表面微坑超聲加工裝置超聲電源的研制

1、 1表面微坑超聲加工裝置超聲電源的研制 表面微坑超聲加工裝置超聲電源的研制 摘 要： 要：本文介紹了表面微坑超聲加工的基本原理，分析了相位控制頻率跟蹤的原理及實(shí)現(xiàn)方法，給出了表面微坑超聲加工裝置超聲電源的總體結(jié)構(gòu)。 并采用 PIC 單片機(jī)、 74HC4046 鎖相環(huán)、 UC3875移相控制器等器件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有頻率自動跟蹤、輸出功率可調(diào)節(jié)的超聲電源。表面微坑超聲加工試驗(yàn)表明，該超聲電源可實(shí)現(xiàn)頻率自動跟蹤，且工作穩(wěn)定，滿足表面微坑超

2、聲加工的要求。 關(guān)鍵詞： 關(guān)鍵詞：超聲電源；微坑；頻率跟蹤；移相控制； 引言 引言 近年來，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展了自激振動、低頻強(qiáng)迫振動、激光成形特種松孔鍍鉻、微研磨等多種加工表面的方法。然而，自激振動加工方法雖可以在摩擦幅工作表面形成微坑，但其微坑分布及微坑的結(jié)構(gòu)難以控制，且由于穩(wěn)態(tài)顫振的條件難以控制，故其加工方法的掌握有一定的難度，因此難以在生產(chǎn)中有效地推廣。國外應(yīng)用激光珩磨技術(shù)在氣缸工作表面產(chǎn)生既定的微觀結(jié)構(gòu)并獲得較好的效果，但是激光對

3、缸套材料有微觀汽化和燒蝕作用，可造成局部材料性能發(fā)生變化。 而利用超聲波振動可以在摩擦幅工作表面形成分布規(guī)律和結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的表面微坑。這種表面微坑超聲加工方法與其它微坑加工方法相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如提高效率、不會燒蝕材料、較易控制微坑深度、加工成本低等。本文介紹了表面微坑超聲加工的基本原理，分析了相位控制頻率自動跟蹤的原理及其實(shí)現(xiàn)方法，給出了表面微坑超聲加工裝置超聲電源的總體結(jié)構(gòu)。并采用 PIC 單片機(jī)、74HC4046 鎖相環(huán)、UC38

4、75 移相控制器等器件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有頻率自動跟蹤、輸出功率可調(diào)節(jié)的超聲電源。 一、表面微坑超聲加工原理 一、表面微坑超聲加工原理 表面微坑超聲加工裝置的工作原理如圖 1 所示。表面微坑超聲加工裝置裝在車床的拖板上，被加工摩擦副零件（例如缸套）裝在機(jī)床主軸上以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，微坑超聲加工裝置可沿軸向和橫向方向進(jìn)給， 通過橫向進(jìn)給控制微坑的深度，通過超聲換能器推動變幅桿給工具頭施加超聲振動，依靠振動沖擊在缸套工作表面形成具有一定分布規(guī)律和

5、一定尺寸參數(shù)的微坑。影響表面微坑超聲加工效果的因素很多，如刀具頭的磨損、主軸的穩(wěn)定性、主軸的轉(zhuǎn)速與超聲聲學(xué)系統(tǒng)的諧振頻率的關(guān)系等。但由于工具頭振動沖擊的激勵(lì)源是超聲電源，所以超聲電源對表面微坑加工的效果具有極其重要的作用。 二、超聲電源的總體結(jié)構(gòu) 二、超聲電源的總體結(jié)構(gòu) 1． 相位控制頻率自動跟蹤系統(tǒng)的工作原理 在超聲電源的應(yīng)用中，振動系統(tǒng)的溫度、剛度、及負(fù)載力等因素的變化使得系統(tǒng)的諧振頻率發(fā)f、ASN圖 1 表面微坑超聲加工原理K P

6、 3工作在諧振頻率上。所以，電頻率一直能夠跟蹤換能器的機(jī)械諧振頻率。 2． 超聲電源的總體結(jié)構(gòu) 超聲電源硬件結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，PIC 單片機(jī)是超聲電源的控制器，通過檢測換能器的電流、電壓相位差來控制鎖相環(huán)的輸出頻率，并由輸出電流的值來控制逆變器相移角的大小，從而改變換能器的輸出功率。由 IGBT 驅(qū)動器、IGBT 功率管、高頻變壓器組成的逆變輸出電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離、電壓變換等功能。匹配網(wǎng)絡(luò)減少系統(tǒng)的無功分量，減少損耗。鑒相器把換能器的相

7、位信號轉(zhuǎn)為直流電平送給單片機(jī)。 圖 4 超聲電源硬件結(jié)構(gòu)圖 三、超聲頻率合成 三、超聲頻率合成 作為超聲電源的負(fù)載，目前應(yīng)用最廣泛的是壓電陶瓷片換能器，我們在用 信號發(fā)生器、毫伏表、變阻箱等儀器測壓電陶瓷換能器的諧振頻率及其在諧振狀態(tài)下的阻抗實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：處于諧振狀態(tài)下的壓電陶瓷換能器對頻率非常敏感，即換能器的頻率－阻抗曲線非常陡峭。通過大量的測量壓電陶瓷換能器的諧振頻率的實(shí)驗(yàn)可知頻率分辨率為 4Hz 的超聲頻率可以滿足換能器的工作要

8、求。 超聲頻率合成電路原理圖如圖 5 所示。 在頻率合成電路中我們采用 PIC 單片機(jī)、 8254 計(jì)數(shù)器（含 3 個(gè)計(jì)數(shù)器） 、74HC4046 鎖相環(huán)、鐘振等元器件。其中鐘振產(chǎn)生穩(wěn)定的 2 M Hz 的方波，由于考慮了 74HC4046 的最佳工作頻率范圍、UC3875 的 2 分頻特點(diǎn)，我們給 8254 的 0 計(jì)數(shù)器分頻系數(shù)設(shè)置為 4 10 ，2 M Hz 的方波經(jīng) 0 計(jì)數(shù)器分頻之后（即頻率為 200Hz）送至 74HC404

9、6的 14 腳（SIGNAL IN 端口） ，作為鎖相環(huán)的輸入信號。PIC 單片機(jī)給 1 計(jì)數(shù)器設(shè)置5000 ~ 3500 = N 的分頻系數(shù)作為鎖相環(huán) 3 腳(COMPARATOR IN)與 4 腳（VCO OUT）之間的分頻系數(shù)。準(zhǔn)確設(shè)置鎖相環(huán)的外圍電阻、電容，則鎖相環(huán)的 4 腳輸出信號的頻率為 N f 200 = ，此信號經(jīng)過 8254 的 2 計(jì)數(shù)器的 25 分頻后頻率為 N f 8 1 = ， 此信號經(jīng)過移相控制器 UC387