摘 要 這片論文主要是圍繞超聲波清洗機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)分析、吊運(yùn)機(jī)械手部分的設(shè)計(jì)及電氣部分的設(shè)計(jì)。通過這篇論文可以很清楚的了解到超聲波清洗機(jī)的設(shè)計(jì)過程以及達(dá)到的清洗效果。第 1章“緒論”中主要介紹了本設(shè)計(jì)的一些內(nèi)容，包括課題的來源，意義。第二章“超聲波清洗”則是詳細(xì)闡述了超聲波清洗的原理、影響因素、特點(diǎn)及其在國(guó)內(nèi)的發(fā)展 。第三章“超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”中是介紹了清洗機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)設(shè)計(jì)、前后腳架、腳輪等一些零部件的設(shè)計(jì)選擇。第四章超聲波清洗機(jī)結(jié)構(gòu)校核主要介紹了機(jī)架強(qiáng)度校核。 關(guān)鍵詞： 超聲波清洗； 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；強(qiáng)度校核；電氣元件 II Abstract This paper mainly principle and structure analysis, the ultrasonic cleaning machine lifting design and part of the electrical part of manipulator. Through this paper can design process is very clear understanding to the ultrasonic cleaning machine and cleaning effect achieved. The first chapter is Introduction mainly introduces some contents of this design, including the source of the subject, significance. The second chapter cleaning is the principle, influence factors, the characteristics of ultrasonic cleaning and its development in china. The third chapter structure design ultrasonic cleaning machine is introduced the overall structure of cleaning machine, choose the design of transmission design, before and after the tripod, casters and some other parts of the. The fourth chapter of ultrasonic cleaning machine structure checking mainly introduces the frame strength check Key word: ultrasonic-cleaning； designing configuration； intension checking； Electrical element 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 目 錄 . III 1 緒論 . 1 1.1 課題的來源及其意義 . 1 2 超聲波清洗 . 3 2.1 超聲波清洗 . 3 3 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 10 3.1 清洗機(jī)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)想 . 10 3.2 傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) . 11 3.3 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 13 3.4 槽體部分設(shè)計(jì) . 13 3.5 其它一些部件的實(shí)體建模 . 15 3.6 氣動(dòng)系統(tǒng)工作原理 . 16 3.7 此設(shè)計(jì)的幾大優(yōu)點(diǎn) . 17 4 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)校核計(jì)算 . 18 4.1 清洗機(jī)主體結(jié)構(gòu)概述 . 18 4.2 機(jī)架強(qiáng)度校核 . 18 4.3 氣動(dòng)部分的計(jì)算 . 20 4.4 后法蘭氣缸連接螺栓校核 . 22 4.5 氣缸其他部件 . 23 4.6 生產(chǎn)本設(shè)備過程中需注意的問題 . 25 4.7 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的故障原因與對(duì)策 . 