本發(fā)明屬于超聲加工設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置。

背景技術(shù)：

隨著技術(shù)的發(fā)展，超精密控制機構(gòu)已經(jīng)發(fā)展成為許多高精度、復雜設(shè)備的重要組成部件，其控制的精度直接決定了被控制期間所要求達到的精度。超聲加工，是指對工具或工件沿一定方向施加超聲頻振動進行振動加工的一種加工方法。超聲加工系統(tǒng)，一般由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動傳動系統(tǒng)、工具、工藝裝置等構(gòu)件組成。超聲波發(fā)生器的作用是將交流電源轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號；換能器的作用是將超聲頻電振蕩信號轉(zhuǎn)換為超聲頻機械振動；變幅桿的作用是將換能器的振動幅度進行放大。

現(xiàn)有技術(shù)中利用超聲駐波懸浮技術(shù)使加工物料懸浮起來，然后對微粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行加工。隨著對被加工物料結(jié)構(gòu)及性能要求的提高，對物料加工的方法和裝置也有了更高的要求。對物料的各個方位進行加工時，經(jīng)常需要手工移動或轉(zhuǎn)動物料、移動或轉(zhuǎn)動加工設(shè)備，手工操作易污染物料，移動或轉(zhuǎn)動加工設(shè)備又影響加工效率。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的加工方法及設(shè)備難以滿足物料的加工要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置。

為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置，包括底座、殼體、超聲波發(fā)生器和超聲反射端，殼體設(shè)于底座的上方，殼體的外表面設(shè)置壓電陶瓷片單元，殼體內(nèi)設(shè)置超聲反射端，超聲反射端的正上方設(shè)置超聲波發(fā)生器。本發(fā)明基于聲懸浮和旋轉(zhuǎn)聲場實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置通過超聲駐波懸浮和超聲行波產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)行波，使微粒實現(xiàn)懸浮及旋轉(zhuǎn)。

優(yōu)選的，所述超聲反射端為球形凹面結(jié)構(gòu)，對超聲駐波有聚焦的作用，提高超聲駐波的懸浮能力。

優(yōu)選的，所述超聲反射端通過固定螺母設(shè)于底座的中部，產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲駐波。

優(yōu)選的，所述殼體為中空結(jié)構(gòu)，其底部的內(nèi)凸部與所述超聲反射端球形凹面處于同一球面上，保證微粒懸浮和旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。

優(yōu)選的，所述殼體為中空圓筒狀。使對微粒的加工發(fā)生在大圓筒的內(nèi)部，由于旋轉(zhuǎn)行波聲場產(chǎn)生于大圓筒的內(nèi)部，所以大圓筒的內(nèi)部的各個部分都能使懸浮微粒進行旋轉(zhuǎn)，使超聲加工的位置可以發(fā)生在圓筒的各個部位。

優(yōu)選的，所述壓電陶瓷片單元包括偶數(shù)塊尺寸相同的壓電陶瓷片，各壓電陶瓷片均勻地布設(shè)于所述殼體的外表面，使殼體內(nèi)能產(chǎn)生穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)行波聲場。

優(yōu)選的，所述殼體的外表面均勻地分布4×4＝16塊環(huán)形壓電陶瓷片，對環(huán)形壓電陶瓷片進行極化，弧長及極化方向依次為λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-，其中奇數(shù)分區(qū)為A相極化區(qū)，偶數(shù)分區(qū)為B相極化區(qū)，對A、B兩個極化區(qū)分別接入正弦和余弦的交變信號。

優(yōu)選的，所述A、B兩個極化區(qū)接入的交變信號能互換，實現(xiàn)微粒旋轉(zhuǎn)的反向切換，利于微粒的全方位加工。

優(yōu)選的，所述殼體通過螺釘固定于底座上，提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

優(yōu)選的，所述殼體采用鋁質(zhì)材料制成，鋁質(zhì)材料具有質(zhì)量輕、導熱性能好等優(yōu)點。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是：

1、使用鋁制大圓筒結(jié)構(gòu)，使對物體的加工發(fā)生在大圓筒的內(nèi)部。由于旋轉(zhuǎn)行波聲場在大圓筒的內(nèi)部，所以大圓筒內(nèi)部的各個部分都能使懸浮物體進行旋轉(zhuǎn)，使超聲加工的場所可以發(fā)生在圓筒的各個部位；

