毕业设计（论文）-超声波食品切割装置的研究与设计

1、大学学生毕业论文论文题目： 超声波食品切割装置的研究与设计 学 院： 年 级： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2010年5月25日摘要超声技术是涉及物理、电子、机械及材料学等多学科领域，并在工业生产中得到广泛应用的一项先进技术。该技术对提高产品质量，保障生产平安和设备平安运行，降低生产本钱，提高生产效率具有较大潜力。本文将超声技术应用于食品切割装置，利用超声波的特性可以有效地减少食品加工过程中的粘刀现象，从而提高生产效率，以及提高食品质量。论文首先阐述了超声加工的原理以及超声波加工系统的根本组成结构，在后续的设计工作中主要完成了超声振动切割装置的总体设计，切割系统的结构设计以及超声

2、关键部件变幅杆性能分析。关键词超声；超声发生器；超声换能器；食品切割AbstractUltrasound technology which is related to physical, electronic, mechanical , materials science and other fields. And that is a widely used advanced technology in the industrial production. The technology can improve product quality and production safety , it

3、 also make sure the protection and the operation of equipment safely, decline the production costs, at the same time, it can increase production with greater potential.This ultrasound technology is used in the food cutting device, it can be reduced food processing knife in the course of the phenomen

4、on of viscosity effective by the characteristics of the use of ultrasound, therefore,it can improve the effective of the production and food quality. This paper first intreduse the means of the ultrasound technology, and the system of the ultrasound technologys process. And at the furter work, it ma

5、inly achieved the aim of cutting device, the design of the system of cutting device and the key part of ultrasoundanalysing of the transformer horns function.Key wordsUltrasound; ultrasonic generator; ultrasonic transducer; cutting device目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295290359 2021年5月25日 PAGERE

6、F _Toc295290359 h I HYPERLINK l _Toc295290360 摘要 PAGEREF _Toc295290360 h I HYPERLINK l _Toc295290361 Abstract PAGEREF _Toc295290361 h II HYPERLINK l _Toc295290362 第一章 绪论 PAGEREF _Toc295290362 h 1 HYPERLINK l _Toc295290363 1.1 课题提出的背景和意义 PAGEREF _Toc295290363 h 1 HYPERLINK l _Toc295290364 1.1.1 课题背景

7、PAGEREF _Toc295290364 h 1 HYPERLINK l _Toc295290365 1.1.2 研究的目的及意义 PAGEREF _Toc295290365 h 2 HYPERLINK l _Toc295290366 超声波加工简介 PAGEREF _Toc295290366 h 2 HYPERLINK l _Toc295290367 1.2.1 特种加工 PAGEREF _Toc295290367 h 2 HYPERLINK l _Toc295290368 超声波加工 PAGEREF _Toc295290368 h 4 HYPERLINK l _Toc295290369

8、1.3 本课题主要研究的内容 PAGEREF _Toc295290369 h 7 HYPERLINK l _Toc295290370 第二章 超声波加工系统的原理和组成 PAGEREF _Toc295290370 h 8 HYPERLINK l _Toc295290371 2.1 超声波的根本原理 PAGEREF _Toc295290371 h 8 HYPERLINK l _Toc295290372 2.2 超声波加工系统 PAGEREF _Toc295290372 h 12 HYPERLINK l _Toc295290373 超声波发生器 PAGEREF _Toc295290373 h 12

9、 HYPERLINK l _Toc295290374 超声波震荡系统 PAGEREF _Toc295290374 h 12 HYPERLINK l _Toc295290375 第三章 食品切割装置总体设计 PAGEREF _Toc295290375 h 15 HYPERLINK l _Toc295290376 第四章 超声波关键局部选型与设计 PAGEREF _Toc295290376 h 20 HYPERLINK l _Toc295290377 主轴总体结构设计 PAGEREF _Toc295290377 h 20 HYPERLINK l _Toc295290378 选型设计 PAGEREF

10、 _Toc295290378 h 20 HYPERLINK l _Toc295290379 4.2.1 超声波发生器 PAGEREF _Toc295290379 h 20 HYPERLINK l _Toc295290380 4.2.2 超声波换能器 PAGEREF _Toc295290380 h 20 HYPERLINK l _Toc295290381 4.2.2 超声变幅杆 PAGEREF _Toc295290381 h 21 HYPERLINK l _Toc295290382 第五章 关键局部有限元分析 PAGEREF _Toc295290382 h 23 HYPERLINK l _Toc

11、295290383 5.1 变幅杆振动特性分析 PAGEREF _Toc295290383 h 23 HYPERLINK l _Toc295290384 有限元方法动力学分析的理论根底 PAGEREF _Toc295290384 h 23 HYPERLINK l _Toc295290385 模态的有限元分析结果 PAGEREF _Toc295290385 h 23 HYPERLINK l _Toc295290386 5.1.3 谐响应分析结果 PAGEREF _Toc295290386 h 23 HYPERLINK l _Toc295290387 5.2 换能器ANSYS建模分析 PAGERE