25 5 超聲波清洗機(jī)的槽體介紹 . 26 5.1 聯(lián)軸器選用 . 26 5.2 電動(dòng)機(jī)選用 . 26 5.3 水泵的選用 . 27 5.4 過濾器的選用 . 27 6 總結(jié) . 29 致謝 . 30 參考文獻(xiàn) . 31 超聲清洗機(jī)吊運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 課題的來源及其意義 1.1.1 課題的來源 本課題由生 產(chǎn)廠家提出，能達(dá)到實(shí)際加工要求。超聲清洗機(jī)吊運(yùn)裝置是用于物料輸送的專用設(shè)備，設(shè)備的傳動(dòng)將由機(jī)械系統(tǒng)完成，電氣控制由 PLC 完成。本課題既能達(dá)到鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)能力，且為機(jī)電綜合的設(shè)計(jì)水平，特別是機(jī)械及電控的設(shè)計(jì)制造。又能熟悉如何從圖紙到實(shí)際工作完成的整個(gè)過程，并經(jīng)實(shí)際的動(dòng)手完成真正能正常工作的設(shè)備。 1.1.2 課題的意義 工業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)過程中涉及到的超聲波清洗機(jī)清洗都屬于工業(yè)清洗的范疇：食品工業(yè)、紡織工業(yè)、造紙工業(yè)、印刷工業(yè)、石油加工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、電力工業(yè)、金屬加工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、汽車制造、儀器儀表、電子工業(yè) 、郵電通訊、家用電器、醫(yī)療儀器、光學(xué)產(chǎn)品、軍事裝備、航空航天、原子能工業(yè)等都大量應(yīng)用到超聲波清洗機(jī)清洗技術(shù)。 一般工業(yè) 超聲波清洗機(jī) 清洗包括車輛、輪船、飛機(jī)表面的清洗，一般只能去掉比較粗大的污垢；精密工業(yè)超聲波清洗機(jī)清洗包括各種產(chǎn)品加工生產(chǎn)過程中的清洗，各種材料及設(shè)備表面的清洗等，以能夠去除微小的污垢粒子為特點(diǎn)；超精密超聲波清洗機(jī)清洗包括精密工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)機(jī)械零件、電子元件，光學(xué)部件等的超精密清洗，以清除極微小污垢顆粒為目的。根據(jù)超 聲波清洗機(jī)清洗方法的不同，也可以分為物理超聲波清洗機(jī)清洗和化學(xué)超聲波清洗機(jī)清洗。利用力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)的原理，依靠外來能量的作用，如機(jī)械摩擦、超聲波、負(fù)壓、高壓沖擊、紫外線、蒸汽等去除物體表面污垢的方法叫物理清洗；依靠化學(xué)反應(yīng)的作用，利用化學(xué)藥品或其它溶劑清除物體表面污垢的方法叫化學(xué)清洗，如用各種無機(jī)或有機(jī)酸去除物體表面的銹跡、水垢，用氧化劑去除物體表面的色斑，用殺菌劑、消毒劑殺滅微生物并去除霉斑等。物理清洗和化學(xué)清洗都存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，又具有很好的互補(bǔ)性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常都是把兩者結(jié)合起 來使用，以獲得更好的超聲波清洗機(jī)清洗效果。 根據(jù)超聲波清洗機(jī)清洗媒介的不同，又可以分為濕式清洗和干式清洗。一般將在液體介質(zhì)中進(jìn)行的清洗稱為濕式超聲波清洗機(jī)清洗，在氣體介質(zhì)中進(jìn)行的清洗稱為干式超聲波清洗機(jī)清洗。傳統(tǒng)的清洗方式大多為濕式清洗，而人們比較容易理解的干式清洗也就是吸塵器。但近年來，干式清洗發(fā)展迅速如激光清洗、紫外線清洗、等離子清洗、干冰清洗等，在高、精、尖工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域得到快速發(fā)展。近年來，新技術(shù)也不斷地被應(yīng)用于清洗技術(shù)之中，如隨著生物技術(shù)的發(fā)展，越來越多的酶和微生物在超聲波清洗機(jī)清洗技術(shù)中被使用， 這利用的是生物化學(xué)反應(yīng)，在空氣凈化和水處理過程中，活性炭的使用也越來越普及，這利用的是吸附作用。另外，還有電解清洗等。因此將清洗簡(jiǎn)單地分為幾類。已經(jīng)不能完全涵蓋當(dāng)前清超聲波清洗機(jī)洗技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)狀況工業(yè) 超聲波清洗機(jī) 清洗與各種工業(yè)活動(dòng)密切相關(guān)，有的是產(chǎn)品生產(chǎn)工藝的一個(gè)組成部分。清洗不提供最終的產(chǎn)品，而是許多工業(yè)生產(chǎn)過程中的一個(gè)局部工序、工藝或輔助活動(dòng)。