功率超声加工中超声波发生器频率自动跟踪

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    随着科学技术的飞速发展,超声加工技术在航空航天、电子、仪器、仪表、精密机械尤其是各种硬脆性材料及复合材料加工等方面的广泛应用,超声加工的相关技术问题也不断提出.在超声加工中,超声振动系统设计的好坏直接影响到超声加工能否稳定顺利地进行;而在实际应用中,超声振动系统是一个频带很窄的谐振系统,振动系统和信号源的频率漂移比其谐振频带要宽的多.目前,超声加工系统中所采用的锁相频率自动跟踪控制,频率跟踪范围窄,不能实时跟踪系统频率,导致振动系统失谐,工具端面的振幅减小,系统降低甚至丧失超声加工的能力.为此,需研制能实时自动跟踪频率的振动系统,本文提出的PC机和单片机组成的频率跟踪系统能实现超声加工振动系统总是工作在最佳的谐振状态.

    1　功率超声波发生器的频率自动跟踪方案

    1.1　超声波发生器的基本知识

    超声波发生器是实现功率超声振动的振动源,它的作用是将50 Hz的交流电转换为超声频电能来激励超声换能器,常用发生器频率在(15～40) kHz之间[1].图1是超声波发生器原理框图.

    在超声加工系统中,为了获得最大的振幅以提高加工效率,工作过程就应调整超声波发生器的频率,使其与换能器振动系统的谐振频率相等,从而保证系统在最大的振幅下工作.频率自动跟踪的目的[2,3]是为了解决超声振动系统的谐振问题,使超声波发生器的激励信号频率等于换能器振动谐振频率.超声波发生器采用的频率自动跟踪系统按照获得反馈信号的不同,分为电反馈系统和声反馈系统,电反馈系统又可分为采用阻抗电桥形式的动态反馈系统、单一的电压或电流反馈系统、功率反馈-压控振荡系统、锁相压控振荡系统[2,4].由于电反馈系统反馈信号的获取较为简单便利,大多采用这种形式的频率跟踪方法.但目前所采用的跟踪方法都有一定局限性,如频率跟踪范围窄,而换能器的机械共振频率容易受负载变化、工具磨损、换能器发热等因素的影响发生漂移且漂移范围宽,如果激励信号的频率与其谐振频率稍有偏离,使换能器的振幅下降而影响工作效率.要实时获得最大的振幅,就需超声波发生器频率随系统谐振频率的变化而实时进行调整.

    1.2　功率超声波发生器频率自动跟踪方案的设计

    本方案是在超声波发生器和换能器间加了单片机为主的接口电路并使用PC机作为测试、控制系统的主设备.通过单片机接口电路完成数据的采集和信号的传输.利用PC机强大的数据处理、显示和存储等功能可以极大地增强监控功能.这里PC机主要完成对采集数据的处理并及时地发现和控制频率突变的情况.目前,发生器自带的频率自动跟踪器在一般情况下能满足加工要求,但因其频率跟踪范围窄,一旦由于某种原因引起频率突变并超出了频率跟踪的范围,就可能导致系统失谐.在本方案中, PC机能及时发现失谐,并能很快调节控制发生器,将频率拉回能自动跟踪的频率范围.图2是频率自动跟踪方案的结构图.