12、F _Toc295290387 h 24 HYPERLINK l _Toc295290388 超声换能器ANSYS建模 PAGEREF _Toc295290388 h 25 HYPERLINK l _Toc295290389 谐响应分析 PAGEREF _Toc295290389 h 26 HYPERLINK l _Toc295290390 实验结果及结论 PAGEREF _Toc295290390 h 26 HYPERLINK l _Toc295290391 结论 PAGEREF _Toc295290391 h 29 HYPERLINK l _Toc295290392 参考文献 PAGERE

13、F _Toc295290392 h 29 HYPERLINK l _Toc295290393 致谢 PAGEREF _Toc295290393 h 30第一章 绪论1.1 课题提出的背景和意义 课题背景随着人们生活水平的提高，现代人对吃、穿、住、行等方面的要求也越来越高。在吃的方面，人们对口感以及形状都提出了很高的要求。那么我们在生产食品时就要以群众的要求为基准，生产出符合群众品味的食品。食品的生产总是离不了切割，切割过程中总会出现这样一些问题：加工厂的生产能力有时会满足不了所必须完成的加工量，而所需处理的食品常常容易变质、损坏；有些食品受到非常强烈的加工时会产生弄脏厂房的碎粒、碎屑及粉粒；有

14、些食品是由不同的食品材料构成，具有非均匀性特性；而有些食品材料本身就具有粘性，不易分割。综合以上食品切割过程中常遇到的问题，我们引入了超声波系统。早在1830年，FSavart曾用一多齿的齿轮，第一次人工产生了2.4104Hz的超声，1876年FGalton用气哨实验产生的超声波频率到达了3104Hz。1912年4月10日，泰坦尼克号触冰山漂浮，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家提出用声学方法来探测水下的冰山。直到第一次世界大战中，德国大量使用潜艇，击沉了协约国大量舰船，探测潜艇的任务又提到科学家的面前。当时的科学家郎之万和他的朋友利用当时已出现的功率很大的放大器和石英压电晶体结合起来，能向水下

15、发射几十千赫兹的超声波，成功的将超声波应用到实际中1。我国的超声学研究始于1956年的12年科学规划。1959年超声应用探伤、加工、种子处理、显示、医疗、粉碎、乳化及染料等取得了进展。在根底研究方面也有相当深度，如棒的声振动、超声乳化和水中气泡的超声吸收问题；建立了分子声学试验设备，对弛豫吸收、悬浮体的声吸收进行了系列研究；建立了固体中超声衰减的测量设备；对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减进行了深入研究。1965年开始研究了声外表波换能器。进入80年代，我国超声学面向实际应用。B超医疗开始投入生产；超声加工、超声研磨、超声焊接、超声清洗、超声催化与滤矿及超声技术育种等逐步开始形成一定规模的产业。

16、压电复合换能器研制成功，窄脉冲短余振探头问世；PVDF新颖压电薄膜换能器及超声显微镜获得实用；高频压电材料LiNbO3研制成功和走向实用2。九十年代以来，在中国科学院声学研究所与南京大学声学研究所相继批准建立了国家级重点实验室。总之，我国的超声学研究的巨大的开展，有些方面已到达国际先进水平 研究的目的及意义与可闻波相比,超声波由于频率高、波长短,在传播过程中具有许多其特有的性质:1)方向性好。由于超声波的频率高,其波长较同样介质中的声波波长短得多,衍射现象不明显,所以超声波的传播方向好。2)能量大。超声波在介质中传播,当振幅相同时,振动频率越高能量越大。因此,它比普通声波具有大得多的能量。3)

17、穿透能力强。超声波虽然在气体中衰减很强,但在固体和液体中衰减较弱。在不透明的固体中,超声波能够穿透几十米的厚度,所以超声波在固体和液体中应用较广。4)引起空化作用。在液体中传播时,超声波与声波一样是一种疏密的振动波,液体时而受拉时而逐级压,产生近于真空或含少量气体的空穴。在声波压缩阶段,空穴被压缩直至崩溃。在空穴崩溃时产生放电和发光现象,这种现象称为空化作用。我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活泼，涉及的应用范围非常广泛。但归纳起来，也无非是两大类：第一类是超声加工和处理技术；第二类就是超声检测与控制技术3，其他的超声理论和实验，实际上都是为这两类应用效劳的。传统的食品切割装置不仅容易损坏

