（材料学专业论文）超声磨削设备及工艺试验.pdf

摘要 摘要 超声磨削技术是在磨削加工中引入超声振动，借助超声振动的作用去除工件 上的被加工材料。近年来，随着科学技术和工业的发展，需要超声磨削加工的硬 脆材料越来越多。而作为超声磨削加工关键技术的超声波电源及超声机床的设计 引起了广泛的关注。 本文针对相关项目的内容，研制了超声波电源样机，并结合超声磨削加工的 需要，设计制造了一台五轴四联动的超声磨削加工设备。 在超声电源设计中，全部采用模拟芯片控制系统，具有反应速度快，设计简 单，成本低廉等特点。在电源的信号控制部分，采用c d 4 0 4 6 作为脉冲波形发生 器，此芯片同时可完成频率自动跟踪功能，使电路大大简化。同时在驱动电路之 前加了脉宽调制电路，防止直通现象的发生，确保电路安全。并综合考虑了电源 效率、体积重量等问题，本电源样机采用集成芯片i r 2 1 1 0 驱动加半桥变换器， 使电路简单，降低了电源的成本。电源的逆变部分，自行设计制作了高频变压器， 选择功率m o s f e t 管作为主功率开关器件，通过设计合适的缓冲吸收电路，较好 的解决了逆变过程中波形畸变、自激振荡以及电压过冲等问题。并设计了快速保 护电路。经试验证明电源逆变器工作稳定，输出波形良好，发热量小。 在机床的设计部分，广泛查阅的相关产品的设计，并在老师和同学的帮助下 设计配置了一套五轴四联动的用于超声磨削的加工机床。在机床的设计部分，详 细介绍了工作台的结构设计及机床的控制系统的选择，购置了可对驱动机构运动 进行速度和位置控制的伺服电机以及可实现位移台的精确定位的光栅尺，保证加 工过程的稳定性和良好的工件加工质量。同时设计了一套新型的超声主轴连接、 定位系统，使得主轴结构紧凑、高刚度、高旋转精度。 最后，在分析了磨削机理的基础上，选择了超声磨削的实验参数，应用电源 样机进行了超声磨削的工艺试验，试验结果验证了在磨削中引入超声有利于提高 加工的表面质量，大大提高的加工效率，同时验证了本电源方案及机床设计的可 行性。 关键词：超声电源自动频率跟踪超声磨削 超声机床 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i cg r 砌i 1 1 9i sai 删t e d m o b g yt ow i p eo f f t h ew o r k p 舐u s i i l gt h eu i t m s o n i cv l i b r a t i o n , i t 碱u c c st h eu l t r a s o n i cv i h a t i o nd u r i n gt h eu s u a l 鲥n d j n g u l t r a s o n i cm a c h i n i n gu s e dt or m c h i n e 她r i g i da n dc 却m a t e r i a l s ，i td o n td e p e n do n t h ee l e c t r i cp r o p e r t yo f m a t e r i a l sa n di sa p r o c e s s o f r o n t t m m a l - r n a c h i n i n g t h ee l e c t r i ca n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f t h ew o r k # x ed o n ，ta f f e c tt h eu l t r a s o n i c m a c l l i 1 j 1 1 易a n di th a sb e e np r o v e da ne f f e c t i v em e t h o dt oi m c h i n et h ec e r a m i c sa n ds e m i c o n d u c t o r w r t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g ya n di n d u s t r y , t h en l o r ea n d1 t j o r ed g i da n d 咖m a t e r i a l sn c e dt h e u l t r a s o n i c 咖i n 吕t h eu l 昀s o 血g e n e r a t o ra n du l w a s o n i em a c h i n i n ge q u i p m e n t a r et h ek e y t e c h n o l o g yo f t h ep r o c e s s , t h e i rd e s i g n m e n td r a wb r o a d a t t e n t i o l l t h i st e x tm a k e sas e to f u l t r a s o n i cp o w e rs u p p l ya c c o r d i l l gr e l a t i v es u b j e c t , d e s i g n sa n d p r o d u c