基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加装置及方法

摘要

本发明涉及大功率超声换能器的预应力施加技术，具体是一种基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加装置及方法。本发明解决了现有预应力施加技术导致大功率超声换能器的装配合格率低的问题。基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加装置，包括机架、主体机构、控制部分；所述机架包括水平底板、纵向立板、水平顶板、下肋板、上肋板；所述主体机构包括电控液压升降台、电控油缸、支柱、法兰、下水平托板、导向杆、上水平托板、水平传动板、下铰座、上铰座、主动连杆、下从动连杆、上从动连杆、传动三角块、圆形座板、限位圆柱块、圆形压板、下应变片式压力传感器、上应变片式压力传感器、电动扭矩扳手。本发明适用于大功率超声换能器的装配。

说明书

技术领域

本发明涉及大功率超声换能器的预应力施加技术，具体是一种基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加装置及方法。

背景技术

在大功率超声换能器的装配过程中，预应力的施加是一道必不可少的环节。在现有技术条件下，预应力的施加普遍是由工人通过手动操作气缸或千斤顶来实现的。此种技术存在的问题是：在预应力的施加过程中，仅凭工人的经验和手法来控制预应力的大小，由此导致大功率超声换能器上的预应力精确性差，从而难以保证大功率超声换能器的参数与超声电源的参数匹配，进而导致大功率超声换能器的装配合格率低。基于此，有必要发明一种全新的预应力施加技术，以解决现有预应力施加技术导致大功率超声换能器的装配合格率低的问题。

发明内容

本发明为了解决现有预应力施加技术导致大功率超声换能器的装配合格率低的问题，提供了一种基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加装置及方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加装置，包括机架、主体机构、控制部分；

所述机架包括水平底板、纵向立板、水平顶板、下肋板、上肋板；

纵向立板的数目为两个；两个纵向立板分别垂直固定于水平底板的上表面左部和上表面右部；水平顶板的下表面左边缘和下表面右边缘分别支撑固定于两个纵向立板的上端面；水平顶板的中央开设有上下贯通的中心孔；水平顶板的四角各开设有一个上下贯通的导向孔；下肋板的数目为四个；第一个下肋板固定于第一个纵向立板的外表面前下部与水平底板的上表面左前部之间；第二个下肋板固定于第一个纵向立板的外表面后下部与水平底板的上表面左后部之间；第三个下肋板固定于第二个纵向立板的外表面前下部与水平底板的上表面右前部之间；第四个下肋板固定于第二个纵向立板的外表面后下部与水平底板的上表面右后部之间；上肋板的数目为四个；第一个上肋板固定于第一个纵向立板的内表面前上部与水平顶板的下表面左前部之间；第二个上肋板固定于第一个纵向立板的内表面后上部与水平顶板的下表面左后部之间；第三个上肋板固定于第二个纵向立板的内表面前上部与水平顶板的下表面右前部之间；第四个上肋板固定于第二个纵向立板的内表面后上部与水平顶板的下表面右后部之间；

所述主体机构包括电控液压升降台、电控油缸、支柱、法兰、下水平托板、导向杆、上水平托板、水平传动板、下铰座、上铰座、主动连杆、下从动连杆、上从动连杆、传动三角块、圆形座板、限位圆柱块、圆形压板、下应变片式压力传感器、上应变片式压力传感器、电动扭矩扳手；

