超声振动辅助珩齿装置的谐振频率测量1.doc

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1、精品论文推荐超声振动辅助珩齿装置的谐振频率测量1吕明，马麟，梁国星 太原理工大学机械工程学院，山西太原 (030024) E-mail：ma_lin9090摘要：对超声振动辅助珩齿装置进行谐振频率测量，有助于了解和掌握其振动状态，是做 好进一步研究和改进工作的基础。为此，本文提出了一种超声振动辅助珩齿装置谐振频率的测量方法，并进行了测量。当超声振动传递系统处于谐振状态时，换能器发出的机械振动与传振杆、变幅杆的振动将实现同步，它们之间有最大的功率交换，此时，在传递系统的尾端 会有最大的振幅。据此原理，本论文构建了由加速度传感器、电荷放大器、数字滤波器和电子计算机组成的测量系统。在一系列振动频率下

2、，分别测量相应的变幅杆尾端振动加速度值， 再由简谐振动情况下振幅与加速度的数值关系计算得出振幅与振动频率的对应关系，从而得到谐振频率。测量结果与设计制作要求相吻合。 关键词：超声波；珩齿；谐振频率；测量中图分类号：TH16；O321.引 言齿轮是机械传动的重要元件。其制造质量及加工精度是影响机械传动性能的关键。现代 工业的发展对于具有高承载力、高精度、高表面质量、长寿命的硬齿面齿轮的需求不断增长。 因此，研究新型齿轮加工方法，提高硬齿面齿轮的精密加工技术及应用水平是机械制造业面 临的迫切任务。超声振动辅助珩齿工艺的研究是在长期从事超声波理论和应用及硬珩齿工艺和刀具研 究的基础上提出来的1，将超

3、声振动应用于硬珩齿加工过程，改善珩齿工艺条件2，使珩齿 工艺的特点得到充分发挥，同时也拓宽了超声加工的应用领域。超声振动珩齿装置设计制作后3，了解和掌握其振动状态是做好进一步研究和改进的基 础，为此，本文对超声振动辅助珩齿装置的谐振频率测量进行了实验研究。2.测试原理超声振动珩齿装置的谐振频率测量示意图如图 1 所示。换能器传振杆变幅杆齿轮加速度传感器- 4 -监视器计算机数字示波器电荷放大器图 1 超声振动珩齿装置的谐振频率测量示意图1 本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金（批准号：20050112004）的资助。超声振动辅助珩齿装置的振动传递系统由换能器、传振杆、变幅杆组成。结构设计时

4、，取传振杆和变幅杆长度之和为一个波长，设定传振杆左端面和变幅杆右端面为波幅位置，波 节点在理论振幅为零的地方，整个超声波传递系统在波节点处固定。当系统处于谐振状态时，换能器发出的机械振动与传振杆、变幅杆的振动将实现同步， 它们之间有最大的功率交换，此时，在传递系统的右端会有最大的振幅。将加速度传感器固定在传递系统右端面，通过测量在不同输入频率下右端面的振幅，得 出振幅随频率的变化规律，求得振幅达到最大值时的频率，就是传递系统的谐振频率。加速度传感器用于感知系统右端振动加速度的幅值。本实验选用 CA-YD 系列加速度传 感器，该传感器采用 PZT 材料，其工作原理是利用压电晶体材料在一定方向的应

5、力或形变 时，其极化面会产生与应力相应的电荷，该电荷量正比于所受的作用力，因此有：Q = (F ) = (ma)式中 Q 电荷量，m 敏感质量，a 振动加速度。 从而，通过测取电荷量可得到振动加速度。（1）对加速度传感器有如下要求：固有频率必须大于被测频率的 1.5 倍以上；频率响应曲线必须为直线。 电荷放大器用于将加速度传感器产生的极其少量的电荷量转换为可示电信号，其输出电压与输入电荷量成正比。电荷放大器是一种有容负反馈的高增益运算放大器，本实验采用DHF-2 型电荷放大器。 数字示波器用于将电荷放大器输出的模拟信号转换成数字信号并记录下来。实验使用TDS1012 型双通道示波器，频率范围是

6、 0100MHz。该示波器可以同时采集到电压值、频率 值、峰峰值。示波器记录的数值通过端口 RS232 进入计算机。实验前，将压电式加速度传感器用胶水 502 粘贴到变幅杆右端，并使它们分别接地，以 防噪声信号干扰。再将加速度传感器与电荷放大器连接，并依次连接数字示波器和计算机， 使最终的测量记录结果可在计算机中进行数据分析。3.测试结果与分析变化超声波发生器的输出频率，在计算机上读取对应于不同振动频率下的变幅杆右端每 个物理量的输出值（频率、周期、峰峰值、均方根值），所获得的数据如表 1。表 1 不同输入频率下各种物理量的测定值组号123456789频率(KHz)14.2014.2414.3

7、114.3814.4614.5214.6014.6814.79周期(s)70.4270.2269.8869.5469.1668.8768.4968.1267.61峰峰值(V)16.217.619.822.023.127.231.053.055.6均方根值(V)5.525.656.817.327.839.1211.818.119.0组号1011121314151617频率(KHz)14.8114.9615.0215.1115.2015.2915.3815.58周期(s)67.5266.8466.5766.1865.7965.4065.0264.18峰峰值(V)54.030.825.222.821

8、.620.418.016.4均方根值(V)18.410.48.537.677.266.915.855.58表 1 中的峰峰值是测量得到的电荷信号曲线波峰至波谷之间的绝对值，加速度振幅的大小需要取峰峰值的一半再乘以电荷放大器的放大倍数，即a= q (100 g )m2（2）式中，am 加速度幅值，q 峰峰值，g 重力加速度，g = 9.8m/s2。 经计算，频率与加速度的对应值如表 2。表 2 频率与加速度的对应值组号123456789频率(KHz)14.2014.2414.3114.3814.4614.5214.6014.6814.79加速度(104m/s2)0.7940.8620.9701.

