59超聲波清洗機,59,超聲波,清洗 1湘潭大學興湘學院畢業(yè)設(shè)計說明書題 目： 超聲波清洗機 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學 號： 2006183919 姓 名： 謝鑫 指導(dǎo)教師： 周里群 教授 完成日期： 2010- 05-31 2湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書論文（設(shè)計）題目： 超聲波清洗機 學 號： 2006183919 姓名： 謝鑫 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 周里群 教授 一、主要內(nèi)容及基本要求 對超聲波清洗原理的了解和分析，對超聲波發(fā)生器進行設(shè)計、分析、計算；對清洗槽的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算，完成相應(yīng)的成型設(shè)備和成型工藝參數(shù)，進行了工程制圖基本要求如下： 1.繪制清洗槽裝配圖 1 張 2.繪制清洗槽零件圖 2 張 3.編寫設(shè)計說明書 1 份 4.繪制了電路圖 4 張 5 文獻翻譯 1 篇 二、重點研究的問題為了能夠使人么從繁瑣的家務(wù)勞動中解脫出來，設(shè)計一種能清洗家庭廚具和一些難洗的生活用具的超聲波清洗機。根據(jù)所需功率，和最佳清洗頻率對超聲波發(fā)生器電路進行分析設(shè)計，分別設(shè)計出振蕩器、放大器、匹配電路，使超聲波清洗機的清洗效果更佳,對清洗槽結(jié)構(gòu)進行設(shè)計制圖。 3三、進度安排序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間1 收集資料、查找相關(guān)的參考文獻 1 周2 確定超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)和參數(shù) 1 周3 設(shè)計超聲波發(fā)生器電路和換能器 2 周4 清洗槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 周5 繪制清洗槽零件圖和裝配圖 3 周6 編寫設(shè)計說明書、翻譯英文資料 1 周7 畢業(yè)答辯 1 周8四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻[1] 曹風國. 超聲加工技術(shù)[M].化學工業(yè)出版社，2005(1)[2] 張海燕．超聲波清洗技術(shù)[J]．近代物理知識，2002(6)[3] 白基成 郭永豐. 特種加工技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006(1)[4] 胡傳忻 夏志東. 特種加工手冊[M].北京工業(yè)大學出版社，2007(9)[5] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，1987(6)[6] 艾小洋．中國工業(yè)清洗領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[M]．現(xiàn)代制造，2004(2)[7] 欒桂冬 張金鐸. 王仁乾．壓電換能器和換能器陣[M]．修訂版；北京大學出版社，2005(9)4湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表學號 2006183919 姓名 謝鑫 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 超聲波清洗機 評價項目評 價 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。論文（設(shè)計）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學；技術(shù)用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。5湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見學號：2006183919 姓名： 謝鑫 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 42 頁 圖 表 4 張論文（設(shè)計）題目： 超聲波清洗機 內(nèi)容提要： 此次設(shè)計的超聲波清洗機主要應(yīng)用于家庭中廚具和一些難洗的生活用具。該產(chǎn)品是一種機電產(chǎn)品，通過壓電陶瓷材料做成的超聲波換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變成機械振動，在液體中產(chǎn)生超聲波振動進行清洗。這種新一代時尚家電，能夠使人們從繁瑣的家務(wù)勞動中解脫出來。本次設(shè)計分析了超聲波發(fā)生器電路，根據(jù)所需功率和較好綜合評價評閱人： 2010 年 5 月 日6的清洗頻率，計算設(shè)計了超聲波振蕩器電路，然后對其進行功放匹配，設(shè)計出超聲波放大器，為了能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率，有對其設(shè)計了匹配電路，對超聲波清洗槽進行尺寸設(shè)計并對其進行了工程制圖，并編寫超聲波清洗機設(shè)計說明書指導(dǎo)教師評語較好的完成了超聲波清洗機中超聲波發(fā)生器的電路設(shè)計，電路穩(wěn)定、合理，清洗槽的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計合理，簡單實用。設(shè)計期間遵守校紀校規(guī)，表現(xiàn)良好，成績建議評為中等。指導(dǎo)教師： 年 月 日7答辯簡要情況及評語答辯小組組長： 年 月 日目 錄引言………………………………………………………………………………3第一章 超聲波清洗機原理與結(jié)構(gòu)………………………………….….4第一節(jié) 超聲波清洗的原理和特點…………………………….…...4第二節(jié) 超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定………………………..5第二章 超聲波發(fā)生器設(shè)計……………………………………….. ……..6 第一節(jié) 超聲波發(fā)生器的選擇………………………………………..6第二節(jié) 超聲波振蕩器設(shè)計………………………..