电控液压升降台固定于水平底板的上表面中央；电控油缸的数目为两个；两个电控油缸分别固定于电控液压升降台的台面左部和台面右部，且两个电控油缸的活塞杆均朝上；支柱的数目为两组；第一组支柱垂直固定于第一个电控油缸的缸筒上端面，且第一组支柱围绕第一个电控油缸的轴线等距排列；第二组支柱垂直固定于第二个电控油缸的缸筒上端面，且第二组支柱围绕第二个电控油缸的轴线等距排列；法兰的数目为两个；第一个法兰的下端面内边缘支撑固定于第一组支柱的上端面；第二个法兰的下端面内边缘支撑固定于第二组支柱的上端面；下水平托板的下表面左部和下表面右部分别与两个法兰的上端面固定；下水平托板的左部和右部各开设有一个上下贯通的导向孔，且两个导向孔的孔壁分别与两个电控油缸的活塞杆侧面中部滑动配合；导向杆的数目为四根；四根导向杆分别垂直固定于下水平托板的上表面四角，且四根导向杆的上部分别滑动贯穿水平顶板上的四个导向孔；上水平托板的四角各开设一个上下贯通的装配孔，且四个装配孔的孔壁分别与四根导向杆的侧面中部滑动配合；水平传动板的下表面左部和下表面右部分别支撑固定于两个电控油缸的活塞杆上端面；水平传动板的左边缘中部和右边缘中部各开设有一个上下贯通的豁口，且每个豁口的两侧面均各开设有一个前后贯通的销孔；下铰座的数目为两个；两个下铰座分别固定于下水平托板的上表面左部和上表面右部；上铰座的数目为两个；两个上铰座分别固定于上水平托板的下表面左部和下表面右部；主动连杆的数目为两根；两根主动连杆的首端各开设有一个前后贯通的销孔，且两个销孔内各通过轴承穿设有一根销轴；两根销轴分别通过轴承转动支撑于水平传动板上的两个豁口内；两根主动连杆的尾端各开设有一个上下贯通的豁口，且每个豁口的两侧面均各开设有一个前后贯通的销孔；下从动连杆的数目为两根；两根下从动连杆的首端分别通过轴承铰接于两个下铰座上；两根下从动连杆的尾端各开设有一个左右贯通的豁口，且每个豁口的两侧面均各开设有一个前后贯通的销孔；上从动连杆的数目为两根；两根上从动连杆的首端分别通过轴承铰接于两个上铰座上；两根上从动连杆的尾端各开设有一个左右贯通的豁口，且每个豁口的两侧面均各开设有一个前后贯通的销孔；传动三角块的数目为两个；每个传动三角块的三角均各开设有一个前后贯通的销孔，且每个销孔内均通过轴承穿设有一根销轴；六根销轴一一对应地通过轴承转动支撑于两根主动连杆尾端的豁口、两根下从动连杆尾端的豁口、两根上从动连杆尾端的豁口内；圆形座板的下端面与上水平托板的上表面中央固定；圆形座板的下端面中央开设有一个圆形凹孔；圆形座板的下端面边缘开设有四个圆形凹孔，且四个圆形凹孔围绕圆形座板的轴线等距排列；圆形座板的上端面中央开设有定位凹孔；圆形座板的边缘开设有两个上下贯通且相互对称的半圆形豁口；限位圆柱块的数目为两个；两个限位圆柱块均垂直固定于上水平托板的上表面，且两个限位圆柱块分别嵌装于两个半圆形豁口内；圆形压板的上端面与水平顶板的下表面中央固定；圆形压板的中央开设有上下贯通且上细下粗的台阶孔；圆形压板的上端面边缘开设有四个圆形凹孔，且四个圆形凹孔围绕圆形压板的轴线等距排列；下应变片式压力传感器的数目为五个；五个下应变片式压力传感器一一对应地嵌装于圆形座板上的五个圆形凹孔内；上应变片式压力传感器的数目为四个；四个上应变片式压力传感器一一对应地嵌装于圆形压板上的四个圆形凹孔内；电动扭矩扳手固定于水平顶板的上表面，且电动扭矩扳手的输出轴贯穿水平顶板上的中心孔和圆形压板上的台阶孔的细孔；

所述控制部分包括数据采集卡、计算机、第一PLC、第二PLC、第三PLC；

数据采集卡的信号输入端分别与五个下应变片式压力传感器的信号输出端、四个上应变片式压力传感器的信号输出端连接；数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端连接；计算机的信号输出端分别与第一PLC的信号输入端、第二PLC的信号输入端、第三PLC的信号输入端连接；第一PLC的信号输出端与电控液压升降台的信号输入端连接；第二PLC的信号输出端分别与两个电控油缸的信号输入端连接；第三PLC的信号输出端与电动扭矩扳手的信号输入端连接。

基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加方法（该方法是基于本发明所述的基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