9、0781.1321.3331.5192.5972.724组号1011121314151617频率(KHz)14.8114.9615.0215.1115.2015.2915.3815.58加速度(104m/s2)2.6461.5091.2351.1171.0581.0000.8820.804实验中，超声波电源的输出电压波形为正弦曲线，从而换能器输出的振动为简谐振动，变幅杆的右端面也是简谐振动，其位移函数的表达式为：x = m sin(t + )（3）式中，x 变幅杆右端面的位移， m 变幅杆右端面振幅， 变幅杆右端面振动的初 始相位， 变幅杆右端面振动的圆频率。简谐振动的加速度函数是位移函数关于

10、时间 t 的二阶导数，即：mma = &x& = 2 sin(t + ) = 2 sin(t + )（4）式（3）与式（4）相比可知，若位移是简谐函数，其加速度也是简谐函数，并且与位移m函数具有相同的频率，只不过在相位上加速度超前位移 。加速度幅值 am = 2 ，因此：= am m 2（5）从表 2 中的频率与加速度的对应值可计算出频率与振幅的对应值，如表 3。表 3 频率与振幅的对应值组号123456789频率(KHz)14.2014.2414.3114.3814.4614.5214.6014.6814.79振幅(m)0.9981.0771.2081.3211.3711.6021.8053

11、.0533.155组号1011121314151617频率(KHz)14.8114.9615.0215.1115.2015.2915.3815.58振幅(m)3.0561.7081.3871.2391.1601.0840.9450.839根据表 3 中的数值可绘制出频响曲线，即振幅随振动频率的变化曲线，如图 2 所示。am(m)432114.0频响曲线15.0图 2 振幅随振动频率的变化曲线(kHz)从图 2 中可以直观地看出，振幅最大处的频率大致在 14.79kHz 附近。也就是说，超声振动辅助珩齿装置的谐振频率大致为 14.79kHz。这也符合设计时的要求。4.结论本文构建了超声振动辅助珩

12、齿装置的谐振频率测量系统，该系统由加速度传感器、电荷 放大器、数字示波器和电子计算机组成。利用振动系统在谐振时振幅最大的原理，通过测量 计算系统振幅得到系统的谐振频率，测量结果证实，珩齿装置的谐振频率符合设计要求。利用这种方法获得的系统谐振频率比较可靠，但振幅的大小可能会有较大误差，因为本 实验中对加速度传感器没有进行有效的标定，再者，将传感器用胶水粘贴到变幅杆时，胶水 的弹塑性减弱了变幅杆对加速度传感器的作用。参考文献1 Ma Lin, Zhang Ruiliang, Lv MingThe Study of Supersonic Hard-tooth-flank Gear Honing Me

13、chanismA T. D. Wen6THINTERNATIONAL SYMPOSIUM ON TEST AND MEASUREMENT CONFERENCE PROCEEDINGSCBeijing：International Academic Publishers/ Beijing World Publishing Corporation，20059149-91512 L. Ma, M. Lv, G. X. LiangThe Analysis for Materials Removal Mechanism of Ultrasonic Auxiliary Gear Honing AShengq

14、iang YangSurface Finishing Technology and Surface Engineering CZuerich：Trans Tech Publications Ltd，2008179-1843 马麟 吕明，梁国星等 超声振动辅助珩齿装置的结构设计与振动状态分析EB/OL 年 11 月 3日The Measurement for Resonant Frequency of UltrasonicAuxiliary Gear Honing DeviceLv Ming, Ma Lin, Liang GuoxingCollege of Mechanical Engineer

15、ing, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi（030024）AbstractMeasuring resonant frequency of ultrasonic auxiliary gear honing device is helpful to understand and master the oscillating state. It is also the basis of making further investigation and improvement. Forthese reasons, this paper

16、presents a method of measuring resonant frequency of ultrasonic auxiliary gear honing device, and does some measurement with the method. When the transmitting ultrasoundsystem is in resonance, the transducer, transmitting oscillation rod and amplitude rod oscillate synchronously, the maximum exchang

17、e of power between them exist, so the maximum oscillatingamplifier produces at the end of the system. Based on this measuring principle, this paper constructs a measuring system that consists of acceleration sensor, charge amplifier, digital oscillograph andcomputer. Under a series of oscillating fr

18、equency, the oscillating accelerations at the end of amplitude rod were measured separately, and the amplifierfrequency relation was set through numericalcalculation according to the numerical relation between accelerations and amplifier. As a result, the resonant frequency was acquired. The result coincided with the design and manufacture requirement.Keywords: ultrasonic wave; gear honing; resonant frequency and measurement作者简介：吕明，男，1957 年出生，教授，主要从事特种加工技术的研究。