超声变幅杆数字化设计系统开发

　　近年来超声振动技术已广泛应用于航空、航海、国防、生物医学、电子仪器等领域。超声振动系统主要由换能器、变幅杆、工具等组成，其原理是将由超声波发生器输出的高频电信号转变为机械振动能，并通过变幅杆使工具端面做小振幅的高频振动，以完成相应的功能。其中，超声变幅杆是该系统中一个重要的组成部分，它主要有聚能和有效地向负载传递能量两个作用[1]。变幅杆的设计对整个超声振动系统具有重要影响。传统的设计方法存在很多缺陷，如设计理论复杂、效率低、精度差等。为提高变幅杆设计的效率，避免烦琐的理论计算，作者以Visual Basic为开发工具，以SolidWorks为平台，对变幅杆的数字化设计方法进行了探索，希望能对广大设计者提供一定的借鉴作用。

　　1 变幅杆设计的理论基础

　　在研究变幅杆振动时可以将其看作弹性体，假设变幅杆为由均匀、各向同性材料所构成的变截面杆，不计机械损耗，并设平面纵波沿杆轴向传播，则根据牛顿定律可以确定变截面杆纵向振动的波动方程[2]:

　　式中: S为杆的横截面积，S=S(x); ξ为质点位移函数，ξ= ξ(x); K为圆波数， c为纵波在杆中的传播速度，;ρ为密度;为应力函数; E为弹性模量。

　　任意形状函数的单级变幅杆都可等效为一机械四端网络[3-4]，如图1所示。

　　输入端、输出端参数关系可表示为:

　　其中: F1、F0和 ξ·1、ξ·0分别为单级变幅杆输入端、输出端的力及振动速度。

　　对于复合变幅杆，可看成由n个单级杆串联而成，第i级杆的四端网络同样可写成如下表达式

　　按照复合杆组合顺序将各传输矩阵相乘可得到任意级杆输出端的力Fn和振速ξ·n:

　　2 系统结构及设计流程

　　该系统主要包括两大部分:基于实例推理(CBR)的设计系统和基于计算的再设计系统。系统工作流程是: 首先基于CBR的变幅杆设计系统，根据设计目标对已有实例库进行检索，得到满足条件的相似实例，然后基于相似度规则对相似实例进行相似度判断，得到最相似实例，通过对最相似实例进一步修改，得到满足要求的最终结果; 如未检索到相似实例，则转入变幅杆再设计系统进行设计。当然，也可不经过CBR系统而直接通过变幅杆设计系统进行设计。系统总体结构及流程如图2所示。

　　3 数据库管理系统

　　该数据库管理系统，分为设计规则库、产品实例库和相似度评价库三部分。将从外界获取的变幅杆设计公式、设计规则归入设计规则库; 产品参数、模型及特征归入产品实例库。实例相似度的判断由相似规则库中制定的相似性原则来衡量。考虑到数据库的调整及维护，该数据系统充分考虑了日后的扩充和升级功能，可方便实现规则及数据的录入、查询、修改及增删等功能。用户可根据实际情况，将自己的设计知识及经验扩充到数据库中，以进一步提高设计的科学性。