旋轉超聲換能器的建模與仿真

徐曉明， 張向慧

（北方工業(yè)大學機電工程學院，北京100144）

旋轉超聲換能器的建模與仿真

徐曉明， 張向慧

（北方工業(yè)大學機電工程學院，北京100144）

在輸入功率一定的一維縱振旋轉超聲加工系統(tǒng)中，為高效、精確地獲取加工刀具末端的輸出振幅，文中根據牛頓定律將換能器抽象為一個由質量、剛度和阻尼3個參數來描述的動力學模型。然后利用MATLAB/Simulink軟件對換能器系統(tǒng)進行動力學仿真，分析超聲換能器的數學模型及狀態(tài)空間仿真模型，并利用有限元分析軟件ANSYS驗證MATLAB/Simulink仿真的準確性。換能器末端輸出振幅的大小直接影響超聲振動系統(tǒng)的加工性能，得到的仿真結果為超聲振動系統(tǒng)的設計和改進提供了理論依據。

超聲換能器；MATLAB/Simulink；數學模型；仿真建模

0 引言

旋轉超聲加工是集傳統(tǒng)超聲加工與磨粒磨削加工為一體的復合加工，是加工硬脆性材料的一種有效方法。換能器是超聲加工機床的重要組件之一，用以將超聲頻電振蕩信號轉化為機械振動輸出。常用的換能器主要有磁致伸縮式和壓電式兩種類型，其中夾心式壓電換能器結構簡單、電聲轉化效率高，是普遍使用的一種結構類型［1］。一維縱振超聲振動系統(tǒng)的振動規(guī)律比較復雜，目前其設計依據主要以理論分析與實驗為核心，而借助于計算機軟件MATLAB進行仿真分析的研究還較少。本文在滿足工程要求的條件下，利用牛頓定律將換能器抽象為動力學模型，并采用MATLAB軟件對系統(tǒng)模型進行仿真處理。……