步骤a：利用两个夹紧模具块将大功率超声换能器包夹起来，并保证大功率超声换能器的后盖板的上端面超出两个夹紧模具块的上端面；然后，将两个夹紧模具块和大功率超声换能器一并放置于圆形座板与圆形压板之间，并保证大功率超声换能器的变幅杆的下端插入圆形座板上的定位凹孔内；然后，计算机向第一PLC发出控制指令，第一PLC根据控制指令控制电控液压升降台的台面上升；在电控液压升降台的台面带动下，两个电控油缸、两组支柱、两个法兰、下水平托板、四根导向杆、上水平托板、水平传动板、两个下铰座、两个上铰座、两根主动连杆、两根下从动连杆、两根上从动连杆、两个传动三角块、圆形座板、两个限位圆柱块、两个夹紧模具块、大功率超声换能器一并上升，直至大功率超声换能器的后盖板的上端面接触圆形压板上的台阶孔的细孔和粗孔之间的连接面；此时，大功率超声换能器的内六角预应力螺栓插入圆形压板上的台阶孔的细孔内，电动扭矩扳手的输出轴插入大功率超声换能器的内六角预应力螺栓的沉孔内，由此完成大功率超声换能器的预装配；

步骤b：计算机向第二PLC发出控制指令，第二PLC根据控制指令控制两个电控油缸的活塞杆向上顶推水平传动板，直至两根下从动连杆和两根上从动连杆均呈竖直状态；在顶推力的作用下，圆形座板和圆形压板共同对大功率超声换能器进行压紧，由此完成压紧力的施加；在此过程中，五个下应变片式压力传感器和四个上应变片式压力传感器实时采集压力信号，并将压力信号通过数据采集卡实时发送至计算机，计算机根据压力信号实时检测圆形座板和圆形压板的平面度；

步骤c：计算机向第三PLC发出控制指令，第三PLC根据控制指令控制电动扭矩扳手的输出轴正向转动，电动扭矩扳手的输出轴开始正向旋拧大功率超声换能器的内六角预应力螺栓，由此进行预应力的施加；在此过程中，五个下应变片式压力传感器和四个上应变片式压力传感器实时采集压力信号，并将压力信号通过数据采集卡实时发送至计算机；当压力信号达到预设值时，计算机向第三PLC发出控制指令，第三PLC根据控制指令控制电动扭矩扳手停止工作，由此完成预应力的施加；

步骤d：计算机向第一PLC和第二PLC发出控制指令，第一PLC根据控制指令控制电控液压升降台的台面下降，第二PLC根据控制指令控制两个电控油缸的活塞杆向下运动，由此撤去压紧力；然后，利用阻抗仪对大功率超声换能器进行机电性能测试，并将测试结果发送至计算机；计算机根据测试结果判断大功率超声换能器的参数与超声电源的参数是否匹配；若不匹配，则计算机根据测试结果得出大功率超声换能器的预应力补偿量，并根据预应力补偿量生成控制指令，然后将控制指令发送至第一PLC、第二PLC、第三PLC；然后，第一PLC根据控制指令控制电控液压升降台的台面上升，由此再次完成大功率超声换能器的预装配；然后，第二PLC根据控制指令控制两个电控油缸的活塞杆向上顶推水平传动板，由此再次完成压紧力的施加；然后，第三PLC根据控制指令控制电动扭矩扳手的输出轴正向或反向转动，电动扭矩扳手的输出轴开始正向或反向旋拧大功率超声换能器的内六角预应力螺栓，由此对大功率超声换能器的预应力进行调节，直至大功率超声换能器的参数与超声电源的参数匹配。

与现有预应力施加技术相比，本发明所述的基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加装置及方法通过采用全新结构和原理，充分保证了大功率超声换能器上的预应力精确性，由此充分保证了大功率超声换能器的参数与超声电源的参数匹配，从而显著提高了大功率超声换能器的装配合格率。

本发明有效解决了现有预应力施加技术导致大功率超声换能器的装配合格率低的问题，适用于大功率超声换能器的装配。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中主体机构的部分结构示意图。