…………….……7第三節(jié) 超聲波放大器設(shè)計……………………………………………8第四節(jié) 高頻驅(qū)動和匹配電路………………………………………..10第三章 超聲波換能器設(shè)計…………….…………………………………118第一節(jié) 換能器的選擇……………….………………………………….11第二節(jié) 換能器設(shè)計計算………………………………………………..12第四章 清洗槽設(shè)計…………………………………………………………16 參考文獻…………………………………………………………………………..17附錄一：外文文獻及其翻譯附錄二：AutoCAD 圖紙附錄三：電路圖超聲波清洗機摘要：超聲波清洗始于20世紀50年代初，隨著技術(shù)的進步應(yīng)用日益擴大。目前已廣泛地用于電子電器工業(yè)、清洗半導(dǎo)體器件、電子管零件、印刷電路、繼電器、開關(guān)和濾波器等；機械工業(yè)中用于清洗齒輪、軸承、油泵油嘴偶件、燃油過濾器、閥門及其他機械零件，大如發(fā)動機及導(dǎo)彈部件，小如手表零件；再如光學和醫(yī)療器械方面用于清洗各種透鏡、眼鏡及框、醫(yī)用玻璃器皿、針管和手術(shù)器具等；此次設(shè)計的超聲波清洗機主要應(yīng)用于家庭中廚具和一些難洗的生活用具。該產(chǎn)品是一種機電產(chǎn)品，通過壓電陶瓷材料做成的超聲波換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變成機械振動，在液體中產(chǎn)生超聲波振動進行清洗。利用超聲波可以穿透固體物質(zhì)而使整個清洗介質(zhì)振動并產(chǎn)生空化氣泡，該清洗方式對任何生活用具不存在清洗不到的死角，且清洗潔凈度非常高。這種新一代時尚家電，能夠使人們從繁瑣的家務(wù)勞動中解脫出來。9關(guān)鍵詞：超聲波；清洗機；換能器Ultrasonic washerAbstract: ultrasonic cleaning began in the early 1950s, with the development of technology application widening. Currently has been widely used in electronic industry, semiconductor device, cleaning tube parts and printing circuit, relays, switches and filter; etc. Mechanical industry for the cleaning gears, bearings, diesel oil, fuel filter, valves and other mechanical parts, such as engine and missile components, such as watch of small parts, Again, such as optical and medical equipment used for washing various aspects lens, glasses and frame, glassware, medical and surgical instruments, etc.; adjusted The design of ultrasonic cleaning machine is mainly used in the family of kitchen utensils and appliances and some difficult life washing. This product is a kind of mechanical and electrical products, 10through the piezoelectric materials made of ultrasonic transducer will exceed audio electrical oscillation into mechanical vibration, ultrasonic vibration in liquid in cleaning. Using ultrasonic can penetrate solid material and make the cleaning medium vibration and produce cavitation bubbles, the cleaning method for any life appliance does not exist in a corner, and not cleaned clean cleanliness is very high. This new generation of fashionable home appliance, can make people from the housework.Keywords: ultrasonic, Cleaner, transducer引言超聲波是一種超過人類聽力頻率范圍的聲波，具有頻率高、方向性準、穿透能力強等特點，廣泛應(yīng)用于清洗、距離測量、醫(yī)學等領(lǐng)域。超聲清洗始于2O世紀5O年代初，開始主要用于電子、光學和醫(yī)藥等領(lǐng)域，作為一項實用性很強的技術(shù)，其應(yīng)用場所廣泛，涉及到大的機械零部件，小半導(dǎo)體器件的清洗等，常常稱作“無刷清洗”。超聲波清洗的主要特點是速度快、效果好、容易實現(xiàn)工業(yè)控制等針對復(fù)雜工件表面，如空穴、凹凸處，普通清洗方法很難實現(xiàn)，而采用超聲波就可以獲得很好的效果。隨著聲化學的出現(xiàn)與應(yīng)用，再配合使用適當?shù)娜芤?，調(diào)節(jié)清洗液酸堿度等，清洗效果更好11第一章 超聲波清洗機原理與結(jié)構(gòu)1.1 超聲波清洗的原理和特點圖1是超聲波清洗的原理圖，換能器將超聲頻電能轉(zhuǎn)換成機械振動并通過清洗槽壁向盛在槽中的清洗液輻射超聲波。存在于液體中的微氣泡(稱為空化核)在聲波的作用下振動，當聲壓或聲強達到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合。在氣泡閉合時，產(chǎn)生沖擊波，在氣泡周圍產(chǎn)生10 一10 Pa的壓力及局部高溫，這種物理現(xiàn)象稱為超聲空化?？栈a(chǎn)生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使它們分散于溶液中。蒸汽型空化對污垢層的直接反復(fù)沖擊，一方面破壞污物與清洗件表面的吸附，另一方面也會引起污物層的疲勞破壞而脫離。