超声线结构设计

机械设计与制造　

一４８一　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　第５期　

２００７年５月　

文章编号：１００１—３９９７（２００７）０５—００４８—０３　

双足型直线超声电机的原理分析及结　构设计六　

许海（苏州市职业大学机电工程系。苏州２１５１０４）　

Ｔｈｅ　ｄｏｕｂｌｅ　ｆｏｏｔｓ　ｌｉｎｅｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ　Ｓ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　

ＸＵ　Ｈａｉ（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｓｕｚｈｏｕ　ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｕｚｈｏｕ　２１５　１０４，Ｃｈｉｎａ）　

，　。　。　。　。　。　＿卜。．卜。　。　‘　。　。　。　。　。　。　。　。　。　。　。　’　。　‘　‘　’　。　’　。　’　‘　。　。　’　’　’　。　’　。　。、　ｔ　【摘要】研制了一种新型直线超声电机，首先对其驱动机理进行了探讨，对定子表面质点椭圆运动ｔ　

；的形成进行了分析，结合电机输入电压信号的时序阐明了电机工作模态的激发过程；其次对电机结构进；　

ｔ行了设计，确定了振子尺寸，组装了一台直线超声电机。　ｔ　

ｊ　关键词：直线型超声电机；驱动振子；压电陶瓷　ｉ　

｛　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】　ｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓ　０　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ．Ｆｉｒｓｔ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｋ　ｍｅｃｈｍｌｉｓｍ　ｏｆ　｝　

ｊ　ｍｏｔｉｖａｔｉｏｎ；ａｎａｌｙｓｅｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍ　ｏｆｐａｒｔｉｃｌｅ　ｏｎ　ｓｔａｔｏｒ　ｓｕ￣Ｃａｃｅ．Ｎｅｘｔ，ｆｒｏｍ　０　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｉｎｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓｉｇｎａｌｓ，ｔｈｅ　ｊ　

÷ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｓ　ｗａｓ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｎｄ，ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｕ＇ｉｔｈ　ｄｅｔａｉ．　÷　ｔ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ．　＋　＋　；　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｌｉｎｅａｒ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｍｏｔｏｒ；Ｄｒｉｖｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｏｒ；Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃｓ　

1.箱体的主要功能

(1)支承并包容各种传动零件，如齿轮、轴、轴承等，使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。

(2)安全保护和密封作用，使箱体内的零件不受外界环境的影响，又保护机器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。

(3)使机器各部分分别由独立的箱体组成，各成单元，便于加工、装配、调整和修理。

(4)改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。

2.箱体的分类

按箱体的功能可分为：

(1)传动箱体，如减速器、汽车变速箱及机床主轴箱等的箱体，主要功能是包容和支承各传动件及其支承零件，这类箱体要求有密封性、强度和刚度。见图21-6。

(2)泵体和阀体，如齿轮泵的泵体，各种液压阀的阀体，主要功能是改变液体流动方向、流量大小或改变液体压力。这类箱体除有对前一类箱体的要求外，还要求能承受箱体内液体的压力。

(3)支架箱体，如机床的支座、立柱等箱体零件，要求有一定的强度、刚度和精度，这类箱体设计时要特别注意刚度和外观造型。

按箱体的制造方法分，主要有：

(1)铸造箱体，常用的材料是铸铁，有时也用铸钢、铸铝合金和铸铜等。铸铁箱体的特点是结构形状可以较复杂，有较好的吸振性和机加工性能，常用于成批生产的中小型箱体。

(2)焊接箱体，由钢板、型钢或铸钢件焊接而成，结构要求较简单，生产周期较短。焊接箱体适用于单件小批量生产，尤其是大件箱体，采用焊接件可大大降低成本。

(3)其它箱体，如冲压和注塑箱体，适用于大批量生产的小型、轻载和结构形状简单的箱体。

2 设计的主要问题和设计要求

箱体设计首先要考虑箱体内零件的布置及与箱体外部零件的关系，如车床按两顶尖要求等高，确定箱体的形状和尺寸，此外还应考虑以下问题：

1.满足强度和刚度要求。对受力很大的箱体零件，满足强度是一个重要问题；但对于大多数箱体，评定性能的主要指标是刚度，因为箱体的刚度不仅影响传动零件的正常工作，而且还影响部件的工作精度。