在一些傳統(tǒng)工業(yè)中，清洗已經(jīng)被 人們看作是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程或常識(shí)，往往不 被人們重視，但清洗的好壞卻決定最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。特別是在當(dāng)今的高科技產(chǎn)業(yè)中，超聲波清洗機(jī)清洗技術(shù)的作用尤為突出。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 新型的超聲波清洗機(jī)清洗技術(shù)和設(shè)備逐步得到開發(fā)和應(yīng)用，如真空清洗，等離子清洗、紫外臭氫清洗，激光清洗。干冰清洗等嶄露頭角，展示了良好的效果和應(yīng)用前景。 超聲清洗機(jī)吊運(yùn)機(jī) 械手設(shè)計(jì) 3 2 超聲波清洗 2.1 超聲波清洗 2.1.1 超聲波簡(jiǎn)介 超聲波是頻率在人耳聽覺范圍上限（ 16KHz-20KHz）以上的聲波，超聲波因其頻率高，方向性強(qiáng)，穿透本領(lǐng)大 ，尤其是在液體中能產(chǎn)生空化現(xiàn)象等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用到許多領(lǐng)域。超聲波應(yīng)用技術(shù)很多，主要分為檢測(cè)超聲，醫(yī)學(xué)超聲，功率超聲及高頻超聲等，超聲波清洗技術(shù)是功率超聲應(yīng)用最廣泛的一種。超聲波清洗技術(shù)有時(shí)被稱為“無刷清洗”，把工件放入超聲清洗機(jī)中，無需任何刷，搓，滾動(dòng)等清洗動(dòng)作，污物“自動(dòng)”從工件表面脫落，一會(huì)兒就干凈如新，看起來非常神奇。 2.1.2 超聲波清洗的原理 超聲波清洗的原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號(hào)，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)，清洗溶劑中超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流 動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡（空化核）在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓力，破壞不溶性污物而使它們分散于清洗液中，當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達(dá)到清洗件表面凈化的目的。 超聲波的兩個(gè)主要參數(shù)： 頻率 20KHz 33KHz 功率密度 =發(fā)射功率 (W)/發(fā)射面積 (CM2) 2.1.3 影響超聲波清洗效果的因素及選擇 超聲清洗的主要機(jī)理是超聲空化作用超聲空 化的強(qiáng)弱與聲學(xué)參數(shù)、清洗液的物理化學(xué)性質(zhì)及環(huán)境條件有關(guān)，所以要得到良好的清洗效果 必須選擇適當(dāng)?shù)穆晫W(xué)參數(shù)和清洗液。 （ 1）聲強(qiáng)或聲壓的選擇 在清洗液中只有交變聲壓幅值超過液體的靜壓力時(shí)才會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓。而負(fù)壓要超過液體的強(qiáng)度才能產(chǎn)生空化。使液體產(chǎn)生空化的最低聲強(qiáng)或聲壓幅值稱為空化閾。各種液體具有不同的空化閾值，在超聲清洗槽中的聲強(qiáng)要高于空化閾值才能產(chǎn)生超聲空化。對(duì)于一般液體，空化閾值約為每平方厘米 1 3瓦 (聲壓的千方正比于聲強(qiáng) )。聲強(qiáng)增加時(shí)，空化泡的最大半徑與起始半徑的比值增大，空化強(qiáng)度增大，即聲強(qiáng)愈高， 空化愈強(qiáng)烈。有利于清洗作用。但不是聲功率越大越好，聲強(qiáng)過高，會(huì)產(chǎn)生大量無用的氣泡，增加散射衰減，形成聲屏障，同時(shí)聲強(qiáng)增大也會(huì)增加非線性衰減，這樣都會(huì)削弱遠(yuǎn)離聲源地方的清洗效果。對(duì)于一些難清洗干凈的污物，例如金屬表面的氧化物，化纖噴絲板孔中污物的清洗，則需要采用較高的聲強(qiáng)，此時(shí)被清洗面應(yīng)貼近聲源，這時(shí)大多不采用槽式清洗器，而用棒狀聚焦式換能器直接插入清洗液靠近清洗件的表面進(jìn)行清洗。 （ 2）頻率的選擇 超聲空化閾值和超聲波的頻率有密切關(guān)系。頻率越高，空化閾越高，換句話說，頻率越高，在液體中要產(chǎn)生空化所需要 的聲強(qiáng)或聲功率也越大；頻率低，空化容易產(chǎn)生，同時(shí)在低頻情況下，液體受到的壓縮和稀疏作用有更長(zhǎng)的時(shí)間間隔使氣泡在崩潰前能生長(zhǎng)到無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 較大的尺寸，增高空化強(qiáng)度，有利于清洗作用。目前超聲波清洗機(jī)的工作頻率根據(jù)清洗對(duì)象，大致分為三個(gè)頻段；低頻超聲清洗 (20-50KHz)， 高頻超聲清洗 (50200KHz)和兆赫超聲清洗 (700KHz一 1MHz以上 )。