【導(dǎo)讀】泛應(yīng)用的一項先進技術(shù)。該技術(shù)對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運行，降低。生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率具有較大潛力。過程中的粘刀現(xiàn)象，從而提高生產(chǎn)效率，以及提高食品質(zhì)量。論文首先闡述了超聲加工。切割裝置的總體設(shè)計，切割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及超聲關(guān)鍵部件——變幅桿性能分析。

　　

【正文】 種。 根據(jù)超聲波加工的需要，超聲波發(fā)生器的輸出波形或以是正 弦波，也可以是 非正弦波，但以正弦波最為多見。本設(shè)計 中的超聲波發(fā)生器 J93025 的主要技術(shù)指標如下 最大輸出功率頻率 ： ≥50W 調(diào)節(jié)范圍一 ： 16～ 24kHz 輸出阻抗 : 歐 在超聲波加工系統(tǒng)中，為了獲得最大振幅以提高加工效率，工作過程中應(yīng)調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的頻率，使其與換能器振動系統(tǒng)的諧振頻率相等。但在實際工作中，由于負載、溫度等諸多因素的影響，引起了系統(tǒng)參數(shù)的變化，這時，若超聲波發(fā)生器的頻率不變，則換能器的振幅下降。若要在新參數(shù)下獲得最大振幅，就應(yīng)及時調(diào)節(jié)超聲波 發(fā)生器的頻率。 超聲波換能器 超聲換能器的作用是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻機械振動。壓電換能器具有結(jié)構(gòu)尺寸小、冷卻簡單、機械諧振頻率低、輸出振幅大、阻抗易于匹配、電聲轉(zhuǎn)換效率高等特點 ,特別適合大振幅超聲振動加工 ,因此 在設(shè)計中 采用軸向半波長夾心式壓電陶瓷換能器。如圖 41 所示 ,它由兩部分組成 ,一部分截面直徑較大 ,而超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 21 且做成均勻截面圓柱體 ,另一部分是截面直徑小的圓柱體 ,兩者之間成為階梯桿結(jié)構(gòu)。這樣在截面積較大的部分振幅較小 ,而在截面積較小的輸出端能獲得較大的振幅。其振幅的大小與這 部分的幾何形狀有關(guān) ,也與頭尾兩部分金屬材料的聲阻抗率有關(guān)。壓電陶瓷片置于大截面圓柱內(nèi) ,其在大端的位置可以根據(jù)文獻 [1]確定 。 圖 41 超聲波刀具的組成 超聲變幅桿 超聲變幅桿是超聲振動系統(tǒng)中一個重要的組成部分 , 它在振動系統(tǒng)中的主要作用是把機械振動的質(zhì)點位移或速度放大 , 并將超聲能量集中在較小的面積上即聚能 , 因此也稱超聲變速桿或超聲聚能器。在高聲強超聲如超聲加工、超聲焊接等應(yīng)用中 ,輻射面的振動幅度一般需要幾十到幾百微米 , 只有在換能器的端面連接超聲變幅桿 , 才能將機械振動幅度放大到符合要 求。另外 , 超聲變幅桿還可以作為機械阻抗變換器 , 在換能器超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 22 和聲負載之間進行阻抗匹配 , 使超聲能量更有效地從換能器向負載傳輸 。 圖 42 所示為 階梯形變幅桿 。 階梯形變幅桿由兩段不同截面的均勻桿組成，如圖所示。由式 （ 41） 可以得到均勻截面桿的波動方程其解可以寫成 （ 42） 圖 42 階梯形變幅桿 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 23 第五章 關(guān)鍵部分有限元 分析 變幅桿振動特性分析 有限元方法動力學(xué)分析的理論基礎(chǔ) 在超聲波加工中， 要使變幅桿有效和可靠地工作，保證所加工零件的精度和加工效率，變幅桿必須具有良好的動態(tài)特性，因此，必須對變幅桿進行動力學(xué)研究。其內(nèi)容包括兩個方面固有振動特性分析和響應(yīng)特性分析 [11][12]。所謂固有振動特性分析，是研究在無阻尼自由振動的條件下，變幅桿的固有特征，即固有頻率和振動應(yīng)力。