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基于扭振斜向贴片式应力型纵扭复合超声电机陈翔宇;朱星星;杨淋【摘要】设计了一种新型双转子应力型纵扭复合超声电机，并对该型电机的结构进行了设计；提出了一种基于扭转振动斜向粘贴压电片方式，利用矩形压电陶瓷贴置在开有斜槽的圆形定子基体上的布局方案，用于激励出定子基体产生一阶扭转振动模态；通过有限元软件计算出定子基体一阶扭振模态和定/转子整体的二阶纵振模态，并对两者模态的固有频率一致性进行设计。
对设计的10 mm 贴片式双转子应力型纵扭复合超声电机进行振动测试实验并选择其最佳的工作频率，实验结果验证该方案的可实施性。
%The study proposes a new type of the stress type hybrid ultrasonic motors with dual rotors using longitudinal and torsional vibration modes (LTUM).It presents a new way of pasting PZT on the inclined plane of the stator based on the first torsional vibration mode of the stator. The first torsional vibration mode of the stator is excited by four rectangular PZTs bonded on the in-clined plane of the stator. The FEM software workbench is then used to analyze the first torsion-al vibration mode of stator and the second longitu-dinal vibration mode of the motor.The vibration mode experiment and the best frequency are test-ed,and the results prove the design to be feasible.【期刊名称】《机械与电子》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】4页(P49-52)【关键词】超声电机;压电;应力型;纵扭【作者】陈翔宇;朱星星;杨淋【作者单位】南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室，江苏南京210016;南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室，江苏南京210016;南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室，江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TH1220 引言超声电机［1］（ultrasonic motors）是在20世纪80年代发展起来的一种微小型电机，它的原理是利用压电材料的逆压电效应的现象，将电能转换为弹性体的机械能，从而使定子产生高频振动，通过定／转子间高频率下的接触和摩擦转换为转子的直线运动或旋转运动［2－5］。
基于超声振动加工的阶梯形变幅杆焊头设计与性能分析刘兵华1 席燕辉2(1.延锋汽车饰件系统(长沙)有限公司 湖南长沙 410000;2.长沙理工大学 湖南长沙 410114)摘要： 超声变幅杆是超声振动复合加工工艺中超声振动系统的重要部件，在塑料超声波焊接加工中，常常把变幅杆与焊接工具设计在一起，即业内通俗说的超声波变幅杆焊头。
该文结合实际应用情况，通过理论计算得到阶梯形变幅杆焊头的几何模型，并基于Ansys Workbench 分析软件对阶梯形变幅杆焊头进行模态分析和谐响应分析，获得了阶梯形变幅杆放大系数、截面突变处的过渡圆弧与最大应力的变化规律，为阶梯形复合变幅杆焊头的设计提供了参考，优化设计的阶梯形变幅杆焊头工作性能得到大幅度提升。
