn)定壓力條件下焊接，其數(shù)值大致是600和30ms。由于縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的共振頻率很接近，所以轉(zhuǎn)換器振動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)入循環(huán)顯示出單一的圓形。兩個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量因數(shù)是很大的。在轉(zhuǎn)換器的自由邊沿可以得到橢圓位點(diǎn)。
4復(fù)雜振動(dòng)超聲波塑料焊接
4.1復(fù)雜振動(dòng)轉(zhuǎn)換器的振動(dòng)特點(diǎn)
圖2顯示了驅(qū)動(dòng)頻率和帶有復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)轉(zhuǎn)換器的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)速度之間的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電壓穩(wěn)定在20V。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)速度在26.3kHz和26.4kHz附近的不同頻率處有最大的數(shù)值。在轉(zhuǎn)換器的自由邊沿會出現(xiàn)橢圓的軌跡。
帶有一對裂縫零件的復(fù)雜振動(dòng)轉(zhuǎn)換器，在頻率為26.8kHz時(shí)，其扭轉(zhuǎn)徑向的振動(dòng)速度分布如圖3所示。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)速度的節(jié)點(diǎn)部分通常位于左側(cè)的裂縫區(qū)域，并且振動(dòng)速度在自由邊沿達(dá)到最大數(shù)值。
圖2，沿著（a)和（b)復(fù)雜振動(dòng)轉(zhuǎn)換器扭轉(zhuǎn)徑向振動(dòng)速度的分布。驅(qū)動(dòng)電壓為20V。
圖3，帶有復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)轉(zhuǎn)換器（A)驅(qū)動(dòng)頻率和縱扭振動(dòng)速度之間的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電壓為20V。
帶有一對裂縫零件的復(fù)雜振動(dòng)轉(zhuǎn)換器的徑向振動(dòng)速度分布也可以用圖3所示。徑向振動(dòng)速度最大位置處也即縱向振動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置，并且縱向節(jié)點(diǎn)位置位于兩裂縫零件之間。在徑向節(jié)點(diǎn)位置處轉(zhuǎn)換器的應(yīng)力分布有一個(gè)最大數(shù)值，然而兩個(gè)裂縫區(qū)域并不存在于這個(gè)位置。
4.2復(fù)雜振動(dòng)超聲波塑料焊接的焊接特點(diǎn)
焊接時(shí)間，焊接部分試件的變形厚度和用頻率為27kHz帶有復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器（a）和（b）搭接的聚丙烯板的強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖4所示。通過轉(zhuǎn)換器（a）所得到的焊接強(qiáng)度要大于通過轉(zhuǎn)換器（b）所得到的強(qiáng)度。由于（a）中振動(dòng)系統(tǒng)有一個(gè)更大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件，相比之下，其所需的焊接時(shí)間要短。在焊接部分試件變形厚度的減少通常和所得的強(qiáng)度是一致的。和帶有縱向振動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器相比，帶有復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器焊接工件的時(shí)間要短。復(fù)雜振動(dòng)既對金屬材料的焊接有效，又適用于塑料的超聲波焊接。
5帶有扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的超聲波馬達(dá)
5.1超聲波馬達(dá)的構(gòu)造
圖4，焊接時(shí)間，變形焊接高度和搭接起來的聚丙烯板的焊接強(qiáng)度之間的關(guān)系（厚度為1.0mm)，使用一個(gè)頻率為27kHz復(fù)雜振動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器（a)和（b)進(jìn)行焊接。
超聲波馬達(dá)和直徑為15mm的振動(dòng)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)造如圖5所示。圖5（a）和（b）分別顯示了安裝有一個(gè)裂縫零件的直徑為15mm的馬達(dá)和安裝有一對裂縫零件的直徑為15mm的馬達(dá)。拿安裝有一個(gè)裂縫零件的轉(zhuǎn)換器為例，裂縫零件是沿著圓柱形扭轉(zhuǎn)振動(dòng)轉(zhuǎn)換器安裝在縱向振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位置。相反，安裝有一對裂縫零件的轉(zhuǎn)換器，其裂縫零件不安裝在縱向振動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置。帶有對角裂縫的轉(zhuǎn)換器是由兩個(gè)直徑為15mm,厚度為5.0mm的壓電陶瓷片的縱向振動(dòng)源驅(qū)動(dòng)的。振動(dòng)轉(zhuǎn)換器裂縫零件有12個(gè)呈45°或者135°，0.5mm寬，10mm或者5mm長的對角裂紋。這些裂紋是沿著鋁合金制的轉(zhuǎn)換器的圓周用點(diǎn)火花機(jī)床加工而成的。直徑為15mm轉(zhuǎn)換器裂紋的深度從1.5mm到3.5mm之間變化。轉(zhuǎn)換器的自由邊沿以縱扭的方式振動(dòng)，且振動(dòng)軌跡呈橢圓形。
