（机械制造及其自动化专业论文）超声磨削加工机床及其电源的研制.pdf

摘要 工程陶瓷具有优良的机械性能、优于金属的高硬度、化学稳定性、耐高温能 力、电特性，已得到广泛应用。然而正是由于这些特性使得其加工难度大、加工 效率低并且费用高，限n t 其应用的广泛性。超声磨削加工是超声冲击和高速磨 削的复合加工过程，尤其适合于工程陶瓷的小孔加工，并且残余应力小，表面质 量好。卜 本文通过对超声磨削加工过程的分析，考虑开关电源的优越性，研制出具有 频率自动跟踪性能、恒幅输出性能和自动保护功能的超声开关电源。该电源具有 以下特点：结构简单、效率高、输出功率可调范围宽、频率跟踪范围可调、频率 跟踪精度可调、保护设旆完备等。 研制的超声磨削加工专用机床可以实现工件z 向进给、x y 向运动和工具高 速旋转和超声振动，用于完成工程陶瓷等硬脆材料的超声磨削小孔加工或单纯的 超声和磨削加工。 利用所研制的机床和电源进行了大量的加工实验研究：验证了超声开关电源 频率跟踪和恒幅输出性能：分析了各种加工参数对加工效率和加工质量的影响； 并对存在的问题进行了探讨。 超声开关电源频率跟踪恒幅控制超声磨削机床 声学系统加工效率加工质量 v ， 、 j l _ ，_ 一 a b s t r a c t e n g i n e e r i n gc e r a m i c sa r ea t t r a c t i v ef o rm a n ya p p l i c a t i o n sd u e t ot h e i rm e c h a n i c p r o p e r t i e s ，h i g hh a r d n e s s ，c h e m i c a li n e r t n e s s ，h i 、g hs t r e n g t ha n ds t i f f n e s s a te l e v a t e d t e m p e r a t u r e s ，a n dn o n e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y b u tt h em a r k e te x p a n s i o n o f e n g i n e e r i n g c e r a m i c sh a sb e e nh i n d e r e db yt h o s ep r o p e r t i e s t h a tc a u s em a n yd i f f i c u l t i e s ，l o w e f f i c i e n c y , a n dh i g hc o s t i nm a c h i n i n g u l t r a s o n i c - g r i n d i n gm a c h i n i n gi sac o m p l e x m a c h i n i n gp r o c e s s o fu l t r a s o n i ci m p a c t i n ga n dg r i n d i n g ，w h i c hs u i t st om a c h i n i n gs m a l l h o l e si nc e r a m i c sa n dt h em a c h i n e ds u r f a c eq u g l i t yi si m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fu l t r a s o n i c - g r i n d i n gp m c e s s ，t h ep r o p e r t i e s ，f r e q u e n c y a u t o m a t i ct r a c k i n ga n da m p l i t u d es t a b i l i z i n gc o n t r o l ，a n dt h es u p e r i o r i t yo fs w i t c h e d p o w e rs u p p l ya r ec o n s i d e r e dt od e s i g nt h ep o w e rs u p p l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p o w e rs u p p l y a r ea sf o l l o w s ：s t r u c t u r eb r i e f n e s s ，h i g he f f i c i e n c y , h i 曲a d j u s t e ds c o p eo f o u t p u tp o w e r , a d j u s t a b l et r a c k i n g s c o p e o fo u t p u t f 砘q u e n c y ，a d j u s t a b l et r a c k i n g p r e c i s i o n , a n dp e r f e c tp r o t e c t i n g a n u l t