CN1274464C - 压电换能器和超声聚能器谐振频率数控修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电换能器和超声聚能器谐振频率数控修正方法。将装配在一起的压电换能器和超声聚能器，通过超声聚能器节点处的法兰盘安装在数控车床上。压电换能器的正、负极分别与频率分析仪的正、负极联接在一起。频率分析仪实时测量压电换能器和超声聚能器的谐振频率，并将检测出来的实际谐振频率参数传递给计算机，计算出实际谐振频率和理论谐振频率的差值、压电换能器和超声聚能器的修正位置和修正余量，由伺服电机驱动刀具对压电换能器和超声聚能器进行精密加工与超精密加工，完成压电换能器和超声聚能器的形状、尺寸的改变。本发明具有修正效率高，修正频率准确，压电换能器和超声聚能器不会报废，成本低，易于操作，可实现自动修正等优点。

Description

压电换能器和超声聚能器谐振频率数控修正方法

技术领域

本发明涉及超声波领域，尤其涉及压电换能器和超声聚能器谐振频率数控修正方法。

背景技术

智能超声设备在国内外有几千种产品，在世界各国有广泛的应用范围和发展前景。

智能超声设备是指采用先进电子技术(计算机、集成电路、新型电子器件等)控制的超声设备。当负载和环境条件变化时，压电换能器的静态电容Co和声学系统谐振频率f会发生变化，导致换能器声功率下降，影响超声设备的功效，甚至会损坏超声波发生器和压电换能器。因此，在超声波发生器内设置自动跟踪系统，对超声设备声学系统阻抗、谐振频率和声阻抗进行自动跟踪，实现声阻抗和频率的最佳匹配，使超声设备在最佳状态下工作，具有重要的理论价值和实用意义。

智能超声设备是机电声一体化产品，它将计算机、电子、超声和机械组合在一起，形成了一种综合性高新技术。

智能超声设备产品包括：数控超声车床、数控超声铣床、数控超声珩磨机、数控超声研磨机、超声波焊接机、超声波清洗机、超声波粉碎机、超声波乳化机、超声波切割机、超声波洁牙机、智能激光成型--超声珩铰加工中心。

智能超声设备由超声波发生器、压电换能器、超声聚能器、工具、数控系统、软件、机体和机械传动系统等构成。

压电换能器和超声聚能器是智能超声设备的两个核心部件，其性能优劣决定着超声设备能否正常工作，对超声设备有着根本的、致命的影响。

压电换能器的作用是利用逆压电效应，将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换为超声频机械振动，实现电能向声能的转换。压电换能器的工作频率为1000Hz-3MHz，电声转换效率高达80％-88％，是一种效率最高的电声转换器件，具有广泛的应用范围和发展前景。

压电换能器的振幅通常为4-10μm，而大量超声设备的振幅的要求往往要达到12-100μm，这就必须使用超声聚能器将压电换能器的振幅放大。

超声聚能器又称超声变幅杆、超声变速杆、超声放大杆。其作用有四个：

(1)聚能作用

超声聚能器可将机械振动位移或速度振幅放大，或者把能量集中在较小的辐射面上进行聚能。

超声聚能器之所以能放大振幅，是由于通过它任一截面的振动能量是不变的(传播损耗不计)，截面小的地方能量密度大。由于能量密度ρ_e正比于振幅a平方，即

${\mathrm{\ρ}}_e=\frac{1}{2}{K}_e{a}^2$

$a=\sqrt{\frac{{2\mathrm{\ρ}}_e}{K_e}}$

式中K_e——系数，K_e＝ρcω²；

ρ——弹性介质的密度。

所以，截面小的地方，能量密度大，振幅也就得到了放大。为了获得较大的振幅，应使超声聚能器的共振频率(即谐振频率)和外激振动频率相等，使之处于共振状态。

(2)有效地向负载传输

超声聚能器作为机械阻抗的变换器，在换能器和声负载之间进行阻抗匹配，使超声能量由压电换能器更有效地向负载传输。

(3)将声学系统固定在设备上

压电换能器、超声聚能器和工具一起构成声学系统。整个声学系统只能通过设置在超声聚能器节点位置的法兰盘固定在设备上才能发挥作用，将声学系统自重和承受的压力传递到地基上。