2、在圓筒的外側(cè)安裝壓電陶瓷片，圓筒外側(cè)均勻分布16塊環(huán)形壓電陶瓷片，將壓電陶瓷片的奇偶數(shù)分為A、B兩個極化區(qū)，在A、B兩個極化區(qū)分別通以正弦和余弦的交變電壓。那么，A、B相模態(tài)響應(yīng)的合成，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的行波，即波形沿圓周轉(zhuǎn)動，其法向和切向分量分別對懸浮物體產(chǎn)生懸浮和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動效果，球轉(zhuǎn)子就可以懸浮起來且沿行波的傳播方向高速旋轉(zhuǎn)；

3、使用內(nèi)凹球形作為超聲駐波懸浮的反射端，對超聲駐波有聚焦的作用，使超聲駐波的懸浮能力有了大幅度的提高；

4、本發(fā)明的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置不僅適用于一般的生產(chǎn)環(huán)境，更加適合于對生產(chǎn)環(huán)境要求較高的無塵環(huán)境中，能夠減少外界環(huán)境對超聲加工的影響，提升產(chǎn)品質(zhì)量；

5、本發(fā)明的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置不受加工材料的影響，既可以加工金屬，也可以加工非金屬，甚至加工一些液體，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例1的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(不包括殼體)。

圖3是本發(fā)明實施例1的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(不包括超聲反射端)。

圖4是本發(fā)明實施例1的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(不包括殼體和懸浮微粒)。

圖5是本發(fā)明實施例1的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖6是本發(fā)明實施例1的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置另一狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本發(fā)明實施例1的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)正視圖。

圖8是本發(fā)明實施例2的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是本發(fā)明實施例2的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(不包括殼體)。

圖10是本發(fā)明實施例2的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(不包括超聲反射端)。

圖11是本發(fā)明實施例2的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(不包括殼體和懸浮微粒)。

圖12是本發(fā)明實施例2的實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖(不包括超聲反射端和懸浮微粒)。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步描述說明。

實施例1：

如圖1-7所示，本實施例的基于聲懸浮和旋轉(zhuǎn)聲場實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置，包括底座1、殼體2、超聲波發(fā)生器和超聲反射端7，底座1的縱截面為H形結(jié)構(gòu)，底座為中空的圓柱體，圓柱體中部的橫截面上固定圓形底板1-1，其中圓形底板的外徑與圓柱體的內(nèi)徑相適配。底板1-1的中心形成用于固定超聲反射端7的安裝口，超聲反射端7通過固定螺母8與底板1-1固定連接且超聲反射端7的上端不凸出底座1的上表面，從而將超聲反射端7固定于底座1內(nèi)，超聲反射端7呈球形凹面狀，球形凹面的超聲反射端7能顯著提高駐波懸浮的能力，不僅能懸浮密度較小的物體而且能夠懸浮密度較大的金屬，如鋁球、鋼球、鉛球等。在超聲駐波懸浮的過程中，水平方向的波動會比垂直方向的波動大，球形凹面的超聲反射端7具有良好的聚焦作用，在大幅度提高駐波懸浮能力之外還減小了微粒5在駐波懸浮過程中水平方向的波動，更加有利于微粒5的旋轉(zhuǎn)。超聲反射端7的正上方設(shè)置超聲波發(fā)生器。

殼體的縱截面為上下開口的凸字形，包括上、下布設(shè)的超聲行波發(fā)生器段6和安裝段2，安裝段2的尺寸與底座1的尺寸適配，即使安裝段2安裝于底座1上時，安裝段2的內(nèi)、外徑分別與底座1的內(nèi)、外徑相等，安裝段2與底座1之間采用Z形交接，并通過螺釘3對稱固定，限制安裝段2與底座1之間的相對位移。超聲行波發(fā)生器段6的內(nèi)壁沿徑向凸出形成凸出部，凸出部與超聲反射端7的球形凹面處于同一球面上，提高微粒在懸浮和旋轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性。

超聲行波發(fā)生器段6采用鋁質(zhì)材料制成，超聲行波發(fā)生器段6的外表面均勻地分布4×4＝16塊環(huán)形壓電陶瓷片4，弧長及極化方向依次為：λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-，其中奇數(shù)分區(qū)構(gòu)成A相極化區(qū)，偶數(shù)分區(qū)構(gòu)成B相極化區(qū)。利用逆壓電效應(yīng)，極化方向與電場方向相同的分區(qū)產(chǎn)生沿圓周切向的伸長變形，極化方向與電場方向相反的分區(qū)產(chǎn)生沿圓周切向的縮短變形。當A相極化區(qū)接入sin wt(激勵頻率等于定子徑向懸浮裝置的工作模態(tài)頻率)交變電壓時，定子將被激發(fā)出A相工作模態(tài)；當B相通以和A相同頻、同幅的且相位差為90°的cos wt交變電壓時，定子產(chǎn)生B相工作模態(tài)，B相與A相空間正交。將這兩個電壓同時分別加到A相和B相陶瓷分區(qū)上，A、B相模態(tài)響應(yīng)的合成，定子就呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的行波(即波形沿圓周轉(zhuǎn)動)，定子徑向懸浮裝置內(nèi)表面形成高聲強行波，其法向和切向分量分別對球轉(zhuǎn)子產(chǎn)生懸浮和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動效果，球轉(zhuǎn)子就可以懸浮起來且沿行波的傳播方向高速旋轉(zhuǎn)。若要產(chǎn)生反向的行波，只需改變或互換輸入信號，即A相和B相陶瓷分區(qū)上施加的信號交換即可。

