CN100355100C - 压电换能器装配在线计算机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电换能器装配在线计算机控制系统。它具有依次相连接的压电换能器装配机、电压表、A/D转换器、计算机、伺服电机、压力阀、液压泵，压电换能器装配机具有底座，在底座中间设有油缸，并由螺栓固定，油缸侧面设有油缸出油管、油缸进油管，油缸上端设有待装配的压电换能器，在底座两边设有阶梯形立柱，在阶梯形立柱和待装配的压电换能器两端设有移动压板和上压板，上压板用小垫片和螺母固定在阶梯形立柱上，在移动压板上和压电换能器侧面设有导向座，在上压板和待装配的压电换能器上端设有扭矩扳手，在扭矩扳手上设有扭矩扳手进油管和扭矩扳手出油管。本发明具有装配精度高、压电换能器频率变化小、阻抗低、电容稳定、压电换能器工作时不易脱开和碎裂等优点。
Description
技术领域
本发明涉及超声波领域，尤其涉及一种压电换能器装配在线计算机控制系统。
背景技术
随着科学技术的迅猛发展，超声焊接机、超声清洗、超声加工机等智能超声设备获得了越来越广泛的应用，每年的产量都在以15～20％的速度快速递增。压电换能器是智能超声设备的核心器件，是一种高效、大功率电声转换器件。压电换能器集压电效应和逆压电效应为一身，压电换能器的装配过程是实现压电效应的过程，压电换能器的使用过程是实现逆压电效应的过程。
智能超声设备对压电换能器的要求是：
(1)结构尺寸小，瞬时输出功率达35～40w/cm2，连续功率为7～8w/cm2，功率大，根据使用不同规格的晶片和数量，压电换能器的功率为100～2200w；
(2)在长时间连续和间断工作状态下发热少，声损耗低；
(3)电声转换效率＞80％；
(4)压电换能器工作时不能松开；
(5)压电陶瓷片在长期工作状态下不会破碎；
(6)同一规格的压电换能器在批量生产时频率一致性好；
(7)阻抗低，对于15kHz的2200W压电换能器，其阻抗＜12Ω；
(8)电容稳定，变化范围小。
但是，由于陶瓷材料的复杂多变性、颗粒分布不均、烧结工艺复杂、压电换能器元器件辐射面的平面度、粗糙度和平行度难以控制、压力波动等一系列的原因，使得压电换能器难以达到上述要求。尤其突出的是，我国压电换能器研制和生产单位使用扭矩扳手装配压电换能器，扭矩波动范围达30～50Nm，压力波动范围达3000～6000N，导致批量生产时的压电换能器频率变化范围达到150～350Hz，阻抗变化范围达3～6Ω，电容变化范围为500～1200pf，表现在使用过程中，压电换能器电声转换效率低，易发热，陶瓷片易破碎、压电换能器易松开，压电换能器和超声波发生器难以匹配等问题，压电换能器生产和应用单位急需解决上述难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电荷量恒定、装配高性能压电换能器的压电换能器装配在线计算机控制系统。
为了达到上述目的，本发明采取下列措施：
它具有依次相连接的压电换能器装配机、电压表、A/D转换器、计算机、伺服电机、压力阀、液压泵，压电换能器装配机具有底座，在底座中间设有油缸，并由螺栓固定，油缸侧面设有油缸出油管、油缸进油管，油缸上端设有待装配的压电换能器，在底座两边设有阶梯形立柱，在阶梯形立柱和待装配的压电换能器两端设有移动压板和上压板，上压板用小垫片和螺母固定在阶梯形立柱上，在移动压板上和压电换能器侧面设有导向座，在上压板和待装配的压电换能器上端设有扭矩扳手，在扭矩扳手上设有扭矩扳手进油管和扭矩扳手出油管。
本发明与背景技术相比具有的有益的效果是：
(1)根据电荷量来判断压电换能器的装配质量；
(2)通过计算机控制和检测系统来改变施加在压电换能器螺母上的扭矩，实现了压电换能器装配的智能化和自动化；
(3)装配精度高，压电换能器电荷量可控制在±3％以内；
(4)压电换能器谐振频率变化范围为20～30Hz；
(5)压电换能器阻抗变化范围为1～1.5Ω；
(6)压电换能器电容变化范围为100～150pf；
(7)压电换能器工作时发热极少；
(8)压电换能器长期工作时不易破碎和松开。
压电换能器装配机计算机控制和检测系统可以广泛地用于各种不同形状、不同规格的压电换能器装配生产和科研领域中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是压电换能器装配在线计算机控制系统方框图；
图2是本发明压电换能器装配机结构示意图，图中：扭矩扳手1、扭矩扳手进油管2、螺母3、小垫片4、上压板5、扭矩扳手出油管6、大垫片7、导向座8、立柱9、压电换能器10、移动压板11、油缸出油管12、油缸13、螺栓14、油缸进油管15、底座16；
图3(a)是本发明待装配的压电换能器结构示意图，图中：螺母17、后端盖18、压电陶瓷片19、电极20、前端盖21；
图3(b)是本发明待装配的压电换能器结构侧视图；