r a s o n i c - g r i n d i n gm a c h i n e t o o l - h a sb e e nd e v e l o p e d ，i nw h i c ht h ew o r k p i e c e p n e u m a t i cf e e ds y s t e m ，x - yt a b l e ，h i e , h - s p e e d r o t a t i o n a ls y s t e mo fc u t t i n gt o o l ，a n d u l t r a s o n i cv i b r a t i o ns y s t e ma l ed e s i g n e d t of u l f i lu l t r a s o n i c - g r i n d i n gm a c h i n i n g w i t ht h ed e v e l o p e dm a c h i n et o o la n dp o w e rs u p p l y ，m a n ye x p e r i m e n t sh a v eb e e n d o n e i nt h e s e e x p e r i m e n t s ，t h ep r o p e r t i e s o f 疗e q u e n c yt r a c k i n g a n d a m p l i t u d e s t a b i l i z i n ga r ep r o v e d ，t h ee f f e c t so f m a c h i n i n gp a r a m e t e r s o nm a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n d r o u g h n e s so f m a c h i n e d s u r f a c ea r ea n a l y z e d ，a n ds o m eq u e s t i o n sa r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ： u l t r a s o n i c - g r i n d i n gm a c h i n i n g f r e q u e n c y a u t o m a t i c t r a c k i n g u l t r a s o n i c g r i n d i n gm a c h i n e t o o l u l t r a s o n i cs y s t e m m a c h i n i n gq u a l i t y u l t r a s o n i cs w i t c h e dp o w e r s u p p l y a m p l i t u d es t a b i l i z i n gc o n t r o l p n e u m a t i cf e e ds y s t e m m a c h i n i n ge f f i c i e n c y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 工程陶瓷简介 i - 4 】 工程陶瓷( e n g i n e e r i n gc e r a m i c s ) 词是从2 0 世纪7 0 年代初期开始流行的， 主要指那些可用于工程方面的具有高强度、高耐磨性和耐高温的陶瓷材料。陶瓷 作为结构和功能材料，已广泛应用于工农业和科学技术等各个领域，成为近代尖 端科学技术的重要组成部分，与金属材料和聚合物材料已成为现代工程材料的三 大支柱。 1 1 1 工程陶瓷材料的结构 1 工程陶瓷材料的结合键 工程材料的化学结合键有金属键、分子键、离子键和共价键四种。由离子键 和共价键构成的材料具有很高的熔点和硬度，工程陶瓷材料就是以离子键( 如 c a o 、m g o 、a 1 2 0 3 和z r 0 2 等) 和共价键( 如s i 3 n 4 、s i c 等) 为主要结合键，并 且往往由两种或两种以上不同键的混合形式构成，所以工程陶瓷具有很高的熔点 和硬度( m g o 的熔点为2 8 0 0 c ) ，但主要由离子键构成的材料比主要由共价键构 成的材料受温度影响大，因此共价键比例大的陶瓷更适合做高温结构材料。 2 陶瓷材料的显微结构 陶瓷材料的显微结构是非常复杂和不均匀的，通常认为由晶体相、玻璃相和 气相组成。其中晶体相是工程陶瓷的主要组成相，主要有硅酸盐、氧化物和非氧 化物三种，其结构、形态、数量和分布决定了工程陶瓷的物理和化学特性；玻璃 相是一种非晶态低熔点固体相，具有粘结分散晶相、填充气孔、降低烧成温度的 作用，陶瓷中的玻璃相有时可多达2 0 一6 0 ；气相是工程陶瓷生产工艺过程中 不可避免的残存物，一般占体积的5 1 0 。 1 1 2 工程陶瓷的性能 1 力学性能： 硬度：工程陶瓷的硬度取决于化学键的键能，其晶体结构对称性差，滑移系 少，并且晶体中的强大键价方向性和静电作用力阻碍着位错运动，导致其塑性变 形能力差，硬度高。