超声近场悬浮实验研究与工具头设计

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目前,在精密加工领域,对表面粗糙度与洁净度提出了严格的要求,如硅片的夹持与运输。传统的夹持与运输方式存在对工件表面的污染及划伤等问题,而超声近场声悬浮能有效避免传统方式存在的缺陷。对于超声近场悬浮,悬浮工具头是超声悬浮系统的重要组成部分,起到放大输入端的位移并在输出端形成辐射声场的作用,工具头结构是否合理直接影响到悬浮效果。文章以超声近场声悬浮为研究对象,探索超声近场悬浮特性,研究悬浮工具头尺寸对悬浮稳定性的影响。根据变幅杆设计理论及薄板弯曲振动理论,建立工具头理论计算模型。运用有限元方法、数值分析方法分析工具头的动力学特性。主要研究内容有:1、通过实验分析了悬浮物尺寸、工具头尺寸与悬浮状态之间的关系,得到了圆形薄片能稳定悬浮的尺寸范围。2、将变幅杆设计理论与有限元方法相结合,分析了阶梯形变幅杆谐振频率计算误差及误差产生原因,探讨了外形尺寸对阶梯形变幅杆谐振频率的影响规律,提出了阶梯形变幅杆设计过程中谐振频率修正方法。3、根据变幅杆设计理论及薄板弯曲振动理论,建立了由阶梯变幅杆与弯曲振动圆盘构成的模式转换悬浮工具头的理论计算模型,得到了尺寸与频率之间的关系。4、借助ANSYS对悬浮工具头进行了动力学分析,对工具头的谐振频率进行修正,得到了工具头位移及应力分布情况,通过振动试验测得工具头弯曲振动圆盘的节圆半径,结果与有限元分析结果相吻合。
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