低頻超聲清洗適用于大部件表面或者污物和清洗件表面結(jié)合強(qiáng)度高的場(chǎng)合。頻率的低端，空化強(qiáng)度高。易腐蝕清洗件表面，不適宜清洗表面光潔度高的部件，而且空化噪聲大。 40KHz左右的 頻率，在相同聲強(qiáng)下，產(chǎn)生的空化泡數(shù)量比頻率為 20KHz時(shí)多，穿透力較強(qiáng)，宜清洗表面形狀復(fù)雜或有盲孔的工件，空化噪聲較小，但空化強(qiáng)度較低，適合清洗污物與被清洗件表面結(jié)合力較弱的場(chǎng)合。高頻超聲清洗適用于計(jì)算機(jī)、微電子元件的精細(xì)清洗，如磁盤、驅(qū)動(dòng)器、讀寫頭、液晶玻璃及平面顯示器、微組件和拋光金屬件等的清洗。這些清洗對(duì)象要求在清洗過程中不能受到空化腐蝕，要能洗掉微米級(jí)的污物。兆赫超聲清洗適用于集成電路芯片、硅片及簿膜等的清洗。能去除微米、亞微米級(jí)的污物而對(duì)清洗件沒有任何損傷，因?yàn)榇藭r(shí)不產(chǎn)生空化。其清洗機(jī)理主要是聲壓梯度，粒子速度和聲流的作用。特點(diǎn)是清洗方向性強(qiáng)，被清洗件一般置于與聲束平行的方向。 本臺(tái)清洗機(jī)所用的頻率即為 25KH在。 （ 3）清洗液的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)清洗效果的影響 清洗劑的選擇要從兩個(gè)方面來考慮：一方面要從污物的性質(zhì)來選擇化學(xué)作用效果好的清洗劑；另一方 面要選擇表面張力、蒸汽壓及粘度合適的清洗劑，因?yàn)檫@些特性與超聲空化強(qiáng)弱有關(guān)。液體的表面張力大則不容易產(chǎn)生空化，但是當(dāng)聲強(qiáng)超過空化閾值時(shí)，空化 泡崩潰釋放的能量也大，有利于清洗。高蒸汽壓的液體會(huì)降低空化強(qiáng)度，而液體的粘滯度大也不容易產(chǎn)生空化。因此蒸汽壓高 和粘度大的潔洗劑都不利于超聲清洗。此外，清洗液的溫度和靜壓力都對(duì)清洗效果有影響，清洗液溫度升高時(shí)?？栈嗽黾?，對(duì)空化的產(chǎn)生有利，但是溫度過高，氣泡中的蒸汽壓增大，空化強(qiáng)度會(huì)降低，所以溫度的選擇要同時(shí)考慮對(duì)空化強(qiáng)度的影響，也要考慮清洗液的化學(xué)清洗作用每一種液體都有空化活躍的溫度，水較適宜的溫度是 60C，此時(shí)空化最活躍。 清洗液的靜壓力大時(shí)，不容易產(chǎn)生空化，所以在密閉加壓容器中進(jìn)行超聲清洗或處理時(shí)效果較差。 （ 4）超聲波清洗的功率選擇 超聲波的功率密度是指單位面積的聲功率，它直接影響清洗效率。通常在 保證發(fā)生空化作用的情況下，功率密度越大，空化作用越強(qiáng)，清洗效果越好。水溶液在聲波強(qiáng)度為 0 3w cm2 時(shí)就能產(chǎn)生空化。但功率密度也不能過高，否則，會(huì)因空化作用太強(qiáng)致使制件表面發(fā)生空化腐蝕，甚至引起飽和使清洗無效。一般對(duì)油垢嚴(yán)重、幾何形狀復(fù)雜的制件或清洗液濃度較大的情況下，應(yīng)選較大的功率密度，反之小些。 （ 5）清洗液的溫度的選擇 溫度選擇要從兩方面考慮， 方面清洗液的溫度與空化作用有關(guān)，溫度升高有利于空化，因?yàn)榛瘜W(xué)溶劑的活動(dòng)能力是隨溫度增加而增加，且某些污物在一定的溫度以上才溶解得比較快。另一方面蒸汽 壓隨清洗液溫度增加也相應(yīng)增加，超過一定的溫度反而使空化作用降低。因此，必須將溫度控制 在最佳點(diǎn)附近。對(duì)于不同的溶劑最佳的清洗溫度也不同。對(duì)于水來講，當(dāng)水溫達(dá)到水沸點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生氣泡，會(huì)對(duì)聲波有阻抗，使清洗效果下降，清洗液的最佳點(diǎn)在 60 左右。本次設(shè)計(jì)的清洗機(jī)規(guī)定清洗液的溫度即為 60 。 超聲清洗機(jī)吊運(yùn)機(jī) 械手設(shè)計(jì) 5 （ 6）影響超聲清洗效果的其它因素 清洗液的流動(dòng)速度對(duì)超聲清洗效果也有很大影響。 最好是在清洗過程中液體靜止不流動(dòng)，這時(shí)泡的生長(zhǎng)和閉合運(yùn)動(dòng)能夠充分完成。如果清洗液的流速過快，則有些空化核會(huì)被流動(dòng)的液體帶走有些空化核則在沒有達(dá)到 生長(zhǎng)閉合運(yùn)動(dòng)整過程時(shí)就離開聲場(chǎng)，因而使總的空化強(qiáng)度降低。在實(shí)際清洗過程中有時(shí)為避免污物重新粘附在清洗件上，清洗液需要不斷流動(dòng)更新，此時(shí)應(yīng)注意清洗液的流動(dòng)速度不能過快，以免降低清洗效果。 被清洗件的聲學(xué)特性和在清洗槽中的排列對(duì)清洗效果也有較大的影響。吸聲大的清洗件，如橡膠，布料等清洗效果差，而對(duì)聲反射強(qiáng)的清洗件，如金屬件，玻璃制品的清洗效果好。清洗件面積小的一面應(yīng)朝聲源排放，排列要有一定的間距。清洗件不能直接放在清洗槽底部，尤其是較重的清洗件以免影槽底板的振動(dòng)，也避免清洗件擦傷底板而加速空化腐蝕。