e s ap i e c eo ff i v e - a x i su l t r a s o n i cg r i n d i n ge q u i p m e n ta c c o r d i n gt h er e q u i r e r r n to fu l t r a s o n i cg r i n d i n g r n a e l ：l i n i n g d l 疵【1 9t h ed e s i g no f u l w a s o n i cg e n e r a t o r , a l lt h ec o n t r o ls y s t e ma d o p ts i m u l a t i v ec m o sc h i p , i t h a st h er a p i ds p e e da n ds i m p l ed e s i g na n dl o wp r i c e i nt h ep a r to f p o w e rs u p p l ys i g n a lc o n t r o la p p l y c d 4 0 4 6f o rt h ep u l s ew a v e f o r mg e n e r a t o r , t h ec h i pc a na l s oc o m p l e t ea u t o m a t i cf i e q u e n c yt r a c k i n g , i t m a k e st h ec i r c u i tv e r ys i r l l p 够a tt h es a m et i m ei ta d d e dt h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i n gc i r c u i ti nt h ef r o n t o ft h ed r i v i n gc i r c u i t , a v o i d st h e s 旺a i g l 吐o n ，t h i sc a na s c e r t a i ns a f e t y i nc o n s i d e r i n gt h ep o w e r e f f i c i e n c ya n dv o l u m ea n dw e i g h t t h eg e n e r a t o ra d o p t st h ec h i pi r 2 1 1 0a st h ed r i v i i l gc h i pa n d h a l f - b r i d g ec o n v e r t o r , i ts i m p l i f i e st h ec i r c u i ta n dm a k e s t h ep r i c ev e r yl o w t h ec o n v e r t i n gp a r tm a k e su s eo f 崦, hf i e q u e n c yw a n s f o n r g rt h a td e s i g n e da n dm a d eb ym y s e l f , a n dc h o o s e st h em o s f e ta st h em a i np o w e rs w i t c hd e v i c e i tw e a k e n st h ev o l t a g ei m p a c t ， r e d u c e st h ew a v e f o r md i s t o r t i o na n dv i b r a t i n go fi t s e l ft h r o u g hd e s i g n i n gs u i t a b l e s n u b b e rc i r c u i t r a p i d l yp r o t e c tc i r c u i th a v eb e e nd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n th a s p r o v e dt h ec o n v e r t i n gd e v i c ew o r k ss t e a d i l y , t h eo u t p u tw a v e f o r mi sg o o da n dt h e t e m p e r a t u r ep r o d u c e di sl o w d 嘶1 1 9d e s i g n i n gt h er n a c h m 鸣e q u i p m e n t , w i t ht h eh e l po ft e a c h e ra n dc l a s s m a t e sd e s 蜘a n d m a k eas e to ff i v e - a x i se q u i p m e n to nt h eb a s i so fb r o a d l yr e f e r r i l l ga b o u tp r o d u c t s i nt h i sp a r t , t h