(4)隔热作用

当声学系统的工具位于高温介质和环境中工作中，可通过超声聚能器将热量隔开，避免传导到压电换能器使其损坏。

近年来，世界范围内，随着智能超声设备的大规模开发和广泛使用，压电换能器和超声聚能器需求猛增，年产量以15～20％的速度高速增长。

压电换能器和超声聚能器制造过程中，由于压电材料、金属材料金相组织的变化、材料颗粒的确大小不一和分布不均、加工误差、装配误差、各元器件接触平面的表面完整性、压力的不一致性等众多因素，不可避免的会导致压电换能器和超声聚能器谐振频率发生变化，影响声阻抗和声功率输出，使超声波发生器难以匹配，频率和阻抗自动跟踪系统失去作用，超声设备声学系统不能正常工作，甚至会损坏超声设备声学系统，烧坏超声波发生器。

到目前为止，世界各国对压电换能器和超声聚能器谐振频率的修正基本上停留在装配--测试--拆开--修正聚能器--装配--测试--拆开--再修正聚能器……的原始方法，主要存在下述问题：

(1)批量生产的压电换能器和超声聚能器谐振频率变化范围在300-500Hz，阻抗变化范围为20～80Ω；

(2)批量生产的超声波发生器不能直接与压电换能器和超声聚能器直接相配，每台超声波发生器的工作频率和输出阻抗必须单独进行调整，使之与相应的压电换能器和超声聚能器相匹配；

(3)反复拆装压电换能器和超声聚能器，导致工人劳动强度大，工人苦不堪言；

(4)反复拆装压电换能器和超声聚能器时，常常会使压电陶瓷片破碎，导致生产成本增大；

(5)修整工序多，生产效率极低；

(6)修整压电换能器和超声聚能器时，由于修正位置和余量难以确定，往往凭技术人员和工人经验判断，不能及时知道修正后的压电换能器和超声聚能器谐振频率是接近理想频率还是差之远矣，常常导致压电换能器和超声聚能器报废。

智能超声设备对压电换能器的要求是：

(1)压电换能器和超声聚能器的谐振频率为f₀±10Hz；

(2)压电换能器和超声聚能器在长久工作一段时间后频率变化范围为20Hz；

(3)在工具等质量负载和力负载的作用下，超声声学系统的谐振频率变化范围为20Hz。

(4)压电换能器的电声转换效率大于80％；

(5)压电换能器和超声聚能器在长期工作状态下不会断裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种可精确、实时、快速、方便修正谐振频率的压电换能器和超声聚能器谐振频率数控修正方法。

方法的步骤如下：

1)先将装配在一起的压电换能器和超声聚能器，通过超声聚能器节点处的法兰盘安装在数控车床三爪卡盘或专用夹具上；

2)压电换能器的正、负极分别与频率分析仪的正、负极联接在一起；

3)在压电换能器随同数控车床主轴一起作高速旋转的同时，频率分析仪实时测量压电换能器和超声聚能器的谐振频率，并将检测出来的实际谐振频率参数传递给计算机，计算出实际谐振频率和理论谐振频率的差值、压电换能器和超声聚能器的修正位置和修正余量，数控系统将计算机计算的修正位置和修正余量转换为数控加工指令，由伺服电机驱动刀具对压电换能器和超声聚能器进行精密加工与超精密加工，完成压电换能器和超声聚能器的形状、尺寸的改变；

4)加工过程中和加工完成之后，仍在实时检测压电换能器和超声聚能器谐振频率，当检测结果与理想值不符时，重复上述步骤和程序。

本发明的优点：

1)压电换能器和超声聚能器谐振频率修正准确；

2)压电换能器和超声聚能器谐振频率修正效率高；

3)工人劳动强度低，可实现自动化修正；

4)修正成本低；

5)压电换能器和超声聚能器在修正过程中不会报废。

压电换能器和超声聚能器谐振频率数控修正方法可以广泛用于超声焊接、超声清洗、超声粉碎、超声车削、超声珩磨、超声铣削、超声雕刻等各种超声应用领域中。

附图说明

附图是压电换能器和超声聚能器谐振频率数控修正方法示意图。

具体实施方式

本发明先将装配在一起的压电换能器和超声聚能器，通过超声聚能器节点处的法兰盘安装在数控车床三爪卡盘或专用夹具上。压电换能器的正、负极分别与频率(阻抗)分析仪的正、负极联接在一起。在压电换能器随同数控车床主轴一起作高速旋转的同时，频率(阻抗)分析仪实时测量压电换能器和超声聚能器的谐振频率，并将检测出来的实际谐振频率参数传递给计算机，计算出实际谐振频率和理论谐振频率的差值、压电换能器和超声聚能器的修正位置和修正余量，数控系统将计算机计算的修正位置和修正余量转换为数控加工指令，由伺服电机驱动刀具对压电换能器和超声聚能器进行精密加工与超精密加工，完成压电换能器和超声聚能器的形状、尺寸的改变，从而达到修正谐振频率的目的。加工过程中和加工完成之后，仍在实时检测压电换能器和超声聚能器谐振频率，当检测结果与理想值不符时，重复上述步骤和程序。