清洗件最好 是懸掛在槽中，或用金屬羅筐盛好懸掛。但須注意要用金屬絲做成，并盡可能用細(xì)絲做咸空格較大的筐，以減少聲的吸收和屏蔽。清洗液中氣體的含量對(duì)超聲波清洗效果也有影響。在清洗液中如果有殘存氣體 (非空化核 )會(huì)增加聲傳播損失，此外在空化泡運(yùn)動(dòng)過程中擴(kuò)散到泡中的氣體，在空化泡崩潰時(shí)會(huì)降低沖擊波強(qiáng)度而削弱清洗作用。因此有些超聲清洗設(shè)備具有除氣功能，在開機(jī)時(shí)先進(jìn)行低于空化閾值的功率水平作振動(dòng)，以脈沖或間歇方式振動(dòng)進(jìn)行除氣。然后功率加到正常清洗的功率水平進(jìn)行超聲清洗；有些超聲清洗設(shè)備附有抽氣裝置 （ 所謂真空脫氣 )，其目的同樣是減少 清洗液中的殘存氣體。 駐波的影響。清洗槽是有限空間，超聲波由聲源向液面?zhèn)鞑r(shí)。在液體和氣體的交界面會(huì)反射回來而形成駐波，駐波的特征是在液體空間的某些地方聲壓最小，而在另外一些地方聲壓最大，這樣會(huì)造成清洗不均勻的現(xiàn)象。要減少駐波的影響，有時(shí)清洗槽特意做成 不規(guī)則的形狀以避免駐波的形成，有時(shí)在超聲電源方面采取掃頻的工方式，使聲壓最小處不固定在一個(gè)地方而是不斷地移動(dòng)以達(dá)到較均勻的清洗。 超聲波清洗形式的影響。超聲波清洗形式是針對(duì)清洗對(duì)象來確定的。 槽內(nèi)清洗式 ： 它是將被清洗對(duì)象浸入盛有清洗液的超聲波清洗槽 內(nèi)，由超聲波換能器產(chǎn)生的超聲振動(dòng)傳至清洗液內(nèi)進(jìn)行清洗。適于中小型制件。 局部清洗式 ： 它有兩種方式，一種是將制件局部依次浸入清洗液中進(jìn)行清洗，直至全部洗遍。另一種是根據(jù)大型制件的形狀和局部清洗的部位要求，將超聲波換能器設(shè)計(jì)成特殊形狀的專用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗，適于外形尺寸及重量方而對(duì)清洗槽來說均較大的制件。 分槽清洗式 ： 就是采用幾種不同的清洗液分槽依次清洗，亦可與其它清洗方法配合清洗。如，先用加熱浸洗，再用超聲波清洗。此方法適于清潔度要求高的制件。 超聲波清洗的時(shí)間 超聲波清洗的 效果和質(zhì)量與清洗時(shí)間有關(guān)，時(shí)間太短達(dá)不到清洗的質(zhì)量要求，時(shí)間太長(zhǎng)不但效率低，同時(shí)還會(huì)發(fā)生 空化腐蝕影響制件的表面質(zhì)量。形狀復(fù)雜、污物嚴(yán)重的制件，清洗時(shí)間宜長(zhǎng) 些，反之短一些，具體清洗時(shí)間的確定須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)而定。 2.1.4 超聲波清洗的特點(diǎn) （ 1）超聲波清洗機(jī)理 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 超聲波清洗可達(dá)到比較理想的清洗效果，這點(diǎn)可從它的清洗機(jī)理來解釋。 超聲波的發(fā)源是從聲頻方面開始的。 超聲波清洗機(jī)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)超聲振動(dòng)的能源，它是由超聲波發(fā)生器和超聲波清洗器兩大部份組成。超聲波發(fā)生器是一個(gè)產(chǎn)生超聲頻電訊號(hào)的功率源，它供給清洗器中 的換能器工作時(shí)所必需的超聲頻電功率，換能器將這個(gè)超聲頻電功率轉(zhuǎn)換成超聲波能量，即將高頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，產(chǎn)生超聲振動(dòng)。清洗液在超聲振動(dòng)作用下出現(xiàn)稀疏、密集狀態(tài)，在密集狀態(tài)時(shí)液體受正壓力作用，在稀疏狀態(tài)時(shí)液體受拉力作用，即負(fù)壓力作用。清洗液在超聲振動(dòng)的作用下產(chǎn)生許多微氣泡，溶于液體中和附著在固體表面上。在稀疏狀態(tài)時(shí)氣泡增長(zhǎng)，并吸收液體中更多的氣泡，而當(dāng)密集狀態(tài)時(shí)氣泡縮小。在此過程中液體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度是與逐漸縮小的氣泡半徑成反比。當(dāng)液體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)在氣泡閉合時(shí)突然停止，集中在微小容積內(nèi)的動(dòng)能就要迅速釋放出來，就會(huì)從閉 合的氣泡中心向外傳播一個(gè)球形沖擊波，在這 點(diǎn)上的壓力就有數(shù)千個(gè)大氣壓，即發(fā)生空化作用?？栈饔玫拇螖?shù)與超聲波頻率相同，如超聲波頻率為 80KHz，則空化作用將以每秒鐘 2萬次的沖擊力轟擊物體表面。在這個(gè)壓力作用下，驅(qū)動(dòng)清洗液流入制件，足以使固體表面的污物被剝離，尤如 把強(qiáng)有力的刷子將制件上各處臟物沖刷出來，特別是手不可及的盲孔、溝槽處污物也被沖洗干凈，這就是空化的侵蝕作用。