工程陶瓷的硬度是各类工程材料中较高的，在1 0 0 0 5 0 0 0 h v 之间，而淬火钢的硬度仅为5 0 0 8 0 0 h v 。 刚度：材料的刚度由弹性模量来衡量，由于离子键和共价键的作用使得工程 一 f 第一章绪论 陶瓷材料具有很高的弹性模量。是金属的几倍。另外，弹性模量还与工程陶瓷各 相的种类、分布、数量及气孔率有关。 强度：由于工程陶瓷显微结构的复杂性和不均匀性使得实际强度值比理论强 度值低很多，抗压强度非常高，抗弯强度较高，而抗拉强度很低，仅为抗压强度 的i 1 0 左右。 塑性：工程陶瓷在室温下几乎不存在塑性变形，而在高温低速加载的条件下， 滑移系增多，原子的扩散促进位错及晶界原子的迁移，特别是组织中存在玻璃相 时，工程陶瓷可表现出一定的塑性。 脆性：工程陶瓷晶体是由阳离子和阴离子或阴离子和阴离子之间的化学键结 合而成，化学键具有方向性，原子堆积密度低，原子间距离大，表面能低( 工程 陶瓷材料的表面能一般为1 0 1 5 j m 2 ，而金属材料一般为5 0 0 0 , - 5 0 0 0 0 j m 2 ) ，使得 工程陶瓷具有很大的脆性，受载时尚未发生塑性变形，就会在较低的应力下发生 脆性断裂。 2 热性能：熔点高；比热随温度升高而增大；线性膨胀系数小；热稳定性 差。 3 电学特性：工程陶瓷的电学性能涉及范围广，既可做导体，又可做半导 体，也可做绝缘体。 4 化学稳定性：工程陶瓷结构稳定，以离子晶体为主要结构时，金属离子屏 蔽于氧离子之中，很难与介质中的氧发生化学作用；以原子晶体为主要结构时， 共价键结合力很大，难以发生键的破坏，故化学稳定性很好。 1 1 3 工程陶瓷的应用 由于工程陶瓷具有优于其它工程材料的性能，已广泛应用子电子、宇航、汽 车、制造、冶金、化工、计算机等行业或领域，并且随着材料科学和各种新技术 的兴起和发展，原料粒度不断细化，增韧补强措施层出不穷，以及制备工艺的不 断进步，工程陶瓷材料的性能日益完善和提高，这使得工程陶瓷的应用愈益引起 各方面的重视，同时加工技术的不断发展也进一步促进了工程陶瓷的应用。表1 。 l 总结出了不同工程陶瓷材料的用途。 1 1 4 工程陶瓷的缺陷 陶瓷材料虽然具有许多金属材料不具备的特殊性能。但某些性能却远不如金 属材料，如其抗冲击能力差、抗弯强度较低、易于产生裂纹和发生脆断、抗热震 性能差、脆性大，许多加工方法就是利用这些弱点进行的。 第一章绪论 表1 - 1工程陶瓷材料的用途 性能材料应用 强度p s z 、s i 3 n 4 、s i c 等塑料或金属的增强材料 硬度、 s i 3 n 4 、s i c 、a 1 2 0 3 、z r 0 2 、s i a l o n 、c b n 、切削刀具、夹具、模具、轴承、磨 p c d 、金属陶瓷等削材料、研磨材料等 耐磨性 s i c 、石墨机械密封 低热膨胀 a 1 2 0 3精密机械零件 z r 0 2 、t i b 2高温炉内材料 性 莫来石、堇青石各种炉内构件等 耐热性、 s i 3 n 4 、s i c 、z r 0 2 、t i b 2 、a 1 2 0 3 、s i a l o n 等燃气涡轮发动机零件、柴油机零 件、航空航天零件、高温气体流量 高温强度 调节阀、加热炉导规等 化学稳定 a 1 2 0 ”z r 0 2 、s i c 、s i 3 n 、啊n 、b n冶金、化工用管道、喷嘴、阀门、 性泵、容器、表面涂层材料等 其他特性光学玻璃、压电陶瓷材料、磁性材料等光学元件、超声器件、绝缘材料等 1 2 工程陶瓷加工方法概述 工程陶瓷具有优良的性能，然而就是这些优良的性能导致了陶瓷加工上的困 难，又制约了工程陶瓷材料的广泛应用。 1 2 1 工程陶瓷的机械加工 机械加工的切削、钻削和磨削三种方法，是工程陶瓷的传统加工方法，它利 用比工件材料硬度更高的工具如金刚石或涂层刀具对工件材料进行加工 j 。机械 加工方法的主要不足在于：加工设备与加工工具昂贵、加工效率低、工具磨损严 重；另外，工具的制造和修整困难。 1 2 2 工程陶瓷的电加工 电加工根据加工陶瓷材料的不同分为导电工程陶瓷的电加工和非导电工程陶 瓷的电加工两种。主要通过电极间放电产生高温熔化和汽化来蚀除材料，材料的 可加工性主要取决于材料的热学性质，如熔点、膨胀系数、导热系数、热稳定性 等，而材料的力学性能影响较小。工程陶瓷热稳定性能差，是电加工的主要依据， 然而电极烧损严重、加工效率低、加工精度和表面质量都较差”。 1 2 3 工程陶瓷的超声加工 超声加工利用工程陶瓷的脆性，通过工具的高频振动，使磨削液中的磨粒撞 击工件和超声空化作用达到材料去除的目的。传统的超声加工可以加工圆孔、型 腔和特殊轮廓的孔，旋转超声加工提高了加工效率，仍存在如下缺点：工具更换 第一章绪论 较麻烦，工具磨损严重，并且工具的磨损影响加工速度和加工质量，加工效率相 对较低1 7 。”。 1 2 4 工程陶瓷的复合加工 复合加工通常具有较高的加工速度和较好的加工质量，是当前工程陶瓷加工 技术的发展趋势。目前超声复合加工的方法很多，如超声电火花复合加工、超声 车削复合加工、超声钴削复合加工、超声磨削复合加工等等。