压电换能器装配液压扭矩扳手设计

　　0　引　言

　　超声学出现于20世纪初,经过近一个世纪的发展,它不仅在一些传统的工农业技术中获得广泛应用,而且已经渗透到国防、生物、医学及航空航天等高技术领域[1]。换能器是进行能量转换的器件,将一种形式的能量转化为另一种形式的能量。这里主要是指电能和声能之间的转换。换能器与超声学的关系是密不可分的,它在超声的研究与应用中起着重要的作用,是声能与其他形式的能相互转化的“媒介”[2]。在传统装配中,压电换能器主要采用扳手或扭矩扳手进行装配。采用扳手进行装配不仅不能保证每次装配时的力矩相等,而且劳动强度大,作业效率低。扭矩扳手虽然有所改进但仍然难以在每次装配时都获得恒定的力矩,不仅无法做到准确、统一,而且会影响到压电换能器的谐振频率和阻抗[3]。本研究通过对液压扭矩扳手结构及其工作原理的分析,给出液压扭矩扳手的工作原理,并对换能器装配中液压扭矩扳手进行设计。

　　1　压电换能器的结构及其装配要求

　　压电换能器的结构图如图1所示。压电换能器的前端盖﹑后端盖﹑螺钉﹑电极片都需要根据实际使用要求进行材料选择和提出一定的加工要求。

　　对于前端盖﹑后端盖和电极片,材料内部均要求结构紧密,无缩孔,特别是压电陶瓷片与金属块的所有接触面平整度均要求达到微米级。螺钉是夹心式换能器的关键零件,它的质量好坏直接影响到换能器的使用寿命,关系到装配的质量,因为螺钉是连接前端盖﹑后端盖并夹紧压电陶瓷片的,它在紧固时受到一定的拉力,在工作时又要受到较大的动态应力,故要求选用45号钢或其他强度较高的材料[4]。为了避免应力集中,螺杆与螺钉头连接处要圆滑过渡,螺钉截面积在满足强度要求的情况下,要选择截面积小的螺钉,以提高它的动态顺性。同时,要保证压电陶瓷片与前端盖﹑后端盖接触良好,对压电陶瓷片﹑前后端盖﹑电极片的接触面都要进行严格的清洗处理,并保证压电陶瓷片﹑前后端盖同心,装配时要注意压电陶瓷片的极化方向在电气上为并联。通常压电陶瓷片的预应力为3 000 N/cm2~3 500 N/cm2。

　　夹心式压电换能器的装配工艺关键是拧紧螺钉,对于单螺钉结构,拧紧时要使压电陶瓷堆与前、后端盖先压紧,然后拧紧;对于多螺钉结构,要保证压电陶瓷片受力均匀,必须要对称排列螺钉,并均匀地拧紧。

　　2　压电换能器装配机

　　装配体是由液压缸和装配支架台构成,液压缸提供预压力,在液压缸和压电换能器之间有一块动板和一块垫片。在工作时液压缸的活塞推动动板向上移动,使得压电换能器在衬套上顶紧,以此获得装配所需的预压力。在工作过程中,利用计算机控制步进电机来控制液压泵的溢流阀和单向阀,使液压缸的压力和液压扳手的输出扭矩非常平稳和准确。液压缸的法兰通过4个螺钉连接到底座上,衬套紧固在基座上,底座和基座用一连接螺杆相连[5]。电荷量通过双极的电荷采集仪器采集并显示,利用光电隔离的RS232串口与微型计算机串口连接,步进电机的转动轴与液压泵的溢流阀连接起来,采用计算机串口控制步进电机,使步进电机按照指定的速度运行,以达到液压扳手的恒扭矩输出,完成压电换能器的恒扭矩装配。整体结构如图2所示。