同時(shí)，空化作用使液 液相界面互相加速，互相分散和在氣泡附近產(chǎn)生高速的微沖流，使沾附在制件表面上的污物更易脫離掉，這分別是空化的乳化作用和攪 拌作用。 （ 2）超聲換能器 在早期，超聲換能器的材料主要采用石英。在 60年代，為了滿足功率大，機(jī)械強(qiáng)度高的要求，同時(shí)也為了適于做成幾十千赫頻率范圍的換能器，大量采用了金屬磁致伸縮材料，而到了如今，則利用 PZT壓電陶瓷片的夾心式超聲換能器。由于其效率較高，價(jià)格較低，來源豐富，已大量發(fā)展應(yīng)用，基本上取代了其他換能器而占主導(dǎo)地位。在電功率發(fā)生器方面，早期大都采用電子管型的電功率放大器，但是到了目前，已經(jīng)發(fā)展采用一般晶體管型的，場(chǎng)效應(yīng)管型的，可控硅型的等各種新型電路，從而使這類電發(fā)生器的效率更高，重量更輕，使 用更方便。但目前的情況是，盡管一臺(tái)電功率發(fā)生器可以做到幾千瓦的量級(jí)，但是單個(gè)超聲換能器的容量一般仍只限于幾十瓦到上百瓦的范圍，對(duì)大功率超聲清洗設(shè)備來說，只能由多個(gè)換能器聯(lián)合工作，有時(shí)很不方便，所以更大功率的超聲換能器的研究，發(fā)展，仍然是目前引起很多人重視的一個(gè)問題，對(duì)于超聲換能器和電功率發(fā)生器的這種發(fā)展情況來說，在其他一些超聲處理應(yīng)用項(xiàng)目中，例如，超聲焊接，超聲加工等等，似乎也經(jīng)歷著頗為雷同的過程。 超聲換能器結(jié)構(gòu)的選擇 在低超聲頻段 (20100KHz)，目前工業(yè)上絕大多數(shù)是采用單螺釘夾緊的夾心式壓電換能器 (復(fù)合換能器 )，結(jié)構(gòu)上的差別主要在于輻射體 (與不銹鋼板粘接的鋁塊 )的形狀，一種是錐體喇叭；另一種直棒形狀。如圖 2.1 和 2.2 所示。 超聲清洗機(jī)吊運(yùn)機(jī) 械手設(shè)計(jì) 7 圖 2.1 錐體喇叭形 圖 2.2 直棒形狀 較大的聲功率，而消耗在換能器上的電功率較少，因而換能器的發(fā)熱也低。當(dāng)輸入換能器的電功率相同時(shí)，由于喇叭輻射面的面積比棒狀換能器大，所以輻射面的聲強(qiáng)較低，與其粘結(jié)的不銹鋼板表面空化腐蝕小。清洗槽 (或浸入式換能器）的壽命延長(zhǎng)。所以在 一般情況下采用喇叭狀換能器較好，為進(jìn)一步提高聲輻射效率、展寬頻帶，采用半穿孔結(jié)構(gòu)的寬頻帶超聲清洗換能器，如圖 1-2 所示。這種換能器尤其在較高頻段（ 40KHz 以上），其優(yōu)點(diǎn)更為突出喇叭狀換能器的聲輻射效率比棒狀換能器高，即同樣的輸入電功率。在清洗槽中得到。因?yàn)樗梢韵魅鯔M向振動(dòng)所帶來的不良影響由于頻帶較寬，也有利于掃頻清洗。 圖 2.3 半穿孔結(jié)構(gòu)的寬頻帶超聲清洗換能器 換能器在清洗槽 中的分布及粘結(jié)問題 一般選用功率強(qiáng)度每平方厘米低于 1.5瓦為宜 (按粘有換能器的鋼板面積計(jì)算 )。如果清洗槽較深，除槽底粘有換能器外，在槽壁上也應(yīng)考慮粘結(jié)換能器。換能器與清洗槽的粘結(jié)質(zhì)量對(duì)超聲清洗機(jī)整機(jī)的質(zhì)量影響很大不但要粘牢，而且要求膠層均勻、不缺膠和不允許有裂縫，使超聲能量最大限度地向清洗液中傳輸，以提高整機(jī)效率和清洗效果。目前有些清洗設(shè)備為避免換能器從清洗槽上掉下來。采取螺釘加粘膠的固定方式，這種連接方式雖然換能器不會(huì)掉下來，但是存在許多隱患。如果螺釘焊接質(zhì)量差，例如不垂直于不銹鋼無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 板表面，則膠層不均勻， 甚至有裂痕或缺膠，能量傳輸會(huì)削弱；另一方面如果焊接不好也會(huì)影響不銹鋼表面的平整，導(dǎo)致加速空化腐蝕，縮短使用壽命判斷粘結(jié)質(zhì)量的方法之一，是在清洗槽裝水并開機(jī)工作一段時(shí)間后，測(cè)量換能器的溫升。如果在眾多的換能器中某個(gè)換能器溫升特別快，則表明該換能器可能粘結(jié)不好因?yàn)榇藭r(shí)聲輻射不好，電能量大部分消耗在換能器上而發(fā)熱。另一個(gè)方法是在小信號(hào)條件下逐個(gè)測(cè)量 換能器的電阻抗大小來判別粘結(jié)質(zhì)量。目前在超聲波清洗機(jī)的性能方面還存在一些模糊的認(rèn)識(shí)：認(rèn)為功率越大，換能器數(shù)目越多其性能越好，價(jià)值越高，甚至以此論價(jià)這種認(rèn)識(shí)是 不全面的如上述，換能器布得過密，功率密度過大，不但清洗效果不好，而且槽底易空化腐蝕。另一方面，目前超聲 波清洗機(jī)商品所標(biāo)的功率大多是電功率而不是聲功率，如果所標(biāo)是指消耗工頻功率，則超聲波清洗機(jī)質(zhì)量的優(yōu)劣應(yīng)該由效率來判斷。如果效率低，在同樣清洗效果時(shí)則耗電大，反而增加了用戶的費(fèi)用。超聲清洗機(jī)的效率包括兩部分一是超聲頻電源的效率即輸入換能器的 高頻電功率與消耗工頻電功率之百分比；另一部分是電聲轉(zhuǎn)換效率，即進(jìn)入清洗液中的聲功率與輸入換能器的電功率之百分比目前我國(guó)在工業(yè)生產(chǎn)中還沒有一種簡(jiǎn)便的方法和設(shè)備來測(cè)量 電聲轉(zhuǎn)換效率。