TW201329662A - 超音波掃追頻系統 - Google Patents

Abstract

一種超音波掃追頻系統，其係由一掃追頻模組透過一匯流排介面卡連接一軟體處理模組所構成，其中掃追頻模組具有一能產生波形訊號之任意波形產生器，且該任意波形產生器連接有一選擇開關，再者該選擇開關依序連接有一電壓增幅器、一電阻選擇器及一超音波加工平台，而超音波加工平台並連接有一資料擷取卡，該資料擷取卡並分別連接前述之選擇開關與電阻選擇器，且前述選擇開關另連接至超音波加工平台，藉此，讓本發明之超音波掃追頻系統能對單一或不同的超音波輔助加工系統於各種不同的加工條件下，進行即時有效地線上掃頻、頻率追蹤與補償功能的整合，可有效的提高其穩定性，並具有極佳的時效性。

Description

超音波掃追頻系統

本發明係關於一種超音波振動輔助加工之技術領域，具體而言係指一種能隨時追蹤加工時共振頻率變化的超音波掃追頻系統，藉以可增加超音波振動輔助加工系統的穩定性與時效性。

按，超音波振動輔助加工有別於傳統加工，該超音波振動輔助加工是在傳統加工的基礎上，增加一個縱向或橫向振動的切削方式，將連續的切削運動轉為非連續接觸的切削運動，藉以改善加工的切削性能，且超音波振動輔助加工不僅可以降低切削加工之軸向推力與扭矩，而且還可以提升加工之表面精度與刀具的使用壽命。

然而，超音波振動輔助加工的對象係多元化，且其功率的輸出並非是一固定值，其會隨著加工之不同材料性質(如抗拉強度、彈性係數等)、加工的形狀尺寸、溫度、質量(工具頭與工件)與加工條件(進給速率、主軸轉速、振幅與工件鎖固力大小等)而有所不同；換言之，超音波振動輔助加工系統是一個高度非線性且時變的系統，即使在固定的電壓或頻率切換下，其輸出之相電壓振幅及共振頻率，非常容易受到負載的變動而改變；因此在實際操作過程中，由於負載變化、工具磨損、換能器發熱等因素的影響，換能器的機械頻率將會發生漂移，而使得整個振動系统產生失諧，導致工具端面的振幅減小或消失，會使系统降低或喪失超音波加工的能力。

再者，現今超音波振動輔助加工的技術應用的範圍亦已非常地廣泛，如鑽孔、車削、銑削、拋光、磨削、拉管和焊接等加工製造；然而考慮不同的加工對象與條件之時，其所使用之超音波振動輔助加工系統，亦不盡完全相同且通用，即使是相同的加工對象與超音波振動輔助加工系統，當其加工條件或外在因素有所改變之時，其整個加工系統的共振頻率亦會隨之改變。

換句話說，目前大多數所使用的超音波振動輔助加工系統，僅只針對某一特定的加工對象與條件，施以廠家所規範的共振頻率進行加工，製造業者無法保證其所使用的超音波輔助加工系統，能完全適用所有加工對象與條件，且永遠都處在最佳化之共振狀態進行加工。

雖然目前國外已有利用聲音回饋系统與電流回饋系统，針對某一特定的加工對象與條件做共振頻率的回饋。然此二系统皆有一定的侷限性，如頻率追蹤範圍窄、追踪速度慢等缺點，無法廣泛應用在複雜的超音波振動輔助加工。除此之外，若使用之超音波振動輔助加工系統加工條件有所變更或使用在不同的超音波振動輔助加工系統時(如車削、銑削等)，則其共振頻率開始轉變成未知；因此在不同的超音波振動輔助加工系統進行超音波振動輔助加工之時，其於各種不同的加工條件之共振頻率取得，就顯得格外的重要與迫切。

換言之，現有的超音波振動輔助加工因無法保證超音波系统始终是處於良好的共振狀態，因此降低其輔助加工的穩定性與效率，且也無法應用在單一或不同的超音波輔助加工系統的各種加工條件上，造成現有超音波振動輔助加工系統的穩定性與時效性不足，而有待進一步的改良。