18、食品的外形，而且由于食品的粘刀现象需要定期清理刀具，尤其在加工类似奶油这样的易粘刀的材料时，它的生产效率被极大地降低了。在食品切割装置中引入超声波技术不仅保证了食品外形的美观，满足现代人的审美需求；更重要的是在解决了食品易粘刀这一常见问题的同时，大大地提高了食品加工行业的生产效率。对食品加工行业和超声波技术的广泛应用都具有十分深远的意义。超声波加工简介 特种加工特种加工是 20世纪40年代开展起来的，由于材料科学、高新技术的开展和剧烈的市场竞争、开展尖端国防及科学研究的急需，不仅新产品更新换代日益加快，而且产品要求具有很高的强度重量比和性能价格比，并正朝着高速度、高精度、高可靠性、耐腐蚀、高温

19、高压、大功率、尺寸大小两极分化的方向开展。为此，各种新材料、新结构、形状复杂的精密机械零件大量涌现，对机械制造业提出了一系列迫切需要解决的新问题。例如， 各种难切削材料的加工；各种结构形状复杂、尺寸或微小或特大、精密零件的加工；薄壁、弹性元件等刚度、特殊零件的加工等。 对此，采用传统加工方法十分困难，甚至无法加工。于是，人们一方面通过研究高效加工的刀具和刀具材料、自动优化切削参数、提高刀具可靠性和在线刀具监控系统、开发新型切削液、研制新型自动机床等途径，进一步改善切削状态，提高切削加工水平，并解决了一些问题；另一方面，那么冲破传统加工方法的束缚，不断地探索、寻求新的加工方法，于是一种本质上区别

20、于传统加工的特种加工便应运而生，并不断获得开展。后来，由于新颖制造技术的进一步开展，人们就从广义上来定义特种加工，即将电、磁、声、光、化学等能量或其组合施加在工件的被加工部位上，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等的非传统加工方法统称为特种加工。特种加工的特点 不用机械能 ，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。 非接触加工， 不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因

21、此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。 微细加工 ，工件外表质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工外表。 不存在加工中的机械应变或大面积的热应变， 可获得较低的外表粗糙度，其热应力、剩余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。 两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工 ，其综合加工效果明显，且便于推广使用。 特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。2、特种加工的分类 与其他先进制造技术一样，特种

22、加工正在研究、开发推广和应用之中，具有很好的开展潜力和应用前景。常用的特种加工方法主要如下：电火花加工：电火花成形加工、电火花线切割加工；电化学加工：电解加工、电铸加工、涂镀加工；高能束加工：激光束加工、电子束加工、离子束加工、等离子弧加工；物料切蚀加工：超声加工、磨料流加工、液体喷射加工；化学加工：化学铣切加工、照相制版加工、光刻加工、光电成形电镀、刻蚀加工、粘接、爆炸加工；成形加工：粉末冶金、超塑成形、快速成形；复合加工：电化学电弧加工、电解电火花机械磨削、电化学腐蚀加工、超声放电加工、复合电解加工、复合切削加工。1.超声波加工超声加工技术是二十世纪50年代以来开展起来的一种特种加工方法，

23、在难加工材料和精密加工中，超声加工技术具有其他加工方法无法比较的优异的工艺效果，广泛应用于生产、生活的各个方面。超声波加工的原理超声波加工是利用工具端面做超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成形方法。超声波加工原理如图1-1所示。加工时，在工具和工件之间参加液体(水或煤油等)和磨料混合的悬浮液，并使工具以很小的力F轻轻压在工件上。超声换能器产生16000Hz以上的超声频纵向振动，并借助于变幅杆把振幅放大到0.050.1mm左右，驱开工具端面做超声振动，迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断地撞击、抛磨被加工外表，把被加工外表的材料粉碎成很细的微粒，从工件上被打击下来。虽然每次打

24、击下来的材料很少，但由于每秒钟打击的次数多达16000次以上，所以仍有一定的加工速度。与此同时，工作液受工具端面超声振动作用而产生的高频、交变的液压正负冲击波和“空化作用，促使工作液钻人被加工材料的微裂缝处，加剧了机械破坏作用。所谓空化作用，是指当工具端面以很大的加速度离开工件外表时，加工间隙内形成负压和局部真空，在工作液体内形成很多微空腔，当工具端面以很大的加速度接近工件外表时，空泡闭合，引起极强的液压冲击波，可以强化加工过程。此外，正负突变的液压冲击也使悬浮工作液在加工间隙中强迫循环，使变钝了的磨粒及时得到更新。图1-1超声波加工原理图由此可见，超声加工是磨粒在超声振动作用下的机械撞击和抛

25、磨作用以及超声空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的、既然超声加工是基于局部撞击作用，因此就不难理解，越是脆硬的材料，受撞击作用遭受的破坏越大，越易超声加工。相反，脆性和硬度不大的韧性材料，由于它的缓冲作用而难以加工。根据这个道理，人们可以合理选择工具材料，使之既能撞击磨粒，又不致使自身受到很大破坏，例如用45钢做成工具即可满足上述要求。超声波加工的特点适合于加工各种硬脆材料，特别是不导电的非金属材料，例如玻璃、陶瓷(氧化铝、氮化硅等)、石英、锗、硅、石墨、玛瑙、宝石、金刚石等。对于导电的硬质金属材料(如淬火钢、硬质合金等)也能进行加工，但加工生产率较低。 由于工具可用较软的材料做成较

