RU2489698C1

RU2489698C1 - Piezoelectric vibrator

Info

Publication number: RU2489698C1
Application number: RU2012117442/28A
Authority: RU
Inventors: Фан Сагирович Сабиров; Олег Савельевич Кочетов; Михаил Павлович Козочкин; Андрей Николаевич Боган
Original assignee: Фан Сагирович Сабиров; Олег Савельевич Кочетов
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-08-10

Abstract

FIELD: test equipment.

SUBSTANCE: piezoelectric vibrator includes a housing, a piezoelectric element and an electric voltage supply system to the piezoelectric element. The latter is made in the form of a pack of piezoceramic rings resting upon the base, and to the inner surface of which there attached to each other in opposite direction are key elements entering the corresponding slots in a cylindrical mandrel having T-shape in front section. Symmetry axis of the mandrel is perpendicular to the base, and a disc rigidly attached to the mandrel and located in upper part of the mandrel perpendicular to its axis, contacts with its lower surface to upper piezoceramic ring of the piezoelectric element. On upper surface of the disc there installed are measuring piezoelectric elements contacting with a two-stage cylindrical disc, to the upper part of which there attached by means of a fastening element is a tip transmitting the change of linear size of a pack of piezoceramic rings to the machine part. Outer diameter of the disc is equal to outer diameter of the pack of piezoceramic rings, and the base represents a plate of rectangular shape with four slots to be attached to the investigated object, to the upper plane of which there attached is a connector through which electric voltage is supplied to the piezoelectric element and lower piezoceramic ring of which rests upon upper plane of the base, and lower plane of the mandrel is located with a gap in relation to upper plane of the base. Current-nonconducting housing made in the form of a cylindrical shell encloses the piezoelectric element; lower end face of the she rests on the ring rigidly attached to upper plane of the base, coaxially to the mandrel, and its upper end face is closed with a cover plate with a central hole for the tip. In lower part of the base there is a cavity, the axis of which is coaxial to the mandrel and to the hole made in upper deformed part of the base, to the plane of which, facing the cavity, there bonded are strain gauges controlling the value of static force. Inclined holes made in the base serve for routing of wires to strain gauges.

EFFECT: enlarging frequency range of vibration accelerations at application of the specified spectrum of vibration excitation; enlarging dynamic loading at contact vibration excitation of objects.

2 dwg

Description

Изобретение относятся к испытательной технике и может быть использовано для вибрационных испытаний различных изделий, включая комплексные испытания на металлорежущих станках в условиях одновременного воздействия широкополосной вибрации и интенсивных физических факторов различной природы (механической, электрической и тепловой).The invention relates to testing equipment and can be used for vibration testing of various products, including complex tests on metal cutting machines under conditions of simultaneous exposure to broadband vibration and intense physical factors of various nature (mechanical, electrical and thermal).

Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату является пьезоэлектрический вибратор по патенту РФ №2334966, который содержит корпус с пьезоэлементом, виброплатформу для установки испытуемого объекта, связанную с вибратором через элемент передачи колебаний, и средство центрирования виброплатформы относительно корпуса и вибратора. В вибратор дополнительно введен закрепленный в корпусе упругий элемент в виде диафрагмы, на которую установлен пьезоэлемент. Элемент передачи колебаний выполнен в виде стержня, соединенного с центральной частью диафрагмы, а средство центрирования виброплатформы выполнено в виде, по крайней мере, одной прорезной мембраны.The closest technical solution to the technical nature and the achieved result is a piezoelectric vibrator according to RF patent No. 2334966, which contains a body with a piezoelectric element, a vibration platform for installing the test object, connected to the vibrator through the vibration transmission element, and means for centering the vibration platform relative to the body and the vibrator. An elastic element in the form of a diaphragm, on which a piezoelectric element is mounted, is additionally introduced into the vibrator. The oscillation transmission element is made in the form of a rod connected to the central part of the diaphragm, and the vibro-platform centering means is made in the form of at least one slotted membrane.