氣體型氣泡的振動對固體表面進行擦洗，污層一旦有縫可鉆，氣泡還能“鉆入”裂縫作振動，12使污垢脫落。由于空化作用，兩種液體在界面迅速分散而乳化，當固體粒子被油污裹著而附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子自行脫落。超聲在清洗液中傳播時會產(chǎn)生正負交變的聲壓，沖擊清洗件，同時由于非線形效應(yīng)會產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面上會產(chǎn)生高速的微聲流，所有這些作用能夠破壞污物，除去或削弱邊界污層，增加攪拌、擴散作用，加速可溶性污物的溶解，強化化學清洗劑的清洗作用。圖 1 超聲波清洗機原理圖由此可見，凡是液體能浸到聲場存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、質(zhì)量高，特別適合于清洗件表面形狀復(fù)雜，如空穴、狹縫等的細致清洗，易于實現(xiàn)清洗自動化。對一般的除油、防銹、磷化等工藝過程，在超聲波作用下只需兩三分鐘即可完成，其速度比傳統(tǒng)方法可提高幾倍到幾十倍，清潔度也達到高標準。在某些場合下可以用水劑代替有機溶劑進行清洗，或降低酸堿的濃度。對于一些有損人體健康的清洗，如清洗放射性污物可以實現(xiàn)遙控和自動化清洗。超聲清洗也有其局限性，例如對聲波反射強的材料如金屬、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而對聲波吸收大的材料如布料、橡膠以及粘度大的污物清洗效果差。1.2 超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定(1)超聲波清洗機結(jié)構(gòu)設(shè)計超聲波清洗機主要由超聲波發(fā)生器、超聲換能器和清洗槽組成，其結(jié)構(gòu)如圖1。超聲波發(fā)生器將50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號后，通過電纜輸送給超聲換能器。清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。(2)參數(shù)設(shè)定為了實現(xiàn)超聲波清洗的高效率，應(yīng)當選擇最佳的聲強、頻率及清洗槽聲場分布等參數(shù)。工作頻率選在20—50kHz之間。低頻聲波的空化氣泡大、數(shù)量少，易于13清洗較粗糙物品。高頻聲波空化氣泡小、數(shù)量多，易于清洗精細且形狀復(fù)雜的物品。本超聲波用清洗機于清洗較粗糙的生活用具，所以采用低頻20kHz。清洗液采用碳氫清洗液，碳氫清洗液具有以下特點：清洗性能好，蒸發(fā)損失小，無毒，材料相容性好，不破壞環(huán)境，價格便宜。第二章 超聲波發(fā)生器設(shè)計2.1超聲波發(fā)生器的選擇超聲波發(fā)生器也稱作超聲電源，它是一種用以產(chǎn)生超聲頻電能并向超聲換能器提供的裝置。按照所采用的工作原理，可以把超聲波發(fā)生器分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類。模擬電路超聲波發(fā)生器又分為振蕩一放大型和逆變型兩種。本設(shè)計采用振蕩一放大型超聲波發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示。它是一個帶有振蕩電路的放大器，由振蕩、放大、匹配電路和電源組成。振蕩器產(chǎn)生一定頻率的信號，放大器將其放大到一定的功率輸出。達到最佳負載值，通過輸出變壓器進行阻抗匹配，并通過功放輸出。14振蕩器 放大器 匹配器電源超聲換能器圖 2 振蕩-放大型超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖振蕩條件：從結(jié)構(gòu)上看，正弦波振蕩器就是一個沒有輸入信號的、帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。圖 3表示接正反饋時放大器在輸入信號 =0時的方框圖，簡化下得圖1X4。由圖 4可知，如果在放大器輸入端 1外接一定頻率，一定幅度的正弦波信號Xa，經(jīng)過基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的環(huán)路輸出后，在反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端 2得到反饋信號 Xf與 Xa在大小和相位上都一致，則可以除去外接信號 Xa，將1、2 兩端連接在一起(如圖中虛線所示)而形成閉環(huán)系統(tǒng)，其輸出端可繼續(xù)維持與開環(huán)時一樣的輸入信號，即 = 。fX?a基本放大器（A）反饋網(wǎng)絡(luò) （F）圖 3 正弦波振蕩器方框圖15A?F?圖 4 正弦波振蕩器方框圖＝AF＝1 振幅平衡條件 AF?和 + =2n n=0,1,2,3…… 相位平衡條件a?f?這兩個式子是正弦波振蕩器產(chǎn)生持續(xù)振蕩的兩個必要條件。振蕩器的振蕩頻率0是由相位平衡條件決定的。一個正弦波振蕩器只在某一個頻率下滿足相位f平衡條件，這個頻率就是 f0,這就是要求在 環(huán)路中包含一個具有選頻特性AF?的網(wǎng)絡(luò)。它可以設(shè)置在放大器 A中，也可以設(shè)置在反饋網(wǎng)絡(luò) F中，它可以用R、C 元件組成，也可以用 L、C 元件組成。欲使振蕩器能自行建立振蕩，就必須滿足 ＞1 的條件。這樣在接通電源后，振蕩器就可以自行起振，最后趨AF?于穩(wěn)態(tài)平衡。2.2超聲波振蕩器設(shè)計由于 TL494價格便宜而且性能優(yōu)越，設(shè)計采用由開關(guān)穩(wěn)壓塊 TL494構(gòu)成的振蕩16器。振蕩器電路見圖 5圖 5 振蕩器電路圖將 TL494的 5腳(CT)和 6腳(RT)接定時元件電阻 R和電容 c，即可起振，振蕩器工作頻率由下式?jīng)Q定： = ( )f610.87.420C???ZH由于頻率選為 20k 由上公式得 RC=0.5958× ,振蕩器輸出方波的占空ZH1S比是換能器產(chǎn)生的超聲波強度的決定因素。通過給 TL494的 4腳加以一定的直流電壓就可實現(xiàn)占空比調(diào)整。定時元件由電容 C、電阻 R1和電位器 R2構(gòu)成，調(diào)節(jié)電位器 R2即可實現(xiàn)頻率的調(diào)整。本機供電電源為 12V，采用的是推挽工作方式。電阻 R3(10kQ)和電位器 R4(10kQ)構(gòu)成分壓電路，死區(qū)時間控制端的電位應(yīng)界于 2．