表面微坑超声加工装置超声电源的研制

表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面微坑超声加工装置超声电源的研制 表面微坑超声加工装置超声电源的研制 摘 要: 本 文 介 绍 了 表面微坑超声 加 工 的 基 本原理, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了 相 位 控 制频率跟踪的原理及实现 方 法 , 给出了表面 微 坑 超 声 加工装置超声 电 源 的 总 体结构。 并采 用 PIC 单片 机、 74HC4046 锁相 环、 UC3875 移相控制器 等 器 件 设 计并实现了具 有 频 率 自 动跟踪、输 出 功 率 可 调 节的超声电源 。表面微坑超声加 工试 验表明 ,该 超声 电源 可实 现频 率自 动跟 踪, 且工作 稳定 ,满 足表 面微 坑超 声加 工的 要求。 关 键词: 超声 电源 ;微 坑; 频率跟 踪; 移相 控制 ; 引言 近年来, 国 内 外 已 经 发展了自激振 动 、 低 频 强迫振动、 激 光 成 形 特 种松孔镀铬、微 研 磨 等 多 种 加工表面的 方 法 。然而,自 激振动加工方法虽可以在摩擦 幅 工 作 表 面形成微坑, 但 其 微 坑 分布及微 坑的结构难 以 控 制,且由于稳态颤 振 的 条 件 难以控制 ,故 其 加 工 方 法的掌握有一 定 的 难 度 ,因此难 以在生产中 有 效 地 推 广。 国外应 用激光珩磨技 术 在 气 缸 工作表面产生既定的微观 结 构 并 获 得较好的 效果 ,但 是激光 对缸 套材 料有 微观 汽化 和烧 蚀作 用,可 造成 局部 材料 性能 发生 变化 。 而利用超声 波 振 动 可 以在摩擦幅工 作 表 面 形 成分布规律和 结 构 参 数 可控的表面微 坑 。这 种 表面 微坑超声加 工 方 法 与 其它微坑加工 方 法 相 比 具有诸多优点,如 提高效率、不 会 烧 蚀 材 料 、较易控制 微坑深度、 加 工 成 本 低等。 本文介绍了表面微坑超声加工 的 基 本 原 理,分析 了 相 位 控 制 频 率自动跟 踪的原理及 其 实 现 方 法,给出了表 面 微 坑 超 声加工装置超 声 电 源 的 总体结构。并 采用 PIC 单片机、 74HC4046 锁相 环、UC3875 移相控 制 器 等 器 件 设 计并实现了具有频率自动 跟 踪 、 输出 功 率 可 调 节的 超声 电源。 一、 表面 微坑 超声 加工 原理 表面微坑超 声 加 工 装 置的工作原理 如图 1 所示 。 表 面 微 坑超声加工装置装在车床 的 拖 板 上 ,被 加工摩擦副 零 件 (例如缸套) 装在机床主轴上以一定的转 速 旋 转,微坑超声加工 装 置 可 沿 轴向和横 向方向进给, 通 过 横 向 进给控制微坑的深度 , N 通过超 声 换 能 器 推动变幅杆给 工 具 头 施 加 超声振动 , 依 靠 振 动冲击在缸套 工 作 表 面 形 成 S K 具有一 定 分 布 规 律和一定尺寸 参 数 的 微 坑 。 f 、A 影响表 面 微 坑 超 声加工效果的 因 素 很 多 , 如 P 刀具头 的 磨 损 、 主轴的稳定性 、 主 轴 的 转 速 与超声 声 学 系 统 的谐振频率的 关 系 等 。 但 由 于工具 头 振 动 冲 击的激励源是 超 声 电 源 , 所 以超声 电 源 对 表 面微坑加工的 效 果 具 有 极 其 图 1 表面 微坑 超声 加 工 原 理 重要 的作用 。 二、 超声 电源 的总 体结 构 1 . 相位 控制 频率 自动 跟踪 系统 的 工 作 原 理 在 超 声 电 源的应用中,振动系统的 温 度 、 刚 度、 及 负 载 力等因 素的变化使得系统 的 谐 振 频 率发 1生了漂移,而振动系统是否能始终 处 于 谐 振 状态是超声应 用 能 否 进 行及质量优劣 的 关 键 ,故频率自 动跟 踪及跟 踪的 速度 和精 度至 关重 要 。 