各廠家所標(biāo)的超聲波清洗機(jī)的功率是含糊不清的，亟需有行業(yè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) 相比其他多種的清洗方式，超聲波清洗機(jī)顯示出了巨大的優(yōu)越性，尤其在專業(yè)化、集團(tuán)化的生產(chǎn)企業(yè)中，已逐漸用超聲波清洗機(jī)取代了傳統(tǒng)的浸洗、刷洗、壓力沖洗、振動(dòng)清洗和蒸氣清洗等工藝方法，超聲波清洗機(jī)的高效率和高清潔度，得益于其聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的穿透性和空化沖擊疚，所以很容易將帶有復(fù)雜外形，內(nèi)腔和細(xì)空的零部件清洗干凈，對(duì)一般的除油、防銹、磷化等工藝過程，在超聲波作用下只需兩三分鐘即可完成，其速度比傳統(tǒng)方法可提高幾倍，甚至幾十倍，清潔 度也能達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)，這在許多對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量和生產(chǎn)率要求較高的場(chǎng)合，更突出地顯示了用其它處理方法難以達(dá)到或不可取代的結(jié)果。 （ 3） 各種液相清洗方法的比較 目前，機(jī)械行業(yè)常見的液相清洗方法大致可分為：加熱進(jìn)入清洗，加壓噴淋清洗，毛刷清洗，超聲波清洗。 加熱進(jìn)入清洗，加壓噴淋清洗的清洗原理是利用液體在之間表面上的強(qiáng)制流動(dòng)沖走贓物的。而毛刷清洗則是通過毛刷制件表面揭揩擦玻璃贓物，液體帶走贓物來實(shí)現(xiàn)的。上述三種方法決可講經(jīng)各種加工下來的之間清晰的比較干凈，但對(duì)于制件表面粘附力很強(qiáng)的污垢，微顆粒，研磨膏等雜質(zhì)則很難完全 清洗干凈，對(duì)盲孔、窄溝槽、小孔處的污物清洗是困難的。而超聲波清洗對(duì)于上述問題有著很好的解決。 表 2-1各種清洗方法效果比較 清洗方法 清洗后剩余污物（ %） 超聲波清洗法 0.5-1 人工刷子清洗法 8 液體強(qiáng)迫流動(dòng)法 70 超聲清洗機(jī)吊運(yùn)機(jī) 械手設(shè)計(jì) 9 按清洗介質(zhì)分類，可分為水劑清洗和油劑清洗兩大類型，按清洗的方式分，可分為： 人工強(qiáng)制式：即將產(chǎn)品套入專用銷柱，用人手把持，然后使柱銷旋轉(zhuǎn)，達(dá)到清洗要求，或者將產(chǎn)品放入專用槽中，使槽 做上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行清洗。 機(jī)械強(qiáng)制式：即將產(chǎn)品套在專用鏈條上通過強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)，達(dá)到清洗的目的。 流動(dòng)旋轉(zhuǎn)式：即利用液體噴頭水柱沖向軸承一側(cè)，使其旋轉(zhuǎn)，然后再?zèng)_向另一側(cè)，進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，達(dá)到清洗目的。 對(duì)于以上幾種清洗方式，均存在一個(gè)共同的缺點(diǎn)：就是在清洗中，清洗零件由于受到強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)或受液體推動(dòng)的離心力的作用，產(chǎn)生相互的 “輾壓 ”作用，致使塵粒 “劃傷 ”零件的工作表面，降低產(chǎn)品壽命。 由上面的對(duì)比可 以看出，超聲波清洗的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他清洗，所以超聲波清洗已成為了清洗行業(yè)的必然。 歸納其優(yōu)點(diǎn)如下： 清洗效果好，清潔度高且全部工件清潔度一致。 清洗速度快，提高生產(chǎn)效率。 不須人手接觸清洗液，安全可靠。 對(duì)深孔、細(xì)縫和工件隱蔽處亦可清洗干凈。 節(jié)省溶劑、熱能、工作場(chǎng)地和人工等。 2.1.5 超聲波清洗技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展及現(xiàn)狀 利用超聲波清洗原理清洗制件，在國(guó)外五十年代初就開始了，近些年有了飛躍的發(fā)展?，F(xiàn)在，登月火箭箱需用超聲波清洗機(jī)清洗，名牌手表英鈉格的麥殼上專門注有“ULTRASONIC”的字樣，用以說明該廠的手表零件是經(jīng)過超聲波清洗處理后組裝的?？梢?，國(guó)外對(duì)超聲波清洗給予了高度的重視。 我國(guó)在六十年代就掌握了超聲波清洗技術(shù)，但直到七十年代末才引起各個(gè)行業(yè)的高度重視。目前，很多廠家都引進(jìn)了國(guó)外的超聲波清洗設(shè)備和技術(shù)，國(guó)內(nèi)已開始起步生產(chǎn)超聲波清洗機(jī)。 超聲波清洗在我國(guó)還是一門新興起的清洗工藝，應(yīng)用還不普遍，多數(shù)還限于小容量的格式清洗，適宜大批量、范圍廣、效率高的超聲波清洗機(jī)還不成熟。 