由此可見，上述習用之器械仍有諸多缺失，實非一良善之設計物，而亟待加以改良。

本案發明人鑑於上述習用超音波掃追頻系統所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件超音波掃追頻系統。

本發明之目的即在於提供一種超音波掃追頻系統，藉以當其加工條件或外在因素有所改變時，其整個加工系統的共振頻率亦會隨之改變，而提升其穩定性與使用效率。

本發明之次一目的係在於提供一種超音波掃追頻系統，其能應用於單一或不同的超音波輔助加工系統的各種加工條件上，以增加超音波輔助加工系統的穩定性與時效性。

可達成上述發明目的之超音波掃追頻系統，該系統包含有一掃追頻模組、一匯流排介面卡及一軟體處理模組所構成，其中：所述之掃追頻模組具有一儀器控制介面卡，又掃追頻模組於後方連接有一能產生波形訊號之任意波形產生器，且該任意波形產生器連接有一選擇開關，該選擇開關具有一動態量測端及一靜態量測端，再者該選擇開關之動態量測端連接有一電壓增幅器，且該電壓增幅器進一步連接有一電阻選擇器，又該電阻選擇器並連接有一超音波加工平台，而超音波加工平台並連接有一資料擷取卡，該資料擷取卡並分別連接前述之選擇開關與電阻選擇器，且前述選擇開關的靜態量測端進一步連接至超音波加工平台；所述之匯流排介面卡並與前述掃追頻模組之儀器控制介面卡與資料擷取卡連接；所述之軟體處理模組係透過前述匯流排介面卡與掃追頻模組連接，該軟體處理模組具邏輯運算、儲存、輸出入、比對及分析之處理功能，且軟體處理模組內建有一圖形程式化語言之系統程式。

藉此，透過本創作前述技術手段的具體實現，讓本發明的超音波掃追頻系統可對所使用的單一或不同功能之超音波加工平台輸入電壓，找出該超音波輔助加工系統於初始加工時之靜態共振頻率與等效電阻；進而將即時所得到之靜態共振頻率與等效電阻，做為該動態追頻系統之輸入值，以縮短超音波振動輔助加工找尋加工共振頻率的時間，同時擷取輸出電流加以計算分析，以判斷該超音波輔助加工系統之共振頻率是否偏移，並即時顯示於設計之複合功能視窗上，以解決不同超音波輔助系統於加工時，所造成之共振頻率漂移的問題及縮短找尋加工共振頻率的時間，大幅增進其功效。

請參閱圖1，本發明所提供之超音波掃追頻系統，該系統包含有一掃追頻模組10、一匯流排介面卡20及一軟體處理模組30所構成，其中：所述之掃追頻模組10具有一儀器控制介面卡11(如：IEEE 488通用介面匯流排(General-Purpose Interface Bus,GPIB)介面卡)，該掃追頻模組10可利用儀器控制介面卡11與匯流排介面卡20選擇性連接，又掃追頻模組10於後方連接有一任意波形產生器12供產生波形訊號，且該任意波形產生器12連接有一具動態量測端131及靜態量測端132之選擇開關13，再者該選擇開關13之動態量測端131連接有一電壓增幅器15，且該電壓增幅器15進一步連接有一電阻選擇器16，又該電阻選擇器16並連接有一超音波加工平台17，用以產生供加工之超音波，再者該超音波加工平台17進一步連接有一資料擷取卡18，使超音波加工平台17能以類比訊號模式輸入資料擷取卡18，且該資料擷取卡18並可選擇性連接前述之匯流排介面卡20，又該資料擷取卡18並分別連接前述之選擇開關13與電阻選擇器16，使資料擷取卡18可以數位模式輸出訊號至選擇開關13與電阻選擇器16，且前述選擇開關13的靜態量測端132進一步連接至前述超音波加工平台17，用以選擇性對超音波加工平台17的等效電路做靜態量測(掃頻)，以取得超音波加工平台17靜態的共振頻率與等效電阻，又或做為超音波加工平台17等效電路的動態量測(追頻)的依據。

所述之匯流排介面卡20(如：PCI、USB或序列介面卡)並可與前述掃追頻模組10之儀器控制介面卡11與資料擷取卡18連接，且該匯流排介面卡20另一端並可與軟體處理模組30連接。