作 者 研制的超声电源采用相位 跟 踪 方 式 ,即采样负载 两 端 的 电 压与流过负载 的 电 流 的 相 位 差,当相位 差 为 某 一 设定值时,换 能 器 呈 纯 阻性,系统工 作 在 谐 振 状态。目前 应 用 最 广 泛的是压电陶 瓷 片 换 能 器,其在振荡 频 率 点 附 近电气等效 电 路 图 如 图 2 所 示。除去静态电容,换 能 器 是 一个串联 L 谐振网络 。L 、C 、R 分别 为 换 能 器 的动态电感、 动态电容、 动态电 阻。 则其C0 C 1 谐振 频率 为:f 1 -1 0 2π LC R 1 ωLωC 其 阻 抗 相 位特性: ?ω arctan1 -2R 由式 (1 -1 )和 (1 -2 )可 知谐 振时 ,整 个网 络等 效于 纯电 阻 图 2换能 器等 效图 性,电压和 电 流 的 相 位差为零。因 此 , 换 能 器两端的电压 信 号 和 电 流信号(除去 静 态 电 容 的电 流分 量) ,经 过相位比较 ,得 出 相 位差 , 用 相位差 作 为反 馈信号控制 频率的变化可 以实 现 相 位 差为零,这 时 换 能 器 处于谐振状态, 由 于 静 态电容 ,存在 一 个 固 定 的电流分量, 因 此 实 际 上换 能器谐振时 电 压 和 电 流的相位差不 为 零 , 而 是某一固定值 , 如 果 控 制换能器的电 压 和 电 流 相位 差为 这个固 定值 ,那 就实 现机 械谐 振频 率的 自动 跟踪。 对 于 电 压 信 号 的 检 测 , 本 电源采 用电 阻分 压形 式; 对于 电流 信号 的 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 ,采 用霍 尔电 流 传 感器方法, 如图 3 所示 。U 为 in L 高频变压器 的 副 边,i 输出流 f if R1 过换能器的 电 流 信 号 波形,u f 输 出换能 器两 端 电 压信 号 波 C Uin 形。由 于 有 静 态 电 容 的存在, R3 R2 因此 , 设计相位反馈控制 环 时, uf 要 求有一 给定 相 位 差电 压 数 值,这 个 电 压 数 值 可 在单片机 里设 置。此 系统 的工 作原 理是 :图 3 电流 电压 相位 差检 测电 路 单片机设置 一 个 接 近 换能器的谐振 频 率 的 预 启振频率。当 换 能 器 处 于非谐振状态 时 , 鉴 相 器把 电压u 和电 流i 的波形信 号转变成直 流 电 压 ,单片 机 检 测鉴相 器 输 出 的 电压信号 ,并与设 定 f f 的相位差电 压 数 值 进 行比较。单片 机 通 过 比 较的结果来控 制 锁 相 环 的输出频率, 使 换 能 器 的工 作频率接近 谐 振 频 率 , 此过程反复 , 最 终 使 换能器工作在 谐 振 频 率 上,系统稳定 ; 当 外 界 因素 使换能 器的谐振频率 改 变 时 ,则 电压u 和电流i 之 间 的 相位差 也 改 变 , 同样单片机 通过检 测 f f 鉴相器输出 的 电 压 信 号,改变锁相 环 的 输 出 频率,此过程 反 复 之 后 ,系统再次稳 定 , 换 能 器又 2 LEW工作 在谐振 频率 上。 所以 ,电 频率 一直 能够 跟踪 换能器 的机 械谐 振频 率 。 2 . 超声 电源 的总 体结 构 超声电源硬 件 结 构 如 图 4 所示 ,PIC 单 片 机 是 超声电源的控 制 器 , 通 过 检 测 换 能 器的电流 、 电压相位差 来 控 制 锁 相环的输出频 率 , 并 由 输出电流的值 来 控 制 逆 变器相移角的 大 小 , 从 而改 变换能器的 输 出 功 率 。 由 IGBT 驱动器、IGBT 功 率 管 、 高 频 变 压 器 组成的逆变输 出 电 路 实 现电 气隔离、电 压 变 换 等 功能。匹配网 络 减 少 系 统的无功分量 , 减 少 损 耗。鉴相器把 换 能 器 的 相位 信号 转为直 流电 平送 给单 片机 。