关键词： 阶梯形 变幅杆焊头 有限元 模态分析中图分类号： TG663文献标识码： A文章编号： 1672-3791(2023)10-0071-05Design and Performance Analysis of the Stepped Horn WeldingHead Based on Ultrasonic Vibration MachiningLIU Binghua 1 XI Yanhui 2(1.Yanfeng Automotive Trim Systems (Changsha) Co., Ltd., Changsha, Huhan Province, 410000 China;2.Changsha University of Science and Technology, Changsha, Hunan Province, 410114 China)Abstract: The ultrasonic horn is an important part of the ultrasonic vibration system in the ultrasonic vibration composite processing technology. In the plastic ultrasonic welding process, the horn and welding tools are often de‐signed together, and that is commonly known as the ultrasonic horn welding head. Combined with the actual ap‐plication situation, this paper obtains the geometric model of the stepped horn welding head through theoretical calculation, conducts the modal analysis and harmonious response analysis of the stepped horn welding head based on Ansys Workbench analysis software, and obtains the variation law of the amplification coefficient, transition arc at the abrupt change of cross-section and maximum stress of the stepped horn, which provides reference for the design of the stepped horn welding head. The working performance of the stepped horn welding head that is optimally designed has been greatly improved.Key Words: Stepped; Horn welding head; Finite element; Modal analysis超声振动加工是一种重要的特种加工技术，其中超声振动系统是超声加工的核心部分，由换能器、变幅杆、工具等构成。
河南机电高等专科学校先进制造技术课程论文论文题目：超声波加工在复合加工中的实际应用分析系部：机械工程系专业：机械制造与自动化班级：机制122学生姓名：学号：指导教师：2014年11月3日摘要：通过对超声波和超声技术的解释举例，以及对超声复合技术的理解，更深入的体会超声波在超生复合技术中的应用，对超声复合的作用，起关键作用，对这一方面的认知和超声复合的定义。
关键词：超声波超声复合一超声波1.超声波定义我们知道，当物体振动时会发出声音。
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000赫兹。
因此，当物体的振动超过一定的频率，即高于人耳听阈上限时，人们便听不出来了，这样的声波称为“超声波”。
通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。
超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。
可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等虽然说人类听不出超声波，但不少动物却有此本领。
它们可以利用超声波“导航”、追捕食物，或避开危险物。
大家可能看到过夏天的夜晚有许多蝙蝠在庭院里来回飞翔，它们为什么在没有光亮的情况下飞翔而不会迷失方向呢？原因就是蝙蝠能发出2～10万赫兹的超声波，这好比是一座活动的“雷达站”。
蝙蝠正是利用这种“雷达”判断飞行前方是昆虫，或是障碍物的。
2.超声波的特点:1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。
2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。
3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应。
（治疗）超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。
3.超声波加工原理超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法，加工原理如图1.1所示。