26、复杂的形状，故不需要使工具和工件做比较复杂的相对运动，因此超声加工机床的结构比较简单，操作、维修方便。由于去除加工余量是靠极小的磨料瞬时局部的撞击作用，所以工具对工件加工外表宏观作用力小，热影响小，不会引起变形和烧伤。外表粗糙度可达Ra10.1um或更低，加工精度可达0.010.02mm，而且可以加工薄壁、窄缝、低刚度的工件。 超声加工的应用型孔、型腔加工超声加工的生产率比电火花、电解加工等低，但加工精度和外表粗糙度较好，用于脆硬材料的圆孔、型孔、型腔、微细孔等的加工。切割加工目前主要用普通机床对脆硬材料进行切割加工较困难，通常可用超声加工的方法进行切割，如切割单晶硅片、陶瓷等脆硬材料。复合加

27、工um。在切削加工中引入超声振动，可降低切削力，改善外表粗糙度，延长刀具寿命和提高加工速度等。超声清洗 超声振动被广泛用于对喷油嘴、喷丝板、微型轴承、仪表齿轮、手表整体机芯、印刷电路板、集成电路微电子器件等的清洗，可滤除5um的污物，获得高的净化度。焊接加工超声焊接的原理是利用超声振动作用，去除工件外表的氧化膜，显露出新的本体外表，在两个被焊接的工件外表分子的高速振动撞击下，摩擦发热并亲和粘接在一起。超声加工和处理技术是利用高强度的超声波来改变物质的性质和状态的技术。超声钻孔、清洗、焊接、粉碎、凝聚、萃取、催化等都是这类技术中的典型应用。超声检测与控制技术是利用较弱的超声波来进行各种检验和测量

28、，必要时可以进行自动控制的技术。在检验技术方面，最典型的应用就是超声探伤和超声检漏等。在测量技术方面，媒质的许多非声学特性和媒质的某些状态参量都可以用超声方法来加以测定。而不管是超声加工处理技术还是超声检测与控制技术，都要涉及到超声波的产生和检收，这就是所谓的超声换能技术。但不管是超声波的应用或超声换能器的设计都要涉及到超声波的传播理论；也都要用到超声波的某些效应和作用；而为了定量的进行研究就脱不开超声量的测量问题。因此这三方面内容就成为超声学理论和实验的根底。超声的广泛应用促进了这些根本问题的研究，而这些根本问题方面的成就又进一步指导了超声应用技术的开展。 1.3 本课题主要研究的内容超声波

29、加工系统原理和组1了解超声波系统的加工原理2明确超声波加工系统的硬件组成超声波食品切割装置总体方案设计超声波切割装置关键局部选型与设计1超声波发生器选型2超声波换能器选型3变幅杆、刀具设计 关键局部性能有限元分析1变幅杆振动特性分析：固有频率、固有振型2超声波食品切割装置切割系统设计与分析 第二章 超声波加工系统的原理和组成超声波加工系统主要由超声波发生器、换能器、变幅杆、震动传递系统、工具、工艺等装置构成。图21所示是超声波加工原理图, 在工件和工具间参加磨料悬浮液, 由超声波发生器产生超声振荡波, 经换能器转换成超声机械振动, 使悬浮液中的磨粒不断地撞击加工外表, 把硬而脆的被加工材料局部

30、破坏而撞击下来。在工件外表瞬间正负交替的正压冲击波和负压空化作用下强化了加工过程。因此,超声波加工实质上是磨料的机械冲击与超声波冲击及空化作用的综合结果。 图2-1 超声波加工系统2.1 超声波的根本原理超声波的根本原理是其应用的根底，只有在了解其原理的根底上才能更好的应用超声波，促进超声波的开展，下面就对其原理作简要介绍。什么是超声波所谓超声波，是指人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到20赫兹Hz-20千赫兹kHz的声波，低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波，超过20千赫兹的声波称为超声波4。超声波是声波大家族中的一员，和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式

31、在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。 波的传播超声波是波的一种，他的传播完全符合波的传播特点。所以超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种波形3：纵波波形：当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向平行时，此超声波为纵波波形。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。横波波形：当媒质中各体元振动的方向与波传播的方向垂直时，此种超声波为横波波形。由于媒质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切应力交替作用于媒质时均能产生横波。横波只能在固体

