（机械电子工程专业论文）超声波金属焊接频率跟踪仿真控制研究.pdf

摘要 超声波金属焊接加工方法的应用越来越广泛，正成为一项非常有前景的加工 技术。实现高质量、高效率的超声波焊接加工需要高质量的超声焊接电源，而自 动频率跟踪功能是高质量超声电源的关键。 本课题在仔细分析c j h j 一2 0 0 0 超声波余属焊接机电源的基础上，采用模拟仿 真谐振系统的方法，运用计算机测控系统，对超声振动系统进行自动频率跟踪仿 真控制研究，旨在开发设计出一种高可靠性、高准确度的自动频率跟踪超声金属 焊接加工电源。具体包括： ( 1 ) 分析超声换能器的等效电路特性。根据机械与电的等效理论，用二端口 网络等效法分析超声换能器的特性，所获结论是：超声振动系统的谐振幅值可以 用电流有效值表达；超声振动系统的谐振状况还可以用电压与电流的相位差大小 进行揭示。 ( 2 ) 对实验室现有超声波金属焊接电源特性进行分析，得出该超声电源存在 不能可靠跟踪到最大谐振点的不足之处。 ( 3 ) 详细研究了超声电源的自动频率跟踪系统的控制策略，建立了计算机测 控系统的硬件电路和软件控制模块。其中硬件系统包括：检测电路、放大滤波电 路、信号调理电路、d a 转换电路、单片机系统和正弦波信号发生电路；软件控 制模块包括：全程固有频率搜索模块、频率跟踪模块和相位差检测频率跟踪模块。 ( 4 ) 对各个硬件电路进行了实验验证，结果都满足设计要求。 ( 5 ) 模拟谐振系统的单谐振和多谐振状态下，对自动频率跟踪控制系统进行 了测试验证，结果表明所设计的自动频率跟踪控制系统能够可靠地、有效地发挥 其作用。 ( 6 ) 将自动频率跟踪模块安装到超声波余属焊接机上进行超声电源的频率跟 踪性能测试，结果表明所设计的计算机控制系统能满足设计要求。 关键词：超声换能器：变幅杆；超声电源；频率跟踪；仿真 广东工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t hi t si n c r e a s i n gu s ei nm a n ya r e a so fi n d u s t r y ，t h eu l t r a s o n i cm e t a lw e l d i n g p r o c e s si sb e c o m i n gap r o m i s i n gt y p e o fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y h i g h q u a l i t y u l t r a s o n i c p o w e rs u p p l y i s n e c e s s a r yf o rr e a l i z i n gh i g h q u a l i t y a n dh i g h e f f i c i e n c y u l t r a s o n i cm e t a lw e l d i n g ，a n dm o r e o v e r ， f r e q u e n c ys e l f - t r a c k i n gi sad e c i s i v eu n i tt o ae x c e l l e n tu l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y b a s e do nt h o r o u g h s t u d yo fc j h j 一2 0 0 0u l t r a s o n i cw e l d i n gp o w e rs u p p l y ， b y a p p l y i n gc o m p u t e rm e a s u r i n g a n dc o n t r o l t e c h n 0 1 0 9 y ， u l t r a s o n i c f r e q u e n c y s e i f - t r a c k i n gi nt h er e s o n a n c es y s t e m i sw o r k e do u t t h e p u r p o s e i st od e v e l o pan e w t y p e o fu l t r a s o n i c p o w e rs u p p l y i nw h i c ht h e f r e q u e n c ys e i f t r a c k i n g c o n t r 0 1i s c r e d i b i ya n de x a c t i yr e a “z e d w o r k i nt h ep a p e ra r ea sf o 儿o w s ( 1 ) i n v e s t i g a t i n g t h ee l e c t r i c a l i m p e d a n c e a n dw o r k i n gc h a r a c t e “s t i co f t h e u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r b a s e do