響應(yīng)分析是用于確定變幅桿在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的軸向載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，目的是計算出變幅桿的動力響應(yīng)，并得到響應(yīng)位移和響應(yīng)應(yīng)力。對于諧響應(yīng)分析，峰值響應(yīng)發(fā)生在激振頻率和變幅桿的固有頻率相等時，換句話說，只有當(dāng)工作頻率和變幅桿 的固有頻率相等時，變幅桿端面才能達到最大位移。因此，在諧響應(yīng)分析之前，應(yīng)該首先做模態(tài)分析以確定變幅桿的固有頻率。 模態(tài)的有限元分析結(jié)果 在所指定的頻率范圍一內(nèi)，模態(tài)分析所得到的各種形狀的變幅桿的固有頻率如表51 所示。 表 51 變幅桿固有頻率 諧響應(yīng)分析結(jié)果 通過諧響應(yīng)分析，我們得到變幅桿在一個特定的固有頻率下的軸向位移分布。在同一截面內(nèi)，沿著徑向，位移隨著半徑的增加而有微小的變化，同一截面相同半徑處的位移是相同的。所以在這里為了作圖方便，對同一個截面的位移沿徑向取平均值。 本設(shè) 計中所采用的 復(fù)合型變幅桿在固有頻率 為 時，沿軸向位移分布數(shù)據(jù)見表 52。有限元法得到的復(fù)合型變幅桿的位移放大比約為 。 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 24 表 52 復(fù)合型變幅桿的軸向位移分布數(shù)據(jù) 位移分布曲線分析結(jié)果如圖 51 所示： 圖 51 復(fù)合型變幅桿位移有限元分析 換能器 ANSYS 建模分析 換能系統(tǒng)作為超聲引線鍵合和熱超聲倒裝鍵合系統(tǒng)的重要組成部分，其超聲振動特性 [12]直接影響系統(tǒng)的能量輸出，由此影響芯片與基板之間的鍵合質(zhì)量。換能系統(tǒng)綜合電場、力場、聲場等不同物理系統(tǒng)，其振動特性相當(dāng)復(fù)雜，包含多種 振動模態(tài)。由此，研究與分析換能統(tǒng)的振動特性，對換能系統(tǒng)的性能評判與設(shè)計依據(jù)具有重要意義。 熱超聲引線鍵合系統(tǒng)主要是由超聲發(fā)生器、 P Z T 換能器、變幅桿、劈刀等部分組超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 25 成。超聲發(fā)生器的電能量通過 PZT 換能器的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為縱向機械振動，然后經(jīng)過變幅桿的放大作用，再經(jīng)過劈刀轉(zhuǎn)化為與芯片平行的橫向振動，由此劈刀尖端帶動金線 (或鋁絲 )與基板發(fā)生相互摩擦振動，從而將超聲能量傳遞到鍵合界面。 超聲換能器 ANSYS 建模 有限元法又叫做有限單元法，它實質(zhì)上是一種數(shù)值計算方法 ,其首先將一些實際的結(jié)構(gòu)劃分為一系列的 離散單元（這些單元是通過公共節(jié)點連接在一起的），然后對這些單元組合體進行分析。通常的結(jié)構(gòu)有限單元分析過程可以概括為：通過各種標準元件的組合構(gòu)造出任意復(fù)雜的離散結(jié)構(gòu)分析模型，然后由相鄰單元公節(jié)點處的平衡條件，集成總體剛度方程，引入邊界條件建立結(jié)構(gòu)平衡方程并求得位移解。 換能系統(tǒng)建模中要用到的換能桿各部分尺寸參數(shù)設(shè)置如半截面圖 52 所示。 圖 52 換能系統(tǒng)截面圖 表 53 換能系統(tǒng)尺寸表 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 26 其中表 53 為換能系統(tǒng)尺寸大??；換能系統(tǒng)中用到的各種材料屬性見表 54： 表 54 換能系統(tǒng) 材料屬性 其中第２號材料的屬性設(shè)置為： DENS： 27700 PERX： PERY： PERZ： 各結(jié)構(gòu)的材料設(shè)定為：劈刀采用 3 號材料， PZT 采用 2 號材料，其他部分采用的是1 號材料。 分析的建模過程 利用 軟件建立換能系統(tǒng)有限元模型，包括 4 片 PZT 壓電陶瓷片、前后蓋板、安裝過渡部分 、變幅桿及鍵合工具等部分。采用關(guān)鍵點生成面、網(wǎng)格劃分面、旋轉(zhuǎn) 生成體單元等方法建立有限元模型，模型包含 19716 個單元及 38905 個節(jié)點。 