所述之軟體處理模組30係透過前述匯流排介面卡20與掃追頻模組10連接，該軟體處理模組30係選自具邏輯運算、儲存、輸出入、比對及分析等處理功能之電腦，且軟體處理模組30內建有一LabVIEW之系統程式，該LabVIEW是一種圖形程式化語言，包括有資料擷取(Data Acquisition，DAQ)、資料分析與結果呈現等所有必須使用的工具；藉由LabVIEW設計語言(G語言)的協助，可以快速且方便的達到使用者所要求的功能與動作。

藉此，能對單一或不同的超音波輔助加工系統於各種不同的加工條件下，進行即時有效地線上掃頻、頻率追蹤與補償功能的整合，而組構成一穩定性高、且具時效性的超音波掃追頻系統者。

至於本發明裝置之量測方法，則仍請參看圖1及圖2所示，操作上，本發明之系統利用軟體處理模組30透過匯流排介面卡20操作掃追頻模組10開始運作，以輸入起始操作電壓及頻率，而驅動超音波加工平台17產生超音波；接著，擷取共振頻率及等效電阻，而利用資料擷取卡18擷取超音波加工平台17的共振頻率及等效電阻；緊接著，判斷是否開始進行加工，如為否則重覆判斷，反之如是開始進行加工，則進一步執行擷取電壓及電流，係透過資料擷取卡18進一步收集操作過程的電壓與電流，並將電壓與電流之數值經由匯流排介面卡20傳遞至軟體處理模組30；之後，進行計算相角，以判斷其共振頻率是否偏移改變；緊接著進行相角判斷，當相角在設定範圍內時，則維持頻率不變，且繼續加工；反之，當相角不在設定範圍內時，則改變頻率，再繼續加工；最後，判斷是否繼續加工，當繼續加工時，則資料擷取卡18持續擷取超音波加工平台17的電壓及電流，並依序進行計算相角、判斷相角是否在範圍內的動作。當不再繼續加工時，則停止動作，完成整個動作流程。

經由上述的說明可知，本發明整合超音波輔助加工系統的掃頻與追頻而形成一超音波掃追頻系統，而能就不同的超音波振動輔助加工，配合掃頻所得到的等效電阻，軟體處理模組30會自動地設定切換至相對接近的等效電阻。有關軟體處理模組30自動設定切換至相對接近的等效電阻示意圖，然超音波加工平台17外加高功率且操作在共振頻率下時，超音波加工平台17的溫度會上升；此時超音波加工平台17的共振頻率會開始產生漂移，故於高功率下串接一個限流電阻所構成的等效電路並不適用，不過若假設超音波加工平台17的溫度變化不大的情況下，外串一個等效電阻與阻抗分析儀所量測的結果誤差，實際相差並不大。

且超音波加工平台17在做特性評估與控制時，會採用超音波加工平台17的振動速度與移動電流做為控制振超音波加工平台17的參數，又因為超音波加工平台17的移動電流取得與控制，較振動速度來的容易，故在本專利中以控制移動電流，以作為超音波加工平台17特性量測的主要參數；故本發明之超音波掃追頻系統可以藉由量測移動電流的方式，而得知振動子的端面速度與位移，甚至是機械輸出的功率。

而，因為超音波加工平台17必須在高功率下才能工作，故在本發明之超音波掃追頻系統中驅動超音波加工平台17時，除了使用任意波形產生器12之外，還必須外加一台電壓增幅器15，將驅動訊號放大以提供適當的功率驅動超音波加工平台17；同時使用電流量測供給振動子的電流值變化量，經由顯示與記錄，完成移動電流的讀取；而實際上所顯示的訊號為電壓訊號，所以必須先將電壓值換算成電流值，而換算的方式是利用電流上所提供的資訊來轉換。