nt h ee q u i v a l e n tt h e o r yo fm e c h a n i c sa n de l e c t r i c i t y ， a m p l i t u d eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mc a nb eo b t a i n e db ym e a s u r i n gt h ee l e c t r i c a i c u r r e n tv a l u ei nt h ee a u i v a l e n tc i r c u i t a tt h es a m et i m e ，t h er e s o n a n c es i t u a t i o no f u l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mc a nb eo b t a i n e db ym e a s u r i n gp h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e n v 0 1 t a g ea n dc u r r e n t ( 2 ) a f t e rt h o r o u 曲a n a l y s i so fc j h j 一2 0 0 0t h e u l t r a s o n i cm e t a lw e l d i n gp o w e r s u p p l y ， t h ea r t i c l ec o n c l u d e sc h a tt h ep o w e rs u p p l yc a n te f f e c t i v e l yt r a c kf r e q u e n c y o fm a x i m u mr e s o n a n c ea m p l i t u d e ( 3 ) o nt h eb a s i so fd i s c u s s i n g af r e q u e n c ys e i f t r a c k i n gc o n t r o ls t r a t e g yf o r u l t r a s o n i cp o w e rs u p p l yi nd e t a i l s ， t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fam i c r o c o m p u t e r m e a s u r i n ga n d c o n t r o ls y s t e ma r es e tu p i nt h eh a r d w a r e ，t h e r ea r em e a s u r i n gc i r c u i t ， m a g n i f y i n gc i r c u i ta n df i l t e r ，s i g n a la d j u s t i n g c i r c u i t ，d ，ai n v e r t e r ，s i n g l e c h i ps y s t e m a n ds i n ew a v es i g n a lg e n e r a t o r t h es o f t w a r ei n c l u d e sf u l l r a n g en a t u r a lf r e q u e n c y s e a r c h i n gm o d u l e ，f r e q u e n c ys e l f t r a c k i n gm o d u l e a n dp h a s ed i f f e r e n c em e a s u r ea n d c o n t r 0 1m o d u l e ( 4 ) t e s t i n gr e s u l t s o fa ut h eh a r d w a r ec i r c u i ts h o wt h a ta l l t h eh a r d w a r ec l r c u i t i i c a nm e e tt h ed e s l g nr e q u l r e m e n t ( 5 ) u n d e rs i n g l er e s o n a n c ea n ds e v e r a lr e s o n a n c e ， t h ef r e q u e n c ys e l f t r a c k i n go f as i m u l a t i o nu i t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e mi st e s t e d t h er e s u i ts h o w st h a tt h ef r e q u e n c y s e l f t r a c k i n gm e a s u r i n g a n dc o n t r o ls y s t e mc a nw o r ke f f