5～5V 之間。調(diào)節(jié)電位器 R4亦可實現(xiàn)超聲波的強度調(diào)節(jié)。2.3超聲波放大器設(shè)計（1）超聲波放大器的選擇超聲波放大器的作用是將振蕩信號放大至所需電平。放大部分可以是單級的，也可以是多級的，主要看輸出功率的需要。早期的超聲波發(fā)生器使用電子管做17放大器件，現(xiàn)在則普遍采用晶體管（三極管、場效應(yīng)管和 IBGT器件） 。近年來越來越多的廠家采用功率集成電路做超聲波發(fā)生器的放大器件。目前工業(yè)上廣泛使用的超聲波發(fā)生器基本上被晶體管電路壟斷。與電子管發(fā)生器相比，晶體管發(fā)生器的優(yōu)點在于體積小、重量輕、效率高。但從另一方面講由于受到方向擊穿電壓、最大集電極電流、最大集電極耗散功率參數(shù)的限制，通常一對晶體管的最大輸出功率只能達到百瓦級。要提高晶體管發(fā)生器的輸出能力，除了有賴于搞性能器件外，還必須采用高效率的電路。傳統(tǒng)的甲類、乙類、丙類放大器是把有源器件作為電流源工作。在這些放大器中，晶體管工作在伏安特性曲線的有源區(qū)。集電極電流受基極激勵信號控制作相應(yīng)變化。(2)低壓驅(qū)動電路本機采用高壓小電流功放電路，由兩只三極管和耦合變壓器構(gòu)成，見圖 6。為了避免兩只功放管同時導(dǎo)通，導(dǎo)致內(nèi)部功耗增加，兩管的導(dǎo)通時間必須錯開，使它們在交替工作時有一段同時截止的時間。為此，三極管 P1和 P2對振蕩器的輸出作反相處理，三極管選用 PNP型的 8550。低壓驅(qū)動電路所用的電源是直流 12V，而功放電路的電源是交流 220V，在三極管后加入一個耦合變壓器，完成高低壓隔離的任務(wù)。圖 6 低壓驅(qū)動電路圖18(3)功放匹配電路功放電路如圖 7所示。電路由兩個 VMOS功率場效應(yīng)管 2SK791構(gòu)成。具有線性度高、頻率響應(yīng)好、開關(guān)速度快等優(yōu)點，是理想的開關(guān)元件。但其關(guān)斷特性在電流小時并不理想，下降沿有拖尾。圖 7 功放電路2.4 高頻驅(qū)動和匹配電路超聲發(fā)生器與一般放大器的一個重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項很重要的內(nèi)容—調(diào)諧，即選用一定值的阻抗元件，使之在工作頻率上與負載中的電抗成分諧振。只有在同時進行了阻抗變換19和調(diào)諧之后，整個系統(tǒng)才算是達到了匹配，換能器才能正常工作。高頻驅(qū)動和匹配電路如圖 8圖 8高頻驅(qū)動和匹配電路超聲波清洗機中的匹配電路是將發(fā)生器輸出的電能送往換能器的通道。匹配電路雖然結(jié)構(gòu)簡單(通常只有一個匹配電感)，卻具有重要作用。相同型號的清洗機，匹配調(diào)得好的清洗效果好；匹配調(diào)得差的則清洗效果差。對同一臺機器而言，如果工作一段時間后清洗效果變差，或者換能器經(jīng)過更換，都需要重新調(diào)整匹配。與一般電子設(shè)備的匹配有所不同，超聲清洗機的匹配除了要解決變阻問題(即變換負載的阻值，使之與發(fā)生器的最佳負載值相等)外，還要解決調(diào)諧問題，即用匹配電感的感抗抵消換能器的容抗，使換能器呈純阻性。技術(shù)人員通常是根據(jù)各自的經(jīng)驗進行匹配。例如，有人在改變清洗槽水位時觀察電流的變化，如果電流變化處于一定范圍之內(nèi)，同時管子不發(fā)熱，空化聲強，便認為匹配已調(diào)好。也有人讓機器空載時稍，微呈電感性，而在加載后轉(zhuǎn)變?yōu)榧冏锠顟B(tài)。這些經(jīng)驗都是適用的。但在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，再掌握匹配的原理，就可以在匹配時有的放矢，更加主動，從而收到事半功倍的效果。20第三章 超聲波換能器設(shè)計3.1換能器的選擇用于超聲清洗的換能器有兩種類型．一是磁致伸縮換能器，另一種是壓電換能器，磁致伸縮換能器這種換能器的電聲效率比較低．而且金屬鎳材料價格昂貴，制造工藝復(fù)雜，所以目前很少采用還有一種用鐵氧體材料做成的磁斂伸縮換能器，雖然其電聲效率比較高，但機械強度低，所能承受的電功率容量小，因而目前我國也很少應(yīng)用目前我國主要采用壓電換能器，因為這種換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率高．原材料價格便宜，而且便于制造不同的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的清洗要求。壓電換能器又有很多種如圓柱形、喇叭形等。經(jīng)過對比最后確定選用喇叭形夾心壓電換能器作為此次的換能器。換能器是用來進行能量轉(zhuǎn)換的器件，是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量的裝置。在聲學研究領(lǐng)域中，換能器主要是指電聲換能器，它能實現(xiàn)電能和聲能之間的相互轉(zhuǎn)換。超聲波換能器的特性參數(shù)包括共振頻率、頻帶寬度、機電耦合系數(shù)、電聲效率、機械品質(zhì)因數(shù)、阻抗特性、指向性、發(fā)射及接收靈敏度等不同用途的換能器對性能參數(shù)的要求是不同的，如對于發(fā)射超聲波換能器，要求換能器有大的輸出功率和高的能量轉(zhuǎn)換效率；而對于接收型超聲波換能器，則要求寬的頻帶和高的靈敏度等 。因此，在換能器具體設(shè)計過程中，必須根據(jù)具體的應(yīng)用，對換能器的有關(guān)參數(shù)進行合理設(shè)計。3.2換能器的設(shè)計計算對如圖9所示的換能器，設(shè)前蓋板、壓電陶瓷堆及后蓋板的特性阻抗分別為、 、 （ ， 分別是密度、聲速和截面積） ，1Z23nnZcs??1,23.ncs?長度分別為 、 和 。頻率方程可由等效傳輸線理論求得。把換能器看做等效1l23l傳輸線，對應(yīng)于自由端其阻抗為零，對應(yīng)于節(jié)點處，其阻抗為無窮大，對均勻截面細棒如圖10其阻抗變換關(guān)系為2100tanrctLi ZZjklj??????????????式中， 為棒的特性阻抗； 是右端的負載阻抗； 是從棒左端看的00Zcs??Li阻抗；k 是波數(shù)。其阻抗變換關(guān)系可以用 mobius變換方法設(shè) ，1/c)iWZs??（，則有2/()LcsbaZWcd??錐形棒 1cossinNa??22()(1)sicosbj N???????????????????sincj1osiNd????