声振系统谐振测试装置设计

　　声振系统一般包含超声波发生器、压电陶瓷换能器、复合变幅杆等。而超声波发生器与压电陶瓷换能器是采购件，其固有频率一般是不可调的，只有变更换能器与工具头之间复合变幅杆的形状或大小，如图1所示。而无论超声变幅杆的大小如何变，都必须使声振系统产生谐振，只有在声振系统产生谐振后才能保证钻削零件的精度。超声变幅杆的大小变化不能盲目，而得有依据。作者为了更好、更快地找到复合变幅杆的最佳尺寸，根据声振系统钻削加工环境、加工对象的情况，设计了一种能测试超声变幅杆性能参数的装置，利用该装置所得到的数据是修正超声变幅杆大小的可靠依据。

　　1 声振系统谐振测试装置设计

　　从图1可知: 超声复合变幅杆是实现声振系统共振的关键部件，其形状和大小对声振系统能否发生共振、能否保证加工零件的精度有很大影响。首先根据购买超声波发生器和换能器的技术指标和性能，初步设计出了超声变幅杆，结构如图2所示。初步设计的超声复合变幅杆是在不考虑能量传递损失、不考虑负载等因素的条件下设计的，而以此设计制造出的超声复合变幅杆不能满足生产实际的需要，需在实际应用中对该变幅杆进行修正，使其与超声换能器达到谐振。

　　实际加工时，换能器是通过超声变幅杆和工具头(切削工具和夹持工具的合称)对工件进行钻削加工的，换能器、超声变幅杆、工具头一定要实现谐振。

　　图2中带圆锥形过渡段的阶梯形复合变幅杆，在装上工具头及加上负载后，会对声振系统的固有频率产生影响，从而影响整个振动钻削谐振。而且变幅杆的初步设计、计算都是近似的。因此，必须对加工后的超声变幅杆和受负载荷情况下的超声变幅杆进行测试，并修正之。为此作者设计了如图3所示的测试系统。

　　2 声振系统谐振测试方法

　　实验所用仪器名称及规格如下:阻抗分析仪型号为PA70A; 测量范围为1～700kHz; 测量精度为0.2%; 频率精度为±50×10^-6;相位分辨率为0.15°(-180°～+180°); 阻抗范围为1Ω～100kΩ; 频率步进为0.1Hz～任意。超声波发生器电压为220V; 频率为35kHz; 功率为500W。

　　将超声换能器与将加工好的超声变幅杆连接，如图3(b)所示，验证换能器的频率是否与厂家提供的频率一致;将连接好的声振系统与阻抗分析仪PA70A、计算机连接，测量声振系统的频率，如图3(a)所示。具体测试方法如下:

　　(1) 先测试没有加载情况下的上述超声变幅杆的尺寸是否合适，测试前可根据发生器、换能器的技术指标初步估计声振系统谐振频率，将起始频率和终止频率之间的差取大一些; 若测试结果接近估计值说明设计的超声变幅杆尺寸合适，反之需修正;