b c t i v e l ya n dr e l i a b l y ( 6 ) c o n n e c t e dw i t ht h eu l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y ， t h e f r e q u e n c ys e l f t r a c k i n g s v s t e mi st e s t e d t h er e s u l ts h o w s 山a tt h ef r e q u e n c ys e l f t r a c k i n gm e a s u r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mc a nr i g h t l ym e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r ；a m p l l t u d e t r a n s f o r m c r ；u i t r a s o n i cp o w e rs u p p l y f r e q u e n c ys e l f t r a c k i n gc o n t r o l ： s i m u i a t i o n i i l 1 1 引言 第一章绪论 超声波会属焊接是利用超声工具头的高频振动造成被焊金属之间的摩擦作 用，从而将被焊金属紧密地结合成一体的新兴的特种加工工艺。它可焊接不同材 质、不同厚度的金属片，焊点牢固可靠。它节能、无污染，是一种环保工艺。它 的应用范围比较广，例如电容器或硅半导体的连线焊接、手机电池电极焊接、电 器中的盒属片和电极焊接、食品机械中洁净容器焊接等等。近年来，还在汽车电 器的多股线高强度高可靠度焊接、汽车气囊的内部电路焊接、太阳能热水器热水 管焊接等方面得到应用。特别是塑铝复合管制造中的铝管焊接，已应用得相当成 熟w 。从它的工艺特点可知，它在电子元器件、电器制造、电工技术、汽车制造、 移动通讯、轻工等行业均具有广阔的应用前景。 超声波金属焊接有连续焊和点焊两种方式。工件连续匀速输送，运动过程中 振动工具头外缘压着工件表面并以相同线速度转动，形成连续焊缝的焊接过程称 为超声连续焊( 或缝焊) ；如果焊头不作转动，工具头与工件的接触和加压均是间 歇进行的，每次形成一个焊点，则为超声间断焊或称为超声点焊。超声波金属焊 接的特点m ：( 1 ) 可焊接范围广。可进行点焊、连续焊，焊接速度快。能焊接不 同种类金属材料( 即使材料的物理性能相差悬殊，也能很好焊接) 。能焊接金属 箔片( 可以薄至0 ，0 0 6 m m ) 、细丝、微小的器件以及厚薄悬殊的多层金属片，其 它焊接方法对这些情形很难奏效。( 2 ) 焊点强度高，稳定性好。超声焊缝的强度 比接触焊高1 5 2 5 ，且具有高抗疲劳强度特征。实验表明，要分离成功焊接 的金属片是不可能的，硬扯的结果是与焊点交界处的未被焊接的材料被撕裂。与 其他焊接相比，它对焊接件产生的高温是局部、短时的，焊接件总体温度低，因 而焊接过程无需水冷却；被焊工件的变形很小，焊接完成后工件无须进行退火等 处理。超声波焊接自身包含着对焊接件表面氧化层的破碎清理作用，焊面清洁美 观、无需像其它焊接那样进行焊接面的清理。( 3 ) 能耗低。不需消耗大量能量直 接加热使焊条熔化，不直接对不焊部位盒属加热，与电焊、气焊相比，同样焊接 目的超声波金属能耗小得多。日本的研究表明，厚度为l 1 1 m m 的铝板进行超 声焊接则需1 5 4 k v a 电功率，而用传统的接触焊，则需7 5 k v a ，超声焊仅为 广东t 业大学 二学硕士学位论文 传统接触焊能源消耗的5 ，显示了超声波焊接方法在提高能源利用率上的极大 潜力。不需要添加焊剂，不污染被加工物，不产生任何焊渣、污水、有害气体等 废物污染，是符合节能环保要求的绿色加工方法。( 4 ) 易于实现自动化。超声波 发生器由功率电子线路构成，易于实现电气控制，它能很好地和计算机配合进行 焊接控制，从而实现高精度的焊接，以及焊接过程的自动化。 超声波金属焊接的优越性正为很多行业所认识，对它的研究与应用也日益受 到重视。小功率金属焊接是最早的应用领域，例如电子行业的集成电路、晶体管 及电容器引脚的焊接等m 。近年来，大功率的超声设备丌发获得成功，大大扩展 了其应用范围。据报道，f = 1 本试验用3 千瓦的超声设备进行双向振动，已成功焊 接l o m m 厚的铝板。1 m m 至0 5 m m 的铝管焊接，则己实际应用。它在铝塑复合 管制造、汽车制造、手机制造等热门行的应用，很好地说明了这一问题一。 1 1 1 在铝塑复合管生产中的应用 门常生活的供水、供气以及形形色色的各种用途管道，可谓涉及到千家万户 和各行各业。传统管道主要用金属或塑料制造。金属管强度高，镀锌钢管使用寿 命也较长，其致命弱点是耐腐蚀性差、极易生锈，管中重金属离子危及人体健康， 在化工行业中则容易破坏f 常化学反应。塑料管强度不够、容易损坏。铝塑复合 管是8 0 年代初由英国人研制成功、8 0 年代后期由德国投入商业化生产的，它取 金属、塑料两者之长，避两者之短，彻底解决了这些矛盾。