力负载下超声振子性能参数的电负载补偿研究

作     者：饶忠于 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡小平;陆平山

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：超声振子 力负载 压电换能器 调节电路 性能参数 

摘      要：超声加工技术目前已广泛运用于焊接、金属成型、机械加工等工业生产领域,由于其独具特色的加工方式,使其成为特种加工领域中不可或缺的一种加工技术。在实际运用中,超声加工技术是通过超声振子连接的工具头与工件接触进行高频振动加工。因而在超声加工过程中,超声振子会受到工件抵抗加工产生的力负载。力负载会导致超声振子的谐振频率漂移、机械品质因数大幅降低,使其与超声电源之间的频率匹配失效,工作性能和使用寿命大幅降低。本文针对力负载对超声振子造成的这些问题,设计出一种外接电负载调节电路的频率可调超声振子,根据力负载和压电陶瓷材料参数的关系模型以及电负载调频理论,建立超声振子的力负载-电负载-阻抗特性模型,研究力负载和电负载对超声振子性能参数的影响,并通过Simulink仿真验证了在力负载下通过电负载调节电路对超声振子的谐振频率进行补偿的可行性和有效性。主要研究工作及成果如下:1、力负载对超声振子性能参数的影响分析。以力负载和压电陶瓷材料参数的关系模型为基础,根据一维振动方程和压电方程,推导了带力负载的压电晶堆机电等效电路模型,进而建立带力负载的超声振子机电等效电路模型,得到了力负载和超声振子输入阻抗的关系模型;基于建立的理论模型,研究了力负载对超声振子谐振频率、机械品质因数等性能参数的影响;设计超声振子的力负载实验,验证了所建立机电等效电路模型的正确性。2、电负载对压电换能器性能参数的影响分析。基于压电换能器的Mason等效电路,建立带电负载调节电路的压电换能器机电等效电路模型,研究了LC调节电路中调节电感和调节电容对压电换能器的频率、频率调节灵敏度和频率调节宽度的影响;设计电负载调节实验,验证不同电负载对频率调节特性和机械品质因数的影响,并分析了理论分析与实验结果误差的可能原因。3、力负载下超声振子性能参数的电负载补偿性能研究。基于带力负载和电负载调节电路的超声振子机电等效电路模型,建立超声振子的力负载-电负载-阻抗特性模型,分析了在力负载下单电感、单电容和LC调节电路的性能补偿效果;针对LC调节电路的频率补偿结果,分析同谐振频率下不同电感电容组合的机械品质因数和有效机电耦合系数;利用Simulink搭建超声振子系统模型,比较不同力负载、不同电负载值下超声振子的电流幅值和电压电流相位差,验证了通过电负载调节电路对力负载下超声振子频率漂移进行补偿的可行性和有效性。