e a b s t r a c t d e s i g n m e n to fs m a c a r ea r ed e t a i l e d l yi n t r o d u c e da n dc h o o s e no fc o n t r o ls y s t c r r lt h es e r v om o t o r s w e r eb o u g l 吐t h a tc a nc o n t r o lt h es p e e da n dp o s i t i o nt ot h ed r i v i n gs y s t e ma n dg r a t i l l gr u l e r st h a tc a l l a c c u r a t e l yp o s i t i o n e dw i t ht h er m v i l l ：gu n i t s t h e yc a ns t a b i l i z et h em a c h i n i n gp r o c e s sa n dg a i ng o o d q u a l i t yw i t hw o r k p i e c ed u r i n gt h em a e h t l l i l l g m e a n w h i l ean e wt y p eo fu l t r a s o n i cg r i n d i n g p r i n c i p a la x i si sd e s i g n e dt h a th a sg o o dc o n n e c t i n ga n dp o s i t i n gs y s t e m ，i tm a k e st h e p r i n c i p l ea x i sc o n n e c t i n gt i g h t l ya n d h a sh i g hh a r d n e s sa n dh i g hr o t a t i n gp r e c i s i o n f i l l a yo nt h eb a s i so fa n a l y s i st h et h e o r yo fg r i n d 岵c h o o s i n gt h ep a r a m e t e r so fu l t r a s o n i c 鲥n d 吨as e r i e so fu l t r a s o n i cg r i n d i n gt e s t su s i n gt h ep o w e rs u p p l ym o d e lw a s c a r r i e do u t ，t h er e s u l to ft h et e s th a sp r o v e dt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nd u r i n gt h e g r i n d i n gc a ni m p r o v et h es u r f a c eq u a l i t ya n dt h em a c h i n i n ge f f i c i e n c yw a si m p r o v e d e v i d e n t l y i ta l s ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h es c h e m eo ft h eg e n e r a t o ra n dt h e m a c h i n i n ge q u i p m e n ta tt h es a m et i m e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cg e r l g r a t o r , a u t o m a t i cf r e q u e n c yt r a c k , u l t r a s o n i cc , r i n 幽g , u l t r a s o n i c e q u i p m e n t l l i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导老师签字： 弥盈 弓1 9 2 0 0 9 年6 月1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超声加工技术的应用及发展 随着航天航空，半导体，电子工程，自动控制及医疗器械等方面的发展，需 要超精密加工的硬脆材料零件越来越多。目前，可适用于硬脆材料加工的手段主 要有光刻加工、电火花加工、激光加工、超声加工及各种复合加工等特种加工技 术，在这些加工方法中，超声加工适应于硬脆材料的加工，它不依靠工件的导电 性，且是非热加工过程，不受工件的电、化学特性影响，已被证明是陶瓷、半导 体等硬脆材料加工的有效方法。 超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨 料的冲击、抛磨、液压冲击及由此产生的气蚀来去除材料，或给工具或工件沿一 定方向施加超声频振动进行振动加工，或利用超声振动使工件相互结合的加工方 法。