它由内外两层聚乙烯 材料和中间一层铝合金管胶合而成，重量是铁管的1 1 5 ，强度高而且有定柔韧 性。可连续生产，产品可卷成卷状，安装时可切成任意长度，最大限度地减少了 接头，施工方便。内壁光滑不结垢，完全没有二次污染水质和流体的问题，使用 寿命可达5 0 年以上，而综合造价仅为镀锌管的l ，5 。因此其商业化被誉为“世纪 管道工程的革命”，该管则被称为“跨世纪管材”，被公认为上世纪末的最佳管材。 超声波金属焊接使得这一产品的普及迅速成为现实，在西方国家被迅速推广应用。 目前不但占领了给水管道领域，也在热水管、化学用管中大显身手。我国有关部 门也明文规定新建筑中不能再使用镀锌铁管，旧的需要不断换装铝塑管，因此铝 塑复合管市场十分广阔。 超声波金属焊接在铝塑复合管生产中被用来进行其中的铝管的连续焊。超声 焊机作为关键设备，与塑料加热和注入设备、送料设备一起组成铝塑复合管生产 线。1 9 9 5 年，佛山市日丰企业有限公司从德国引进了包括超声波金属焊接机在内 第一章绪论 的全套生产线，大批量生产“同丰管”，现在大大小小的生产厂家有很多。除进口 设备外，由中国船舶总公司7 2 l 研究所生产的2 ，2 k w 超声连续焊接机也起到了很 大的作用。其良好的性价比使其在中小企业中占有较大比重。使用超声连续焊接 机，方便而可靠地解决了铝塑复合管生产中焊管这关键工艺，是该产品得以迅 速普及的关键之一。 1 1 2 在汽车制造业中的应用 随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，小轿车逐渐进入家庭，这 个趋势促使汽车制造业成为我国近年发展最快的大行业之一。能在这个行业中发 挥作用的技术方法，将具有巨大的发展前景。超声波金属焊接正是这样的一种技 术方法，它在汽车制造业中的主要应用有： 1 导电线束焊接连接所有电器部件的导电线束是汽车的重要组成部分，是 汽车f 常运行的命脉。导电线束的工作特点是：经常承受颠簸，内部温差和湿度 变化大，工作条件差。传统线束采用压按方式，压按端子产生物理及机械性能退 化而松散甚至脱落导致汽车线路失效屡见不鲜，甚至造成短路而引发火灾。超声 波焊接使导线间实现牢靠的焊接，其焊点具有比原料更高的拉伸及抗撕裂能力， 国外大型汽车制造企业都用超声波焊接取代端子压焊。它成为汽车制造企业广泛 使用的公认技术，也是国际超声设备龙头企业德国s t a p l aa n dt e c h s o n i c 和 美国的b r a n s o n 等公司目前重点推介的应用项目之一，它也在我国迅速发展的汽 车制造业得到推广应t = j 。 2 提高汽车安全气囊可靠性增加安全气囊是汽车业面对越来越多的安全事 故所采取的方法之一，在发生事故时使乘员得到最大的保护。要使气囊确保安全 保险作用，其全天候的可靠性是不言而喻的。既要经受汽车时刻颠簸劳顿，又不 可能经常拆开检修，因此气囊内部的电路焊接极为重要。超声焊接可最大限度地 防止焊接不牢靠，在事发一刻保障气囊及时自动打丌，因而理所当然地成为首选 工艺。 1 1 3 在手机制造业应用 移动通讯的迅速发展使手机制造业成为一个高速发展的新兴产业，手机电池 是其中用量最大的器件。手机电池本身由镍极和铝极组成，电池极引出极片则是 铜片，所用极片都非常薄，采用其他焊接方法都无法达到焊接牢固且不损伤极片 的结果。超声波金属焊接能牢固地焊接不同的材质，并对薄极片不会造成损害， 这就圆满地解决了上述问题，为手机电池的可靠工作提供了工艺保证。目前，国 3 广东工业人学工学硕十学位论文 内外主要手机生产厂商均采用这种生产工艺。该工艺与此前已广泛应用的手机电 池外壳塑料超声焊接一起，使超声焊接成为手机电池制造的最主要工艺。 1 1 4 太阳能热水器导热管的焊接 节能环保是当今人类面临的一大主题，太阳能利用是其中一个重要课题。超 声波连续余属焊接机能以4 m m i n 的速度将铜质太阳能热水器导热管牢靠地焊接 在导热板上，为这种产品的生产制造创造了有利条件。虽然它不像前几项应用那 样已形成较大的应用产业，但是目前太阳能利用设施中的器件多以有色金属薄片 制造为主，而这正是超声焊接的所长所在。因此，随着太阳能利用这一新兴行业 的突起，超声波金属焊接必将在其中大显身手。 1 2 功率超声波焊接设备的发展与现状 功率超声是超声学的一个分支，它主要研究大功率和高强度超声的产生、强 超声在媒质中的传播规律、强超声和物质的相互作用、以及各种功率超声技术和 应用。大功率超声波焊接是功率超声理论和技术在金属和塑料焊接技术上的应用， 超声焊接设备的基本构成包括超声发生器( 超声换能器和超声电源) 、超声变幅杆、 工具头和信号跟踪控制电路。 j 2 1 功率超声换能器和变幅杆的发展概况 最早的超声发生器应该是1 8 8 3 年f g a n o n 发明的气哨。第一次世界大战期 间l a n g e v i n 发明的钢一石英一钢结构的夹心( 复合) 压电换能器标志着在低频大 功率超声设备上取得重大进展。早在2 0 世纪4 0 年代，wp m a s o n 就发明了变幅杆， 它与压电换能器连接而获得高强度超声波振动，开创了功率超声波在固体媒质中 的应用。2 0 世纪8 0 年代森荣司等提出的夹心弯曲换能器结构，扩大了工业应用。 换能器理论在上世纪得到了飞速的发展。