PZT縱向振動(dòng)傳感器，它是安裝有一個(gè)用于支撐馬達(dá)的凸緣的縱向振動(dòng)棒和裂縫圓柱通過螺栓連接而成的。轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)子部分通過使用彈簧來壓緊。使用1500-2000的網(wǎng)拋光粉可以把轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)表面和轉(zhuǎn)子研磨得光滑平整。
5.2直徑為15mm的超聲波馬達(dá)的振動(dòng)特點(diǎn)
當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率變化的時(shí)候，轉(zhuǎn)換器自由邊沿的縱扭振動(dòng)振幅可以由兩臺激光多普勒測振儀進(jìn)行測量。這些轉(zhuǎn)換器有和圖2相近的縱扭共振頻率。在頻率為50-55kHz之間不帶有轉(zhuǎn)子的單一和一對裂縫零件的轉(zhuǎn)換器的最大縱向振動(dòng)振幅大約為6um和12um。在頻率接近55kHz時(shí)，帶有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)換器的最大縱向振動(dòng)振幅大致為3um和9um。和只帶有一個(gè)裂縫零件轉(zhuǎn)換器的振幅相比，帶有一對裂縫零件的轉(zhuǎn)換器的最大振幅是其2-3倍。
5.3轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)表面的振動(dòng)位點(diǎn)
圖5，使用安裝有單一裂縫零件（a)和一對裂縫零件（b)的縱扭振動(dòng)轉(zhuǎn)換器的直徑為15mm的超聲波馬達(dá)的構(gòu)造
在這些例子中，縱向振動(dòng)部分轉(zhuǎn)化為裂縫零件的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，且轉(zhuǎn)換器的圓柱部分縱扭地振動(dòng)。自由邊沿的振動(dòng)軌跡是由不同的振動(dòng)階段決定的?？v扭轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)表面的振動(dòng)位點(diǎn)是由兩臺獨(dú)立工作的激光多普勒測振儀測得的。振動(dòng)軌跡會在數(shù)字記憶示波器屏幕上顯示李薩如圖形。圖六顯示了帶有一對深為3.3mm，長為5mm的裂縫零件的超聲波馬達(dá)轉(zhuǎn)換器在驅(qū)動(dòng)頻率為55.1kHz和54.26kHz情況下其驅(qū)動(dòng)表面的振動(dòng)位點(diǎn)。當(dāng)超聲波馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)換器振動(dòng)表面的振動(dòng)軌跡振幅會稍微減小。
圖6，帶有轉(zhuǎn)子零件和不帶轉(zhuǎn)子零件在直徑為15mm轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)部分的振動(dòng)位點(diǎn)
6結(jié)論
為了增加復(fù)雜振動(dòng)轉(zhuǎn)換器的可獲得振動(dòng)速度，對安裝有許多裂縫零件的新型轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了研究。
這種轉(zhuǎn)換器在許多位置上安裝有很多裂縫零件，為了減小震動(dòng)節(jié)點(diǎn)部分最大振動(dòng)應(yīng)力數(shù)值，裂縫零件要避免安裝在節(jié)點(diǎn)位置。帶有復(fù)雜振動(dòng)的超聲波塑料的焊接特點(diǎn)得到了研究，并且安裝有一對裂縫零件的轉(zhuǎn)換器的直徑為15mm的超聲波馬達(dá)得到了檢驗(yàn)。
縱向振動(dòng)節(jié)點(diǎn)部分位于轉(zhuǎn)換器兩裂縫零件之間。和只安裝有單一裂縫零件的轉(zhuǎn)換器相比，在相同驅(qū)動(dòng)電壓下，轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)表面和帶有一對裂縫零件的超聲波馬達(dá)的振動(dòng)速度。
安裝有一對裂縫零件的轉(zhuǎn)換器明顯的提高了塑料的超聲波焊接優(yōu)點(diǎn)。直徑為15mm的超聲波馬達(dá)和安裝有一對裂縫零件的轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)速達(dá)到300rpm。
安裝有許多裂縫零件的轉(zhuǎn)換器在提高振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)和增加可獲得復(fù)雜振動(dòng)速度方面是很有效的。
參考文獻(xiàn)
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