其中超声磨削复合 加工是利用工件的脆性，使电镀金刚石的工具磨头以超声频( 2 0 k h z 左右) 和一 定的振幅( 2 0 p m 或更大) 振动，并加以高速磨削，通过磨削液中的磨粒和电镀金 刚石工具对工件进行高速撞击、超声空化、电镀金刚石砂轮磨粒的磨削，达到材 料去除的目的，比传统的加工方法效率提高6 1 0 倍，并且提高了加工精度。超 声磨削加工过程中不产生大量的热量，表面残余应力小、无热损坏，同时工具寿 命大幅度提高，并且工具硬度可低于工件硬度，尺寸精度达0 0 0 2 m m ，表面粗糙 度达r a = 0 1 1 t m ，圆度可达o 0 5 a u n ，圆柱度可达0 0 1 m m ；磨粒的粒度影响加工表 面质量和加工孔的精确度【l i ”2 ”。 1 3 超声磨削加工技术发展概况及特点 1 3 1 国内外发展概况 早在1 9 2 7 年r w w o o d 和a l l o o m i s 就发表一篇关于超声加工的论文，1 9 4 5 年l b a l a m u t h 申请了关于超声加工的专利。从5 0 年代初开始超声撞击磨削就有 了长足发展，1 9 6 0 年左右，英国h a w e l l 原子能研究中心的科学家发明新的超声 磨醐复合加工方法，这种方法由超声振动与高速磨削复合而成。7 0 年代，美国也 开始进一步研究，日本则于8 0 年代后期成功地研制出了样机。这其中有代表性 的是美国b r a s o n 声能公司的u m t 5 型超声磨削加工机，其加工效率较传统方法 高6 1 0 倍，目前超声磨削加工已广泛应用，如超声钻孔、超声多维加工、超声研 磨等 l 4 ”，2 ”2 1 。 我国超声加工始于5 0 年代末期，曾掀起一阵群众性的“超声热”，由于当时 超声电源、换能器、声振系统很不成熟，缺乏合理的组织和持续的研究工作，很 快就冷了下来。6 0 年代末，哈尔滨工业大学应用超声车削，加工了一批飞机上的 铝制细长轴，取得了良好的切削效果。1 9 7 6 年以后，我国再次展开超声加工的试 验研究和理论探讨工作。吉林工业大学、广西大学及甘肃光学仪器厂等单位，率 先进行超声车削设备及试验的研究。1 9 8 2 年，上海钢管厂、中国科学院声学研究 所以及上海超声仪器厂研制成功超声拉管设备，为我国超声加工在金属塑性加工 第一章绪论 中的应用填补了空白。1 9 8 3 年，机械电子工业部科技司委托机械工艺师杂志 编辑部在西安召开了我国第一次“振动与切削专题讨论会”，1 9 8 5 年，机械电子 工业部第1 1 研究所研制成功超声旋转加工机，在玻璃、陶瓷等硬脆材料的钻孔、 套料、端铣、内外圆磨削及螺纹加工中，取得了优异的工艺效果。8 0 年代后期， 天津大学的李天基等人在高速磨削时对磨头旖以超声振动，提出了高效的超声磨 削复合加工方法，效率比传统的超声加工提高6 倍以上，表面质量也有了大幅度 提高，1 5 他1 9 】。 1 3 2 特点 1 ) 精度高，加工质量好； 2 ) 加工工具硬度可比被加工材料硬度低，且工具磨损较小； 3 ) 用途广：加工小孔、套料、型腔以及超精密镜面加工等； 4 ) 机床结构简单，成本低，易于实现数控； 5 ) 随压电材料和电力电子技术的发展，加工效率和加工质量可同步提高； 6 ) 不仅适于工程陶瓷的加工，同样适合于其它硬脆材料的加工； 7 ) 涉及机械、电子和声学的综合技术。 1 4 超声磨削加工系统研究现状及存在问题 1 4 1 超声加工电源和抉船器 超声加工电源是将工频电能转化为频率为声学系统( 换能器、变幅杆、工具 及声负载) 固有频率的功率超声的装置。现有超声加工电源无法识别声学系统的 固有频率而进行频率跟踪，只能手动调节输出频率，使得工具头输出的振幅最大， 然而工具的磨损、工件材质的变化、声学系统温度变化以及加工参数的变化等因 素都能引起系统固有频率的变化而影响输出功率和工具端振幅，这样就很难保证 加工效率，并且加工过程中振幅变化大，加工质量难以保证，振幅急剧变化也会 损坏声学系统：另外，这些超声加工电源大部分是通过他激产生振荡信号，然后 进行功率线性放大，效率比较低 3 5 4 7 l 。现在许多单位已经开始了对超声开关电源 的研究，其在开关速度、体积重量以及效率等方面已表现出无法比拟的优越性， 此外，超声开关电源的保护容易实现，如过流保护、过压保护、过热保护等m 4 。 但真正适合于超声磨削加工的电源却研究较少，如哈尔滨工业大学主要研究适合 于切削和焊接的超声电源，采用恒功率输出控制或为断续工作，不适于超声磨削 加工【”“。 换能器的功能是将超声电源产生的超声频电振荡信号转化为超声机械振动， 第一章绪论 是超声设备的关键部件。工业应用中，电声换能器有磁致伸缩和压电两种。磁致 伸缩换能器具有小的机械q 值，可以传递声能的频率范围宽( 1 7k h z 2 3k h z ) ， 能容许变幅杆的设计制作存在的误差以及工具磨损。然而，磁致伸缩换能器的效 率极低( 5 0 左右) ，电能损失转化为热能，因此必须带有冷却设备哪删，另外， 工作时的高速旋转，使得其结构相当复杂。压电式换能器能克服上述缺点，它体 积小，机械谐振频率低，输出振幅大，阻抗易于控制和匹配，效率高( 可达9 0 ) ， 不需要冷却设备，为旋转加工提供了方便。然而，压电换能器的机械q 值非常高， 超声电源输出频率偏离声学系统的固有频率时，哪怕极其微小，也会使声学系统 表现出极大的阻抗，从而影响能量的输出阮。