压电换能器和超声聚能器作旋转运动，刀具移动。压电换能器和超声聚能器旋转运动转速为10～3000r/min，刀具移动速度为0.003～0.5mm/r。

压电换能器和超声聚能器固定，刀具作旋转运动和移动。刀具旋转运动转速为10～3000r/min，刀具移动速度为0.003～0.5mm/r。。

下面以6015型压电换能器和超声聚能器为例，给出其谐振频率修正实例。

6015型压电换能器材料为：铝合金LY12，PZT-8型压电陶瓷片(外径Φ60mm，内径Φ30mm，厚10mm)，螺母螺栓材料为40Cr，超声聚能器材料为40Cr。设计要求理论谐振频率为f₀＝15kHz，且理论谐振频率与实际谐振频率之差的绝对值≤2Hz。按照开始设计的形状和尺寸，将压电换能器和超声聚能器制造、装配完成后，频率分析仪实测谐振频率为14.968kHz。与理论谐振频率比较后，经过计算机计算，确定沿变幅杆小端长度方向去除余量0.30mm，转换成数控加工指令驱动刀具进行加工。加工完成后，频率分析仪实测谐振频率为14.990kHz。第二次经过计算机计算后，确定沿变幅杆小端长度方向去除余量0.1mm，再转换成数控加工指令驱动刀具进行加工。加工完成后，频率分析仪实测谐振频率为14.998kHz，已达到事先设计的理论谐振频率与实际谐振频率之差的绝对值≤2Hz的要求，数控修正过程自动停止。

本发明创造性地将压电换能器和超声聚能器在线检测与数控系统实时加工结合在一起，突破了传统方法的局限性和落后性，将引起压电换能器、超声聚能器、超声波产品设计、制造的根本变革。

本发明旨在通过理论与实际相结合的方法，建立压电换能器和超声聚能器谐振频率数学模型、修正位置、修正余量和谐频频率之间的数据库，开发专用控制软件，采用在线检测与数控系统实时加工压电换能器和超声聚能器，使其逼近理想谐振频率，使其彻底摆脱压电换能器和超声聚能器制造与装配技术长期徘徊不前，主要依靠人工耗时耗力修整、修整误差大的局面，有利于保证压电换能器和超声聚能器的质量，提高加工效率，保证智能超声设备的质量和工作稳定。

本发明有两种运动方案：

①压电换能器和超声聚能器旋转，刀具移动。将装配在一起的压电换能器和超声聚能器，通过超声聚能器节点处的法兰盘安装在数控车床的三爪卡盘或专用夹具上，压电换能器的正、负极分别与频率(阻抗)分析仪的正、负极联接在一起。转速为10～3000r/min，移动速度为0.003～0.5mm/r。

②压电换能器和超声聚能器固定，刀具作转动运动和移动。例如可装在数控铣床上，采用专用夹具。

聚能器可能修正的位置：

①聚能器输出端面

②聚能器小端外圆面

③聚能器法兰盘位置及端正

Claims (3)

1、一种压电换能器和超声聚能器谐振频率数控修正方法，其特征在于：方法的步骤如下：

1)先将装配在一起的压电换能器和超声聚能器，通过超声聚能器节点处的法兰盘安装在数控车床三爪卡盘或专用夹具上；

2)压电换能器的正、负极分别与频率分析仪的正、负极联接在一起；

3)在压电换能器随同数控车床主轴一起作高速旋转的同时，频率分析仪实时测量压电换能器和超声聚能器的谐振频率，并将检测出来的实际谐振频率参数传递给计算机，计算出实际谐振频率和理论谐振频率的差值、压电换能器和超声聚能器的修正位置和修正余量，数控系统将计算机计算的修正位置和修正余量转换为数控加工指令，由伺服电机驱动刀具对压电换能器和超声聚能器进行精密加工与超精密加工，完成压电换能器和超声聚能器的形状、尺寸的改变；

4)加工过程中和加工完成之后，仍在实时检测压电换能器和超声聚能器谐振频率，当检测结果与理想值不符时，重复上述步骤。

2、根据权利要求1所述的一种压电换能器和超声聚能器谐振频率数控修正方法，其特征在于：所述的压电换能器和超声聚能器作旋转运动，刀具移动。

3、根据权利要求2所述的一种压电换能器和超声聚能器谐振频率数控修正方法，其特征在于：所述的压电换能器和超声聚能器旋转运动转速为10～3000r/min，刀具移动速度为0.003～0.5mm/r。

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