且 ，1/2(Ns?） kl?阻抗的反變換為dWbZca???節(jié)面在前后蓋板長度滿足：323tn()t)wllZc?ta1N??由上式得 mm320lm?20l37.25lm?17.5d?260S22圖 9 喇叭形換能器結(jié)構(gòu)000Zsc??LZ圖 10 等截面細棒阻抗變換第四章 清洗槽設(shè)計23清洗槽由內(nèi)槽和外殼組成．內(nèi)槽的外表面(一般在槽底外表)粘結(jié)超聲換能器，槽內(nèi)盛清洗液．槽一般用耐腐蝕的不銹鋼板制成，過于厚會影響聲的輻射．槽的內(nèi)壁，尤其是粘有換能器的輻射板要平整拋光，不能有傷痕，否則易產(chǎn)生空化腐蝕，縮短使用壽命．為避免被清洗工件直接與槽壁板接觸而劃傷，一般用鏤空吊籃(網(wǎng)籃)或支架將清洗件懸吊在清洗液中．網(wǎng)籃的骨架應(yīng)盡可能地小而輕，一般用不銹鋼絲編成或用其它反射聲良好的材料做成．結(jié)構(gòu)上要使超聲波受阻小而清洗液易于流動．內(nèi)槽的尺寸要根據(jù)清洗件的大小和形狀而定．清洗件的總表面積不應(yīng)大于內(nèi)槽的體積．粘有換能器的輻射板(如槽底板)所承受的電功率強度一般低于1．5 W／an2(用壓電換能器時．大多數(shù)應(yīng)在0．5～1 w／cm2之間)．過高的強度會加速輻射板表面的空化腐蝕，同時由于過劇烈的空化所產(chǎn)生的氣泡會影響能量傳遞，使遠離輻射面的液體空間聲強變?nèi)醵_不到均勻清洗的目的．在普通的清洗槽中，由于液面的反射，在清洗槽中會產(chǎn)生的駐波，使得在液體空間有些區(qū)域聲壓最小(波節(jié)處)，有些地方聲壓最大(波腹處)而造成清洗干凈程度不均勻．為減少駐波的形成，有時清洗槽的形狀要特別設(shè)計，或采取其他措施，例如掃頻工作方式．清洗件在槽中的排列要有一定的間隔，而最窄小的面應(yīng)朝向換能器的輻射面，以免妨礙聲輻射到整個清洗槽空間內(nèi)槽尺寸為400×360×200mm，超聲波功率為500瓦；外槽尺寸為420×490×380mm；超聲波發(fā)生器電路箱為224×100×135mm，由六個直徑為4.5毫米的螺紋固定。參考文獻：24[1] 曹風國. 超聲加工技術(shù)[M].化學工業(yè)出版社，2005(1)[2] 張海燕．超聲波清洗技術(shù)[J]．近代物理知識，2002(6)[3] 白基成 郭永豐. 特種加工技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006(1)[4] 胡傳忻 夏志東. 特種加工手冊[M].北京工業(yè)大學出版社，2007(9)[5] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，1987(6)[6] 艾小洋．中國工業(yè)清洗領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[M]．現(xiàn)代制造，2004(2)[7] 欒桂冬 張金鐸. 王仁乾．壓電換能器和換能器陣[M]．修訂版；北京大學出版社，2005(9)25附錄一:工藝規(guī)程制訂與并行工程T. Ramayah and Noraini Ismail摘要產(chǎn)品設(shè)計是用于產(chǎn)品，及它的部件裝配的計劃。為了把產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)換成一個實際物體，這需要一個制造計劃。而制訂一個這樣的計劃的行動就叫做工藝規(guī)程制訂。它是產(chǎn)品設(shè)計和制造之間的連接，工藝規(guī)程制訂包括決定加工順序和制造產(chǎn)品所必須完成的裝配步驟。在以下文章中,我們將解釋工藝規(guī)程制訂和他的一些相關(guān)主題文章開始，我們應(yīng)該區(qū)別在下列文章中被反復(fù)提到的工藝規(guī)程制訂和生產(chǎn)計劃。工藝規(guī)程制訂與如何制造產(chǎn)品和它的零件等工程技術(shù)問題有關(guān)，制造零件和裝配產(chǎn)品需要什么樣的設(shè)備和工具？工藝規(guī)程制訂與產(chǎn)品制造物流管理有關(guān)系。它在工藝規(guī)程制訂后面與原料分類及獲得滿足制造充分數(shù)量產(chǎn)品要求的資源有關(guān)。工藝規(guī)程制訂工藝規(guī)程制訂包括決定最適當?shù)闹圃旒把b配步驟和順序，在這些順序和步驟中他們必須根據(jù)所提出的詳細的設(shè)計說明書規(guī)范完成給定零件或產(chǎn)品制造。 能夠被計劃的工藝范圍和多樣性通常由于公司車間可用設(shè)備和技術(shù)能力而受到限制。在公司內(nèi)部不能夠制造的零件必須到外部市場購買，工藝規(guī)程制訂所提及的工藝選擇同樣也受到詳細設(shè)計資料的限制，我們稍后將會回到這一點。工藝規(guī)程制訂通常是由制造工程師完成的，工藝制訂者必須熟悉工廠中詳細可用的制造流程并且能夠說明工程圖?；谥朴喺叩闹R、技術(shù)和經(jīng)驗，用于制造每個零件的工藝步驟以最合乎邏輯的順序被發(fā)展制訂。下列各項是在工藝規(guī)程制訂范圍里的許多決定和詳細資料：.設(shè)計圖的說明. 在工藝規(guī)程制訂的開始，產(chǎn)品設(shè)計的這一部分( 材料、尺寸、公差、表面處理等等)必須進行分析。26.工藝和順序. 工藝制訂者必須選擇哪一個工藝是必需的及必需工藝的序列。此外還必須準備好一個簡短的工藝步驟描述。.設(shè)備選擇. 大體上，工藝制訂者必須逐步展開利用工廠現(xiàn)有機器的計劃。另外，組件必須被購買或在新設(shè)備上的投資必須被制定。.工具、沖模、鑄模、夾具、量具. 工藝必須決定每個工序需要什么工具，這些工具的實際設(shè)計和制造通常通過委派工具設(shè)計部門和工具庫或者聯(lián)系專攻那種工具制造的外面廠商來完成。.方法分析. 車間規(guī)劃，小工具，提升重物的提升間。甚至在一些人工操作情景中的肢體動作也被指定。.操作步驟. 工作測量技術(shù)被用來為每個操作設(shè)定時間標準。.切削工具和切削條件. 這些必須對加工操作通過推薦標準手冊來進行詳細說明。零件工藝規(guī)程制訂對于單個零件，加工順序通過一種被稱為進路表的表格來進行文件證明備份。就如工程圖被用于詳細說明設(shè)計產(chǎn)品一樣，進路表被用于詳細說明工藝計劃。他們是類似的，一個用于產(chǎn)品設(shè)計，另一個用于制造。制造單個零件的典型加工順序包括：(1) 一個基本工序 (2) 二級工序 (3) 提高物質(zhì)特性工序和(4) 最后工序。一個基本工序決定了工件的起始造型。金屬鑄件、塑料成型、金屬精煉是基本工序中的實例。