32、介质中传播。外表波波形：是沿着两种媒质的界面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。外表波可以看成是由平行于外表的纵波和垂直于外表的横波合成, 振动质点的轨迹为一椭圆，在距外表1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离外表一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。平面简谐波方程平面波传播时，假设媒质中体元均按余弦或正弦规律运动，叫平面简谐波。这是最根本的波动形式，一些复杂的波可视为平面简谐波的叠加。平面简谐波方程定量的描述出每个体元的运动学状态，解决平面简谐波的运动学问题。设平面简谐波沿x轴传播，y为体元距平衡位置的位移，那么： (2-1) (2-2)式中，A为振幅，为圆频率,

33、取决于波源频率。,常称为波数。平面简谐波波动方程要深刻了解超声波，仅从运动学角度研究还不够，也要对波作动力学分析才能看到波传播的机制并能进一步研究超声波4。下面简单介绍下波动方程与波速。波动方程横波的波动方程： (2-3)式中N为剪切模量，为媒质密度。纵波的波动方程: (2-4)式中Y为杨氏模量波速对式2.1做偏导数运算，并带入式2.3可得横波的波速： (2-5)同理可得 (2-6)流体中纵波的波速为 (2-7)式中K为流体的体变模量，且与热过程有关。平均能流密度，声强与声压媒质中波的能量分布包括动能和势能，都会参与能量转换，单位体积媒质所具有的能量叫能量密度，表示媒质中能量的分布情况，其表达

34、式为 (2-8)能量密度在一周期内的平均值即平均能量密度，又因正弦函数平方在一周期内的平均值为，故： (2-9)对于一定媒质，各点能量密度对时间的平均值和角频率平方与振幅平方成正比。而平均能流密度那么是矢量，大小为单位时间内通过与波传播方向垂直的单位面积的能量，方向沿波的传播方向，其大小也叫声强，为 (2-10)声强对面积积分，那么得到声功率，单位为瓦W普通声波的声功率通常很小，1000万人同时说话，也只有100W的功率。但超声波的声功率却很大，可以被广泛应用。在有声波传播的空间，某一点在某一瞬时的压强与没有声波时压强的差，叫作该点处瞬时的声压，与体元速度有密切联系。 (2-11)假设波沿轴传

35、播，声压与体元速度关系可用如下的声压波方程表示 2-12)即声压幅；假设波逆x轴传播，声压波方程为，将和分别比照于电压和电流，相当于电阻，称为波阻或声阻，记作。另外，声波传播时，能流密度和声压幅将衰减。球面波因波射线发散而波面增大，有限能流在越来越大的面积上分布，故声强声压幅均衰减。另一方面，即使对平面波，局部能量也会被媒质吸收，转变为热运动能量，声强亦逐步衰减，如下式所示： 2-13式中表示入射初始声强，为深如媒质距离处的声强，为衰减系数，与波的频率以及媒质性质有关频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。而水中超声波的衰减系数比在空气中小得多，与电磁波刚好相反，更兼超声波波长短，根据中学知

36、识波长越短，直进性强，遇障碍物时易形成反射，可用于在水中探测或搜索鱼群，探测海深以至搜索水雷和潜艇等军事目标。而且超声波在软组织和肌肉中衰减系数也较小，故可用于探测体内病变。超声学展望超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的开展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、根底研究等领域中应用的不断深入而得到开展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的开展又为这些学科的开展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超声探伤和超声成像技术都是借鉴了雷达的原理和技术而开展起来的，而超声的开展又为电子学、光电子学、雷达技术的开

37、展提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和外表波器件。但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已说明了超声学是在不断向前开展。2.2 超声波加工系统超声波发生器超声波发生器的作用是将50Hz交流电转变为一定功率的超声频振荡, 以提供工具作超声频振动和切除工件材料所需的能量。目前常用的超声波发生器功率为20 4000W。图2-2为振荡放大型超声波发生器方框图1，它是模拟电路超声波发生器的一种。由图中可以看出，振荡放大型超声波发生器实际上就是一个带

38、有振荡电路的放大器，但由于超声波发生器驱动的是换能器这一特殊负载，所以它在结构上又有自己的特点。振荡器用于产生高频振荡信号，一般系统保护电路也处于振荡器，以防在振荡系统未接好开机而造成电路空载工作。振荡器的作用是将振荡信号放大至所需电平。一般放大器与负载之间的匹配只牵涉到阻抗变换，而超声波发生器与负载之间的匹配还有一项很重要的内容调谐，即选用一定值的电抗元件，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在同时进行了阻抗变换和调谐之后，整个系统才算是到达了匹配，换能器才能正常工作。图2-2 振荡放大型超声波发生器方框图在传统的超声波加工系统中, 变幅杆和工具是装配在一起的, 通过调整其尺寸以到达