面向岩石取样过程的超声纵扭变幅杆设计韩光超;潘高峰;刘初见;陈长新;杨航润【摘要】针对超声岩石取样加工过程需要不同比例纵扭振动输出需求,设计一种具有斜槽结构的纵扭复合阶梯型超声变幅杆.根据超声变幅杆的纵扭复合振动机理,利用有限元法分析确定可产生扭转振动的带斜槽阶梯型变幅杆基本结构,研究斜槽结构参数变化对超声变幅杆输出纵振振幅与扭转振幅比值的影响规律.研究结果表明,在阶梯型变幅杆上合理设定斜槽的位置和结构参数可实现不同比例的纵扭振动输出,满足不同材质超声岩石取样加工需求.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷),期】2016(000)007【总页数】4页(P5-8)【关键词】岩石取样;纵扭复合振动;阶梯型超声变幅杆;斜槽【作者】韩光超;潘高峰;刘初见;陈长新;杨航润【作者单位】广西制造系统与先进制造技术重点实验室(广西大学),广西南宁530004;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;地质过程与矿产资源国家重点实验室(中国地质大学),湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074;中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TG663超声岩石取样过程是通过岩石取样工具的纵向超声振动和岩石试样的柔性进给来实现岩石样品的磨削取样加工［1］。
虽然通过取样工具的单向高频冲击可促进研磨颗粒对岩石的磨削加工过程，并有效提高岩石试样的取样成功率，但对于硬度较大的岩石样本，磨削取样加工效率仍然较低，需进一步改进。
近年来，随着超声辅助切削加工应用研究的不断深入，纵扭、纵弯等复合振动超声辅助成形加工成为研究的热点。
已有研究表明，纵扭共振复合超声加工比单一轴向振动超声加工具有更优良的加工特性。
而实现纵—扭复合振动的途径按实现原理的不同基本可分为两大类：一类是通过纵扭超声换能器实现纵扭振动输出；另一类是利用纵向超声换能器实现单一轴向振动，然后通过纵扭复合超声变幅杆实现纵扭振动输出［2-3］。
斜槽式超声变幅杆纵扭特性研究近年来，飞行器的结构设计及运动控制的发展迅猛，需求量也不断增加。
斜槽式超声变幅杆(SMAW)技术是一种重要的运动控制技术，它可以通过共振振动控制杆件的弹性振动，以调整它们的形状和强度。
斜槽式超声变幅杆设计新颖，具有良好的结构性能，具有重量轻、伸缩性强等特点，在飞行器的结构设计和动力控制以及运动控制中有着广泛的应用。
纵扭机构被广泛用于变结构机构的预定义运动控制，如变形机构、伺服机构等。
斜槽式超声变幅杆用于纵扭机构能够提高机构的稳定性、准确性和效率。
然而，目前斜槽式超声变幅杆在纵扭应用中还存在许多技术问题，如纵扭角、力矩特性、力矩消耗等，这些问题阻碍了斜槽式超声变幅杆在变形机构、伺服机构中的应用。
为了适应斜槽式超声变幅杆纵扭机构的应用，本研究对斜槽式超声变幅杆在纵扭应用中的特性进行了研究。
首先，以斜槽式超声变幅杆为研究对象，实验中采用力矩控制的线性振荡电路技术，以调整其角度。
然后，基于有限元分析，搭建出一套矩尺寸变化对纵扭角和力矩特性影响的数学模型，该模型可以有效地预测纵扭角和力矩特性。
最后，利用实验数据和有限元分析结果，进行纵扭角和力矩特性分析，并得出力矩消耗的准确估算。
本研究结果表明：斜槽式超声变幅杆技术能够满足纵扭机构的控制需求，且具有重量轻、伸缩度大等特点，能够有效地改善纵扭机构的性能。
此外，基于有限元分析，搭建出一套预测纵扭角和力矩特性的数学模型，并得出了力矩消耗的准确估算，提高了纵扭机构的设计和运行效率。
本研究为斜槽式超声变幅杆在纵扭应用中的研究和应用提供了重要的参考，为今后的研究提供良好的支持。
综上所述，本研究对斜槽式超声变幅杆纵扭特性的研究贡献：（1）完善了斜槽式超声变幅杆的理论研究，提高了其在变形机构、伺服机构中的应用水平；（2）基于有限元分析，研究了斜槽式超声变幅杆纵扭特性，并得出了力矩消耗的准确估算；（3）提高了斜槽式超声变幅杆纵扭机构的设计和运行效率，为今后的研究提供了参考。
纵－扭复合超声振动加工系统设计及频率简并研究袁松梅;刘明【摘要】纵－扭复合超声振动加工技术在硬脆性材料的加工中受到越来越多的重视，针对该种需求，设计了一种纵－扭复合超声振动加工系统，基于有限元方法对该类系统普遍存在的频率简并问题进行了研究。
利用数值解析方法设计出超声换能器和超声变幅杆，之后在变幅杆上做出螺旋槽，一部分纵向振动转换为扭转振动；以目标频率附近的纵、扭谐振频率尽量接近为原则，利用有限元软件分析系统的结构参数对纵、扭谐振频率的影响规律，实现频率简并；在此基础上对系统进行模态分析和瞬态动力学分析，结果表明系统可以实现纵－扭复合超声振动，验证了此种频率简并方法的有效性和实用性。
