功率超声谐振系统的CAE研究

0引言
   
    超声波振动加工技术是一种新型的特种加工技术，在这种特种加工技术中 关键的技术是谐振系统的研究。近年来计算机辅助互程技术(CAE)蓬勃发展，CAE技术可以有效地增强设计的手段和评估分析计算功能。利用CAE技术能够逼真地模拟功率超声谐振系统，为用户提供一个交互平台。在这个平台上，设计者可以把不同的功率超声谐振系统模拟出来，用于仿真和评估各加工过程对产品质量的影响。功率谐振系统的CAE研究丰富并发展了虚拟制造技术的理论，揭示了功率超声谐振系统的机理，对于推广功率谐振系统在实际加工中的应用具有重要意义。
   
    本文是在熟悉并掌握超声振动系统理论的基础上，建立相应模型，完成谐振系统各模块的设计，并对系统的关键技术理论及实现方法进行研究。
   
    1谐振系统构成
   
    超声加工设备一般包括超声波发生器和超声振动系统两大部分。
   
    1．1超声波发生器
   
    超声波发生器的作用是将220V或380V的交流电转换成超声频的电振荡信号。它由振荡器、电压放大器和输出变压器等部分组成。其中，振荡器是超声波发生器的心脏，它分为电子管和晶体管两种。由于晶体管型超声波发生器具有成本低、体积小、耗能少、开机时不需预热的特点，因此在纵向超声珩磨装置中常采用晶体管超声波发生器作为功率超声源。
   
    超声加工用的超声波发生器由振荡级、电压放大级、功率放大级及电源等4部分组成。其可以是他激式，也可以是自动跟踪式。后者是一种自激振荡推动多级放大的功率发生器，自激频率取决于超声波振动系统的共振频率。当出于某种原因(如更换工具或工具头磨损、部件受热或压力变化等)而引起超声波振动系统共振频率变化时，可通过"声反馈"或"电反馈"使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态。
   
    1．2超声振动系统
   
    在功率超声加工处理的设备中，我们一般将由换能器、变幅杆以及加工工具所组成的系统称为超声振动系统。超声振动系统3部分均是谐振单元，按统一谐振频率分别设计，然后级联起来。
   
    超声换能器的功能是将超声波发生器产生的超声频电震荡信号转换为超声频机械振动，它是超声加工设备的关键部件之一。根据其转换原理的不同，分为磁致伸缩式换能器和压电换能器两种。本文采用压电换能器为研究对象。对于普通的压电换能器，受自身材料和力学性能的限制，其输出端的位移振幅很小，一般不超过10μm，达不到工作要求。因此在换能器振子前表面加装超声变幅杆。
   
    超声变幅杆，又称超声聚能器，它在超声技术中，特别是在高声强超声设备的振动系统中是很重要的一部分。它的主要作用有两个：一是将机械振动位移或速度振幅放大，或者把能量集中在较小的辐射面上，即聚能作用；二是作为机械阻抗的变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量更有效地向负载传输。
   

    2功率超声谐振系统的CAE应用系统开发
   
    超声振动CAE系统的功能是协助设计人员交互式地快速设计出超声变幅杆、压电换能器的形状参数，做出三维造型，并实现数据传输，完成所设计模型的自动加工和模态仿真技术。本文以WindowsXP为系统开发平台、UGNX软件为系统应用环境，运用UG软件的二次开发工具以及VC++语言，设计开发一个基于UG的超声振动CAE系统。
   
    下面以超声振动CAD系统为例说明超声谐振CAE的开发过程。超声振动CAD系统的功能是协助设计人员交互式地快速设计出超声变幅杆、压电换能器的形状参数并做出三维造型。
   
    2．1超声谐振CAD系统总体方案设计
   
    由系统需求分析可知，该系统主要应完成菜单定制、参数输入、设计计算、参数输出及模型输出等内容，超声谐振CAD系统的数据流图见图1。
   
    2．2超声谐振CAD系统的实现及关键技术
   
    需要实现的功能是：在用户界面中对初始参数交互式输入，VC程序对这些参数的读取，利用超声谐振系统的设计方法进行设计计算， 后得到超声振动系统的几何参数并输出。本部分开发流程图如图2所示。采用MenuScript与UIStyler开发出来的超声振动CAD系统菜单和对话框分别见图3和图4。
   

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