起始造型常常必須通過改變起始造型操作(或者接近于最終造型)的二級工序來精制。二級工序習慣于和基本工序一起提供起始造型，當砂型鑄造是基本工序，車加工通常是二級工序。當軋鋼廠制造金屬片是基本工序，沖壓操作像沖裁和彎曲通常是二級工序。當塑料注入成型是基本工序時，二級工序通常是不必要的，因為他的大多數(shù)幾何特征制造通過別的方式如成型制造來完成。塑料成型和其他操作的二級工序被稱為凈成型工序的并發(fā)二級工序，需要一些但并不多的二級工序的操作就是所提到的近似成型工序。許多有印象的摸鍛件就是這一類，這類零件能夠經(jīng)常在鍛造(初級工序)階段被成型，因此減少了必要的加工(二級工序)。27一旦模型被建立，許多零件的下一步是改良它們的機械物理性能。提高特性工序并不改變零件模型，然而，它卻能改變零件的物理特性。金屬零件的熱處理操作就是最普通的實例。類似的如玻璃通過熱處理來制造鋼化玻璃，對于大多數(shù)零件的制造來說，這些特性加強工序在加工工序中并不需要。最后工序通常對零件(或裝配體)的表面提供一個涂層。例如電鍍、薄膜沉積技術(shù)、涂漆。表面處理的目的是改善外觀，改變顏色或者表面保護防止腐蝕和磨損等等。在很多零件中最后工序是并不需要的。例如：塑料成型就很少需要最后程序。當必須需要最后程序，他通常是加工順序的最后一步。裝配工藝規(guī)程制訂一個既定產(chǎn)品的典型裝配方法由以下因素決定的：(1)預(yù)期產(chǎn)品數(shù)量(2)裝配產(chǎn)品的復(fù)雜性。例如：不同組件的數(shù)量和(3)常用裝配工藝。例如：機械定位焊接、對于小數(shù)量產(chǎn)品，通常在人工裝配線上進行裝配。對于大量制造的一打或這樣組件的簡單零件，要采用適當?shù)淖詣踊b配線。無論如何這里有一個工作必須被完成的優(yōu)先順序，這個優(yōu)先需求經(jīng)常用一個優(yōu)先表來進行圖表描繪。裝配工藝規(guī)程制訂包括裝配指令的發(fā)展，但是更詳細地對于小批量生產(chǎn)。在一個崗位完成整個裝配，對于一個裝配線上的大批量生產(chǎn)，工藝規(guī)程制訂由一種分配工作條件到裝配線個別工位并被叫做人工投入線性平衡法的程序組成。這種裝配線按照裝配線平衡解決方案決定的順序發(fā)送工作單元到個別工位，在個別組成，任意工具或夾具的工藝規(guī)程制訂時，一條裝配線的決定、設(shè)計和制造必須被完成，并且工作站的必須被列出來。制造或購買決定在工藝制定過程中出現(xiàn)的一個重大問題是一個特定零件應(yīng)該在公司內(nèi)部的工廠內(nèi)生產(chǎn)還是從外部銷售商處購買，并且這個問題的答案被認為是制造或購買決定。如果公司沒有技術(shù)設(shè)備或制造零件所必須的詳細制造工藝中的專門技術(shù)，那么答案就很明顯了。因為沒有其他選擇零件必須購買。然而，在很多例子中零件既可以在利用現(xiàn)有設(shè)備在內(nèi)部制造或者可以從外部擁有相似制造能力的生產(chǎn)銷售商處購買。28在我們的關(guān)于制造或購買的決定的討論中，他應(yīng)該認識到在開始幾乎所有的制造者從供應(yīng)商那里購買原料。一個機械加工廠從一個金屬經(jīng)銷商購買他的起動柄原料或從一個鑄造廠購買他的砂型鑄件。一個塑料成型廠從一個化工廠購買他的模塑料。一個沖壓廠可以去經(jīng)銷商或直接從軋鋼廠購買金屬片。很少的公司能夠在操作中從原料一直進行垂直整合，這看來至少購買一些也許在他的工廠可以另外制造的零件是合理的。也有可能為公司使用的每一個組成要求制造或購買決定。這里有許多影響制造或購買決定的因素，一個人可能認為成本是決定是購買還是制造零件的最重要的因素。如果一個外部經(jīng)銷商比公司工廠更精通于制造零件的工藝，因而公司內(nèi)部生產(chǎn)成本可能比經(jīng)銷商賺取成本后的價格還要高。可是，如果購買決定導(dǎo)致公司工廠設(shè)備和勞動的閑置，購買零件的表面優(yōu)勢就會喪失?？紤]以下例子制造或購買決定。為一個特定零件被引述的價格是 100個單位的每單位$20.00。制造零件的成分如下所示：單位原料成本=每單位$8.00直接勞動成本=每單位$6.00勞動加班 150%=每單位$9.00設(shè)備修理成本=每單位$5.00___________________總計=每單位$28.00這個組成應(yīng)該被購買還是在內(nèi)部制造？解決方案：盡管經(jīng)銷商的引證似乎支持購買決定，讓我們來考慮如果引證被接受可能在生產(chǎn)操作中的沖突。$5.00 設(shè)備維修成本是已經(jīng)被制定的投資成本，如果設(shè)備設(shè)計因為購買零件的決定而變的沒有利用價值，那么這個固定成本仍然繼續(xù)盡管設(shè)備閑置著。同樣，如果零件被購買由工廠空間，效用和勞動成本組成的$9.00 的勞動間接成本仍然繼續(xù)。通過這種推理，如果應(yīng)該已用于生產(chǎn)零件的設(shè)備閑置的購買決定并不是一個好決定因為他可29能花費公司將近$20.00+$5.0+$9.00=$34.0 每單元。另一方面，如果正在討論的設(shè)備可以被用于生產(chǎn)其他零件并且內(nèi)部生產(chǎn)成本低于外部聯(lián)系報價，那么一個購買決定就是一個好決定。制造或購買決定并不像這個例子中的那樣直接。這幾年的一個趨勢，尤其在汽車工業(yè)，公司和零件供應(yīng)者建立緊密關(guān)系。由此我們將引出并行工程。在計劃操作方面制造公司有很大興趣利用計算機輔助工藝（CAPP）系統(tǒng)來完成。那些熟悉加工詳細資料和其他工藝的工廠培訓(xùn)的工人逐漸退休，并且這些人在將來工藝制訂的過程中是非常有用的。一種可選擇的用于完成這種功能的方式是必需的，CAPP 提供了這種選擇。CAPP經(jīng)常被看作是計算機輔助制造（CAM）的一部分。然而這種趨向意味著 CAM是一系列系統(tǒng)。事實上，當 CAD和計算機輔助設(shè)計協(xié)同作用創(chuàng)造了一個 CAD/CAM系統(tǒng)。在這樣一個系統(tǒng)中，CAPP 成為設(shè)計和制造之間的直接聯(lián)結(jié)。來自計算機輔助工藝的優(yōu)點包括以下幾點：.工藝合理化和標準化. 自動工藝規(guī)程制訂比完全用手工編制工藝產(chǎn)生的更合理化和一致化。標準設(shè)計趨向產(chǎn)生低成本和高生產(chǎn)質(zhì)量。.增強工藝制訂者的生產(chǎn)力. 在數(shù)據(jù)文件中的系統(tǒng)方法和標準加工設(shè)計的實用性使工藝制訂者可完成更多的工作。.減少工藝規(guī)程的制訂時間. 與手工準備相比，利用 CAPP系統(tǒng)的工藝制訂者可以在較短的時間內(nèi)準備好進路表。.改良異讀性. 