%Longitudinal-torsional composite ultrasonic vibration machining technique attracts more and more attentions in hard and brittle materials machining,for this kind of requirement,a longitudinal-torsional composite ultrasonic vibration machining system was designed,the frequencies merging problem existing in this kind of system was studied based on the finite element analysis.An ultrasonic transducer and a composite horn were designed using the numerical analysis method.After-ward,helical slots were made on the horn,parts of its longitudinal vibrations were converted into its torsional vibrations.Based on the principle that “the closer the longitudinal natural frequencies and the torsional natural ones,the better the results”,the offects of the system's parameters on its longitudinal natural frequencies and torsional natural ones were analyzed with a finite element analysis software to realize its natural frequencies merging. At last,the system'smodal analysis and transient dynamic analysis showed that the system can realize longitudinal-torsional composite ultrasonic vibration,the effectiveness and applicability of this kind of frequencies merging method are verified.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2016(035)005【总页数】6页(P8-13)【关键词】纵 -扭复合超声振动;螺旋槽;频率简并;有限元分析【作者】袁松梅;刘明【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191; 北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心，北京 100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191; 北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心，北京 100191【正文语种】中文【中图分类】TH122;TH113.1随着科技的发展，超声振动加工(Ultrasonic Machining, USM)在硬脆材料加工中得到越来越多的应用[1]，作为一种超声加工形式，纵-扭复合超声振动技术在许多领域也得到了日益广泛的应用。
纵-扭复合超声振动首先应用于超声电机中[2]，杨淋等[3]设计了一种大力矩纵-扭复合超声电机，采用了纵振压电陶瓷片全部粘贴到定子端面的结构，所研制的超声电机堵转力矩达到1.28 N·m。
在超声焊接中[4]，纵-扭复合超声振动焊接相比于其他线性振动焊接有着更优良的性能，利用较小的振幅就能将工件焊接在一起，而形变量却要小很多。
在超声加工方面，皮钧等[5]指出纵-扭共振旋转超声切削不受加工材料的限制，比单一轴向振动旋转超声加工具有更好的加工特性；在某些材料的钻孔中，与传统加工方法相比，纵-扭复合超声加工在材料去除率、加工精度和加工时间方面表面优异[6]；哈尔滨工业大学研制的手持式纵-扭复合振动装置[7]，其振动系统主要是纵向的超声振动和低频的扭转振动复合在一起，从而达到优势互补的效果，有效地提高了振动手钻性能。
与普通超声振动加工相比，纵-扭复合超声振动不易产生，这也是该技术应用的难点之一。
目前，实现纵-扭复合振动主要有两种途径：一是利用纵-扭换能器[8]，对于夹心式换能器来说，方法是先将用于产生扭振的压电陶瓷片切分成若干扇形片，之后分别将各陶瓷片切向极化，再将其粘结起来，最后再与纵振压电陶瓷片结合在一起，该方法废品率高，容易出现陶瓷片极化不完全、电击穿等问题，很难制造出理想的换能器。