超声加工的特点【1 ： ( 1 ) 适合加工各种硬脆材料，不受材料是否导电的限制。 ( 2 ) 由于去除工件材料主要依靠磨粒瞬时局部的冲击作用，故工件表面的 宏观切削力很小，切削应力、切削热更小，不会产生变形及烧伤，表面粗糙度也 较低，可达r a 0 6 3 - - 0 0 8 p m ，尺寸精度可达0 0 3 m m ，也适于加工薄壁、窄缝、 低刚度零件。 ( 3 ) 工具可用较软的材料做成较复杂的形状，且不需要工具和工件作比较 复杂的相对运动，便可加工各种复杂的型腔和型面。 ( 4 ) 可以与其他多种加工方法结合应用，如超声电火花加工和超声电解加 工等。 几十年来，超声加工技术的发展迅速，在深小孔加工、难加工材料加工、超 声复合加工和超声磨削加工领域均有较广泛的研究和应用，尤其是在难加工材料 领域解决了许多关键性的工艺问题，取得了良好的效果。 1 深小孔加工与加工一般的轴或平面比较，在相同的要求及加工条件下， 广东工业大学工学硕士学位论文 加工孔要复杂得多。特别是对难加工材料的深孔钻削来说，会出现很多问题。例 如，切削液很难进入切削区，造成切削温度高：刀刃磨损快，产生积屑瘤，使排屑困 难，切削力增大等。其结果是加工效率、精度降低，表面粗糙度值增加，工具寿命 短。采用超声加工则可有效解决上述问题。 由于利用传统的电火花加工深小孔时，孔内碎片难以排除以及加工稳定性 差，导致孔的加工质量差，有学者提出了运用超声辅助电火花( u e d m ) l ：】力日工的 解决方法，设计出一台能在线制造工具的超声微电火花机床，该方法所用的电极 是单凹1 ：3 电极【3 】( s i n g l e n o t c h ) ，它能有效的排出碎屑，提高加工精度，减少加 工锥度。实验得出，运用这台机床能稳定加工出小于巾2 m m 和长径比大于1 5 的 深小孔。 沈阳航空工业学院进行了精密深小孔的深入研究，分别进行了超声镗孔、钻 孔和铰孔研究试验1 4 1 1 5 6 1 。张建中教授等人提出“采用超声激振双刃镗削可较好弥 补单刀镗削的缺陷与不足 ，提高系统的刚性，进一步提高了精密深度加工精度， 加工表面粗糙度达0 1 9 m ；在进行铰孔试验中，积屑瘤和磷次消失，切削温度保 持室温，孔的圆度可达o 0 0 4 m m ，圆柱度为o 0 0 5 m m ，表面粗糙度为0 1 7 9 m ； 超声钻孔的相关工艺实验表明，这种钻削工艺减少了切削力，降低了切削温度( 一 般在4 0 0 c 左右) ，提高了零件的加工质量( 圆度达0 0 0 3 m m ，圆柱度o 0 0 5 m m ， 表面粗糙度0 1 3 m m ) 。 另外，天津大学研究了超声磨削加工工程陶瓷小孔的实验【，l 。该实验是利用 工件的脆性，使电镀金刚石的工具以超声频率和一定的振幅振动，并加以高速旋 转，通过磨削液中的磨粒和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。结果表明，超声磨削加工可明显提高陶瓷 加工效率，能有效地消除普通磨削产生的表面裂纹和凹坑，是陶瓷深孔精密高效 加工的新方法。 2 硬脆材料加工金属和非金属硬脆材料的使用越来越广泛，尤其是陶瓷材 料，具有高硬度、耐磨损、耐高温、化学稳定性好、不易氧化、腐蚀等优点。然 而，由于工程陶瓷等难加工材料具有极高的硬度和脆性，其成形加工十分困难，特 别是成形孔的加工尤为困难，严重阻碍了应用推广。因此，国内外许多学者展开了 对难加工材料加工方法的研究，其中以超声加工较多。 2 第一$ 镕* 美国内布拉斯加大学和内华达大学对a 1 2 0 3 陶瓷材科微去除量精密超声加工 技术进行了研究。通过实验仿真陶瓷材料超声加工的力学特性对材料去除机制 进行分析，研究发现，低冲击力会引起陶瓷材料结构的变化和晶粒的错位，而高冲 击力会导致中心裂纹和凹痕。 大连理工大学所提出超声分层铣削加工三维陶瓷工件技术的关键是工具损 耗的在线补偿和控制技术，超声数控分层仿铣加工可以对传统成形加工有困 难、甚至无法加工的工件进行加工。采用简单工具分层加工，由于每层厚度很小， 使工具磨损只产生在端面，极大地简化了工艺过程，使工艺规律的建模简单可行。 同时由于工具损耗的补偿是在每一平面层的加工过程中进行的，简化了数控工具 补偿的难度，从而能保证加工过程的可控性和被加工工件的精度。 3 超声复合加工将超声加工与其他传统机械加工或特种加工方法相结合， 形成了各种超声复合加工工艺，如超声车削、超声磨削、超声钻孔、超声螺纹加 工、超声研磨抛光、超声电火花复合加工等。超声复合加工方式较适用于陶瓷材 料的加工，强化了原加工过程，其加工效率随着材料脆性的增大而提高，加工质 量也得到不同程度的改善，实现了低耗高效的目标。 伊朗学者所提出的超声波辅助钻削孔复合加工方法适用于塑性金属”“，加工 质量比一般的钻削加工有很大的提高。超声电火花复台抛光技术是北京市电加工 研究所首次提出的，针对型腔比较狭窄，抛光工具移动距离很小时，超声波抛光 型腔底部时的效率很低，而电火花超声复合抛光则能高效地对型腔底部进行抛 光，故大大提高了型腔底部的抛光效率，。 