新型超聲發(fā)生器在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用

      超聲發(fā)生器是超聲加工系統(tǒng)的重要部分，其性能的好壞直接影響著產(chǎn)品的加工質(zhì)量。在超聲加工系統(tǒng)中，為了獲得最大振幅以提高加工質(zhì)量，工作中應(yīng)調(diào)整超聲發(fā)生器的頻率，使其與換能器振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率相同。但加工過程中諸多因素的改變使換能器的諧振頻率發(fā)生變化（如圖1所示）,當(dāng)超聲發(fā)生器具有頻率自動(dòng)跟蹤性能后，系統(tǒng)就總是工作在諧振狀態(tài)；為使超聲設(shè)備工作穩(wěn)定，許多場合要求換能器輸出的功率與負(fù)載大小成比例，例如當(dāng)換能器從重載突然變?yōu)榭蛰d時(shí)，其機(jī)械負(fù)載阻急劇變小，使得發(fā)生器和換能器極易損壞，我們研制的新型多功能發(fā)生器內(nèi)部有一穩(wěn)速電路，使功放的功率隨負(fù)載的變化而變化；為了現(xiàn)場了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)，特別加入了機(jī)械振幅監(jiān)控裝置，使得操作人員可以方便地管理和操作設(shè)備。

圖1 換能器振動(dòng)系統(tǒng)的頻率特性

　電路原理與裝置

　　如圖2所示，發(fā)生器可分為主電路、采樣電路、頻率跟蹤、穩(wěn)速電路以及振幅監(jiān)測電路。

圖2 超聲發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　主電路
　　壓控振蕩選用的是ICL8083,按圖3所示接線時(shí)，可得到頻率可控的正弦波，其中輸入電壓V即是鑒相電路的輸出，其壓控制特性曲線如圖4示。

圖3 壓控振蕩電路圖

圖4 壓控特性

圖5 換能器等效電路

圖6 鑒相電路簡圖

   頻率跟蹤電路
　　頻率跟蹤電路由單壓取樣、鑒相電路組成。換能器和超聲發(fā)生器連接的等電路圖如圖5所示。輸出變壓器B的左端接超聲發(fā)生器的功率輸出端，L₀為匹配電感，使換能器處與諧振狀態(tài)，虛框中為換能器的等效電路。當(dāng)其處于諧振狀態(tài)時(shí)，虛框部分呈純阻性，電壓和電流相位相同；當(dāng)處于失諧狀態(tài)時(shí)，電路呈感性或容性，這時(shí)電壓和電流相位不同。通過鑒相電路可以把這一相位差轉(zhuǎn)換為一信號(hào)電壓，當(dāng)這一電壓加在8083的7、8腳時(shí)即可改變超聲發(fā)生器的頻率，使換能器處于諧振狀態(tài)，鑒相電路簡圖如圖6所示。U和i分別為由采樣電路得到的換能器兩端的電壓和通過其的電流，經(jīng)電壓比較器A₁、A₂和異或門A₄及D觸發(fā)器A₅處理后各點(diǎn)波形如圖7。其中異或門A₄的輸出經(jīng)由兩個(gè)電容構(gòu)成的濾波電路后，變成一平滑的直流電壓，而且其大小隨相位差（異或門輸出高電平的寬度）的增大而增大。當(dāng)電壓落后電流時(shí)，D觸發(fā)器輸出高電平，這時(shí)A₃為一放大倍數(shù)為“1”的反向器（和運(yùn)放相連的電阻應(yīng)相對較大，否則三極管導(dǎo)通時(shí)電路將失去作用）；反之，A₃為一放大倍數(shù)為“1”的跟隨器。由此可知，鑒相電路可控制系統(tǒng)頻率向諧振頻率靠近直至達(dá)到諧振頻率。電壓和電流采樣電路如圖8所示，由于換能器的電壓和電流是主電路的強(qiáng)電信號(hào)，本電路采用光電耦連接強(qiáng)弱電，使主電路和控制電路隔離，同時(shí)也有濾波的作用，強(qiáng)電采樣用的是電壓互感器和電流互感器。電路中均采用40系列的COMS芯片，這樣不僅電路穩(wěn)定，而且異或門的輸出電壓范圍較大，可以達(dá)到8083的要求，中間省去放大電路，使得電路簡化。

圖7 各點(diǎn)波形

圖8 電壓、電源采樣電路

  穩(wěn)速電路
　　當(dāng)超聲加工系統(tǒng)穩(wěn)定重載工作時(shí)，主電路電流為一穩(wěn)定值且應(yīng)達(dá)到最大輸出功率。這時(shí)如果變?yōu)榭蛰d，換能器的阻抗變小，電路電流突然增大，不但浪費(fèi)能源而且換能器容易被燒壞。同時(shí)，當(dāng)工件變化時(shí)，如果功率不變，則機(jī)械振幅發(fā)生變化，造成加工質(zhì)量不穩(wěn)定。所以可設(shè)計(jì)一電路，取主電路電流為信號(hào)，利用雙向可控硅加一負(fù)反饋電路，可以使系統(tǒng)電流為一穩(wěn)定值，從而機(jī)械振幅穩(wěn)定。穩(wěn)速電路簡圖如圖9所示。

圖9 穩(wěn)速電路

　　當(dāng)主回路電流增大時(shí)，光電耦合器的導(dǎo)通程度增大，三極管T₁的基極電位升高，導(dǎo)致R的電位升高，由于T₂的基極電位不變，其集電極的輸出電壓升高，PNP三極管的導(dǎo)通程度減小，電容C的充電時(shí)間加長，使得單結(jié)晶管的張馳振蕩頻率降低，雙向可控硅的導(dǎo)通角變小，功放供電電壓降低，系統(tǒng)功率下降；反之，T₂的輸出降低，單結(jié)晶管的張馳振蕩頻率升高，雙向可控硅的導(dǎo)通角加大，功放供電電壓升高，系統(tǒng)功率上升。這樣，組回路電流就可以穩(wěn)定為一固定值，從而換能器的機(jī)械振幅穩(wěn)定，加工質(zhì)量穩(wěn)定。同樣，電路中主回路的電壓采樣采用光電耦合器件，減少主回路對穩(wěn)速電路的影響，使得系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。

  機(jī)械振幅監(jiān)測電路
　　機(jī)械振幅監(jiān)測電路比較簡單，采用傳感器獲得信號(hào)、中間放大電路、顯示設(shè)備的結(jié)合。這方面技術(shù)比較成熟，這里不贅述濾清器。

　系統(tǒng)總結(jié)

　　在實(shí)際應(yīng)用中，超聲發(fā)生器可加一開關(guān)用以控制系統(tǒng)處于自動(dòng)頻率跟蹤還是手動(dòng)調(diào)節(jié)，一旋鈕控制在滿載時(shí)的功率（機(jī)械振幅合適），這樣本系統(tǒng)就可以為實(shí)際所用。
　　超聲發(fā)生器正在向系列化、通用化和積木化程度高的方向發(fā)展，因此一臺(tái)超聲設(shè)備必須具有多種機(jī)加工所必須的功能。本系統(tǒng)同時(shí)具有頻率跟蹤、自動(dòng)穩(wěn)速、機(jī)械振幅監(jiān)測等多種功能，且設(shè)計(jì)中多采用CMOS元件以及集成電路，系統(tǒng)體積小、工作穩(wěn)定、費(fèi)用低，非常適用。