图4是本发明计算机控制软件流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，压电换能器装配在线计算机控制系统具有依次相连接的压电换能器装配机、电压表、A/D转换器、计算机、伺服电机、压力阀、液压泵，压电换能器装配机具有底座16，在底座中间设有油缸13，并由螺栓14固定，油缸侧面设有油缸出油管12、油缸进油管15，油缸上端设有待装配的压电换能器10，在底座两边设有阶梯形立柱9，在阶梯形立柱和待装配的压电换能器两端设有移动压板11和上压板5，上压板用小垫片4和螺母3固定在阶梯形立柱上，在移动压板11上和压电换能器侧面设有导向座8，在上压板和待装配的压电换能器上端设有扭矩扳手1，在扭矩扳手上设有扭矩扳手进油管2和扭矩扳手出油管6。
如图3所示，压电换能器具有依次相连接的螺母17、后端盖18、压电陶瓷片19、电极20、前端盖21。
如图4所示，计算机控制软件流程如下：装配过程中，在扭矩扳手的作用下，压电陶瓷片受到轴向压力，产生电荷，A/D转换器将电荷量(电压量)模拟信号转换为数字信号，经采样后开始比较压电陶瓷实际承受轴向压力后的电压Vi和设定电压V0。
进入电压递增子程序后，先设定一个电压递增步长，比较V0、Vi。若V0＞Vi，则返回电压递增子程序，继续递增一个电压步长，比较V0、Vi。若V0＜Vi，则开始判断是否满足|V0-Vi|＜δ，其中δ是事先设定的一个误差值。
若满足|V0-Vi|＜δ，则继续执行下面的程序，开始计算压电陶瓷压力增量，然后计算扭矩增量，最后计算液压系统油压增量，输出控制信号至伺服电机，调整压力阀，增大液压扭矩扳手的扭矩，增加施加在压电陶瓷上的压力，增加电荷量，从而增加电压，使压电换能器达到设计要求。
若不满足V0-Vi|＜δ，则减小电压递增步长，减少电压调节幅度，继续执行电压递增子程序，判断是否满足V0＞Vi。如果满足V0＞Vi，则返回电压递增子程序；如果不满足V0＞Vi，则继续执行下面的程序，开始计算压电陶瓷压力增量，然后计算扭矩增量，最后计算液压系统油压增量，输出控制信号至伺服电机，调整压力阀，增大液压扭矩扳手的扭矩，增加施加在压电陶瓷上的压力，增加电荷量，从而增加电压，使压电换能器达到设计要求。
压电换能器装配前，在液压泵的作用下，液压油经油缸进油管15进入油缸13，活塞向上移动，通过移动压板11将压电换能器10、大垫片7顶在上压板5下端面上。导向座8用于压电换能器在装配过程中导向，防止压电换能器各元器件沿横向错位。
首先将压电换能器两电极20输入端接入电压表。在液压泵的作用下，液压油径扭矩扳手进油管2，推动扭矩扳手1转动，将扭矩作用在压电换能器上端的螺母上。
装配过程中，在扭矩扳手的作用下，压电陶瓷片受到轴向压力，产生电荷，A/D转换器将电荷量信号送至计算机控制系统，通过伺服电机调节压力阀，改变液压油压力，进而改变施加在压电换能器螺母上的扭矩。若电荷量(电压)偏低，再增加施加在压电换能器螺母上的扭矩，增加施加压电陶瓷片上的压力；若电荷量(电压)偏高，则减小施加在压电换能器螺母上的扭矩，降低施加在压电陶瓷片上的压力。
实例：扭矩扳手最小扭矩80Nm，最大扭矩1000Nm，精度±3％，液压系统工作压力600bar，最大流量6.5L/min，液压泵动力源4kw/380v。
压电换能器装配前，在液压泵的作用下，液压油经油缸进油管15进入油缸13，活塞向上移动，通过移动压板11将压电换能器10、大垫片7顶在上压板5下端面上。导向座8用于压电换能器在装配过程中导向，防止压电换能器各元器件沿横向错位。首先将压电换能器两电极20输入端接入电压表。在液压泵的作用下，液压油径扭矩扳手进油管2，推动扭矩扳手1转动，将扭矩作用在压电换能器上端的螺母上。装配过程中，在扭矩扳手的作用下，压电陶瓷片受到轴向压力，产生电荷，A/D转换器将电荷量信号送至计算机控制系统，通过伺服电机调节压力阀，改变液压油压力，进而改变施加在压电换能器螺母上的扭矩。若电荷量(电压)偏低，再增加施加在压电换能器螺母上的扭矩，增加施加压电陶瓷片上的压力；若电荷量(电压)偏高，则减小施加在压电换能器螺母上的扭矩，降低施加在压电陶瓷片上的压力
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1、一种压电换能器装配在线计算机控制系统，其特征在于，它具有依次相连接的压电换能器装配机、电压表、A/D转换器、计算机、伺服电机、压力阀、液压泵，压电换能器装配机具有底座(16)，在底座中间设有油缸(13)，并由螺栓(14)固定，油缸侧面设有油缸出油管(12)、油缸进油管(15)，油缸上端设有待装配的压电换能器(10)，在底座两边设有阶梯形立柱(9)，在阶梯形立柱和待装配的压电换能器两端设有移动压板(11)和上压板(5)，上压板用小垫片(4)和螺母(3)固定在阶梯形立柱上，在移动压板(11)上和压电换能器侧面设有导向座(8)，在上压板和待装配的压电换能器上端设有扭矩扳手(1)，在扭矩扳手上设有扭矩扳手进油管(2)和扭矩扳手出油管(6)。
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