基于近场超声悬浮的导轨传输特性分析与超声马达实验研究

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精密零件的表面十分脆弱,在加工与运输过程中容易损坏,传统的接触式加工与传输方式利用表面摩擦力固定物体后再进行传输,已经不能满足要求。近场超声悬浮(Near-Field Acoustic Levitation,NFAL)是一种在精密加工制造领域具有广泛应用前景的技术,具有非接触,无污染,无噪声的优点。本文基于近场超声悬浮原理,对非匀质物体的近场超声悬浮与传输特性进行了研究、并基于近场超声悬浮原理设计了一种非接触式超声马达并进行了实验研究。具体内容如下:(1)基于流体润滑理论,建立了非匀质物体的近场超声挤压悬浮与传输理论模型。根据纳维-斯托克斯方程结合流体润滑假设,推导出流体润滑雷诺方程;建立气膜厚度表达式并给出初始条件和边界条件;通过分析悬浮物体受力情况建立了悬浮物体的运动模型并给出运动方程;对雷诺方程与运动方程进行了无量纲处理;采用有限差分法对无量纲化的雷诺方程进行离散化并采用Newton–Raphson方法进行线性化处理;通过MATLAB编写计算程序求解雷诺方程得到气压分布;在求解区域内对气压分布积分得到关于挤压气膜力的分布。结合运动方程得到悬浮物体的悬浮与传输情况。(2)通过ANSYS有限元分析设计了用于近场超声悬浮与传输的振动导轨,主要包括振动模态与振动频率的设计。对实验用的超声波振子进行了振动幅值与频率的测量,为振动导轨的设计参数提供依据。搭建了传输实验台,对振动导轨实际振动模态与振动频率进行了实验测量并与计算对比。通过前面建立的理论模型对悬浮过程中的悬浮高度,气压分布,悬浮偏角,推力以及传输速度作了理论计算分析;通过实验测量传输速度与理论计算对比验证了理论模型。(3)设计了一种基于近场超声悬浮的非接触式超声马达。设计了超声马达结构,通过ABAQUS软件设计了驱动模态与驱动频率;搭建了超声马达测试实验台,通过实验测得了超声马达的实际驱动模态与驱动频率,并测量了表面振幅与驱动电压的关系。通过实验研究了驱动电压与承载载荷对超声马达的承载特性的影响、驱动电压与承载载荷对转速连续变化的影响、以及驱动电压与驱动频率对稳定转速的影响等。
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