现在国内的超声加工装置多采用 磁致伸缩换能器，主要由于压电换能器质量问题和超声电源无频率跟踪性能限制 了其应用。国外已经把大功率压电换能器用于超声焊接中，如美国b r a s o n 公 司的超声焊机功率可达2 0 0 0 w ，只不过为断续工作，每个焊接周期仅工作零点几 秒。若将压电换能器用于超声磨削加工，由于其高速旋转和静载荷的存在，其结 构设计( 声学系统固定点的选择) 也存在困难。 1 4 2 变幅杆和工具 变幅杆有两个功能：聚能作用和能量有效的传输。由于抉能器的输出振幅 ( 4 1 0 a m ) 很小删，必须通过变幅杆将振幅放大到2 0 t m 左右，才更有利于加工。 变幅杆有阶梯变幅杆、悬链形变幅杆、指数变幅杆、圆锥形变幅杆，以及复合形 变幅杆等，阶梯形变幅杆设计制作简单且面积系数相同时振幅放大系数最大，是 在超声加工中普遍使用的一种【4 6 1 ，存在的问题是粗细过渡的地方易于产生应力集 中而造成疲劳断裂。另外，变幅杆的材料必须具有良好的传声性能、高的机械q 值、较好的抗疲劳性能。 为了使工具易于更换，往往把工具用螺纹连接方式固定于变幅杆上，其缺点 是工作时可能由于松动而损失能量或疲劳损坏h 7 “1 。工具形状的设计对加工效率 和质量影响很大，现在采用的工具形状多为圆柱状，这种工具的缺点在于加工过 程中新的磨削液难以进入，导致加工效率低且工具磨损较快。加工直径和深度较 大的通孔时往往采用套料钻，磨削液可从工具中心进入，这样既易于磨削液进入 到加工区又减小了a n - l - 面积，保证加工速度，然而高速旋转给这种方法带来较大 的困难。 1 4 3 进给机构与磨削液供给系统 由于静载荷对加工效率影响较大：进给力过小，材料去除率低；进给力过大， 第一章绪论 磨削液难以进入，材料去除率低，进给力太大将会压弯工具；同时要求静载荷随 加工面积的改变而改变。进给系统的功能就是使工件始终与工具以一定的静载荷 接触以实现最佳超声磨削加工。现有的超声磨削机床往往是在其他床身上改造而 成，还沿用其进给方式，然而恒速进给不适于超声磨削加工，因为其加工速度受 多种因素的影响。自由施加静载荷的方式很多：液压进给、重力进给、气动进给、 弹簧拉力进给f 1 2 ，1 4 , 2 ”。英国的e l e g g e 采用液压进给工具的方式f 2 4 j ，这种方式易于 实现自动控制力的大小，但要求密封性好，装置复杂；国内大部分装置采用重力 进给的方式，这种方式给主轴系统加一配重，有利于机床的平稳运行，而重力的 改变影响进给摩擦力的大小，另外使机床体积变大；现在还没有文献使用气动进 给方式。 磨削液供给系统由电机、泵、磨削液箱等组成。该系统的作用是给加工区提 供新磨粒；对工件、工具进行冷却：带走碎屑：并在工具、磨粒、工件之间有效 的传递声能。 1 5 课题的提出和主要研究内容 1 5 1 课题的提出 工程陶瓷由于具有优良的机械性能、优于金属的高硬度、化学稳定性、耐高 温能力和电特性，己得到广泛应用。然而工程陶瓷材料的脆性和高硬度使得其加 工难度大、加工效率低并且费用高，也限制了其应用的广泛性。传统的机械加工 方法难度大、表面质量差，而一些特种加工如电火花加工、激光加工都是依靠热 量对工件进行加工，存在表面损伤；电解加工依靠电化学腐蚀更不适于加工工程 陶瓷。超声加工是工具或自由磨粒以超声频率小振幅冲击加工，非常适合于工程 陶瓷的加工，并且表面损伤和残余应力都很小，表面质量好。超声磨削加工虽比 超声加工效率有所提高，但与金属材料加工相比，由于加工材料所限仍是一种低 效率的加工过程，为尽量提高加工效率和加工质量需要改进控制技术，随着电力 电子技术的发展，由功率开关元件构成的开关电源显示出无法比拟的优越性，主 要表现在开关速度快、效率高、控制容易、体积小重量轻，从超声磨削加工系统 观点出发，研制具有多种控制功能、结构简单并可进行连续加工的超声磨削加工 专用电源和机床对提高加工效率和加工质量具有十分重要的意义。 1 5 2 课题研究的主要内容和任务 1 ) 对超声磨削加工过程进行分析，得到超声磨削电源应具有的性能以及实现这 些性能的控制量； 第一章绪论 2 ) 将超声电源应具有的性能用具体的电路实现，从而研制出一台适合于超声磨 削加工的体积小重量轻的专用电源； 3 ) 通过对声学系统与机床的总体设计，研制出一台适合于工程陶瓷等硬脆材料 小孔加工的超声磨削机床； 4 ) 通过实验，分析电源性能对加工效率和质量的影响，并对影响加工效率和质 量的因素进行分析。 第二章超声电源控制方案与总体结构的确定 第二章超声电源控制方案与总体结构的确定 2 1 超声加工电源应具备的性能 1 频率自动跟踪功能 换能器的声负载阻抗在不同的应用场合是不同的，在许多情况下还随时间而 变化。加工过程中，振动系统的温度、刚度以及静载荷、加工面积、工具磨损、 加工材料等因素的变化都能使得系统的固有频率发生漂移，换能器的谐振频率同 时随着改变p ”7 4 4 - 1 5 , ”。l 。如果超声电源的工作频率不随之改变，换能器会工作于 失谐状态，由于压电换能器的机械q 值较大，使得电源输出效率大大降低，这就 要求超声电源应具有频率自动跟踪功能，以保证换能器始终工作于谐振状态，取 得最大的加工效率。 