图3是本发明中主体机构的另一部分结构示意图。

图4是本发明中圆形座板、限位圆柱块、下应变片式压力传感器的结构示意图。

图中：101-水平底板，102-纵向立板，103-水平顶板，104-下肋板，105-上肋板，201-电控液压升降台，202-电控油缸，203-支柱，204-法兰，205-下水平托板，206-导向杆，207-上水平托板，208-水平传动板，209-下铰座，210-上铰座，211-主动连杆，212-下从动连杆，213-上从动连杆，214-传动三角块，215-圆形座板，216-限位圆柱块，217-圆形压板，218-下应变片式压力传感器，219-上应变片式压力传感器，220-电动扭矩扳手，301-夹紧模具块，302-大功率超声换能器的后盖板，303-大功率超声换能器的内六角预应力螺栓，304-大功率超声换能器的变幅杆。

具体实施方式

基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加装置，包括机架、主体机构、控制部分；

所述机架包括水平底板101、纵向立板102、水平顶板103、下肋板104、上肋板105；

纵向立板102的数目为两个；两个纵向立板102分别垂直固定于水平底板101的上表面左部和上表面右部；水平顶板103的下表面左边缘和下表面右边缘分别支撑固定于两个纵向立板102的上端面；水平顶板103的中央开设有上下贯通的中心孔；水平顶板103的四角各开设有一个上下贯通的导向孔；下肋板104的数目为四个；第一个下肋板104固定于第一个纵向立板102的外表面前下部与水平底板101的上表面左前部之间；第二个下肋板104固定于第一个纵向立板102的外表面后下部与水平底板101的上表面左后部之间；第三个下肋板104固定于第二个纵向立板102的外表面前下部与水平底板101的上表面右前部之间；第四个下肋板104固定于第二个纵向立板102的外表面后下部与水平底板101的上表面右后部之间；上肋板105的数目为四个；第一个上肋板105固定于第一个纵向立板102的内表面前上部与水平顶板103的下表面左前部之间；第二个上肋板105固定于第一个纵向立板102的内表面后上部与水平顶板103的下表面左后部之间；第三个上肋板105固定于第二个纵向立板102的内表面前上部与水平顶板103的下表面右前部之间；第四个上肋板105固定于第二个纵向立板102的内表面后上部与水平顶板103的下表面右后部之间；

所述主体机构包括电控液压升降台201、电控油缸202、支柱203、法兰204、下水平托板205、导向杆206、上水平托板207、水平传动板208、下铰座209、上铰座210、主动连杆211、下从动连杆212、上从动连杆213、传动三角块214、圆形座板215、限位圆柱块216、圆形压板217、下应变片式压力传感器218、上应变片式压力传感器219、电动扭矩扳手220；