Недостаток известного технического решения заключается в сравнительно узком частотном диапазоне виброускорений при динамическом нагружении и при контактном вибровозбуждении объектов станкостроения.A disadvantage of the known technical solution lies in the relatively narrow frequency range of vibration acceleration under dynamic loading and in contact vibration excitation of machine tool objects.

Технический результат заключается в расширении частотного диапазона виброускорений при приложении заданного спектра вибровозбуждения, а также в расширении динамического нагружения при контактном вибровозбуждении объектов станкостроения.The technical result consists in expanding the frequency range of vibration accelerations when a given spectrum of vibration excitation is applied, as well as in expanding the dynamic loading during contact vibration excitation of machine-tool building objects.

Это достигается тем, что в пьезоэлектрическом вибраторе, содержащем корпус, пьезоэлемент систему подвода электрического напряжения к пьезоэлементу, пьезоэлемент выполнен в виде пакета пьезокерамических колец, опирающихся на основание, и к внутренней поверхности которых оппозитно друг другу прикреплены шпоночные элементы, входящие в соответствующие пазы в цилиндрической оправке, имеющей во фронтальном сечении Т-образный профиль, при этом ось симметрии оправки перпендикулярна основанию, а диск, жестко соединенный с оправкой и расположенный в верхней части оправки, перпендикулярно ее оси, контактирует своей нижней поверхностью с верхним пьезокерамическим кольцом пьезоэлемента, а на верхней поверхности диска установлены измерительные пьезоэлементы, контактирующие с двухступенчатым цилиндрическим диском, к верхней части которого посредством крепежного элемента присоединен наконечник, передающий изменение линейного размера пакета пьезокерамических колец на деталь станка, при этом внешний диаметр диска равен внешнему диаметру пакета пьезокерамических колец, а основание представляет собой прямоугольной формы пластину с, по крайней мере, четырьмя пазами для крепления к исследуемому объекту, к верхней плоскости которой прикреплен разъем, через который подается электрическое напряжение на пьезоэлемент, и нижнее пьезокерамическое кольцо которого опирается на верхнюю плоскость основания, а нижняя плоскость оправки расположена с зазором по отношению к верхней плоскости основания, причем токонепроводящий корпус, выполненный в виде цилиндрической обечайки, охватывает пьезоэлемент, при этом нижний торец обечайки опирается на кольцо, жестко прикрепленное к верхней плоскости основания, соосно оправке, а верхний ее торец закрыт крышкой с центральным отверстием под наконечник, при этом в нижней части основания выполнена полость, ось которой соосна с оправкой и отверстием, выполненным в верхней деформируемой части основания, на плоскости которой, обращенной к полости, наклеены тензодатчики, контролирующие величину статического усилия, при этом наклонные отверстия, выполненные в основании, служат для прокладки проводов к тензодатчикам.This is achieved by the fact that in the piezoelectric vibrator containing the housing, the piezoelectric element is a system for supplying electric voltage to the piezoelectric element, the piezoelectric element is made in the form of a package of piezoceramic rings resting on the base, and to the inner surface of which are keyed opposite to each other, entering the corresponding grooves in the cylindrical a mandrel having a T-shaped profile in the frontal section, while the axis of symmetry of the mandrel is perpendicular to the base, and the disk is rigidly connected to the mandrel and located which is located in the upper part of the mandrel, perpendicular to its axis, contacts its lower surface with the upper piezoceramic ring of the piezoelectric element, and on the upper surface of the disk there are measuring piezoelectric elements in contact with a two-stage cylindrical disk, to the upper part of which is attached a tip transmitting a change in the linear size of the packet piezoceramic rings on the machine part, while the outer diameter of the disk is equal to the outer diameter of the package of piezoceramic rings, and The plate is a rectangular-shaped plate with at least four slots for attaching to the test object, to the upper plane of which a connector is attached, through which electrical voltage is supplied to the piezoelectric element, and whose lower piezoceramic ring rests on the upper plane of the base, and the lower plane of the mandrel is located with a gap with respect to the upper plane of the base, and a non-conductive housing made in the form of a cylindrical shell covers a piezoelectric element, while the lower The shell edge rests on a ring that is rigidly attached to the upper plane of the base, coaxially with the mandrel, and its upper end is closed by a lid with a central hole for the tip, while a cavity is made in the lower part of the base, the axis of which is coaxial with the mandrel and the hole made in the upper deformable part the base, on the plane of which, facing the cavity, the load cells are glued, which control the magnitude of the static force, while the inclined holes made in the base serve for laying wires to the load cells.