2 0 世纪4 0 年代w p m a s o n 首先提出等 效网络分析法，近年来在此基础上发展了传输矩阵方法用于复杂结构的一维纵振 分析。2 0 世纪7 0 年代森荣司提出表观弹性法，用于二维振动问题分析。目前主 要利用有限元及边界元方法分析三维振动问题。继m a s o n 发明的指数型变幅杆之 后，2 0 世纪5 0 年代i j r m e p k y o b 等提出悬键线型变幅杆及由多缎组合的变幅杆， 扩展了变幅杆类型m 。2 0 世纪6 0 年代e e i s n e r 提出形状因素的概念，发展了一 种应力沿杆件均匀分布的高斯型变幅杆，获得了很高的位移振幅。同期，森荣司 提出振动方向变换器，开辟了用功率合成方法获得特大功率的高强度( 5 0 k w 以卜) 4 第一章绪论 超声的新途径。这些功率超声理论应用有：超声清洗、焊接、加工、超声雾化、 乳化、粉碎和提取，以及超声治疗。2 0 世纪5 0 年代发明的超声波金属焊接，已 广泛应用于集成电路引线焊接。2 0 世纪8 0 年代同本神奈川大学研制成功的超声 波对焊装置，可以对厚度达到l o m m 的铝板进行对焊，成为一种实用的新型焊接 装置m 。近年来用于塑料一金属复合管的焊接很有前途，由于工艺上的优点，应 用更为广泛的是热塑性塑料的超声波焊接。焊接设备除传统的切向和纵向振动外， 还发展了扭转和多系统的复合振动，焊接方式由叠焊发展到端丽对接焊，功率容 量达5 0 k w 。 我国于2 0 世纪5 0 年代初开始研究大功率超声。以研究超声波加工、清洗、 焊接、粉碎和乳化等应用为先导，进而研究磁致伸缩换能器、压电换能器。2 0 世 纪6 0 年代以后集中研究央心式压电换能器，用等效网络建立一维理论，首先给出 有力、电负载损耗时换能器的共振频率和等效表达式。有代表性的研究成果是： 提出决定换能器最大效率的参量，指出最佳设计方向0 w ，提出一种新型可调频 率换能器。2 0 世纪7 0 8 0 年代提出两种新型的功率超声换能器，一种是半穿 孔结构宽频带压电换能器，理论上阐明了工作原理，并广泛应用于超声清洗设 备m ，；另一种是双向辐射换能器，用于超声乳化设备m ，。又提出声匹配问题，为 改进功率超声换能器设计指出方向】。2 0 世纪9 0 年代以来开展了大尺寸压电换 能器的二维分析弯曲振动、扭转振动和复合振动的压电换能器设计计算，为这类 换能器的在工业方面的应用奠定基础m u ”。2 0 世纪6 0 年代以来对纵振动的单一 和组合变幅杆的特性进行过系统的分析。2 0 世纪8 0 年代初用复变数解析映象理 论研究了有负载的变幅杆m ，建立有负载变幅秆的阻抗映象图，是变幅杆理论的 重要发展。1 9 8 7 年，出版了国内外第一部有关超声变幅杆的专著l 。在2 0 世纪 9 0 年代以来研究了大尺寸单一和复合变幅器的二维振动m ，弯曲振动变幅杆”2 - 以 及纵一扭、纵一弯复合振动模式的变幅杆m - “，。提出新型扭转振动变幅杆，并分 析了几种扭振复合变幅杆，填补了这一方面的空白m - 。上述理论研究，使得我国 在变幅杆、变幅器方面的研究处于世界前列。在超声波焊接技术的应用方面，2 0 世纪5 0 年代开始进行超声波金属材料焊接应用研究，包括点焊、缝焊和集成电路 引线焊接，近十年来主要生产超声波塑料焊接设备，已得到了广泛应用。 1 2 2 功率超声波电源的研究现状 超声波电源是对超声换能器提供超声频交流电信号，将电能转化为超声波能 量的电路装置，其实现电路又称超声波驱动电路。在上世纪，随着电子技术的迅 5 广东工业大学工学顾十学位论文 猛发展，超声波逆变电源所用功率器件也经历了电子管、晶闸管、晶体管和i g b t 四个阶段m ，。近年来在电路设计中使用了新型电路拓扑结构和新型功率器件，超 声波电源的可靠性、负载适应性、产品一致性得到进一步提高，同时效率也大大 提高，产品的体积也随之减小。 传统的超声波电源采用可控硅整流技术，其缺点是体积庞大、笨重、热损耗 较大，无功功率大。2 0 世纪8 0 年代，大功率晶体管获得应用，主要采用双极型 功率晶体管，开关工作频率常用2 0 k h z 。后来又采用绝缘栅双极型功率晶体管 ( i g b t ) ，工作电压和工作电流定额( 即单管容量) 明显地增大了。到2 0 世纪 9 0 年代，由于功率场效应管m o s f e t 的技术进步而被广泛采用，开关工作频率 达到1 0 0 k h z 以上。 近十年来，超声波电源采用高频开关交流通信电源技术，内部集成各种芯片 或采用集成电路实现对频率的动态控制，其发展趋势必然是：( 1 ) 高效率一一效 率是电源的重要指标之一，效率高，则发热损耗小，才容易做到大功率超声和强 功率振动。( 2 ) 模块化一一采用分布式供电，具有节能、高效经济、维护方便、 可靠性高的优点；同时适用于低传输损耗，超高速型集成电路低电压、低电流的 供电要求。当需要大功率输出时，可采用小功率电源模块，大规模控制集成电路 做基本部件，组成积木式智能化大功率供电电源m ，。 1 2 3 常见超声电源频率自动跟踪控制方式 超声波焊接过程中，由于焊接负载、工具头磨损以及振动系统的温度、刚度 等各种因素的变化，使得系统固有频率发生漂移。