39、机械谐振的目的。但现在可用频率跟踪发生器自动调整输出频率, 使其与变幅杆和工具组合的谐振频率相匹配, 且能调整因装配误差、工具磨损、换能器生热等因素而造成的较小误差。发生器时, 还应考虑平安性能, 例如: 自动切断电源以防变幅杆破裂、变幅杆工具连接失效等故障。2.2.2超声波震荡系统超声波振荡系统的作用是将高频电振荡电能变为机械振动能, 主要由超声换能器、变幅杆及工具三个局部组成。超声波换能器超声波换能器的作用是将高频电振荡转变为机械振动。实现这种转变主要采用以下两种方法。磁致伸缩法某些铁磁体或铁氧化体在变化的磁场中, 由于磁场的变化, 其长度也发生变化伸长或缩短的现象, 称为磁致伸缩亦称焦耳

40、效应。磁致伸缩换能器可分为 2 类:：金属磁致换能器和铁氧体磁致换能器。金属磁致换能器的机械强度高, 工作效能稳定, 单位面积辐射功率大, 电声转换效率一般为 30% 40%；铁氧体换能器电声转换效率高 80%，但机械强度不高, 单位面积辐射功率小。磁致伸缩换能器因为具有较低Q值Q是能量峰值的锐度, 所以它能传递很宽的频率。例如：对于20kHz的超声波发生器传递频率范围是1723kHz。这使变幅杆设计的灵活性增大, 也使与变幅杆连接在一起的刀具允许在加工中磨损后可重磨。另外, 在保证变幅杆振幅没有较大损失的情况下, 可对其进行几次加工或重新设计。磁致伸缩换能器工作时会大量生热, 产生较大的电能

41、损失, 且使电声转换效率降低。因此, 必须用水或空气进行冷却, 从而使换能器尺寸增大。压电效应法利用压电晶片材料在外电场中随电场方向的改变而形变发生相反变化的压电效应原理, 将高频电振荡转变为机械振动的器件称为压电换能器。压电材料一般有压电单晶、压电陶瓷和压电薄膜三类。最典型的压电换能器是由两个圆形的锆钛酸铅或是厚度小于总超声换能器厚度10%的合成压电陶瓷构成。压电换能器电声转换效率高 90% 96%, 不易有热量损失, 不需要任何冷却措施, 适应旋转操作, 生产容易。但要得到 0.1 1 GHz的超高频超声波换能器需要将压电晶片做得非常薄, 加工很困难, 所以对超高频超声换能器采用溅射成形的

42、氧化锌薄膜, 但是机电耦合系数低。为此, 有科学家提出, 用钛扩散, 周期地形成自发极化反相区域,同时在外表配置叉指电极作成新型超高频超声换能器, 可得到变换损失低于、相对带宽为 0.96的宽频带横波超声换能器 。目前所使用的超声换能器, 绝大多数仍然是压电晶体材料, 其中锆钛酸铅类压电陶瓷又居多数。这是因为锆钛酸铅类强电介质材料, 经烧结、极化后所形成的压电陶瓷, 容易加工, 表征能量转换效率的纵向机电耦合系数约 70%, 相对其他压电材料, 其值较大。变幅杆及工具变幅杆的作用是将来自换能器的超声振幅由0.0050.01 mm放大至0.010.1 mm, 以便进行超声波加工。变幅杆之所以能放

43、大振幅, 是由于通过其任一截面的振动能量是不变的传播损耗不计,截面小的地方能量密度大, 振动振幅也就越大。在进行大功率的超声加工及精密加工时, 往往将变幅杆与工具设计制成一个整体； 在进行小功率的超声加工及加工精度不高时, 那么将变幅杆与工具设计制成可拆卸式。 变幅杆的根本形式有圆锥型、指数型、阶梯型。此外, 还有由两种以上单一形状组成的组合型。在面积系数N一定时N = S1S212= Dd,S1、S2、D、d分别为变幅杆输入端及输出端面积及直径, 阶梯型变幅杆的放大倍数Mp最大, 圆锥型变幅杆的放大倍数最小。但阶梯型变幅杆由于半径的突然变化会产生压力集中, 因此变幅杆容易损坏。当放大倍数过大

44、时,还可能发生侧振, 且对附加于端面的负荷较敏感。目前, 对超声变幅杆的研究和优化已广泛应用了CAD CAM技术和有限元分析技术。如使用ANSYS软件对变幅杆进行优化: 首先分析需要的所有数据材料属性、频率范围等 , 定义结构的几何形状; 然后求解, 计算固有频率、位移、应变和应力; 最后是估计分析结果和画出应力曲线。工具是变幅杆的负载, 其结构尺寸、质量大小以及与变幅杆连接的好坏, 对超声振动共振频率和超声波加工性能均有很大影响。工具可以通过焊接或螺钉固定在变幅杆上; 也可以和变幅杆设计成整体。采用可拆卸式, 虽然能快速更换工具, 但可能出现工具松懈、超声能量损失、疲劳破坏等问题。采用中空变