下图为超声复合加工典型应用实例m ”： k 陶瓷齿轮蓝宝石钟表构件 轻金属钟表电路板 图卜1 超声复合加工 f i g1 - 1u l t r a s o n i cc o m b i n e dm a c h i n i n g 广东工业大学工学硕士学位论文 4 超声磨削加工超声磨削是利用超声振动和砂轮磨削的复合作用来形成 加工表面，加工效率高，缺点是加工变质层较深。已有研究表明：当磨削深度小 于某临界值时，工程陶瓷的去除机理同金属磨削相似，工件材料在磨刃的作用下 通过塑性流动形成切屑，避免较深变质层的形成，塑性磨削可以获得r a 8 0 ) ，但机械强度不高，单位面积 辐射功率小。 磁致伸缩换能器因为具有较低的q 值( q 是能量峰值的锐度) ，所以它能传递很 宽的频率( 例如：对于2 0 k h z 的超声波发生器传递频率范围是17 - 2 3 k h z ) 。这使变幅 杆设计的灵活性增大，也使与变幅杆连接在一起的刀具允许在加工中磨损后可重 磨。另外，在保证变幅杆振幅没有较大损失的情况下，可对其进行几次加工或重 新设计。 磁致伸缩换能器工作时会大量生热，产生较大的电能损失，且使电声转换效 率降低。因此，必须用水或空气进行冷却，从而使换能器尺寸增大。 ( 2 ) 压电效应超声换能器。压电效应是指石英晶体、钛酸钡以及锆钛酸铅 等物质在受到机械压缩或拉伸变形时，在其两端面上产生一定的电荷而形成一定 的电势【。相反，改变端面上的电压，会产生伸缩变形的现象。利用上述物质的 压电效应，在两面加上高频交变电压，该物质就会产生高频的伸缩变形，使周围 的介质作超声振动。 压电换能器电声转换效率高( 9 0 9 6 ) ，不易有热量损失，不需要任何冷 却措施，适应旋转操作，生产容易。 目前所使用的超声换能器，绝大多数仍然是压电晶体材料，其中锆钛酸铅类 压电陶瓷又居多数。这是因为锆钛酸铅类强电介质材料，经烧结、极化后所形成 的压电陶瓷，容易加工，表征能量转换效率的纵向机电耦合系数约7 0 ，相对其 他压电材料，其值较大。 2 变幅杆变幅杆的作用是放大换能器所获得的超声振动振幅，以满足超 声加工的需要。变幅杆之所以能放大振幅，是由于通过其任一截面的振动能量是 8 第一章绪论 不变的( 传播损耗不计) ，截面小的地方能量密度大，振动振幅也就越大。 为了获得较大的振幅，应使变幅杆的固有振动频率和外激振动频率相等，处 于共振状态。为此，在设计、制造变幅杆时，应使其长度等于超声振动波的半波 长或其整数倍。 在进行大功率的超声加工及精密加工时，往往将变幅杆与工具设计制成一个 整体：在进行小功率的超声加工及加工精度不高时，则将变幅杆与工具设计制成 可拆卸式。 目前，对超声变幅杆的研究和优化已广泛应用了c a d c a m 技术和有限元分析 技术。如使用a n s y s 软件对变幅杆进行优化：首先分析需要的所有数据( 材料属性、 频率范围等) ，定义结构的几何形状：然后求解，计算固有频率、位移、应变和应 力；最后是估计分析结果和画出应力曲线。 3 工具超声波的机械振动经变幅杆放大后传给工具，使磨粒和工作液以一 定的能量冲击工件，并加工出一定的尺寸和形状。 工具的结构尺寸、质量大小以及与变幅杆连接的好坏，对超声振动共振频率 和超声波加工性能均有很大影响。 整个振动系统的连接部分应接触紧密，否则超声波传递过程中将损失很大能 量。在螺纹连接片应涂以凡士林油，绝不可存在空气间隙，因为超声波通过空气 时会很快衰减，换能器、变幅杆或整个振动系统应选择在振幅为零的驻波节点。 工具材料应有高的抗磨损性，好的弹性和高的疲劳强度，常用的工具材料有 硬质合金、蒙乃尔铜一镍合金等，其韧性和硬度要具有最佳值。近年来，多晶钻 石( p c d ) 也被应用于对非常硬的工件材料( 如热等静压氮化硅) 的加工。 1 2 3 超声加工机床 超声加工机床包括支撑振动系统的机架及工作台面，使工具以一定压力作用 在工件上的进给机构、床身等部分。传统的超声加工机床自动化程度低，操作麻 烦。随着计算机技术的不断发展，为了实现机床操作的自动化，现在清华大学已 经开发了完全数控化的旋转超声加工机床，以工控p c 为硬件基础，其数控系统 由z 轴进给控制，旋转电机控制，自动频率跟踪控制等功能模块组成 2 1 1 。天津大 学也在超声加工机床方面做了很多研究，对机床进行了模块化设计研究，有利 9 广东工业大学工学硕士学位论文 于产品的更新换代，可缩短设计和制造周期，降低成本，性能稳定可靠，且给 今后的维修带来方便1 2 3 。近年日本研制生产了多种超声波加工机床【2 4 】，其特点具 有是自动化程度高，精度高，加工效率高等特点。 1 3 课题研究概况 1 3 1 研究目的和意义 2 0 世纪年代初，我国开始研制各种功率的超声波电源。到目前为止，超声 电源经历了电子管、晶闸管、晶体管、v m o s 和i g b t 的发展过程。2 0 世纪7 0 年代电子管组成的超声波电源电能利用率低、电源成本高、体积大。2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代初，晶闸管超声波电源开始投入使用。晶闸管电源与电子管电源 相比效率有了很大提高，体积和重量有所下降。但由于受开关速度的限制和晶闸 管开关特性的影响，电源频率在2 0 k h z 以下，工作效率较低。 为了克服上述电源的不足，人们开始研制和使用v m o s 电源。