На фиг.1 показан общий вид пьезоэлектрического вибратора, в частности фронтальный разрез, а на фиг.2 - сечение, перпендикулярное оси симметрии пьезоэлектрического вибратора.Figure 1 shows a General view of the piezoelectric vibrator, in particular a frontal section, and figure 2 is a cross section perpendicular to the axis of symmetry of the piezoelectric vibrator.

Пьезоэлектрический вибратор (фиг.1 и 2) содержит пьезоэлемент, выполненный в виде пакета пьезокерамических колец 3, опирающихся на основание 1, и к внутренней поверхности которых оппозитно друг другу прикреплены шпоночные элементы 14, входящие в соответствующие пазы в цилиндрической оправке 4, имеющей во фронтальном сечении Т-образный профиль. Ось симметрии оправки 4 перпендикулярна основанию 1, при этом диск 10, жестко соединенный с оправкой 4 и расположенный в верхней части оправки 4, перпендикулярно ее оси, контактирует своей нижней поверхностью с верхним пьезокерамическим кольцом 3 пьезоэлемента, а на верхней поверхности диска 10 установлены измерительные пьезоэлементы 6, контактирующие с двухступенчатым цилиндрическим диском 11, к верхней части которого посредством крепежного элемента 13 присоединен наконечник 5, передающий изменение линейного размера пакета пьезокерамических колец 3 на деталь станка. При этом внешний диаметр диска 10 равен внешнему диаметру пакета пьезокерамических колец 3.The piezoelectric vibrator (Figs. 1 and 2) contains a piezoelectric element made in the form of a package of piezoceramic rings 3, supported on a base 1, and to the inner surface of which are opposed to each other key elements 14 included in the corresponding grooves in the cylindrical mandrel 4 having in the front cross section T-shaped profile. The axis of symmetry of the mandrel 4 is perpendicular to the base 1, while the disk 10, rigidly connected to the mandrel 4 and located in the upper part of the mandrel 4, perpendicular to its axis, contacts its lower surface with the upper piezoceramic ring 3 of the piezoelectric element, and measuring piezoelectric elements are installed on the upper surface of the disk 10 6 in contact with a two-stage cylindrical disk 11, to the upper part of which, by means of a fastening element 13, a tip 5 is connected, transmitting a change in the linear size of the piezoceramic package x rings 3 on a part of the machine. The outer diameter of the disk 10 is equal to the outer diameter of the package of piezoceramic rings 3.

Основание 1 представляет собой прямоугольной формы пластину с, по крайней мере, четырьмя пазами 18 для крепления к исследуемому объекту, к верхней плоскости которой прикреплен разъем 7, через который подается электрическое напряжение на пьезоэлемент, нижнее пьезокерамическое кольцо 3 которого опирается на верхнюю плоскость основания 1, а нижняя плоскость оправки 4 расположена с зазором по отношению к верхней плоскости основания 1.The base 1 is a rectangular-shaped plate with at least four grooves 18 for attachment to the test object, to the upper plane of which a connector 7 is attached, through which electrical voltage is supplied to the piezoelectric element, the lower piezoceramic ring 3 of which rests on the upper plane of the base 1, and the lower plane of the mandrel 4 is located with a gap with respect to the upper plane of the base 1.

Токонепроводящий корпус 2, выполненный в виде цилиндрической обечайки, охватывающей пьезоэлемент, защищает исследователя от высокого напряжения, подаваемого на пьезоэлемент, при этом нижний торец обечайки опирается на кольцо 19, жестко прикрепленное к верхней плоскости основания 1, соосно оправке 4, а верхний ее торец закрыт крышкой 12 с центральным отверстием под наконечник 5.The non-conductive housing 2, made in the form of a cylindrical shell covering the piezoelectric element, protects the researcher from high voltage supplied to the piezoelectric element, while the lower end of the shell rests on the ring 19, rigidly attached to the upper plane of the base 1, coaxially with the mandrel 4, and its upper end is closed lid 12 with a central hole for the tip 5.

