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現方法，給出了表面微坑超聲加工裝置超聲電源的總體結構。 并采用 PIC 單片機、 74HC4046 鎖相環(huán)、 UC3875移相控制器等器件設計并實現了具有頻率自動跟蹤、輸出功率可調節(jié)的超聲電源。表面微坑超聲加工試驗表明，該超聲電源可實現頻率自動跟蹤，且工作穩(wěn)定，滿足表面微坑超

2、聲加工的要求。 關鍵詞： 關鍵詞：超聲電源；微坑；頻率跟蹤；移相控制； 引言 引言 近年來，國內外已經發(fā)展了自激振動、低頻強迫振動、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構難以控制，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，因此難以在生產中有效地推廣。國外應用激光珩磨技術在氣缸工作表面產生既定的微觀結構并獲得較好的效果，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)律和結構參數可控的表面微坑。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，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現方法，給出了表面微坑超聲加工裝置超聲電源的總體結構。并采用 PIC 單片機、74HC4046 鎖相環(huán)、UC38

4、75 移相控制器等器件設計并實現了具有頻率自動跟蹤、輸出功率可調節(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）裝在機床主軸上以一定的轉速旋轉，微坑超聲加工裝置可沿軸向和橫向方向進給， 通過橫向進給控制微坑的深度，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、主軸的轉速與超聲聲學系統(tǒng)的諧振頻率的關系等。但由于工具頭振動沖擊的激勵源是超聲電源，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、超聲電源的總體結構 二、超聲電源的總體結構 1． 相位控制頻率自動跟蹤系統(tǒng)的工作原理 在超聲電源的應用中，振動系統(tǒng)的溫度、剛度、及負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械諧振頻率。 2． 超聲電源的總體結構 超聲電源硬件結構如圖 4 所示，PIC 單片機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 驅動器、IGBT 功率管、高頻變壓器組成的逆變輸出電路實現電氣隔離、電壓變換等功能。匹配網絡減少系統(tǒng)的無功分量，減少損耗。鑒相器把換能器的相

7、位信號轉為直流電平送給單片機。 圖 4 超聲電源硬件結構圖 三、超聲頻率合成 三、超聲頻率合成 作為超聲電源的負載，目前應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)下的阻抗實驗中發(fā)現：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驗可知頻率分辨率為 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、 8254 計數器（含 3 個計數器） 、74HC4046 鎖相環(huán)、鐘振等元器件。其中鐘振產生穩(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，我們給 8254 的 0 計數器分頻系數設置為 4 10 ，2 M Hz 的方波經 0 計數器分頻之后（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 單片機給 1 計數器設置5000 ~ 3500 = N 的分頻系數作為鎖相環(huán) 3 腳(COMPARATOR IN)與 4 腳（VCO OUT）之間的分頻系數。準確設置鎖相環(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 = ，此信號經過 8254 的 2 計數器的 25 分頻后頻率為 N f 8 1 = ， 此信號經過移相控制器 UC387