如此，本發明之超音波掃追頻系統能對單一或不同的超音波輔助加工系統於各種不同的加工條件下，進行即時有效地線上掃頻、頻率追蹤與補償功能的整合；對單一或不同的超音波輔助加工系統而言，超音波的產生源均是由壓電振動子所產生的；然而產生超音波振動的藍杰文(Langevin)振動子，於外加高電壓工作之後，振動子會產生溫升的現象；此時超音波輔助加工系統的共振頻率會開始產生漂移的現象，結果使輸出的機械功率降低；因此必須要對超音波輔助加工系統的振動頻率電路做一掃頻、追頻與補償。

因此，由於超音波掃追頻系統對所使用的單一或不同功能之超音波加工平台17輸入電壓，找出該超音波輔助加工系統於初始加工時之靜態共振頻率與等效電阻。進而將即時所得到之靜態共振頻率與等效電阻，做為該追頻系統之輸入值，以縮短超音波振動輔助加工找尋加工共振頻率的時間。同時擷取輸出電流加以計算分析，以判斷該超音波輔助加工系統之共振頻率是否偏移，並即時顯示於設計之複合功能視窗上，以解決不同超音波輔助系統於加工時，所造成之共振頻率漂移的問題及縮短找尋加工共振頻率的時間，從而增加產品的附加價值，並提高其經濟效益。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

10．．．掃追頻模組

11．．．儀器控制介面卡

12．．．任意波形產生器

13．．．選擇開關

131．．．動態量測端

132．．．靜態量測端

15．．．電壓增幅器

16．．．電阻選擇器

17．．．超音波加工平台

18．．．資料擷取卡

20．．．匯流排介面卡

30．．．軟體處理模組

圖1為本發明超音波掃追頻系統之簡要架構示意圖；

圖2為該超音波掃追頻系統之流程示意圖。

10．．．掃追頻模組

11．．．儀器控制介面卡

12．．．任意波形產生器

13．．．選擇開關

15．．．電壓增幅器

16．．．電阻選擇器

17．．．超音波加工平台

18．．．資料擷取卡

20．．．匯流排介面卡

30．．．軟體處理模組

Claims (8)

1. 一種超音波掃追頻系統，該系統包含有一掃追頻模組、一匯流排介面卡及一軟體處理模組所構成，其中：所述之掃追頻模組具有一儀器控制介面卡，又掃追頻模組於後方連接有一能產生波形訊號之任意波形產生器，且該任意波形產生器連接有一選擇開關，該選擇開關具有一動態量測端及一靜態量測端，再者該選擇開關之動態量測端連接有一電壓增幅器，且該電壓增幅器進一步連接有一電阻選擇器，又該電阻選擇器並連接有一超音波加工平台，而超音波加工平台並連接有一資料擷取卡，該資料擷取卡並分別連接前述之選擇開關與電阻選擇器，且前述選擇開關的靜態量測端進一步連接至超音波加工平台；所述之匯流排介面卡並與前述掃追頻模組之儀器控制介面卡與資料擷取卡連接；所述之軟體處理模組係透過前述匯流排介面卡與掃追頻模組連接，該軟體處理模組具邏輯運算、儲存、輸出入、比對及分析之處理功能，且軟體處理模組內建有一圖形程式化語言之系統程式。
2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波掃追頻系統，其中該儀器控制介面卡係選自GPIB介面卡。
3. 如申請專利範圍第1項所述之超音波掃追頻系統，其中該匯流排介面卡可為PCI介面卡。
4. 如申請專利範圍第1項所述之超音波掃追頻系統，其中該匯流排介面卡可為USB介面卡。
5. 如申請專利範圍第1項所述之超音波掃追頻系統，其中該匯流排介面卡可為序列介面卡。
6. 如申請專利範圍第1項所述之超音波掃追頻系統，其中該軟體處理模組係選自電腦。
7. 如申請專利範圍第1項所述之超音波掃追頻系統，其中該軟體處理模組之系統程式係選自LabVIEW，該LabVIEW包括有資料擷取、資料分析與結果呈現等所有必須使用的工具。
8. 如申請專利範圍第1項所述之超音波掃追頻系統，其中該掃追頻模組能對單一或不同的超音波輔助加工系統於各種不同的加工條件下，進行即時有效地線上掃頻、頻率追蹤與補償功能的整合，而組構成一穩定性高、且具時效性的超音波掃追頻系統者。