计数 器及 锁 相 环 相移 控制 器 逆变 回路PIC 单片 机 阻抗 匹配 网 络 鉴相器 电流 电压检 测 换能 器图 4 超声 电源 硬件 结构 图 三、 超声 频率 合成 作为超声电 源 的 负 载 ,目前应用最 广 泛 的 是 压电陶瓷片换 能 器 , 我 们 在 用 信 号发生器、 毫伏表、变 阻 箱 等 仪 器测压电陶瓷 换 能 器 的 谐振频率及其 在 谐 振 状 态下的阻抗实 验 中 发 现 :处 于谐振状态 下 的 压 电 陶瓷换能器对 频 率 非 常 敏感,即换能 器 的 频 率 -阻抗曲线非 常 陡 峭 。 通过 大量的测量 压 电 陶 瓷 换能器的谐振 频 率 的 实 验可知频率分 辨 率 为 4Hz 的超声频率 可 以 满 足 换能 器的 工作要 求 。 超声频率合 成 电 路 原 理图如图 5 所 示 。 在 频 率合成电路中 我 们 采用 PIC 单片机、8254 计数 器( 含 3 个计数器) 、74HC4046 锁 相 环 、 钟振等 元 器 件 。 其 中 钟 振 产 生稳定的 2 M Hz 的方波 , 由于考虑了 74HC4046 的最佳工作频 率 范 围、UC3875 的 2 分频特点 ,我 们给 8254 的 0 计数器 4 分频系数设 置 为10 ,2 M Hz 的方波经 0 计 数 器分频之后( 即 频 率 为 200Hz )送 至 74HC4046 的 14 脚(SIGNAL IN 端口) ,作为 锁相环的输 入 信 号 。 PIC 单片 机给 1 计数 器设置 N 3500 ~ 5000 的 分 频 系 数作为锁相环 3 脚COMPARATOR IN 与 4 脚(VCO OUT)之间的 分频系数。 准 确 设 置 锁相环的外围电阻、 电容, 则 锁 相 环 的 4 脚 输 出信号的频率为 f 200N , 此信号经过 8254 的 2 计数 器 的 25 分 频 后频 率为 f 8N , 此 信 号 经 过 移相控制 器 UC38752 分 1 频之后 f 4N , 即 为 我 们 所 要 求的超声频率, 其 分 辨率 为 4Hz。当N 在 3500 ~5000 范围 内 变 0 化时 ,我 们得到 的超 声频 率范 围为 14.000K~20.000K Hz 。3f1 C1 21 VCC CS 1 4 VCC VCC SIGNAL 17 20 钟 OUT2 A1 C4 C2 C3 2 3 16 19 振 GND G2 A0 18 23 CLK2 WR 22 RD 13 U1 VCC OUT1 14 1 9 10 G1 D7 OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT 8254 15 2 1 11 CLK1 D6 MCLR/VPP RC0/T1OSO/T1CKI D1 U2 3 2 12 D5 RA0/AN0 RC1/T1OSI LED 10 3 10 4 3 13 DEM COMP OUT0 D4 RA1/AN1 RC2/CCP1 2 14 11 5 4 14 PC1 SIG G0 D3 RA2/AN2 RC3/SCK/SCL 15 6 9 6 5 15 PC3 C1A CLK0 D2 RA3/AN3/VREF RC4/SDI/SDA R2 1 7 7 6 16 PCP C1B D1 RA4/T0CKI RC5/SDO R1 11k 4 5 8 7 17 VCCOUT INH D0 RA5/AN4/SS RC6 300 13 11 21 U3 18 PC2 R1 RB0/INT RC7 R3 12 9 22 26 R2 VCOIN RB1 RB5 10k 23 PIC16C73 27 C7 RB2 RB6 R5 1k 74HC4046 24 28 100pF RB3 RB7 100k 25 RB4 R4 Q1 NPN C5 1uF 图 5超声 频率 合成 电路 原理 图 四、 相移 控制 的全 桥逆 变器 在 表 面 微 坑超声加工时 ,若 要 调节微坑的深度 ,就 要 改 变 换 能 器 的 输出振幅,这 可 以 通 过 调节换能器 两 端 的 电 压来实现。作 者 研 制 的 超声电源采用 移 相 控 制 的全桥逆变器 , 通 过 改 变全 桥 移 相 的 移 相 角 来 改 变 正 弦 波 的 幅值,从 而改 变 换 能 器 两 端 的 电 压 。 +E T2 T1 a b T3 T4 图 全桥 移相 控制 原理 图和 输出电 压波 形 6 图 6 是 全 桥移相控制原 理 图 和 输 出电压波形 。 逆变器两桥臂 中点 A 和 b 的 输 出 电 压分别为 U 和U ,这 两 电压是宽度不 可 调 节 的 方波。而两桥 臂 中 点 a 和 b 之间的电压U 则是 脉 宽 可 a b ab 以调节的波 形 , 这可通过调节U 与U 之间的移相角? 。 用傅立叶 级 数 可 知 改变U 与U 之间 a b a b 的移 相角? 可以 改变U 的电 压幅 值。U 、U 用傅 立叶 级数 表示 为如 下: ab a b ? U U sinnωt (2 -1 ) a ? mn n1,3,5 ? U U sin[nωt + π + ?] (2 -2 ) ? b mn n1,3,5 则U =U ?U 的 傅 立 叶表示 式为: ab a b 4? ? U =U ?U U sinωntU sin[nωt + π + ?] ab a b ? mn ? mn n1,3,5 n1,3,5 (2 -3 ) ? n U 2cos sin[nωt + ] ? mn 2 2 n1,3,5 π 4 E 2E 2 式中 :U sinnωtdωt (2 -4 )mn ? 0 π 2 nπ 将式 (2 -4 )代 入式 (2 -3 ) ,得 ? 4E n U cos sinnωt + (2 -5 ) ab ? nπ 2 2 n1,3,5 4E n? n 次谐 波的 幅值 可表 示为: U cos (2 -6 ) abmn nπ 2 4E 当? 在 0 ~π 之 间 变化时, 基 波 电 压 的 幅 值 从 按 余 弦 规 律减少至 0 , 因此可以实现 输 出 电压 nπ 的调节。对 于 谐 波 分 量,由(2 -6 ) 可 以 看 出当相移角? 变 大 时 , 谐 波分量所占的 比 例 增 加 , 基波分量所 占 的 比 例 减少。 但是 由 于 匹 配 网 络 对谐波电压有 很 大 的 衰 减 , 所以对于换 能 器 来 说 , 谐波 分量影 响很 小, 可以 忽略 。 采用 美国 Unitrode 公司生 产 的 相 移 控制器 UC3875 可以把超声 频 率 合 成 电路产生的超 声 信 号分成控制 全 桥 逆 变 器 4 个开 关 管 的 4 路 设 有死区时间的 、 相移角可调 的 信 号。 功率 开 关 管 IGBT 采用美国 International Rectifier 公司 的 IRGMIC50 ,采 用 IR2101 来 驱 动 IRGMIC50 。相移控制 的全 桥逆变 器原 理图 如图 7 所示 。 FR157 Q1 f1 VCC R6 IRGMIC50 U1 IR2101 U2 2 7 HIN HO 1 20 3 5 VREF GND LIN LO 6 8 Vs Vb R1 2 19 C1 COMP RAMP R7 1k R2 C6 3 18 EA- SLOPE 4 17 EA+ CKSNC C4 5 16 200V CS+ FSET R5 C3 Q3 6 15 SS DLAB IRGMIC50 R3 R4 T1 7 14 C5 DLCD OUTA C7 C2 8 13 OUTD OUTB Q4 U R8 IRGMIC50 9 12 OUTC PGND U3 10 11 6 8 TRANS1 12V VC VIN Vs Vb UC3875 3 5 LIN LO 2 7 HIN HO R9 IR2101 FR157 VCC Q2 IRGMIC50图 7 相移 控制 的全 桥逆 变器 原理 图 五、 匹配 网络 压电陶瓷换 能 器 是 容 性器件, 为了 保 证 超 声 电源主功率系 统 与 换 能 器系统之间最 有 效 地 进 行能量传输 , 必 须 建 立合理的匹配 网 络,以 改变负载的电 学 特 性 。 同时为了保证 换 能 器 系 统在 机械 谐振频 率漂 移时 仍然 可靠 地工 作, 还必 须考 虑匹配 网络 的 品 质因 数及 其频 率特 性。5 1 1 VCC VCC 4 4 COM COM