如果发生器频率不跟随变化， 势必造成整个系统的失调，这就要求超声波发生器具有频率自动跟踪功能。传统 的超声波焊接机采用电予管振荡器产生高频信号，经功率放大后直接产生超声波， 难以实现频率跟踪。为了快速、准确地实现频率跟踪，人们在这种方式上进行了 各种探索。 1 电反馈的自激振荡方式自动频率跟踪实现方式主要有声反馈和电反馈两 大类，随着元器件和电子技术的发展，电反馈方式己经占了主导地位，其中的自 激振荡方式由于简单便利，应用相当广泛。代表性方法是采用差动变量桥式电路 对压电换能器电学臂进行补偿，使电反馈信号取决于机器臂，从而能够在机械谐 振频率上始终保持自激振荡，达到频率的自动跟踪t 2 “。工作原理如图1 1 所示。 图中，c 。、尺、c i 、l 。表示超声换能器的等效参数，u o 是激励信号，矾是提 第一章绪论 取的电信号，m 是电位互感器( 实际上是一次侧具有2 个对称线圈的互感器) ， n 和恐是2 个对称线圈，c 是补偿电容。当c 、r l 、疋、c o 组成的桥式电路平衡 时，电容c 上流过的电流力和电容c o 上流过的电流，c o 在电位互感器m 中的磁 通将相互抵消，只有c l 上流过的电流，l 通过线圈n 时的磁通将激励产生电压， 即以只与机械臂电路有关。当机械谐振时，。最大，叽才最大，并且满足相位条 件，能够与激励电源构成回路产生自激振荡。 c ll lr l 图卜l 自激式振荡频率自动跟踪原理图 f i g ，l ls e i f l o s c m a “o nm o d eo ff r c q u e n c ys e 工f - t r a c k i n g 上述原理可以变换为不同的形式。例如，将r l 、乃改换成电阻，将电流量转 换成电压量，同样也能反映网络特性；用运算放大器的差动放大电路来完成m 的 耦合作用，将输出部分的差值显示出来，以达到补偿的可能。根据补偿元件和压 电换能器等效电路组成桥式电路的平衡条件，找到在机械谐振点上叽和u 。同相 时的频率关系，同时电路也能满足自激振荡的相位条件，构建成自激振荡回路， 自激振荡频率随机械谐振点同步变化，实现自动跟踪”。 2 锁相压控振荡方式从谐振频率附近的压电换能器等效电路分析得知，当 压电换能器处于谐振状态时，加在它两端的电信号与流过其中的电信号是同相的。 当激励信号的频率偏离换能器的谐振频率时，换能器工作于失谐状念，其两端的 电信号与流过的电流信号不再同相位。因此，取出电压和电流的相差信号，并作 为激励振动系统谐振频率变化的控制信号，就是锁相压控振荡方式的理论依据。 锁相式频率自动跟踪系统原理图如图1 2 所示。 锁相式自动跟踪系统实际上是一个相位控制系统m ，环路中的检相器比较2 输入信号( 即换能器负载的电流信号和电压信号) 的相位，输出一个代表相位差 的误差信号，此误差信号经环路滤波器滤波后加到压控振荡器上，朝着减小相位 差的方向改变压控振荡器的频率。再通过功率放大环节，提供给换能器电信号。 7 薹三些奎兰三兰堡兰兰堡墼兰 锁相式频率自动跟踪系统的特点如下： 幽l 一2 锁相式频率自动跟踪系统原理图 f i g 卜2p l l m o d ef r e q u e n c ys e l f - t r a c k i n gs y s t e m ( i ) 锁相环路具有良好的窄带特性，环路本身就是一个良好的带通滤波器， 可以有效地将不需要的信号滤掉，防止系统误跟踪于非谐振频率。 ( 2 ) 换能器不直接包括在反馈网络之内，避免了因换能器不对称造成电路中 各元件参数的严格选择和复杂调试。 ( 3 ) 频率自动跟踪系统的控制信号与换能器振动系统的电压、电流波形的好 坏关系不大。此特点保证这种系统能够应用于大功率超声设备，实现大功率超声 设备的自动跟踪。 ( 4 ) 输出功率相对较稳定，不会因负载的变化而产生显著的变化。 ( 5 ) 在小信号状态下控制系统能够长时间连续稳定地工作。 因此，超声焊机的频率跟踪方式以锁相为主。随着电予元器件技术的发展， 锁相坏功能的电路已经集成化，其典型产品有通用性较强的n e 5 6 5 ，低功耗c o m s 型4 0 4 6 等，所以锁相式频率自动跟踪电路的设计会更方便、可靠。 3 电流动态反馈方式根据机械与电的等效理论将超声换能器等效为1 个二 端口网络的情况下，可以推导出谐振时输出振幅与电流大小的关系w ，。其结论如 下：谐振状态下，换能器阻抗最小，回路电流最大，振幅大小近似正比于电流大 小。因此，可将换能器电流有效值作为反馈量调节逆变频率，实现超声系统谐振 控制和振幅恒定控制”w 。 检测控制换能器电流大小是电流反馈频率跟踪系统的核心。进一步借助于单 片机或p c 机实时性好、反应迅速等特点，根据具体情况改变发生器的工作频率 控制换能器电流处于最大值，达到频率跟踪的目的。如图1 3 所示。 第一革鞯论 安装于主电路的电流传感器检测超声换能器的工作电流，经a ，d 转换输入给 单片机。单片机将瞬时电流值与上次检测的电流值比较、判断后，改变p w m 输 出的占空比，从而改变脉冲发生器的输出频率，通过驱动电路传给桥式逆变电路， 实现换能器工作频率的调整。 