諧響應(yīng)分析 諧響應(yīng)理論 諧響應(yīng)分析是用于確定換能器在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的激勵電壓時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，目的是計算出換能器的動力響應(yīng)，得到位移對頻率的幅頻特性曲線及其它結(jié)果隨頻率變化的情況。對于諧響應(yīng)分析，峰值響應(yīng)發(fā)生在激勵電壓頻率和固有頻率相等時，只有當(dāng)換能器的工作頻率與其固有頻率相等時，換能器的端面才能達到最大位移。 分析結(jié)果 工具端面的振幅是超聲加工所關(guān)心的一個問題，在 A N S Y S 后處理程序 POST26中，定義一個變量代表工具端面節(jié)點 (變幅桿端面圓心處 )的縱向（ X 方向）位移自由度，采用完整的系統(tǒng)矩陣計算諧響 應(yīng)的分析方法，繪出其隨頻率變化的關(guān)系曲線如圖 所示。由圖可見，在頻率為 56KHz 附近，整個超聲換能系統(tǒng)達到諧振狀態(tài)，其振動的位移為 米。 實驗結(jié)果及結(jié)論 過有限元分析軟件 ANSYS 進行換能器建模，并進行換能系統(tǒng)的響應(yīng)分析，獲得超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 27 系統(tǒng)諧響應(yīng)曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)換能系統(tǒng)在 56KHz 時達到了諧振狀態(tài)，振幅為 。這一結(jié)果經(jīng)過 PSV 400M2 高頻型掃描式多普勒測速儀測試得到驗證。這有益于了解超聲鍵合工藝流程，在換能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方面也有很大的作用。 圖 53 換 能系統(tǒng) 初步模型圖 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 28 圖 54 換 能系統(tǒng)諧響應(yīng)曲線 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 29 結(jié)論 本文首先論述了超聲波食品切割機 課題提出的背景，簡單對超聲波的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)況做了介紹。在設(shè)計中首先對超聲波加工系統(tǒng)波的產(chǎn)生，及其各組成部分作了詳細的剖析，目的是為了更好的設(shè)計出超聲波食品切割機，將超聲波與機械部分完美的結(jié)合。在食品加工機械 切割裝置的總體設(shè)中，參考了現(xiàn)有文獻，在 CAD 軟件的界面上，方便了邊設(shè)計邊修改，使得設(shè)計得以順利進行。 超聲波食品切割機終于在切割機械裝置、超聲波系統(tǒng)主軸、以及他們之間的結(jié)合等方面有了一 套系統(tǒng)的設(shè)計方案。它的誕生不僅是超聲波這一現(xiàn)代加工方法應(yīng)用的一個推廣 。它的產(chǎn)生更是對現(xiàn)代食品加工行業(yè)的發(fā)展起著劃時代的意義。如本文緒論中所提及的食品加工生產(chǎn)過程中常遇到的難加工、粘刀這樣的問題，加入超聲波系統(tǒng)后這些問題都能得到有效的解決。 參考文獻 超聲波食品切割裝置的研究與 系統(tǒng) 設(shè)計 30 [1] 曹鳳國 ． 超聲加工技術(shù) [M]． 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 ． 2021： 1～ 2， 27～ 93． [2] 林書玉 ． 功率超聲技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其最新進展 [J]． 陜西師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版） ， 2021，29(1)： 101106． [3] 譚定忠等 ． 傳感器與測試技術(shù) [M]． 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