計算機準備的進路表比手工準備的進路表更容易簡潔。.結(jié)合其他應(yīng)用軟件. CAPP 系統(tǒng)可以在界面上與其它應(yīng)用軟件結(jié)合，象成本估計和工作標準。計算機輔助工藝圍繞著兩個路徑來設(shè)計，這兩個路徑被叫做：（1）CAPP 檢索系統(tǒng)和（2）CAPP 生成系統(tǒng)。許多 CAPP系統(tǒng)結(jié)合這兩種路徑而被稱為生成檢索 CAPP系統(tǒng)。制造業(yè)的并行工程和設(shè)計30并行工程引用一種常用于產(chǎn)品發(fā)展的路徑，通過它使工程設(shè)計功能、工程制造功能和其他功能綜合起來以減少一種新產(chǎn)品投放市場所需要的共用時間，也被稱為并發(fā)工程，他可能被認為是 CAD/CAM技術(shù)的類似組織版本，按照傳統(tǒng)路徑來使一件產(chǎn)品投放市場。如圖(1)a所示，工程設(shè)計功能和工程制造功能這兩種功能是分開并且連續(xù)的，產(chǎn)品設(shè)計部門開展一項新的設(shè)計有時很少考慮到公司的制造能力，也很少有機會能夠讓制造工程師來提供如何使設(shè)計更容易制造的一些建議。他好像消除了在設(shè)計和制造之間的一堵墻，當設(shè)計部門完成設(shè)計，他投擲工程圖和說明書越過這面墻，并且那時工藝規(guī)程制訂也開始了。圖（1） 比較 : (a) 傳統(tǒng)產(chǎn)品發(fā)展周期和 (b) 并行產(chǎn)品的發(fā)展周期31通過比較，實行并行工程的公司，工程制造部門在早期就參與到產(chǎn)品發(fā)展周期。為如何使產(chǎn)品和他的組成能夠被設(shè)計的更適于制造提供建議。他同樣為產(chǎn)品提供制造計劃繼續(xù)進行的早期準備，這種并行工程的路徑在圖(1)b 中被描繪出。除了工程制造以外其他功能同樣被包括在產(chǎn)品發(fā)展周期中，如質(zhì)量工程、制造部門、后勤服務(wù)、市場供應(yīng)評定組成和一些情況下將使用這些產(chǎn)品的消費者。在產(chǎn)品發(fā)展階段的所有這些功能不僅能改善新產(chǎn)品的功能和性能，同時也能改善他的可造性、自檢性、易測性、服務(wù)能力和可維護性。通過早期功能改善，因為在最終產(chǎn)品設(shè)計之后的回顧太晚以至于不能對設(shè)計進行便利的修改的不利因素的消除，使產(chǎn)品發(fā)展周期的持續(xù)期大大減少。并行設(shè)計包含以下因素：(1)一些制造和裝配設(shè)計(2)質(zhì)量設(shè)計(3)成本設(shè)計和(4)生命周期設(shè)計。另外，像快速成型、虛擬制造、和組織轉(zhuǎn)變等輔助技術(shù)需要被用來促進公司的并行工程。制造和裝配設(shè)計據(jù)估計一件產(chǎn)品的 70%的生命周期成本是由在產(chǎn)品設(shè)計時所做的基本決定所決定的，這些設(shè)計決定包括每個零件的材料、零件模型、公差、表面處理、零件是如何被組織裝配的和常用裝配方法。一旦這些決定被指定，減少產(chǎn)品制造成本的能力就會被限制。例如，如果產(chǎn)品設(shè)計者決定用鋁砂型鑄造法制造一個分開零件，但是這個零件的工藝特性只能通過加工來完成(如螺紋孔和配合公差)，制造工程師沒有選擇的余地，只能按照先砂型鑄造在加工的方法來達到既定要求。在這個例子中，用一個在單獨步驟所需要的塑料模制品也許是一個較好的決定。因此，當產(chǎn)品設(shè)計展開時給制造工程師一個忠告設(shè)計者的機會對產(chǎn)品的順利可造性是非常重要的。這種被用于嘗試描述順利改變一件新產(chǎn)品的可造性的條件是制造設(shè)計(DFM)和裝配設(shè)計(DFA)。當然，DFM 和 DFA是緊密相連的，因此讓我們用制造和裝配設(shè)計(DFM/A)的形式來表達。制造和裝配設(shè)計包括在一件新產(chǎn)品中的可造性和可裝配性的綜合考慮，這包括： (1)組織變化和(2)設(shè)計原理和指導(dǎo)方針。.在 DFM/A中的組織變化. DFM/A的有效執(zhí)行包括公司組織機構(gòu)的正式或非正式的變化，因此設(shè)計職工和制造職工之間有很好的交流和交互作用。這可以通過以下方法來完成：(1)通過成立由產(chǎn)品設(shè)計者制造工程師和其他員工(例如：質(zhì)量工程師、材料專家)組成的攻32關(guān)小組來進行產(chǎn)品開發(fā)；(2)通過要求設(shè)計工程師用一些事業(yè)時間在制造上，以能夠掌握第一手可造性和可裝配性是如何通過產(chǎn)品設(shè)計聯(lián)系在一起的；(3)通過指派制造工程師到產(chǎn)品設(shè)計部門在一個臨時的或?qū)Ｈ蔚幕A(chǔ)上做一個還原性顧問。.設(shè)計說明和指導(dǎo)方針. DFM/A為了理解如何設(shè)計一個既定產(chǎn)品來使可造性和可裝配性最大化也依賴于設(shè)計說明和指導(dǎo)方針的使用，這些通用設(shè)計指導(dǎo)方針中的一些幾乎適用于任何產(chǎn)品設(shè)計。在其他方面，一些設(shè)計原理只適用于特定工序，例如：軸或錐度在階梯中的使用和利用模制品來切除模內(nèi)零件，在制造過程中我們只把這些具體過程指導(dǎo)方針放在書本上。指導(dǎo)方針有時互相矛盾，一條指導(dǎo)方針是“簡化零件模型，避免不必要的特征”。但是在同一表格里的另一指導(dǎo)方針為了裝配安全而規(guī)定在設(shè)計產(chǎn)品時“特殊幾何特征必須不時加上他的組成”。而且他也許值得來結(jié)合個別裝配件的特征來減少產(chǎn)品中零件的數(shù)量。在這些示例中零件制造設(shè)計與裝配設(shè)計相沖突，在這個矛盾沖突的兩邊，一個適當解決方法必須被發(fā)現(xiàn)。