v m o s 电源 开关速度高、驱动功率小。但是由于管子的制造工艺结构限制，单管的导通电流 较小，耐压较低，抗电流和电压冲击能力较差。晶体三极管的驱动功率较大，但 采用大功率复合三极管，开关速度会大大降低，这种复合三极管一般也只能在 2 0 k h z 以下使用。因此，v m o s 管和晶体三极管一般适用于小功率超声波电源。 综上所述，超声波电源需要一种开关速度快、导通电流大、耐压高、抗冲击 能力强、驱动功率小的新型功率器件。同时，随着微电子技术、计算机技术、自 动控制理论和电力电子技术的发展，超声波电源需要一种功率大、性能高、成本 低的系列化超声波电源。要求能较好适应换能器阻抗变化、频率漂移等所带来的 疑难问题。所以，如何提高超声波电源的可靠性、与换能器的匹配性能仍是我们 广大科技工作者急待解决的问题。 功率开关器件是超声波电源的核心器件，对超声波电源的电路设计性能有很 大影响，它是决定超声波电源可靠性的关键因数。性能好、可靠性高的开关器件 将大大简化超声波电源的电路设计，解决目前超声波发生器的设计难点。但由于 我国目前大功率电力电子器件生产能力不足，国外进口的器件价格比较昂贵。所 以，采用新的电路设计方案，提高超声波电源可靠性问题迫在眉睫。由此，超声 1 0 第一章绪论 波电源设计中功率放大电路设计的合理性非常重要。 超声波电源与超声波换能器的匹配是超声波电源设计的另一个重要问题。一 方面，匹配电路使发生器向换能器输出额定的电功率；另一方面，通过匹配使发 生器输出效率最高。由此可见，匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。 因此，合理、正确设计超声波电源与换能器的匹配电路也很重要。 近几年来，对超声加工的研究取得了重大进展，但市场上未见国内机床厂家 的商业化超声磨削机床出现，其最主要的原因是超声磨削复合加工机床的控制精 度不够高，自动化程度低，加工主轴结构与装配工艺以及主轴的控制技术离产品 化有较大差距。为降低生产成本，提高生产效率，研制高性能机床是迫切要求解 决的问题。 1 3 2 课题来源 本论文的课题来源于张永俊教授主持在研的项目： 广东省粤港关键领域重点突破项目2 0 0 6 a 1 5 1 0 1 0 0 4 1 3 3 课题研究内容及研究目标 本课题的主要研究对象： 1 超声电源研制一台功率为2 0 0 w ，频率为4 0 k h z 的中小功率超声波发 生器，此电源具有频率自动跟踪功能。 2 超声工作台设计制造一台五轴四联动的微数控机床，可以实现x 、y 、 z 直线进给，u 轴( 为安装在水平( x 、y ) 上的旋转轴) ，v 轴( 为安装在垂直 z 轴上) 的摆动轴。并且主轴v 轴可以做超声振动。 3 工艺试验采用自行研制的超声电源及超声设备进行实验，研究超声设 备主轴转速、进给速度以及磨削深度等对磨削工件表面粗糙度的影响。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章超声波电源的总体方案及逆变电路设计 超声波发生器是超声加工设备的关键部分之一，本章主要介绍了超声波电源 的原理、组成和电路的拓扑结构。 2 1 超声波电源的原理 超声波发生器的原理如图2 - 1 所示。首先由信号发生器产生一个特定频率的 信号，经过功率放大器后再经过阻抗匹配，使得输出的阻抗与换能器相符，推动 换能器将电信号转换为机械振动。比较完善的超声波电源还应有反馈环节，即提 供频率跟踪信号，当换能器工作在谐振频率点时其效率最高，工作最稳定，而换 能器的谐振频率点会由于装配原因和工作老化后改变，频率跟踪信号可以控制信 号发生器，使信号发生器的频率在一定范围内跟踪换能器的谐振频率点，让发生 器工作在最佳状态。 图2 - 1 超声波发生器原理 f i g 2 - 1p r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 2 2 系统总体方案设计 换能器 本超声电源系统基本原理框图如图2 2 所示 逆变式超声电源由主电路、控制电路、驱动电路、频率跟踪电路等组成。 l 、 主电路主电路是将电能从电网传递给负载的电路，其主要作用是减 小变压器体积和改善电源的动态品质1 2 5 。主要包括：2 2 0 v 交流电源、输入整流 1 2 第二章超声波电源的总体方案设计及逆变电路设计 滤波、逆变器、高频变压器和输出匹配部分。 2 、 控制电路控制电路主要为逆变电路提供开关脉冲信号，驱动逆变主 电路工作，并借助反馈电路和给定电路来实现对逆变器的闭环控制。 控制电路包括时序控制电路和脉宽调制电路。其中，脉宽调制电路是整个超 声电源控制系统的核心，它与控制系统中的其它电路都有直接联系，其主要作用 是将电压给定信号和电压反馈信号进行比较放大，根据给定值与反馈值的差值， 输出相应宽度的脉冲信号，以调整电源输出电压的大小。通常采用定频率调脉宽 的p w m 方式来达到换能器所需的各种特性控制。脉宽调制电路还有欠压、过压、 过流等保护功能，封锁输出脉冲，使电源停止输出；另外，脉宽调制电路还具有 软启动、死区设定等功能。 