塑料件的设计

现代注塑方式能有效提供比较完美的焊接用塑胶件。当我们决定用超声波焊接技术完成熔合时，塑料件的结构设计必须首先考虑如下几点：

① 焊缝的大小(即要考虑所需强度)

② 是否需要水密、气密

③ 是否需要完美的外观

④ 避免塑料熔化或合成物的溢出

⑤ 是否适合焊头加工要求

焊接质量可以通过下面几点的控制来获得：

① 材质

② 塑料件的结构

③ 焊接线的位置和设计

④ 焊接面的大小

⑤ 上下表面的位置和松紧度

⑥ 焊头与塑料件的接触面

⑦ 顺畅的焊接路径

⑧ 底模的支持

为了获得完美的、可重复的熔焊方式，必须遵循三个主要设计方向：

① 最初接触的两个表面必须小，以便将所需能量集中，并尽量减少所需要的总能量(即接时间)来完成熔接。

② 找到适合的固定和对齐的方法，如；塑料件的接插孔、台阶或企口之类。

③ 围绕着连接界面的焊接面必须是统一而且相互紧密接触的。如果可能的话，接触面尽量在同一个

④ 平面上，这样可使能量转换时保持一致。

下面就对塑料件设计中的要点进行分类举例说明：

7.1整体塑料件的设计

7.1.1塑料件的结构

塑料件必须有一定的刚性及足够的壁厚。太薄的壁厚有一定的危险性，超声波焊接时是需要加压的，一般气压为2-6Kg f/cm2。所以塑料件必须保证在加压情况下基本不变形。

7.1.2罐状或箱形塑料等，在其接触焊头的表面会引起共振而形成一些集中的能量聚焦点，从而产生烧伤、穿孔的情况（如图1所示），在设计时可以在罐状顶部做如下考虑：

图1 带尖角 图2 带圆弧过渡

1、加厚塑料件 2、增加加强筋 3、焊头中间位置避空

7.1.3尖角

如果一个注塑出来的零件出现应力非常集中的情况，比如尖角位，在超声波的作用下会产生折裂、融化。这种情况可考虑在尖角位加R角。如图2所示。

版本：A1

第 1 页 共 12 页 结构工程师-结构设计规范

一． 首先，结构设计必需考虑符合安规要求。具体与结构相关的安规要求见附件一《结构设计安规要求》。

二． 钣金件的设计规范：

1. 材料的选用：根据不同的需求，选择合适的材料。

2. 钣金件结构的设计应尽量减少利边和尖角的出现。

3. 输出钣金件图纸时，图纸上需注明毛刺方向、产品材质、表面处理等。

4. 钣金件上所有的牙孔需在图纸上标明，若设计为自行攻牙的牙孔需事先计算好底孔尺寸并在图纸上标明。

5. 固定传感器的钣金件（如：过渡板、计数架）在设计时需考虑兼容性，便于后期扩展其它新机型。在输出开模资料时需在图纸上特别标明哪些特征在后期会新开冲孔模进行替换。

6. 钣金件的设计必需遵循钣金件设计规范。详见附件二《钣金结构件可加工性设计规范》。

三． 塑胶件的设计规范：

1. 材料的选用：根据不同的需求选择合适的材料。例如：传动轮或磨擦较频繁的部件需选用耐磨材料POM、PA66等。与钞票有磨擦的部件尽量选用导电材料或抗静电材料，防止静电的产生和静电释放。靠近发垫部件的塑胶部件需选用防火材料，并且设计时应尽量远离发热体。若受空间限制无法远离，可考虑选用金属材料。

2. 结构设计需考虑部件自身的强度、产品注塑成型造成的缩水、熔合线等。塑胶产品的设计必需遵循塑胶产品设计规范，详见附件三《塑胶产品设计规范及注意事项》。

3. 塑胶镶嵌螺丝、螺母及五金预埋件(如：五金提手)在结构上的设计规范：

a. 预埋件金属体紧配面需滚花处理。

b. 预埋件金属体紧配面车削加工直径方向成大小大尺寸。

c. 大五金预埋件在五金件的结构设计时需预先考虑五金件自身的强度，防止在注塑成型时由于注塑压力造成五金件变形。设计塑胶包胶部份需考虑其胶厚，尽量保持均匀胶厚且胶厚不可太厚防止缩水及不易注塑成型。 版本：A1

第 2 页 共 12 页 4. 螺丝柱上螺孔尺寸的设计需符合下表的要求(参考用)：