超声振动加工中的自动频率跟踪

第20卷第6期合肥工业大学学报(自然科学版)Vo1.20№6 1997年12月JOU RNAL OF HEFEI UNIVERSIT Y OF TECHNOLOGY Dec.1997超声振动加工中的自动频率跟踪

黄景荣

摘要　文章论述了超声加工中的自动频率跟踪的必要性,较详细地阐述了超声加工中的自动频率跟踪原理,介绍并分析了国内外几种典型的频率跟踪系统,对我国超声技术的应用具有实际意义。

关键词　谐振频率;反馈;自动频率跟踪;超声振动

中图分类号　TB559a

0　引 言

在超声振动加工中,为得到大的振幅以提高加工质量,发挥超声加工的优越性,要求振动系统工作在谐振状态。一般,换能器振动系统工作前,通过调节电源的电频率,可满足系统处于共振的工作条件。但是,在实际加工中,由于负载的变化、系统发热等一系列因素的影响,使振动系统的固有频率发生变化,此时,若不及时调整换能器的电源频率(即不采用自动频率跟踪),振动系统将工作在非谐振状态,从而使振动系统的输出振幅减小,造成加工质量下降,当失谐严重时,超声振动加工的优越性消失[1]。因此,在超声振动加工中采用自动频率跟踪是非常必要的。

1　自动频率跟踪原理

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(或者说是维持最大振动速度)。若在所有情况下,均能保证供电频率f g与振动系统固有频率f o相等,则自动频率跟踪系统是理想的,但这是非常困难和不易实现的。对于一个实际的跟踪系统来说,只要能使供电频率f g与振动系统的固有频率f o 比较接近,频率失调$f1=ûf o-f gû较小($f1≤$f)即可。2$f称为振动系统的有效带

a收稿日期:1997-06-24

宽,在此带宽范围内,系统的振幅不会下降的比允许数值A a =k a A o (A 0是谐振频率上的振图1　频率-振幅曲线

幅)小,此时也不会发生加工效果的明显下降。$f 取

决于系统的品质因数,加工安装方式和系数k a 。

采用低品质因数的振动系统时(如超声清洗设

备),振动系统的固有频率变化较小,条件$f 1≤$f

易于满足。而对于带有声波导的声学系统(如超声机

械加工)及自然冷却的组合型压电陶瓷换能器系统

来说,则工作中,其固有频率f o 变化较大,如不自动

跟踪,则$f 1≤$f 不能满足。此时,只有进行自动频

率跟踪,才能满足$f 1≤$f ,从而保证超声设备的

最佳工作效果。

2$f 可由下式确定

2$f =

f o Q 1k 2-1(1)式中　f o ——换能器系统的固有频率Q ——换能器系统的品质因数

k ——系数,k =k a

自动频率跟踪的任务在于提取与换能器机械振动成比例的信号,并将电源的频率调谐到超声振动系统的固有频率上。而能否准确地提取有效信号是自动频率跟踪能否实现的关键。

自动频率跟踪系统按获得反馈(跟踪)信号的方法可分为电反馈系统(利用电—机换能器的输入信号,此信号与换能器工作部分的振动速度或其位移成比例)和声反馈系统(利用换能器或变幅杆机械振动输出的信号)。获取和传送自动频率跟踪系统控制信号的不同方案如图2

所示。图2　超声设备中可能采用的跟踪方案

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由图2可见,电反馈信号在电源至电—机换能器之间区域内提取;而声反馈信号则藉助于换能器机械振动,工质振动或负载振动的转换取得(这种转换是利用机—电或声—电换能器实现的)。

目前,提取反馈信号的方法有补偿电路、电—声换能器和其它传感器等。

2　几种典型的频率跟踪系统

超声加工中的自动频率跟踪问题深受国内外研究、应用者重视,特别是国外,由于起步早,应用广,形式也很多。下面介绍几种典型系统。

(1)模拟试验式频率跟踪系统

前苏联的一项早期研究认为,超声设备在载荷状态下,换能器系统的固有频率会发生变化,输出振幅减小,为获得大振幅以提高加工质量,应使系统工作在谐振状态下。实现方法:通过模拟试验,找出各种载荷下的对应固有频率{f ′o },工作时,根据载荷情况,调节电源的频率至相应的f ′o ,从而保证系统的谐振工作状态。

该方法思路简单,所需的设备少,但存在以下缺陷:(a)由于各种加工设备的性质不同,即使载荷相同,其固有频率变化也不会相同,因此实验数据通用性差。(b )由于振动系统的固有频率受多种因素影响,而模拟试验不可能照顾到各个方面,因此,数据的可靠性不强,失谐在所难免。(c)不易自控。鉴于以上缺陷,该法不能推广使用。

(2)利用声—电换能器提取谐振频率信号从而实现自动频率跟踪

利用声—电换能器提取反馈(跟踪)信号是声反馈的一种。该法根据反磁致伸缩原理,把工作换能器同时作为敏感元件,在其上绕制测量线圈。换能器工作时的伸缩振动,将在测量线圈中感应出电动势。该电动势的大小与换能器的振幅成比例。工作时,不断小幅度改变电源频率,测量并处理感应电动势,

从而得到谐振频率。

图3　电—声反馈系统框图

这种方法,控制思路科学,实用效果好,对工作机及其负载无特殊要求,适应性广,自动跟踪易于实现。不足之处是工作换能器兼作敏感元件,其结构必然较为复杂。(3)电反馈法一电反馈法一把换能器等机械系统等效为一个电负载。其等效电路如图4所示。85第6期 黄景荣:超声振动加工中的自动频率跟踪

测量等效电路中的信号,并加以比较。当谐振时,其回路电流电压同相位,即电位差为0;当电压超前电流时,工作电源频率高于换能器的固有振动频率;反之,当电压滞后电流时,工作电源频率低于换能器的固有振动频率。因此,只要测量出电压、电流的相位,加以比较,即可判断出工作状态,再进行适当调整即可使系统工作在谐振状态。

图4　换能器等效电路该法用电子线路控制,不涉及换能器等机械系统的结构、

尺寸。因此,适应性广。

(4)电反馈自动频率跟踪系统

该法把换能器系统等效成桥式回路的一个电学臂,如图

5所示。

工作原理:用桥式电路补偿电学臂,用运算放大器的差动

放大形式对压电振动子(换能器)的传输函数进行补偿运算。

当C 、R 、C o 、R o 组成的电桥臂平衡时,有

v i =R F R 1=[R o R m +j (w L m -1w C m )]v o (2)

由(2)式可看出:当w L m -1w C m

=0(即在机械谐振点上),v i 与v o 同相时,设功放A v 无相移,则电路满足自激振荡的相位条件,整个电路组成一自激振荡回路随机械谐振点同步变化,从而实现自动频率跟踪。

该法的主要缺陷为:精细的动态平衡不易实现,

参量调节范围不大。

图5　自动频率跟踪电路原理图

3　结束语

超声振动加工在美、日、俄等工业化国家应用广泛,而且显示了明显的优越性。我国这方面的工作起步较晚,应用也较少。对自动频率跟踪方面的研究、使用就更少,未能引起各方注意。本文的研究旨在供超声应用研究人员参考。

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