本實施例的基于聲懸浮和旋轉(zhuǎn)聲場實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置通過超聲駐波懸浮和超聲行波發(fā)生器段產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)行波，使懸浮微粒5實現(xiàn)懸浮及旋轉(zhuǎn)。

實施例2：

如圖8-12所示，本實施例的基于聲懸浮和旋轉(zhuǎn)聲場實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置，包括底座11、殼體21、超聲波發(fā)生器和超聲反射端61，底座11包括圓形的臺板和支撐臺板的支架，支架為中空圓柱形，臺板的外徑大于支架的外徑，底座11的結(jié)構(gòu)呈軸對稱。臺板的中部內(nèi)凹形成超聲反射端61的安裝口，并通過固定于安裝口的固定螺母71將超聲反射端61固定連接于底座11的上方。超聲反射端61的上表面呈球形凹面狀，其中凹面狀結(jié)構(gòu)的底部高于底座11的上表面。超聲反射端71的正上方設(shè)置超聲波發(fā)生器。

殼體的縱截面為左右對稱的L形結(jié)構(gòu)，包括上、下布設(shè)的超聲行波發(fā)生器段31和安裝段，安裝段與底座11上表面的超聲反射端61的安裝口的口沿之間采用Z形交接，并通過螺釘21對稱固定，限制殼體與底座11之間的相對位移。超聲行波發(fā)生器段31采用鋁質(zhì)材料制成，呈中空圓柱形結(jié)構(gòu)，超聲行波發(fā)生器段61的外表面均勻地分布4×4＝16塊環(huán)形壓電陶瓷片41，弧長及極化方向依次為：λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-、λ/4+、λ/4+、λ/4-、λ/4-，其中奇數(shù)分區(qū)構(gòu)成A相極化區(qū)，偶數(shù)分區(qū)構(gòu)成B相極化區(qū)。利用逆壓電效應(yīng)，極化方向與電場方向相同的分區(qū)產(chǎn)生沿圓周切向的伸長變形，極化方向與電場方向相反的分區(qū)產(chǎn)生沿圓周切向的縮短變形。當A相極化區(qū)接入sin wt(激勵頻率等于定子徑向懸浮裝置的工作模態(tài)頻率)交變電壓時，定子將被激發(fā)出A相工作模態(tài)；當B相通以和A相同頻、同幅的且相位差為90°的cos wt交變電壓時，定子產(chǎn)生B相工作模態(tài)，B相與A相空間正交。將這兩個電壓同時分別加到A相和B相陶瓷分區(qū)上，A、B相模態(tài)響應(yīng)的合成，定子就呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的行波(即波形沿圓周轉(zhuǎn)動)，定子徑向懸浮裝置內(nèi)表面形成高聲強行波，其法向和切向分量分別對球轉(zhuǎn)子產(chǎn)生懸浮和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動效果，球轉(zhuǎn)子就可以懸浮起來且沿行波的傳播方向高速旋轉(zhuǎn)。若要產(chǎn)生反向的行波，只需改變或互換輸入信號，即A相和B相陶瓷分區(qū)上施加的信號交換即可。

本實施例的基于聲懸浮和旋轉(zhuǎn)聲場實現(xiàn)微粒懸浮及旋轉(zhuǎn)的裝置通過超聲駐波懸浮和超聲行波發(fā)生器段產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)行波，使懸浮微粒51實現(xiàn)懸浮及旋轉(zhuǎn)。

實施例3：

本實施例與實施例1的不同之處在于：超聲行波發(fā)生器段的外表面均勻地分布其它偶數(shù)塊環(huán)形壓電陶瓷片，可根據(jù)實際對超聲旋轉(zhuǎn)行波參數(shù)的要求進行調(diào)整，適應(yīng)性好。

以上對本發(fā)明的優(yōu)選實施例及原理進行了詳細說明，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，依據(jù)本發(fā)明提供的思想，在具體實施方式上會有改變之處，而這些改變也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。