33Process Planning and Concurrent EngineeringT. Ramayah and Noraini IsmailABSTRACTThe product design is the plan for the product and its components and subassemblies. To convert the product design into a physical entity, a manufacturing plan is needed. The activity of developing such a plan is called process planning. It is the link between product design and manufacturing. Process planning involves determining the sequence of processing and assembly steps that must be accomplished to make the product. In the present chapter, we examine processing planning and several related topics.Process Planning Process planning involves determining the most appropriate manufacturing and assembly processes and the sequence in which they should be accomplished to produce a given part or product according to specifications set forth in the product design documentation. The scope and variety of processes that can be planned are generally limited by the available processing equipment and technological capabilities of the company of plant. Parts that cannot be made internally must be purchased from outside vendors. It should be mentioned that the choice of processes is also limited by the details of the product design. This is a point we will return to later.Process planning is usually accomplished by manufacturing engineers. The process planner must be familiar with the particular manufacturing processes available in the factory and be able to interpret engineering drawings. Based on the planner’s knowledge, skill, and experience, the processing steps are developed in the most logical sequence to make each part. Following is a list of the many decisions and details usually include within the scope of process planning.34.Interpretation of design drawings. The part of product design must be analyzed (materials, dimensions, tolerances, surface finished, etc.) at the start of the process planning procedure..Process and sequence. The process planner must select which processes are required and their sequence. A brief description of processing steps must be prepared..Equipment selection. In general, process planners must develop plans that utilize existing equipment in the plant. Otherwise, the component must be purchased, or an investment must be made in new equipment..Tools, dies, molds, fixtures, and gages. The process must decide what tooling is required for each processing step. The actual design and fabrication of these tools is usually delegated to a tool design department and tool room, or an outside vendor specializing in that type of tool is contacted..Methods analysis. Workplace layout, small tools, hoists for lifting heavy parts, even in some cases hand and body motions must be specified for manual operations. The industrial engineering department is usually responsible for this area..Work standards. Work measurement techniques are used to set time standards for each operation.Cutting tools and cutting conditions. These must be specified for machining operations, often with reference to standard handbook recommendations.Process planning for partsFor individual parts, the processing sequence is documented on a form called a route sheet. Just as engineering drawings are used to specify the product design, route sheets are used to 35specify the process plan. They are counterparts, one for product design, the other f