2 振幅恒定输出功能 实际加工中，机械负载是经常变化的：加工小孔时直径的变化，静载荷的改 变，加工材料材质的不均匀等。既使频率跟踪性能良好，负载的增大也会引起输 出振幅、单位负载功率下降4 2 i ；尤其是超声设备工作过程中，变幅杆从有载变 为空载( 空载变为有载) 时，机械阻抗急剧变小( 大) ，超声电源、换能器和工 具头极易受到损坏。为提高加工表面质量及工艺过程稳定性，要求换能器传送出 的机械功率随负载的变化而变化，使工具头输出振幅恒定。 3 自动保护功能 超声加工电源应具有必要的保护功能，如过流保护、过压保护、功率管及换 能器过热保护、功率管直通保护，防止高频变压器单相偏磁，以及消除浪涌电流、 电压对功率管的损坏等等弘5 9 1 。 2 2 反馈控话4 量的确定 反馈控制有声反馈和电反馈两种，即从换能器的声端或电端取得一个或多个 反映换能器谐振和功率特性的信号，用这些信号控制超声电源的频率和输出功 率。从声端获得信号的声反馈法，获取信号的难度大，且精度较低，实际电路中 较少使用；而从换能器的电端获得信号的电反馈法，反馈信号稳定、干扰少、监 测系统稳定性好、信号易于获得，故本设计采用电反馈法。 从加工效率出发，根据机械与电的等效理论1 3 6 1 ，超声换能器( 含匹配电感， 本节中以下相同) 可以用一个二端口网络等效，如图2 - l 所示，口，、，表示换能 第二章超声电源控制方案与总体结构的确定 器的输入电压、电流，d ：、丘表示机械 端振动力、振动速度，屹为机械阻抗。 网络的z 参数【叫方程为： 阱z 嘲 ( 2 一i )图2 - l 换能器等效二端口网络 由于换能器和匹配电感损耗相对输出声能可以忽略不计，z 相当于纯电抗参 数，则z 参数方程可表示为： 阱瞄黝嘲 协z ， 以= 一易恐 ( 2 - 3 ) 由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可得换能器的输入阻抗z i 和电流传输比n i 为 互= 譬= 措+ 水x n , r x 2 圳l x = 协。， ：耋：一些2 1 ( 2 5 ) i i ，i x n + r ： 当 西1 一錾塑粤：o ( 2 - 6 ) 如+ x 2 2 ， 时，z i 为实数，换能器谐振，输入电压口，和电流t 的相位差为零，0 的有效值 ，取得最大值( 假定换能器输入电压不变) ，输入换能器的有功功率最大。由式 ( 2 5 ) 可得二端口输入输出电流有效值之间的关系为： l 2 赢 q 。 由纵振换能器的特性可知x 2 2 恐，式( 2 - 7 ) 可简化为： ：= 争， ( 2 - 8 ) 则谐振时，i ：的有效值，：同样取得最大值，即当换能器谐振时，输出功率最大， 机械端振幅a 为： 第二章超声电源控制方案与总体结构的确定 a = 2 4 z 【。i ：s i n ( c o t ) d t ( 2 _ 9 ) m 为谐振角频率，于是可以得到工具振幅与输入电流有效值的关系： a ：丛磐 ( 2 - 1 0 ) 6 0 42 2 换能器固有参数如和x ：。为常量，换能器谐振角频率m 为常量，当，恒定时输 出振幅a 恒定。 由上分析可知：可以把换能器电压与电流的相位差或电流有效值作为反馈量 调节逆变频率，把换能器电流作为反馈量调节整流输出电压，实现超声系统谐振 控制和振幅恒定输出控制。 2 3 频率跟踪与恒幅控制实现方式的选择 2 3 1 频率跟踪的实现方式 目前，把电流或电压电流相位差作为反馈控制量进行频率跟踪的电反馈法， 主要有以下几种方式1 3 6 , 5 1 5 3 1 ： 1 电流有效值反馈法 如图2 2 所示，其中，l 1 、c 1 、r l 、c o 构成换能器的近似等效电路，分别表示动态 电感、电容、损耗电阻、静态电容。通过电 流互感器或取样电阻获取流经换能器的电 流，经过转换电路得到电流的有效值，在频 率的变化中寻求电流有效值的最大值，以电 流有效值为最大值时的频率控制逆变器，这 种方法适于微机控制，但频率跟踪不灵敏， 精度较低，稳定性较差。 2 差动变量器电桥法 实际也属于电流反馈法，如图2 3 所示。 t 是差动变量器，c 2 为补偿电容，t l 和t 2 是变量器的两个对称线圈。当c o 、y l 、t 2 和c 2 组成的电桥平衡时，1 2 和1 0 在变量器 t 中产生的磁通相互抵消，只有换能器动态 串联支路电流1 1 通过t 1 所产生的磁通会在 绕组t 3 中产生感应电压u i ，所以u 。只与串 c 1 l 1 r 1 图2 - 3 差动变量器电桥法原理圈 第二章超声电源控制方案与总体结构的确定 联支路的电流有关。当谐振时，i 最大，且与激励电压u o 同相，满足振荡产生的 相位条件，因此，超声电源可以把u ；作为反馈信号实现频率跟踪。但此方法匹配 元件较多，体积大，损耗较大，匹配电路计算难度较大。 3 锁相法 当换能器与超声电源匹配且调谐时，其输入特性相当于纯阻性，加在换能器 两端的电压与电流同相，一旦换能器失谐，电压和电流就会出现相位差。锁相法 的原理如图2 - 4 ，就是通过检测这个相位差的大小和方向进行反馈，调节工作频 率，始终保持换能器的龟玉, t n 电流同相位，工作于谐振状态。