從以上可以看出，我國(guó)已經(jīng)意識(shí)到了超聲波清洗的必要性，也已開始了相關(guān)研究。但是，就現(xiàn)況而言，不論是清 洗的流程還是清洗機(jī)的種類都相對(duì)貧乏。我們這次設(shè)計(jì)就是在原有的軌道式清洗機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以期提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)該行業(yè)的發(fā)展。 由于清洗對(duì)象品種較多，數(shù)量較少，清洗工藝多年來一直停留于手工作業(yè)。隨著工業(yè)向產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，手工作坊式的清洗方法從質(zhì)量到數(shù)量上都難于滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要，因此采用能用于批量生產(chǎn)的自動(dòng)化清洗機(jī)的問題就提到了議事日程。我們希望避開廣泛采用的節(jié)拍式自動(dòng)清洗機(jī)模式，制造一臺(tái)自動(dòng)化程度高、靈活性強(qiáng)、適用于清洗的自動(dòng)化去油清洗設(shè)備。該機(jī)的使用，使除去油污的清洗工藝從手工操作變?yōu)槌炭?、量化的作業(yè)， 穩(wěn)定了清洗工藝過程，提高了清洗質(zhì)量，同時(shí)這種技術(shù)也為多種程序能同時(shí)進(jìn)行作業(yè)的清洗模式適應(yīng)多品種小批量的科研提供一定的技術(shù)前提。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 3 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 清洗機(jī)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)想 清洗機(jī)主體一般由機(jī)架、清洗槽、上下料裝置、機(jī)械手部件、吹風(fēng)區(qū)等組成。 清洗機(jī)主體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)基本原則： （ 1） 盡可能滿足工藝要求，便于操作； （ 2） 具有合理的強(qiáng)度，剛度及運(yùn)動(dòng)部分的導(dǎo)向精度，實(shí)用可靠，不易發(fā)生故障。 （ 3） 具有良好的經(jīng)濟(jì)性，制造簡(jiǎn)單，維修方便。 其中，工藝要求是最主要的影響因素。由于在清洗機(jī)上進(jìn) 行的進(jìn)行工作的要求，清洗機(jī)槽所采用的材料應(yīng)該有良好的防銹性。其次清洗機(jī)工序較多，槽體較多，清洗機(jī)機(jī)體很長(zhǎng)。要求機(jī)架剛度要強(qiáng)。 我們這次設(shè)計(jì)的清洗機(jī)機(jī)架采用的是方形型鋼制造橫梁及立柱，主要支撐及安裝導(dǎo)軌和清洗槽。 整機(jī)的圖如下所示： 圖 3.1 超聲波清洗機(jī)總裝配圖 超聲清洗機(jī)吊運(yùn)機(jī) 械手設(shè)計(jì) 11 3.2 傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 3.2.1 方案選擇 （ 1）方案一：平移和升降的傳動(dòng)部分采用機(jī)械傳動(dòng)：平移用齒輪齒條傳動(dòng)，升降用鏈輪鏈條傳動(dòng) 優(yōu)點(diǎn)： 鏈輪傳動(dòng)沒有彈性滑動(dòng)和打滑，能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比； 需要的張緊力小，作用在軸上的壓力小，可減少軸承的摩擦損失 ； 工作可靠， 效率 高； 結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞 功率 大，過載能力強(qiáng)； 能在高溫，有油污等惡劣環(huán)境下工作； 制造和安裝精度較低，中心距較大時(shí)其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 缺點(diǎn)： 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)傳動(dòng)比不是常數(shù)，傳動(dòng)的平穩(wěn)性較差，有一定的沖擊和噪聲。 因此，鏈傳動(dòng)多用 在不宜采用帶傳動(dòng)與 齒輪傳動(dòng) ，而兩軸平行，且距離較遠(yuǎn)，功率較大，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確的場(chǎng)合。 （ 2）方案二：平移和升降的傳動(dòng)部分均采用氣壓傳動(dòng)。 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 以空氣為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便，與液壓傳動(dòng)相比不必設(shè)置回收的油箱和管道。 因空氣的粘度很?。?