В нижней части основания выполнена полость 17, ось которой соосна с оправкой 4 и отверстием 9, выполненным в верхней деформируемой части 16 основания, на плоскости которой, обращенной к полости 17, наклеены тензодатчики 8, контролирующие величину статического усилия. Наклонные отверстия 15, выполненные в основании 1, служат для прокладки проводов к тензодатчикам 8 от разъема 7.In the lower part of the base there is a cavity 17, the axis of which is coaxial with the mandrel 4 and the hole 9, made in the upper deformable part 16 of the base, on the plane of which facing the cavity 17, the load cells 8 are glued, which control the magnitude of the static force. Inclined holes 15, made in the base 1, are used for laying wires to the load cells 8 from the connector 7.

Пьезоэлектрический вибратор работает следующим образом.The piezoelectric vibrator operates as follows.

Переменное усилие создается пьезокерамическими кольцами 3, на которые подается электрическое напряжение через разъем 7. Из-за этого напряжения изменяется толщина пьезоэлемента. Изменение линейного размера столбика пьезоэлементов через оправку 4, измерительные пьезоэлементы 6, наконечник 5 передается на деталь станка, на которое требуется подать силовое воздействие. Величина статического усилия контролируется с помощью тензодатчиков 8, наклеенных на деформирующуюся часть основания 1. Токонепроводящий корпус 2 защищает исследователя от высокого напряжения, подаваемого на пьезоэлементы.An alternating force is created by piezoceramic rings 3, to which an electric voltage is supplied through connector 7. Because of this voltage, the thickness of the piezoelectric element changes. Changing the linear size of the column of piezoelectric elements through the mandrel 4, the measuring piezoelectric elements 6, the tip 5 is transmitted to the part of the machine, which you want to apply force. The magnitude of the static force is controlled using strain gauges 8 glued to the deformable part of the base 1. The non-conductive housing 2 protects the researcher from high voltage applied to the piezoelectric elements.

Claims

A piezoelectric vibrator comprising a housing, a piezoelectric element and a system for supplying electric voltage to the piezoelectric element. characterized in that the piezoelectric element is made in the form of a package of piezoceramic rings resting on the base, and to the inner surface of which are opposed to each other key elements included in the corresponding grooves in a cylindrical mandrel having a T-shaped profile in the front section, while the axis of symmetry of the mandrel perpendicular to the base, and the disk, rigidly connected to the mandrel and located in the upper part of the mandrel, perpendicular to its axis, contacts its lower surface with the upper piezoceramic ring ohm of the piezoelectric element, and on the upper surface of the disk there are measuring piezoelectric elements in contact with a two-stage cylindrical disk, to the upper part of which a tip is attached by means of a fastening element, which transfers the change in the linear size of the package of piezoceramic rings to the machine part, while the outer diameter of the disk is equal to the external diameter of the package of piezoceramic rings , and the base is a rectangular-shaped plate with at least four grooves for attachment to the test object, to the upper plane of which a connector is attached, through which electric voltage is supplied to the piezoelectric element, and the lower piezoelectric ceramic ring of which is supported by the upper plane of the base, and the lower plane of the mandrel is located with a gap with respect to the upper plane of the base, and the non-conductive casing made in the form of a cylindrical shell covers the piezoelectric element, while the lower end of the shell rests on a ring rigidly attached to the upper plane of the base, coaxially with the mandrel, and its upper end is closed to an arm with a central hole for the tip, while in the lower part of the base there is a cavity, the axis of which is coaxial with the mandrel and the hole made in the upper deformable part of the base, on the plane of which, facing the cavity, strain gauges are glued that control the amount of static force, while inclined holes made in the base serve for laying wires to strain gauges.