电控液压升降台201固定于水平底板101的上表面中央；电控油缸202的数目为两个；两个电控油缸202分别固定于电控液压升降台201的台面左部和台面右部，且两个电控油缸202的活塞杆均朝上；支柱203的数目为两组；第一组支柱203垂直固定于第一个电控油缸202的缸筒上端面，且第一组支柱203围绕第一个电控油缸202的轴线等距排列；第二组支柱203垂直固定于第二个电控油缸202的缸筒上端面，且第二组支柱203围绕第二个电控油缸202的轴线等距排列；法兰204的数目为两个；第一个法兰204的下端面内边缘支撑固定于第一组支柱203的上端面；第二个法兰204的下端面内边缘支撑固定于第二组支柱203的上端面；下水平托板205的下表面左部和下表面右部分别与两个法兰204的上端面固定；下水平托板205的左部和右部各开设有一个上下贯通的导向孔，且两个导向孔的孔壁分别与两个电控油缸202的活塞杆侧面中部滑动配合；导向杆206的数目为四根；四根导向杆206分别垂直固定于下水平托板205的上表面四角，且四根导向杆206的上部分别滑动贯穿水平顶板103上的四个导向孔；上水平托板207的四角各开设一个上下贯通的装配孔，且四个装配孔的孔壁分别与四根导向杆206的侧面中部滑动配合；水平传动板208的下表面左部和下表面右部分别支撑固定于两个电控油缸202的活塞杆上端面；水平传动板208的左边缘中部和右边缘中部各开设有一个上下贯通的豁口，且每个豁口的两侧面均各开设有一个前后贯通的销孔；下铰座209的数目为两个；两个下铰座209分别固定于下水平托板205的上表面左部和上表面右部；上铰座210的数目为两个；两个上铰座210分别固定于上水平托板207的下表面左部和下表面右部；主动连杆211的数目为两根；两根主动连杆211的首端各开设有一个前后贯通的销孔，且两个销孔内各通过轴承穿设有一根销轴；两根销轴分别通过轴承转动支撑于水平传动板208上的两个豁口内；两根主动连杆211的尾端各开设有一个上下贯通的豁口，且每个豁口的两侧面均各开设有一个前后贯通的销孔；下从动连杆212的数目为两根；两根下从动连杆212的首端分别通过轴承铰接于两个下铰座209上；两根下从动连杆212的尾端各开设有一个左右贯通的豁口，且每个豁口的两侧面均各开设有一个前后贯通的销孔；上从动连杆213的数目为两根；两根上从动连杆213的首端分别通过轴承铰接于两个上铰座210上；两根上从动连杆213的尾端各开设有一个左右贯通的豁口，且每个豁口的两侧面均各开设有一个前后贯通的销孔；传动三角块214的数目为两个；每个传动三角块214的三角均各开设有一个前后贯通的销孔，且每个销孔内均通过轴承穿设有一根销轴；六根销轴一一对应地通过轴承转动支撑于两根主动连杆211尾端的豁口、两根下从动连杆212尾端的豁口、两根上从动连杆213尾端的豁口内；圆形座板215的下端面与上水平托板207的上表面中央固定；圆形座板215的下端面中央开设有一个圆形凹孔；圆形座板215的下端面边缘开设有四个圆形凹孔，且四个圆形凹孔围绕圆形座板215的轴线等距排列；圆形座板215的上端面中央开设有定位凹孔；圆形座板215的边缘开设有两个上下贯通且相互对称的半圆形豁口；限位圆柱块216的数目为两个；两个限位圆柱块216均垂直固定于上水平托板207的上表面，且两个限位圆柱块216分别嵌装于两个半圆形豁口内；圆形压板217的上端面与水平顶板103的下表面中央固定；圆形压板217的中央开设有上下贯通且上细下粗的台阶孔；圆形压板217的上端面边缘开设有四个圆形凹孔，且四个圆形凹孔围绕圆形压板217的轴线等距排列；下应变片式压力传感器218的数目为五个；五个下应变片式压力传感器218一一对应地嵌装于圆形座板215上的五个圆形凹孔内；上应变片式压力传感器219的数目为四个；四个上应变片式压力传感器219一一对应地嵌装于圆形压板217上的四个圆形凹孔内；电动扭矩扳手220固定于水平顶板103的上表面，且电动扭矩扳手220的输出轴贯穿水平顶板103上的中心孔和圆形压板217上的台阶孔的细孔；

所述控制部分包括数据采集卡、计算机、第一PLC、第二PLC、第三PLC；

数据采集卡的信号输入端分别与五个下应变片式压力传感器218的信号输出端、四个上应变片式压力传感器219的信号输出端连接；数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端连接；计算机的信号输出端分别与第一PLC的信号输入端、第二PLC的信号输入端、第三PLC的信号输入端连接；第一PLC的信号输出端与电控液压升降台201的信号输入端连接；第二PLC的信号输出端分别与两个电控油缸202的信号输入端连接；第三PLC的信号输出端与电动扭矩扳手220的信号输入端连接。

基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加方法（该方法是基于本发明所述的基于动态补偿的大功率超声换能器预应力施加装置实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