直流 图l 一3 电流反馈式频率自动跟踪系统原理图 f 塘1 3c u r r e n tf e e d b a c kf r e q u e n c ys e l f t r a c k i n gs y s t e m 电流反馈式频率跟踪要注意两点：( 1 ) 如果匹配网络采用串联方式，在串联 谐振频率的低频点和高频点处可能会出现2 个电流峰值，可能导致误跟踪到高频 点，故存在如何正确搜索谐振频率的问题；( 2 ) 存在搜索电流最大值的方法和算 法问题。振动系统固有频率的变化分为缓慢频率漂移和瞬时频率变化，要求脉冲 发生器能快速、准确地跟踪系统固有频率的缓慢漂移和瞬时变化，因此需要充分 考虑如改变步长等算法搜索电流最大值，加快频率跟踪速度。 4 自适应控制方式超声波压电换能器性能一致性差，焊接对象多变，焊接 过程参数变化明显，因此要求超声焊接机频率控制的高效率和高可靠性。近年来， 控制理论在超声焊接中的应用有了新的尝试，自适应控制方式实现频率自动跟踪 便是一个好的发展方向。 一种典型的方案是：微机系统对电压、电流、换能器振幅、电压电流信号相 位差等诸多参数进行在线测量、辨识，通过计算按照规定的程序来改变系统参数， 输出控制电压来调节超声波开关电源频率，使脉冲发生器的频率很好地跟踪系统 谐振频率。微机系统的主要任务是通过自适应策略，根据检测到的各个参数计算 出控制量，从而达到频率控制的目的m ，。 由于超声过程是一个复杂的时变系统，建立其数学模型比较困难。因此，需 选择一个主控制参数进行控制，如要控制换能器振幅的大小，只需选择适当的控 制算法使换能器振幅在最大值附近作微小的变化，就可以用线性化方法来建立时 变参数离散模型。设系统方程为： y ( f ) + a ，0 1 ) + a 2 y ( r 一2 ) = b o u ( f 1 ) + b 1 u ( f 一2 ) + p ( f ) ( 1 1 ) 9 广东工业大学丁学颤十学位论殳 使系统开环运行，测量输入系列 u ( ) l 和输出系列 y ( r ) ，并考虑p ( f ) 的影响，可 以求得系数a ，、j 4 2 、鳓、口，。由于焊接过程短，不能采用复杂的控制算法，因此， 用稳定性理论设计具有可调模型参考自适应系统进行控制是合适的选择。其控制 框图如图l 一4 所示。主要方法是在线利用递归最小二乘法进行参数识辨，同时修 改控制参数，采用最小方差控制规律或极点配置控制规律m ，。 图1 。4 白适鹿控制系统原理图 f i g 1 * 4s e l f - a d a p 6 v ec o n t r o s y s t e m 自适应控制式频率自动跟踪方式只是频率跟踪算法的一个典型代表。这类方 式中还有其他研究方向，在国内外都取得了较好的效果。例如，( 1 ) 固定增益与 可变增益的比例积分控制方式p i ，浚控制方式简单、易于实现，但难以满足高性 能的要求：( 2 ) 模糊控制逻辑型控制方式，此控制方式包含了模糊控制推理、频 率电压控制及可逆控制：( 3 ) 混合型控制方式，即将p i 控制和自适应控制揉含进 行控制。 1 3 本文课题来源和研究的主要工作 本课题来源于广东省教育厅自然科学基金项目：超声在非塑料材料焊接中的 应用研究及中等功率超声连续焊接机研制( 项目编号：z 0 2 0 7 0 ) 。本文的主要工 作是针对超声波焊接过程中，由于焊接负载、刚度、工具头磨损以及振动系统的 温度等各种因素的变化，使得系统固有频率发生漂移，从而振幅脱离谐振状态的 缺点，研究一种使超声波金属焊接加工机床在加工过程中始终处于谐振状态的振 幅控制策略。控制策略的关键在于输入换能器的电压频率能否实时跟踪负载端的 固有频率变化，因此重点研究和探索了超声电源的频率跟踪控制策略问题，为超 声波金属焊接机床的超声电源研究提供理论指导。本文的具体工作任务有以下几 个方面： 1 0 第一章绪论 1 分析超声换能器的电声学等效电路特性，导出可实现超声换能器谐振的参 数控制方式，以实现谐振频率跟踪过程。 2 利用单片机测控系统，改进超声波金属焊接加工机床电源，完成谐振频率 自动跟踪控制系统的软硬件设计。 3 仿真换能器的谐振特性进行频率跟踪的实验，对频率跟踪的可行性进行验 证。 广东t 业大学工学硕上学位论文 第二章超声振动系统工作原理与分析 2 1 超声振动系统的结构与特征 超声振动系统包括压电换能器、变幅杆和工具头三部分，它们按统一谐振频 率分别设计，然后级联起来。压电换能器利用压电效应进行工作，将超声频电能 转换成超声振动的机械能m ，。普通的压电换能器，受自身材料和力学性能的限制 其输出端的位移振幅很小( 一般不超过i o ”m ) ，达不到工作要求，因此在换能器 振予前表面加装变幅秆，将输出位移振幅放大，使得幅值可以达到数十”m 。为 了让超声振动更有效地作用于负载，需要在变幅杆输出端接一个工具头，工具头 的材料选择和设计参数可根据其用途柬定。 2 2 压电换能器的电阻抗特性 在超声谐振频率附近，利用集总参数法将压电换能器等效为图2 一l 所示电路。 其中c o 为换能器的静态电容，主要由换能器因夹持而产生的电容构成，尺。为压 电陶瓷片的内介电损耗，通常可以忽略其影响( 一般认为r o 为无穷大) ，l 为动 态电感，由换能器质量引起，c ，为换能器引起的动态电容，为负载反映的动念 电阻。一般，由旯o 、c o 组成的电路称为电学臂，由l 、c l 、组成的电路称为 机械臂m ，。 