基于有限元的超声聚焦悬浮振子设计研究.pdfVIP

2014年(第43卷)第 8期 工 业 科 技 基于有限元的超声聚焦悬浮振子设计研究木 殷国平，王广勋，殷 振，吴路路 (苏州科技学院机械工程学院，江苏 苏州 215009) 摘 要：针对精密硅晶片在传统夹持与运送过程中存在的问题 ，提出了基于超声聚焦悬浮的非接触夹持方式。利用纵弯复 合振动原理及 自聚焦原理设计 了纵弯复合超声聚焦悬浮振子，基于有限元分析方法对其进行了结构动力学仿真分析，并对 超声聚焦悬浮振子样机进行了阻抗和振动测试实验研究，为实现硅晶片的非接触超声聚焦悬浮操纵和安全运送奠定了研 究基础 。 关键词：硅品片；超声振动 ；聚焦悬浮；非接触 在精密和超精密加工领域，对精密硅片表面粗糙 动模式转换l5l。 度与洁净度提出了严格的要求，传统的夹持与运输方 式对精密硅片表面存在着污染及划伤等问题。非接触 悬浮夹持方式可以避免与硅晶片的直接接触，能够有 效避免传统运送方式存在的不足ll_2l。 非接触超声悬浮是利用超声悬浮装置在高强度超 声声场中形成的超声辐射压力，使之与精密硅片的重力 相平衡，从而使精密硅片稳定悬浮在超声声场中131，进而 对其进行非接触超声悬浮操纵和安全运送 ，避免了硅 片与夹持器具的直接接触，同时非接触超声悬浮系统 对被悬浮物体没有材质上的特殊要求，原理上可以悬 浮任何材质的物体，并且不产生附加效应，因此在各种 悬浮技术中倍受青睐 。 图 1超声聚焦悬浮系统 1、联接螺钉 2、后盖板 3、陶瓷片 1 超声聚焦悬浮系统结构 4、电极片 5、前盖板 6、聚焦球壳 如图l所示，超声聚焦悬浮系统由超声换能器和 2 超声聚焦悬浮系统结构有限元分析研究 聚焦球壳两部分组成，聚焦球壳的前端粘接有耦合材 料泡沫塑料，有利于超声振动声能从聚焦球壳到空气 基于有限元分析方法 ，对装配后的超声换能器和 中的传播，提高超声能量聚焦能力。根据超声振动系统 聚焦球壳样机进行整体结构动力学分析，超声换能器 的后盖板和联接螺钉采用 45钢 ，压 电陶瓷片采用 整体谐振原理，先对超声换能器和聚焦超声球壳进行 分别设计，使得超声换能器的纵振频率与聚焦球壳的 PZT8，前盖板和焦球壳为硬铝 LY一12，根据原定压电超 声换能器的结构参数，分别以聚焦球壳的厚度 、开 口半 弯曲振动频率一致，然后将二者装配到一起后进行整 径、曲率半径三变量为影响因素，研究其对球壳弯曲振 体修正进而得到超声聚焦悬浮系统。当超声换能器产 动的影响规律。 生的纵向振动传递给聚焦球壳后 ，转换为聚焦球壳的 弯曲振动，即实现了超声聚焦悬浮系统的纵弯复合振 图2所示为聚焦球壳结构简图，利用有限元分析 软件 ANSYS对超声聚焦悬浮振子进行建模分析，保持 项 目基金 ：大学生实践创新训练计划项 目(201310332045Y)；江苏省普通高校 自然科学研究资助项 目(12KJB460010)。 作者简介 ：殷 国平 (1989一)，男 ，汉族 ，江苏句容人 ，大学本科 ，实验师，主要研究方 向：压电致动器和压电器件研究。 29