对于磁致伸缩换能器来说，文献[9]中的超磁致伸缩复合振动超声换能器虽然也实现了复合超声振动，但是该种装置结构不紧凑，能量转换效率较低。
第二种途径是利用特殊结构的变幅杆，如文献[10]，该种方法在变幅杆末端开斜槽，由于斜槽存在，部分超声能量在斜槽处发生反射，转换为扭转振动能量，另一部分超声能量则通过无斜槽区域传递到变幅杆末端，从而在末端实现纵-扭复合振动，开斜槽的方法虽然实现了纵-扭复合超声振动，但存在扭振分量小的缺点，未能充分利用纵-扭复合超声振动技术的优势；另一种特殊结构的变幅杆是复合振动变幅杆[11]，如指数型变幅杆，通过数学计算可使该种变幅杆的某一阶纵振谐振频率和扭振谐振频率一致，若外界激振频率为该频率，则可实现复合超声振动，但能实现该功能的变幅杆种类较少，且需与纵-扭换能器一同使用。
纵-扭复合超声振动加工技术的另一个难点是使设计频率附近的纵振谐振频率和扭振谐振频率趋于一致，即频率简并。
由于同一材料中不同振动模式的传播速度不同，因此，为了有效地激发纵-扭复合超声振动系统中不同的振动模式，必须采用不同的超声振源分别激发。
为了解决这一问题，必须使复合模式振动系统中的纵振谐振频率和扭振谐振频率相同，否则，系统会出现发热多、效率低等现象。
目前，针对超声加工领域的纵-扭复合超声振动频率简并问题很少有研究。
针对纵-扭复合超声振动技术应用存在的问题，设计了一套纵-扭复合超声振动加工系统，该系统扭转分量大、效率高；同时，对纵-扭复合超声振动系统频率简并问题进行了研究，有限元分析结果验证了此种频率简并方法的有效性。
1.1 超声换能器设计由于夹心式压电换能器比磁致伸缩换能器具有更高的能量转换效率，因此这里选择该种换能器。
在换能器材料选择方面，前、后盖板的材料通常是钢、硬铝和钛合金等，后盖板选择声阻抗率较大的45号钢，前盖板用声阻抗率较小、容易加工的铝合金，压电陶瓷选择机械品质因数和压电常数较高的PZT-8型压电陶瓷，换能器的长度为半波长。
由相关知识可知，若以足标n表示换能器的各个部分，则均匀等截面积的换能器振速方程为：式中k为波数，k=ω/c=2πf/c，c为材料的声速。
振子各部分的坐标、边界条件和尺寸标注均列在图1中，方程(1)的通解为：各部分应力分布为：式中Zn=ρncnSn为各部分的声阻抗，ρn为各部分的密度，Sn为各部分的横截面积。
将节面设置在压电陶瓷与前盖板的接合处，先考虑节面右侧部分，此时节面右侧只有前盖板，边界条件为：式中:vf为振子前表面振速，则由以上各式得到节面右侧的频率方程为：现在考虑节面左侧部分，左侧部分由后盖板和压电陶瓷片组成，计算时把压电陶瓷片看作纯粹的连续弹性介质，与节面右侧的计算类似，得频率方程为：1.2 变幅杆设计变幅杆主要有阶梯型、指数型、圆锥形和复合型等类型，其中圆锥-圆柱型复合变幅杆综合了圆锥变幅杆和阶梯变幅杆的特点，具有放大系数大、形状因数高、容易加工等优点，这里选择该类变幅杆。
如图2，对于变幅杆圆锥部分，由相关知识得其振动方程为：其中γ=(R4-R5)/R4l4，得式中。
对于圆锥-圆柱变幅杆，其边界条件为：式中，vf、ve分变幅杆输入端和输出端振动速度，由式(2)、(3)、(8)～(10)得到频率方程：式中，。
设超声振动系统的共振频率f=25 kHz，每片压电陶瓷的厚度为4 mm，共4片。
为了减少横向振动的影响，压电陶瓷片的直径应小于介质中超声波长的四分之一，设其为45 mm。
设前盖板长度为50 mm，直径为45 mm，后盖板直径45 mm，则由式(6)计算出后盖板的长度为32 mm，内径15 mm，用于放置预紧螺栓。
对于变幅杆，设k4l4=2，圆柱段直径为15 mm，则圆锥段长度为64 mm，由式(11)得圆柱段长度为35.8 mm，纵-扭复合超声振动装置各部分尺寸如图3。
前面已经叙述，实现纵-扭共振的方法之一是在变幅杆末端开斜槽，虽然该种方法结构简单，但是扭转分量所占比重不大，文献[12]中已有叙述，在变幅杆上开螺旋槽的方式可以提高扭转振动所占比例，这里选择该方式来实现纵-扭复合超声振动。
螺旋槽所绕螺旋线作如下设置：螺旋线轴向长度为变幅杆圆锥段长度；螺旋线绕轴线的旋转角为180°；考虑到变幅杆圆锥段的强度，将螺旋线设计成锥形螺旋线，锥度为1∶6.4，即螺旋线所包络为一圆台，其底面直径(圆A)为30 mm，顶面直径(圆B)为10 mm。
图4为前盖板与变幅杆接触面示意图，四个扇形的顶角为90°，通过扇形圆心角顶点的直径平分圆心角，四个扇形的顶点均布于直径30 mm的圆上。
利用建模软件可得到所述螺旋槽，整个纵-扭复合超声振动系统如图5所示。
超声加工中，变幅杆末端需要较大的振动振幅[13]。
因此，超声振动装置需在目标频率附近的纵振谐振频率和扭振谐振频率下工作，而由于纵向振动和扭转振动在相同材料的等截面弹性体中的传播速度不同，使同阶的纵振与扭振谐振频率有较大的差异，这时就需要通过一定的方法使纵、扭谐振频率尽可能接近。