45、幅杆和工具在硬脆材料上加工深孔时, 可通过变幅杆和工具的中心孔供应磨料, 磨料供应能力得到增强, 使加工效率得到提高。工具材料应有高的抗磨损性, 好的弹性和高的疲劳强度, 常用的工具材料有硬质合金、蒙乃尔铜镍合金等, 其韧性和硬度要具有最正确值。近年来, 多晶钻石PCD也被应用于对非常硬的工件材料如热等静压氮化硅的加工。第三章 食品切割装置总体设计本设计食品切割装置工作过程是由一个电动机带动皮带轮转动，传递给与它同轴的小齿轮，通过这对齿轮的啮合将运动传递凸轮上，从而带动刀具作往复运动，实现切割过程。运动传递图5-7如图3-1所示：图3-1食品切割装置运动传递图下面结合简图对本设计作一些说明：图

46、3-2所示为食品切割装置8-9加工的食品切割装置；图3-3所示为第一种食品的结构，该食品能由本切割装置切割而成；图3-4用曲线图表示了在图3-3所示的食品切割过程中，本设计装置的工作状况；图3-2 食品切割装置加工示意图图3-3 层状食品1示意图图3-4 切割装置工作曲线图3-5所示为能被本设计装置切割而成的另一种食品结构；图3-6是用曲线图表示了在图3-5所示的食品切割过程中，本设计装置的工作情况；图3-7表示了涉及图3-6中工作状况的一种可能变形。图3-5层状食品2示意图图3-6切割装置工作曲线图3-7切割装置工作曲线图3-2中以一概况说明了本设计的切割装置，它主要包括以下元件：1.切割元

47、件2叶片或刀片，它最好具有一尖状外形和一被称为“sonotrode的超声接合或切割装置的典型结构。2.一个用于产生和输送超声波的装置3形式，该装置以大约45kHz的频率向刀片2提供一种超声频率波阵面。3.驱动机构4，它把一个相对于平面p的往复运动传递给刀片2具有一个下面详细描述的有选定规律的速度，被切割的食品被排列在平面p上并由其送进被切割的食品。4.一个控制驱动机构4及装置3工作的控制装置5例如PLC。在此例如图中，其驱动机构包括一个旋转电动机，它使在周边上装有一曲柄销8的轮7转动。连杆9的一端连接到销8上，而其相对端作用于刀片2上以使刀片沿着垂直于平面p而设置的导向件以标号10示意地表示作

48、往复运动。本设计是在基于对实际情况认识的根底上做出的，如果依靠的对象是将超声切割装置与供切割元件所用的驱动机构相结合来使用的，其中切割元件根据被选定及被局部切割只要需要，且在任何情况下，根据任何法定情况，有选择地根据运用要求，而实际进行的逐点切割的食品A来改变切割元件的进给速度，那么对于所引入技术条件的根本要求，理论上是可以根本满足的。这对于在切割方向上具有非均匀特性的食品A是特别理想的。在图3-3和图3-5中已给出了这种类型的食品的实例。在两种情况中，其中图3-3所示涉及一种具有层状结构的填充食品。食品A它包括两海绵状物有可能是用糖-或醇基糖浆浸湿而成的，放在这两层之间是例如由奶味乳剂构成的

49、、含奶油状填料或糊料层C。另一方面，在图3-5所示的食品A包括放在两海绵状层S之间的巧克力、焦糖或类似材料的中间层K，该中间层根本上是呈固体状的。换句话说，图3-3和3-5所示的两种情况彼此是完全互补的。实际上，在图3-3的食品A中，通常将一种“软层C放在两海绵状层S之间。而在图3-5中食品A的情况中，将通常为一“硬层K放在两海绵状层S之间。从以上说明，我们可以详细地了解本食品切割装置在切割食品时比其他食品切割装置更具有它的优越性。这也是本设计产品应用的广泛性。第四章 超声波关键局部选型与设计主轴总体结构设计超声振动切削主轴包括高速电动机、减速机构、超声波发生器、夹心式换能器、变幅杆、精密刀具

50、夹头。超声波发生器将交流电转换成超声频电振荡信号,以向系统提供振动能量。其激振源采用专门设计的夹心式换能器实现,可以产生20 kHz的超声振动。其特征是:夹心式换能器产生的超声振动经过专门设计的变幅杆后直接鼓励高速主轴产生振幅为1621m的响应。采用精密弹簧夹头,保证了刀头安装良好。选型设计 超声波发生器超声波发生器也称作超声电源，它是一种用以产生超声频电能并向超声换能器提供的装置。按照所采用的工作原理，可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两大类。模拟电路超声波发生器又分为振荡-放大型和逆变型两种1。常用的电子管发生器、晶体管发生器和模拟电路发生器均属于前一种，可控硅发生器那么属于后一种。