图2 2 超声波电源系统基本原理框图 f i g 2 - 2b a s i cs c h e m a t i cd i a g r a mo fu l t r a s o n i cg e n e r a t o r 3 、驱动电路驱动电路的作用是把脉宽调制器输出信号进行功率放大，驱 动功率管，并且实现主电路和控制电路的隔离。 4 、频率跟踪电路所谓自动频率跟踪，是指在加工过程中，当由换能器、 变幅杆、刀具组成的振动系统在外界因素影响下，其固有振动频率发生变化时， 控制系统能立即发现变化后的固有频率并及时调整供电频率与变化后的固有频 率相同，使振动系统始终工作在谐振状态，以维持振动系统的最大振幅【2 6 】。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 主电路及参数设计 2 3 1 整流滤波电路 小功率直流电源通常采用单相整流电路【2 7 】。 1 滤波电容的选择滤波电路利用电容或电感在电路中的储能作用，当电 源电压( 或电流) 增加时，电容( 或电感) 把能量储存在电场( 或磁场) 中；当 电源电压( 或电流) 减小时，又将储存的能量逐渐释放出来，从而减小了输出电 压( 或电流) 中的脉动成分，得到比较平滑的直流电压。 实用滤波电路的形式很多，如电容滤波、电感滤波、复式滤波( 包括倒l 型、 r c 一兀型、l c 兀型滤波) 等。 c 型、r c 兀型、l c 兀型滤波均属于电容性滤波，其特点是电容两端电压不 能突变，故滤波电路与负载电阻并联；l 型、倒l 型属于电感性滤波，其特点是 流过电感的电流不能突变，故滤波电路与负载电阻串联。在小功率直流电源中， 负载电阻r l 一般较大，在相同的滤波效果时，采用电容滤波比采用电感滤波更 经济有效。 如开关变换采用“单端开关变换 或“桥式开关变换”时，滤波电容可采用 大电解电容，以降低+ v 与一v 之间的交流纹波，提高电源稳定性。 输入滤波电容器设计计算： ( 1 ) 输入滤波电容工作电压v c i 计算【2 8 l 在交流输入电压供电的情况下，电容器的工作电压 吃1 5 2 c ( 1 + 口) ( 2 1 ) 式中，v i n a c 为输入交流电源电压额定值( v ) ；0 为输入交流电压相对额定 值允许的变化率( ) 。 ( 2 ) 输入滤波电容器容量c i 计算 根据经典计算公式 e = a 2 x f r l ( 2 2 ) 式中，a 对全波整流a = 1 0 ，一般取a = 2 0 3 0 较合理；厂为输入电源频率( k h z ) ； 1 4 第二章超声波电源的总体方案设计及逆变电路设计 r l 为整流器负载( q ) 。它等于逆变器平均输入直流电压v d a v g 与电流i d a v g 之 比，即 冠= 阳屯昭2 v 2 a 4 v o 。刁昂 ( 2 3 ) 式中，p 。为输出功率( w ) ；t i 为变换器工作效率； 粥= 2 c x o 9( 2 4 ) 另一种计算电容器容量c i 的方法：根据输入滤波电容器一个周期中提供的 能量，应该与逆变器的输入平均功率相等的原理，输入滤波电容器的容量c i 为 q 2 币i f 丽w m 而 ( 2 5 ) 既= 昂r l 厶彳 ( 2 6 ) 式中p o 为输出功率( w ) ；t 1 为逆变器工作效率( ) ；k m i n 为交流输入电压 允许最低值( v ) ；矗i n 为电源最低允许频率( h z ) ；a 为电源相数，单相电源a = i ， 三相电源a = 3 。v p p 为允许脉动电压，推荐值为 r 2 k m i n ( 1 5 2 5 ) 单相交流输入( 2 7 ) v p p 2l 矽曲( 7 1 0 ) 三相交流输入 ( 2 8 ) 本设计根据前一种方法进行计算，由式( 2 1 ) 有 圪1 5 x 4 2 2 2 0 x ( 1 + 5 ) = 4 8 5 v 由式( 2 4 ) 有阿= 2 x 2 2 0 x 0 9 = 2 7 7 v ：本电源变换器的效率1 1 取为0 9 ， 本电源的输出功率为2 0 0 w 。又由式( 2 3 ) 有 也= v 2 d a v g 7 7 昂= 2 7 7 2 0 9 2 0 0 = 3 4 5 f 2 代入式( 2 2 ) 是得滤波电容c i = 2 3 0 1 t f 根据经验选取滤波电容为耐压5 0 0 v ，容量为3 3 0 扯f 的电解电容。 2 整流桥的选择根据最小阻断电压为两倍的最高输入电压原则，及p = u i ， 按照电源输出最大功率及输入电压的最小值，计算出整流桥所需承受的最大电压 值及最大电流值，选择相应的整流桥。注意为保证电路的安全，选择时应加一定 的余量。 2 3 2 逆变器 变换器相当于一个特殊的高频开关电源，开关电源变换器的电路结构方式一 广东工业大学工学硕士学位论文 般有反激式、正激式、半桥式、全桥式和推挽式变换等等。反激式电路简单、成 本低廉，但只适用于2 0 0 w 以下的小功率电源；正激式变换器的变压器利用率高 于反激式，功率达到1 5 k w ，控制方法简单；半桥式变换器的主功率开关器件要 求的耐压值较低，变压器利用率仅次于全桥式；全桥式变换器的主功率开关器件 所承受的电压等于电源的电压，要求耐压值较高，但变压器利用率最高，适合较 大功率使用。 下面介绍在超声波开关电源中常用的变换器拓扑。 1 单端正激型变换器单端正激型变换器的主电路，如图2 3 所示。 