此方法跟踪速度快， 效果好，电路集成度高，故本设计采用此方法。 目薰目一 睦寸t 亟) 咂酣叵 徊 l 一电流取样卜_ _ 一 图2 - 4 锁相法原理框图 2 3 2 功率调节与振幅恒定的实现方式 超声开关电源要求输出功率可以手动调节，并把换能器电流作为负反馈控制 量，稳定流经换能器的电流，实现工具端振幅恒定。实现输出功率调节的方法有 以下两种 4 1 , 5 1 - 5 7 】： 1 调节直流电源电压 通过改变逆变器两端的输入直流电压，调节输出功率的方式有两种：一种是 通过改变可控硅的同步触发角来调整整流器输出电压。这种方法控制简单，运行 可靠，且运用元器件较少；另一种采用斩波脉宽调制方式，把整流后的直流电压 通过斩波器进行调压，再经滤波给逆变器供电。这种方式效率较高，然而需经两 次滤波，且斩波器为高压关断，适于整流输出电压平稳的电路，如三相全波整流 电路。 2 改变功率因数 采用改变逆变功率管的触发频率，从而改变其负载阻抗的大小，达到改变输 出有功功率的目的，这种方法可以采用不可控整流，电路相对简单一些，但却使 得逆变开关管承受高的浪涌电压和浪涌电流，同时由于电源经常工作于低功率因 数状态，流过功率管的无功电流大，而且这种方法不支持频率跟踪，故在超声加 第- - t 超声电源控钳方案与总体结构的确定 工电源中较少使用。 2 4 电源总体结构方案的确定 传统的超声发生器功率管工作于放大状态，效率低且控制困难。而开关型高 频电源具有以下优点1 5 9 - 6 a | ： 1 ) 效率高 开关电源的功率开关器件工作于开关状态，导通时管压降很小，截止时电流 几乎为零，因此工作时管耗很小，致使开关电源的效率很高，通常在8 5 以上， 而线性电源效率一般低于6 0 。 2 ) 体积小重量轻 开关电源的开关频率较高，电路中使用的变压器、电抗器体积小、重量轻； 开关电源无需工频变压器，可直接由电网整流滤波供电。 基于以上两点，本文选用晶嗣管整流得到直流电压，然后通过开关器件进行 逆变，产生超声频振荡电能，驱动换能器，并在电路中加入必要的保护措施，有 利于超声磨削加工的顺利进行 综上所述，本文设计的超声加工开关电源的基本构成示意图如图2 5 。 图2 - 5 超声加工开关电源的总体结构示意图 2 5 本章小结 通过对超声磨削过程的分析确定了加工电源应具备的功能：频率自动跟踪功 能、恒幅输出功能以及自动保护功能；应用电路理论分析得到实现以上功能的反 馈控制量，通过对控制方式的选择并考虑开关电源的优点，设计出超声磨削加工 电源的总体结构方案。 第三章超声磨削加工开关电源的设计 第三章超声磨削加工开关电源的设计 3 1 主电路结构、原理及功率元件的选择 3 1 i 主电路结构的选择 1 整流器结构的选择 整流器的作用足把工频交流电能转换成直流电能。在超声加工装置中，整流 器的负载是逆变器，对整流器有如下基本要求： 1 ) 提供逆变器所需的直流功率，输出直流电压手动连续可调，从而可以调 节出适应不同加工条件的工具振幅； 2 ) 在加工负载变化时，能自动的调节输出电压，以保持振幅恒定； 3 ) 在电源或换能器过压、过流、过热时能自动产生保护。 能够实现上述基本功能的整流电路 结构有单相桥式全控和桥式半控以及三 相桥式全控和半控，由于三相电路需元 件多且控制复杂，本超声加工电源功率 相对较小，故选用单相方式；又由于单 相桥式全控需要开关器件多，单相桥式 半控完全能实现其功能，故选用单相桥 式半控整流电路，如图3 - i 所示，把两个 晶闸管置于同一桥臂，另一桥臂可作为 续流管，节省一个续流二极管，代价是 两个晶闸管的触发信号必须隔离。 2 逆变器结构的选择 一 fs lj：d 1一 -j 0 1 c 一 一：s 2j：弛 图3 - i 单相桥式整流电路 逆变器的作用是将直流电能转变为超声频交流电能，传送给换能器，经变幅 杆使工具产生超声频机械振动。可选择的主电路形式有多种，主要有推挽式、全 桥式和半桥式三种| 5 6 4 ”。它们各有特点和应用范围，具体分析如下： 1 ) 推挽式逆变电路 推挽式电路如图3 2 所示。高压开关管v t i ，v t 2 交替通断，输入直流电压 在高频变压器的副边被转变成高频交流方波电压。当v t i 导通时，输入电源电压 u 通过v t i 施加到高频变压器t l 的原边绕组，由于变压器具有两个匝数相等的 主绕组，故在v t i 导通时，截止功率管v t 2 将承受两倍的电源电压。这种电路 一一一订一一 第三章超声磨削加工开关电源的设计 形式存在不平衡性t ”1 ，易产生 高频输出变压器磁通饱和而损 坏功率开关。此外，原边绕组 只有一半时间工作，高频变压 器的利用率太低。 1 ) 全桥式逆变电路 全桥式逆变电路如图3 3 所示。功率开关管v t l 、v t 2 和v t 3 、v t 4 组成桥的两臂， 高频变压器t 1 连接在它们中 间，同桥臂的两个功率管交替 通断，将直流输入电压转换成 高频方波交流电压。当一组功 率管导通时，截止的两个功率 管同时承受输入电压( 即为 u ) ，故功率管的耐压要求低， 高频输出变压器通过功率管直 接接电源电压从而易于获得大 功率输出。但是，电路使用了 四个高频功率管，并且需要彼 此绝缘的驱动电路，电路复 杂，元件多。 