依照电路理论，压电换能器的阻抗为： z 0 = r 。+ 弘o ( 2 1 ) 式中电阻分量矾为： 胪叵瓦蕊 t 2 ) 式中电抗分量x o 为： 。 胪铡嵩碧 卜一亳j j 埘2 c 。2 r i 由上酌口，当信号频率也2 去“l c l 支路串联i 皆振；当信号频率等于 时，。称为并联谐振频率。 坠!- l i c 1 r l 图2 一l 压电换能器等效电路( 谐振频率附近) f i g 2 一le q u i v a l e n tc i r c u i to fp i e z o e i e c t r i c “yt r a n s d u c e r ( r e s o n a n c ef r e q u e n c yn e i g h b o r h o o d ) 实际的超声加工中，外界工况的变化，例如温度、刚度、负载、加工面积和 工具头磨损往往会引起系统参数的变化，对应最大效率输出的超声系统的谐振频 率也发生漂移。为了提高工作效率，激励频率必须要跟踪谐振频率的变化，这是 超声系统对电源设计最基本的要求。超声加工中，外界负载很不稳定、起伏较大， 即使跟踪良好，负载的增大也会引起输出振幅、单位负载功率的下降，使得系统 无法f 常工作。特别是在变幅杆从有载变为无载、或无载变为有载时，负载阻抗 急剧变化，极易造成超声系统损坏。为了保护系统、提高加工质量和保持工艺过 程的稳定，声学系统传递出的机械功率必须随负载变化而变化，表现为工具头输 出振幅恒定，这是超声系统对电源设计的另一个要求。 三查三些尘兰三耋矍圭兰竺篁兰 2 3 选择电流作为反馈控制量的理论依据 根据机械与电的等效理论，超声换能器可用一个二端口网络等效- ，如图2 2 所示。其中u ，、，表示换能器输入电压、电流，u 。、，。表示机械端振动力、振 速的电压、电流等效，r ：为机械阻抗。 z 图2 2 换能器等效j “：端口网络图 f i g 2 2t r a n s d u c e re q u i v a l e n t 【w o p o r tn e t w o r k 网络的z 参数方程为 阡z 幽 ( 2 4 ) 由于换能器损耗相对于声能可忽略不计，z 相当于纯电抗参数，则z 参数方 程可表示为： m 汹 训2 k u ：= ，。r ： 联立( 2 5 ) 和( 2 6 ) 两式解得： ( 2 5 ) ( 2 6 ) 予= 糍小一精 ， 1 4 1j ， ， ，l 1j 怛 弛 x x j， 萋三耋罄：耋耋至鉴三堡坚竺兰坌堑 仁芒告? ， s ， 。 弘2 2 + 尺： 当式( 2 7 ) 右侧模最小时，j ，的有效值取最大值，所以当： x _ 錾磐粤：o ( 2 9 ) r ：+ x2 2 时，即换能器谐振时，输入电能有效值最大。由式( 2 8 ) 得到： t 卜志i t ( 2 1 0 ) 由换能器的特性可知，x 2 2 r ，式( 2 1 0 ) 司简化为： 恃怠h 则谐振时，振子振幅a 为： a = 2 压川? ：陋雠冲 ( 2 1 2 ) 为谐振角频率，将式( 2 1 1 ) 代入( 2 1 2 ) 式，得： a = 譬h x ：、x ：是换能器固有参数，为常量。当i ，i 恒定时，输出振幅恒定。由以 上分析可知：可以把超声换能器输入电流的有效值作为反馈控制量调节逆变频率 和整流输出电压，实现超声系统谐振控制和振幅恒定输出控制。 2 4 选择相位差控制的理论基础 由图2 一l 可知，超声焊接谐振系统( 在谐振频率附近) 实际上为串并联谐振 系统。记激励源的角频率为，在f 弦电压激励下的串联谐振电路的等效阻抗为 广东工业大学工学硕士学位论文 z ( 俐= r + j 砒+ 去= 露1 ( 2 1 4 ) 等效阻抗的实部为一常数，其值等于电阻尺，即r e z ( j 脚) = 尺。等效阻抗的 虚部，即电路的等效电抗i m z ( j 珊) = x ( 珊) = 砒一去是角频率珊的函数，它随叫 变化的规律，即电抗的频率特性，如图2 3 所示。 x，。 ? ? l ，7 ：， ，。 。 o o 一，一。 ， 一、 n k ， ， 图2 3串联电抗频率特性曲线图 f i g 2 3f f e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fs e r i e sr e a c t a n c e 当彤 o ，电路呈电感性。 而在这个频率下( 即棚= 纰时) 1 扛面 x ( ) = j l 一去= o z ( ，) = 1 z ( ，) 1 = 冗 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 等效阻抗的虚部为零，电路呈电阻性。这种状态称为串联谐振。感抗等于容 抗，就是发生串联谐振的条件。使电路发生谐振的角频率略叫做串联谐振角频率。 1 6 上 一砒 州擘 第二章超声振动系统工作原理与分析 根据( 2 1 5 ) 式，其值为 串联谐振频率为 1 2 面 厶= 熹丽 串联谐振频率仅仅决定于电路参数和c 。 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 处于谐振状态时，电路将表现如下的一些特殊现象m ，： ( 1 ) 等