当功率开关q 1 导通时，整流二极管d 1 同时导通，输入电能通过d l 传递给 负载r 。同时，将部分能量存储在电感l 中。q l 关断时，d l 停止导通，电感l 通过d 2 继续向负载供电。 v m q i j o c i i l 【末i l 图2 3 单端正激型变换器电路图 f i g 2 - 3c i r c u i to fs i n g l ep o s i t i v es t i m u l a t i n gc o n v e r t o r 正激变换器的优点【：9 1 1 ) 正激变换器的铜损较低。因为使用无气隙的铁心，电感值较高，原边与 副边的峰值电流较小，因此铜损较小。 2 ) 副边纹波电流明显衰减。因为在一定输出负载时，输出电感器和续流二 极管的存在使得储能电容电流保持在较小的数值上。 3 ) 开关管n 的峰值电流较低。 4 ) 纹波电流小，纹波电压小。 正激变换的缺点是因为线路复杂，元件成本增加，工时增加，成本上升。 且因为l 进入不连续状态时，在辅助输出绕组上产生过电压。如果加假负载， 则效率会有所下降，所以有可能出现输出电压升高的现象。 2 半桥型变换器半桥变换器的主电路，如图2 4 所示。 1 6 第二章超声波电源的总体方案设计及逆变电路设计 q 1 j d 1 c b= 卜- 2【 t 1 爿 ； b c r = 卡j d 2 【 q 2 图2 4 半桥变换器电路图 f i g 2 - 4c i r c u i to fh a l f - b r i d g ec o n v e r t o r 由两个相等的电容c l 和c 2 构成一个桥臂，开关管q l 和q 2 及其反并二极 管d l 和d 2 构成另一桥臂，两桥臂的中点a 和b 为输出端，可以通过变压器输 出，也可由这两端直接输出。因电容c l = c 2 容量较大，故v c l = v c 2 = l 2 v i n 。中 间b 的电位基本上不变，为v b = l 2 v i n ，a 点的电位则取决于器件的工作情况。 若q 1 导通，则v a b = i 2 v i n 。若q 2 导通，则v a b = 1 2 v i n 。所以变压器副边 空载输出电压v o 为- d , 于1 8 0 0 电角的方波交流电，宽度等于t o n ，t o n 为q l 或 q 2 的导通时间。幅值圪= 鲁号，w l 为变压器原边绕组匝数，w 2 为副边绕组匝 数，w l w 2 为变比，v o 的频率等于开关频率，z = ，t s 是开关周期【3 0 】。 j 3 全桥型变换器全桥逆变器的主电路如图2 5 所示。 图2 5 全桥逆变器的主电路图 f i g 2 5t h em a i nc i r c u i to ff u l l b r i d g ec o n v e r t o r 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 由四只功率管q l q 4 ，反并联二极管d l d 4 和输出变压器t r 等构成。输入 直流电源电压为v i n ，输出交流电压为圪。变压器t r 的原边绕组接于a b 两端， 变压器原边绕组匝数为w l ，副边绕组匝数为w 2 ，变比为k = w l w 2 。 桥臂上对角的一对功率开关q i 和q 4 与另一对功率开关q 2 和q 3 ，分别由驱 动电路以脉宽调制方式p w m 激励而交替地导通与断开。也就是说，当对角线功 率开关q l 、q 4 在开关脉冲驱动下同时导通的正半周期时，另一对角线功率开关 q 2 、q 3 均处于截至状态；反之在负半周期时，对角线功率开关q 2 、q 3 在脉冲驱 动下同时导通，另一对功率开关q l 、q 4 则均处于截至状态。两对功率开关以p w m 方式交替通断，将直流输入电压变换成高频方波交流电压，他们传递到高频变压 器的副边，就得到经过降压的正负脉冲电压。在一个周期内，全桥式变换器的变 压器利用率接近1 0 0 。 4 推挽型变换器推挽型变换器主电路如图2 - 6 所示。 t r j d 1 w l l ! 1 2【 i l 1 产 j 、， 。i 品 一 1 r 图2 6 推挽型变换器主电路图 f i g 2 6t h em a i nc i r c u i to fp u s h - p u l lc o n v e r t o r 逆变器由具有中心抽头的变压器、两只开关管q l 和q 2 与两只二极管d l 和 d 2 构成，是完全对称的结构，且q l 和q 2 的发射极接电源负，驱动十分方便， 不必隔离。变压器两个原边绕组匝数相等。右侧为整流、滤波电路。副边两个绕 组匝数相等，d r 3 为续流管。 推挽型电路中，两个开关管q l 和q 2 交替导通，在绕组w l l 和w 1 2 两端分别 形成相位相反的交流电压。q l 导通时，二极管d r l 处于通态，q 2 导通时，二极 管d r 2 处于通态，当两个开关管都关断时，二极管d r l 和d r 2 都处于通态，各 分担电感电流的一半。q l 或q 2 导通时，电感l 的电流逐渐上升；两个开关管都 关断时，电感l 的电流逐渐下降。q l 和q 2 断态时承受的峰值电压均为2 倍v i n