2 ) 半桥式逆变电路 半桥式逆变电路如图3 - 4 所示。与全桥式结构相似，只 是把一个桥臂上的功率管换为 两个容量相等的电容器c l 和 c 2 ，c 1 和c 2 同时起滤波作 图3 - 2 推挽式逆变电路 0 3 w ，丘匪 ：v v r 3 u e 芏lt i - 、 一 婴 ：； j d 4 l v r ：孽 一 州粤 【一 图3 - 3 全桥式逆变电路 图3 - 4 半桥式逆变电路 用，可省去滤波电容，其工作原理为： 两个电容器充电后，电压均为输入电压的一半，即u 。，= u 。：= u 2 ，当功率管 v t l 导通时，电容c 1 通过v t l 和高频输出变压器的原边放电，同时，电容器c 2 通过电源、v t i 和高频变压器的原边充电：当v t 2 导通时，c 1 充电，c 2 放电， 厂。l 第三章超声磨削加工开关电源的设计 从而不断地通过高频输出变压器输出高频交流方波电能。 显然，一个功率管导通时，截止功率管上施加的电压大致和输入电压相等。 这样半桥式逆变电路的优点是，功率管数目只有全桥式的一半，功率管的耐压只 有推挽式的一半，并且该电路具有较强的抗不平衡能力。但是，高频变压器上施 加的电压只有输入电源电压的一半，输出功率较小，一般宜于中等容量输出。 4 ) 三种电路型式的综合比较 上述三种电路型式各自的特征可归纳成表3 i 表3 - 1 逆变电路形式的比较 型式 项目、 推挽式全桥式半桥式 功率管承受的电压 2 uuu 输出相同功率时流过 i di di d 2 功率管的电流 高频变压器施加电压 uuu ，2 功率管数目 242 输入滤波电容数目 l12 驱动电路的复杂程度简单复杂中等 输出功率小大 由 元器件数目少多中 宣于获得的输出容量大大中等 抗不平衡能力差 差 强l ”1 本超声加工电源要求功率为2 5 0 w ，综上所述，适于采用半桥式逆变电路。 3 换能器匹配方式的设计 超声加工装置中，由于压电陶瓷片的 容性而使其在谐振状态呈现容性。为了使 能量有效的输出，提高系统的功率因数， 保证超声电源有效的工作，必须加入匹配 电路。匹配方式主要有串联匹配和并联匹 配两种【”1 。 在机械谐振状态附近串联匹配的等效 电路如图3 5 所示。其中，l c 为串联匹配 电感，l l 、c l 、r 1 、r l 分别表示声学系 统的动态电感、电容、损耗电阻和负载机 械阻，并联电阻r 0 和电容c 0 为换能器的 图3 - 5 串联匹配等效电路图 第三章超声磨削加工开关电源的设计 介电损耗电阻和静态电容。由于r 0 非常大而r l 非常小，r 0 可忽略。则换能器 与匹配电感两端的电端阻抗为： z c ：j c o l c + 璺咚丛县尘缝l 一 ( 3 - 1 ) j ( o d c l + c 。一国3 l l c o c l ) 一c o2 c o c i ( r l + r ) 声学系统工作于机械谐振状态即2 2 c 。时，换能器与匹配电感两端的电端阻 抗为： z c ：j r a l c + 当錾( 3 - 2 ) 一 。j o x ：o ( r l + r l ) + l 匹配电感应为： 此时k = 雨( r 丽i + r 研l ) 2 c o ( 3 3 ) z c2 鬲糕。， 并联匹配电路在机械谐振状态下的 等效电路如图3 6 。其中，l b 为并联 电感。于是谐振状态下换能器与匹配 电感两端的电端导纳为： 一= l刊 p i r l l 图3 - 6 并联匹配等效电路图 = _ ，一膨。) + ，面再蒜暑瓦丽 协s ) 声学系统工作于机械谐振状态即22 必。c 时，换能器与匹配电感两端的电端阻 抗为： z 。：_ 型婆盟_ ( 3 - 6 ) 。j m 占一国2 c o l 口( r i + r l ) + ( r l + r l ) 并联匹配电感为： 铲厶 ( 3 - 7 ) 第三章超声磨削加工开关电源的设计 此时， z a = r l + r l ( 3 - 8 ) 由上分析可知：串联、并联匹配电路都具有调谐功能，即使电源负载处于谐 振状态；串联匹配电路具有变阻功能，可将换能器与匹配电感的阻抗变至适当值。 而并联匹配无此功能；串联匹配电路具有滤波功能，由式( 3 - 2 ) 可知输出方波中 的高次谐波在串联匹配电感中具有很高的阻抗，对换能器输出影响小，同时减轻 了功率管的负担，并联匹配无此功能。串联匹配中逆变功率管零电流关断，关断 时间短，损耗小，而并联匹配，在换流期间功率开关器件可能承受反向电压，大 电流关断，故本设计中采用串联匹配方式。 4 逆变器输出方式的选择 逆变器输出方式有两种：直接输出和变压器耦合输出。采用单相桥式半控整 流，经电容滤波后输出电压高达三百多伏，换能器与匹配电路在谐振点附近近似 等效为图3 7 。其中，l 为匹配电感，c 为换能器电容，r 为机械阻抗，则换能器 两端的电压u 。为： 蜘万万u 面( 形j j t o c 删 谐振时，国2 = c ，q = 哆= 二c 则换能器两端电压有效值为： u n ：u o 而 ( 3 1 0 ) 若逆变器直接接匹配电感和换能器，由 式( 3 1 0 ) 可知，谐振时换能器上的电压是 整流器输出电压的q 倍以上，而且压电换能 器的机械q 值较大，尽管匹配以后q 值有所 降