張云電，姚曉峰

(杭州電子科技大學機械工程學院，浙江杭州310018)

0 引 言

壓電換能器是將超聲頻電振蕩信號轉換為超聲頻機械振動的部件。由螺母、反射罩、壓電陶瓷片、銅片、絕緣套、螺栓、聲頭組成。具有壓電效應和逆壓電效應，是所有功率超聲的核心部件［1］。壓電換能器裝配時，壓電陶瓷與金屬塊接觸良好與否，預緊力的大小，對諧振頻率和阻抗的影響很大［2-3］。傳統(tǒng)的裝配方法是通過扳手或者扭矩扳手進行裝配，這種裝配方法導致壓電換能器電聲轉換效率低、易發(fā)熱、陶瓷片易破碎、壓電換能器易松開、壓電換能器和超聲波發(fā)生器難以匹配等問題［4-6］。而且，傳統(tǒng)的裝配方式存在裝配精度低、速度慢、人工勞動強度大等缺點。

因此，為了解決傳統(tǒng)裝配方式中存在的問題，提高壓電換能器的質量、穩(wěn)定性和可靠性，提高壓電換能器裝配效率，本研究設計一種壓電換能器裝配機，通過Solidworks 軟件對壓電換能器裝配機進行三維建模，并對裝配15 kHz 和20 kHz 壓電換能器兩種工況進行有限元分析，得到了兩種工況下壓電換能器裝配機整體結構的應力值和受力云圖，并使用裝配機裝配壓電換能器。由于新裝配的壓電換能器性能不穩(wěn)定，本研究每天使用阻抗分析儀和萬用表對新裝配好的壓電換能器進行測量，以此得到壓電換能器性能參數(shù)變化曲線。

1 裝配機結構和工作原理

1．1 壓電換能器裝配機工作原理

由于壓電換能器的壓電效應，壓電換能器在擰緊過程主要是利用電壓傳感器采集壓電換能器兩端銅片上的電壓值，測得電壓值后就可以準確判斷壓電換能器的性能，對電壓傳感器采集壓電換能器銅片兩端由于壓電效應產(chǎn)生的電壓的大小，來確定擰緊時需要扭矩的大小。其中，電壓與扭矩關系的表達式為:

式中:Q—陶瓷片產(chǎn)生的電荷量，T—擰緊扭矩，d33—壓電常數(shù)，d—螺紋公稱直徑，C—電容值。

最后，利用PLC 控制器對電壓值進行對比，當電壓值達到設定值時，PLC 控制電機停止轉動，完成對壓電換能器的裝配。

控制系統(tǒng)流程如圖1 所示。

圖1 PLC 控制流程

1．2 壓電換能器裝配機結構

壓電換能器裝配機由電機、三爪卡盤、套筒扳手、機械傳動結構、數(shù)字信號采集處理系統(tǒng)、控制器等部分組成。裝配機工作主要由夾緊、傳動、擰緊三個步驟組成。首先，三爪卡盤夾緊壓電換能器，電機帶動絲杠，使壓板向下壓緊壓電換能器。最后，另一電機通過減速機，帶動套筒扳手對壓電換能器擰緊。裝配機結構如圖2、圖3 所示。

圖2 四立柱壓電換能器裝配機主視圖

圖3 四立柱壓電換能器裝配機俯視圖

2 壓電換能器裝配機有限元模型

2．1 有限元模型建立

裝配機的整體力學性能對裝配質量、疲勞壽命、工作頻次及工作能耗等有決定性的影響［7］。本研究對裝配機整體進行分析。

壓電換能器裝配機主要鋼結構是采用45 鋼［8］，其主要參數(shù)性能如表1 所示［9］。

表1 45 鋼主要材料性能參數(shù)

根據(jù)簡化原則，本研究忽略小特征、小尺寸的孔和受力影響較小的零件，結合表1 參數(shù)建立了壓電換能器裝配機有限元模型。

2．2 壓電換能器裝配機受力分析

壓電換能器裝配機在擰緊壓電換能器的過程中，電機轉動，套筒扳手受到擰緊力矩T 的作用。螺紋連接的擰緊力矩T 等于克服螺紋相對轉動的阻力矩T1和螺紋支撐面上的摩擦阻力矩T2之和，即:

式中:Fa—軸向力，對于不承受軸向工作載荷的螺紋;Fa—預應力;d2—螺紋中徑;fc—螺紋與被連接件支承面之間的摩擦系數(shù)。本研究中取0．15，F(xiàn)'取0．15，F(xiàn)c取0．15［10］。

式中:rf—支撐面摩擦半徑，dw—螺母支承面的外徑，d0—螺栓孔直徑。因此，式(2)可化簡為:

式中:d—螺紋公稱直徑。

此外，壓電陶瓷片的預應力為3000 N/cm2～3500 N/cm2。裝配20 kHz 的壓電換能器時，由于壓電換能器使用M16螺栓，取壓電陶瓷片預應力為3 500 N/cm2，得:

裝配15 kHz 的壓電換能器時，由于壓電換能器使用M22 的螺栓，取壓電陶瓷片預應力為3 500 N/cm2，得:

同時，在擰緊過程中，壓電換能器使套筒扳手產(chǎn)生的扭矩分別為:T3=－190 N·m 和T4=－385 N·m。

此外，由于壓電效應，壓電換能器反作用于套筒扳手垂直向上的力分別為:Fa3=60 000 N 和Fa4=88 000 N。

2．3 網(wǎng)格劃分

首先，應進行有限元的前處理工作，即網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分對后期的計算過程將產(chǎn)生較大的影響。本研究對裝配機進行單元網(wǎng)格劃分后，得到節(jié)點數(shù)10 415，單元數(shù)5 324。

2．4 結果讀取

在裝配15 kHz 和20 kHz 壓電換能器兩種工況下，裝配機整體結構的應力云如圖4 所示。

2．5 裝配機有限元計算結果分析

查閱材料參數(shù)手冊［11］，可知45 鋼的屈服應力值為355 MPa。根據(jù)屈服應力規(guī)定的安全因素，通常1．5≤ns≤2．2，取ns=1．8，通過計算得到許用應力δ=δs/ns=197．2 MPa。

從上面兩種工作狀態(tài)下的應力云圖可以看出，最大應力分別為126．05 MPa 和184．87 MPa，均小于45 鋼的許用應力，滿足壓電換能器裝配機強度設計的要求。

3 實驗及結果分析

3．1 實驗準備

本研究自行加工壓電陶瓷片、前后金屬蓋板、預應力螺栓、金屬電極片以及預應力螺栓絕緣套管等材料，零件圖如圖5 所示。

本研究將壓電換能器預裝配后，通過壓電換能器裝配機裝配壓電換能器，裝配好的壓電換能器如圖6所示。

圖4 兩種工況下裝配機整體結構應力云圖

圖5 壓電換能器零件圖

圖6 新裝配的壓電換能器

實際裝配試驗結果表明，使用壓電換能器裝配機裝配一個壓電換能器的時間為1'30″，與傳統(tǒng)的壓電換能器裝配方法相比，裝配效率得到了極大的提升，裝配時間僅僅是傳統(tǒng)裝配方法的1/10。

3．2 實驗測量及分析

壓電換能器的諧振頻率、阻抗、靜態(tài)電容是衡量壓電換能器性能的主要參數(shù)，但實驗發(fā)現(xiàn)，新裝配的壓電換能器在裝配完成后一段時間內諧振頻率、阻抗、靜態(tài)電容不斷地變化。因此，本研究在用壓電換能器裝配機裝配壓電換能器之后，再使用TH2818 阻抗分析儀測量壓電換能器諧振頻率和阻抗，用萬用表測量靜態(tài)電容，獲得的壓電換能器的諧振頻率、阻抗和靜態(tài)電容如表2 所示。

表2 新裝配的壓電換能器參數(shù)性能

裝配結果表明，新裝配的壓電換能器頻率、阻抗和靜態(tài)電容滿足壓電換能器性能要求。

本研究將新裝配好的壓電換能器使用阻抗分析儀和萬用表每天定時測量，得到諧振頻率、阻抗和電容隨時間變化的曲線如圖7 所示。

圖7 新裝配壓電換能器性能變化曲線

由圖7 可以看出，隨著時間的推移，兩個新裝配的壓電換能器諧振頻率不斷地升高，阻抗總體呈下降趨勢，靜態(tài)電容在在裝配好的第2 天突然升高和第3 天下降后，也逐步升高。最后，壓電換能器諧振頻率、阻抗和靜態(tài)電容在第7 天之后趨于穩(wěn)定。因此，可以得出新裝配的壓電換能器在裝配完后的一周內性能仍有一定的提升。

4 結束語

(1)裝配機應力云圖能夠客觀反映裝配機的受力情況，并且應力控制在合理的范圍內，滿足了設計工作的需要。本研究通過PLC 控制扭矩的大小，實現(xiàn)了換能器的裝配自動化。

(2)與傳統(tǒng)的壓電換能器裝配方法相比，使用本裝配機裝配效率得到了極大的提升，使用裝配機裝配，裝配時間僅僅是傳統(tǒng)裝配方法的1/10。同時，裝配質量也有很大的提升。

(3)新裝配好的壓電換能器隨著時間的推移，諧振頻率不斷升高，阻抗不斷下降，靜態(tài)電容除第2 天和第3 天變化明顯外，逐步上升，但上升幅度不大。并且，諧振頻率、阻抗和靜態(tài)電容都在7 天之后趨于穩(wěn)定，第10 天時，諧振頻率已經(jīng)從19．57 kHz 和19．43 kHz 分別升至19．711 kHz 和19．567 kHz。阻抗從5．413 Ω 和11．713 Ω 分別下降至3．671 Ω 和7．835 Ω。靜態(tài)電容從11．34 nF 和10．75 nF 分別上升至11．69 nF 和10．77 nF。新裝配的壓電換能器性能得到了提升。

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