步骤a：利用两个夹紧模具块301将大功率超声换能器包夹起来，并保证大功率超声换能器的后盖板302的上端面超出两个夹紧模具块301的上端面；然后，将两个夹紧模具块301和大功率超声换能器一并放置于圆形座板215与圆形压板217之间，并保证大功率超声换能器的变幅杆304的下端插入圆形座板215上的定位凹孔内；然后，计算机向第一PLC发出控制指令，第一PLC根据控制指令控制电控液压升降台201的台面上升；在电控液压升降台201的台面带动下，两个电控油缸202、两组支柱203、两个法兰204、下水平托板205、四根导向杆206、上水平托板207、水平传动板208、两个下铰座209、两个上铰座210、两根主动连杆211、两根下从动连杆212、两根上从动连杆213、两个传动三角块214、圆形座板215、两个限位圆柱块216、两个夹紧模具块301、大功率超声换能器一并上升，直至大功率超声换能器的后盖板302的上端面接触圆形压板217上的台阶孔的细孔和粗孔之间的连接面；此时，大功率超声换能器的内六角预应力螺栓303插入圆形压板217上的台阶孔的细孔内，电动扭矩扳手220的输出轴插入大功率超声换能器的内六角预应力螺栓303的沉孔内，由此完成大功率超声换能器的预装配；

步骤b：计算机向第二PLC发出控制指令，第二PLC根据控制指令控制两个电控油缸202的活塞杆向上顶推水平传动板208，直至两根下从动连杆212和两根上从动连杆213均呈竖直状态；在顶推力的作用下，圆形座板215和圆形压板217共同对大功率超声换能器进行压紧，由此完成压紧力的施加；在此过程中，五个下应变片式压力传感器218和四个上应变片式压力传感器219实时采集压力信号，并将压力信号通过数据采集卡实时发送至计算机，计算机根据压力信号实时检测圆形座板215和圆形压板217的平面度；

步骤c：计算机向第三PLC发出控制指令，第三PLC根据控制指令控制电动扭矩扳手220的输出轴正向转动，电动扭矩扳手220的输出轴开始正向旋拧大功率超声换能器的内六角预应力螺栓303，由此进行预应力的施加；在此过程中，五个下应变片式压力传感器218和四个上应变片式压力传感器219实时采集压力信号，并将压力信号通过数据采集卡实时发送至计算机；当压力信号达到预设值时，计算机向第三PLC发出控制指令，第三PLC根据控制指令控制电动扭矩扳手220停止工作，由此完成预应力的施加；

步骤d：计算机向第一PLC和第二PLC发出控制指令，第一PLC根据控制指令控制电控液压升降台201的台面下降，第二PLC根据控制指令控制两个电控油缸202的活塞杆向下运动，由此撤去压紧力；然后，利用阻抗仪对大功率超声换能器进行机电性能测试，并将测试结果发送至计算机；计算机根据测试结果判断大功率超声换能器的参数与超声电源的参数是否匹配；若不匹配，则计算机根据测试结果得出大功率超声换能器的预应力补偿量，并根据预应力补偿量生成控制指令，然后将控制指令发送至第一PLC、第二PLC、第三PLC；然后，第一PLC根据控制指令控制电控液压升降台201的台面上升，由此再次完成大功率超声换能器的预装配；然后，第二PLC根据控制指令控制两个电控油缸202的活塞杆向上顶推水平传动板208，由此再次完成压紧力的施加；然后，第三PLC根据控制指令控制电动扭矩扳手220的输出轴正向或反向转动，电动扭矩扳手220的输出轴开始正向或反向旋拧大功率超声换能器的内六角预应力螺栓303，由此对大功率超声换能器的预应力进行调节，直至大功率超声换能器的参数与超声电源的参数匹配。

具体实施时，两个限位圆柱块216的中央各贯通开设有一个上下贯通的下圆形光孔；上水平托板207的上表面开设有两个下螺纹凹孔；两个下螺纹凹孔分别与两个下圆形光孔正对，且两个下螺纹凹孔和两个下圆形光孔内共同穿设有两根下紧固螺栓；圆形压板217的边缘开设有四个上下贯通的上圆形光孔，且四个上圆形光孔围绕圆形压板217的轴线等距排列；水平顶板103的下表面开设有四个上螺纹凹孔；四个上螺纹凹孔分别与四个上圆形光孔正对，且四个上螺纹凹孔和四个上圆形光孔内共同穿设有四根上紧固螺栓。所述轴承为深沟球轴承。