51、根据超声波加工的需要，超声波发生器的输出波形或以是正弦波，也可以是非正弦波，但以正弦波最为多见。本设计中的超声波发生器J93025的主要技术指标如下最大输出功率频率：50W 调节范围一： 1624kHz在超声波加工系统中，为了获得最大振幅以提高加工效率，工作过程中应调节超声波发生器的频率，使其与换能器振动系统的谐振频率相等。但在实际工作中，由于负载、温度等诸多因素的影响，引起了系统参数的变化，这时，假设超声波发生器的频率不变，那么换能器的振幅下降。假设要在新参数下获得最大振幅，就应及时调节超声波发生器的频率。 超声波换能器超声换能器的作用是将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振

52、动。压电换能器具有结构尺寸小、冷却简单、机械谐振频率低、输出振幅大、阻抗易于匹配、电声转换效率高等特点,特别适合大振幅超声振动加工,因此在设计中采用轴向半波长夹心式压电陶瓷换能器。如图4-1所示,它由两局部组成,一局部截面直径较大,而且做成均匀截面圆柱体,另一局部是截面直径小的圆柱体,两者之间成为阶梯杆结构。这样在截面积较大的局部振幅较小,而在截面积较小的输出端能获得较大的振幅。其振幅的大小与这局部的几何形状有关,也与头尾两局部金属材料的声阻抗率有关。压电陶瓷片置于大截面圆柱内,其在大端的位置可以根据文献1确定。图4-1 超声波刀具的组成 超声变幅杆超声变幅杆是超声振动系统中一个重要的组成局部

53、, 它在振动系统中的主要作用是把机械振动的质点位移或速度放大, 并将超声能量集中在较小的面积上即聚能, 因此也称超声变速杆或超声聚能器。在高声强超声如超声加工、超声焊接等应用中,辐射面的振动幅度一般需要几十到几百微米, 只有在换能器的端面连接超声变幅杆, 才能将机械振动幅度放大到符合要求。另外, 超声变幅杆还可以作为机械阻抗变换器, 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从换能器向负载传输。图4-2所示为阶梯形变幅杆。阶梯形变幅杆由两段不同截面的均匀杆组成，如下图。由式 4-1可以得到均匀截面杆的波动方程其解可以写成 4-2图4-2阶梯形变幅杆第五章 关键局部有限元分析5.1

54、变幅杆振动特性分析有限元方法动力学分析的理论根底在超声波加工中，要使变幅杆有效和可靠地工作，保证所加工零件的精度和加工效率，变幅杆必须具有良好的动态特性，因此，必须对变幅杆进行动力学研究。其内容包括两个方面固有振动特性分析和响应特性分析11-12。所谓固有振动特性分析，是研究在无阻尼自由振动的条件下，变幅杆的固有特征，即固有频率和振动应力。响应分析是用于确定变幅杆在承受随时间按正弦规律变化的轴向载荷时的稳态响应，目的是计算出变幅杆的动力响应，并得到响应位移和响应应力。对于谐响应分析，峰值响应发生在激振频率和变幅杆的固有频率相等时，换句话说，只有当工作频率和变幅杆的固有频率相等时，变幅杆端面才能

55、到达最大位移。因此，在谐响应分析之前，应该首先做模态分析以确定变幅杆的固有频率。模态的有限元分析结果在所指定的频率范围一内，模态分析所得到的各种形状的变幅杆的固有频率如表5-1所示。表5-1 变幅杆固有频率 谐响应分析结果通过谐响应分析，我们得到变幅杆在一个特定的固有频率下的轴向位移分布。在同一截面内，沿着径向，位移随着半径的增加而有微小的变化，同一截面相同半径处的位移是相同的。所以在这里为了作图方便，对同一个截面的位移沿径向取平均值。本设计中所采用的复合型变幅杆在固有频率Hz时，沿轴向位移分布数据见表5-2。有限元法得到的复合型变幅杆的位移放大比约为。表5-2 复合型变幅杆的轴向位移分布数据

56、位移分布曲线分析结果如图5-1所示：图5-1 复合型变幅杆位移有限元分析 换能器ANSYS建模分析换能系统作为超声引线键合和热超声倒装键合系统的重要组成局部，其超声振动特性12直接影响系统的能量输出，由此影响芯片与基板之间的键合质量。换能系统综合电场、力场、声场等不同物理系统，其振动特性相当复杂，包含多种振动模态。由此，研究与分析换能统的振动特性，对换能系统的性能评判与设计依据具有重要意义。热超声引线键合系统主要是由超声发生器、P Z T换能器、变幅杆、劈刀等局部组成。超声发生器的电能量通过PZT换能器的逆压电效应转换为纵向机械振动，然后经过变幅杆的放大作用，再经过劈刀转化为与芯片平行的横向振动，由此劈刀尖端带动金线(或铝丝)与基板发生相互摩擦振动，从而将超声能量传递到键合界面。超声换能器ANSYS建模有限元法又叫做有限单元法，它实质上是一