超聲發(fā)生器是超聲加工系統(tǒng)的重要部分，其性能的好壞直接影響著產(chǎn)品的加工質(zhì)量。在超聲加工系統(tǒng)中，為了獲得最大振幅以提高加工質(zhì)量，工作中應(yīng)調(diào)整超聲發(fā)生器的頻率，使其與換能器振動(dòng)系統(tǒng)的諧振頻率相同。但加工過程中諸多因素的改變使換能器的諧振頻率發(fā)生變化（如圖1所示),當(dāng)超聲發(fā)生器具有頻率自動(dòng)跟蹤性能后，系統(tǒng)就總是工作在諧振狀態(tài)；為使超聲設(shè)備工作穩(wěn)定，許多場(chǎng)合要求換能器輸出的功率與負(fù)載大小成比例，例如當(dāng)換能器從重載突然變?yōu)榭蛰d時(shí)，其機(jī)械負(fù)載阻急劇變小，使得發(fā)生器和換能器極易損壞，我們研制的新型多功能發(fā)生器內(nèi)部有一穩(wěn)速電路，使功放的功率隨負(fù)載的變化而變化；為了現(xiàn)場(chǎng)了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)，特別加入了機(jī)械振幅監(jiān)控裝置，使得操作人員可以方便地管理和操作設(shè)備。
圖1 換能器振動(dòng)系統(tǒng)的頻率特性
電路原理與裝置
如圖2所示，發(fā)生器可分為主電路、采樣電路、頻率跟蹤、穩(wěn)速電路以及振幅監(jiān)測(cè)電路。
圖2 超聲發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
主電路
壓控振蕩選用的是ICL8083,按圖3所示接線時(shí)，可得到頻率可控的正弦波，其中輸入電壓V即是鑒相電路的輸出，其壓控制特性曲線如圖4示。
圖3 壓控振蕩電路圖
圖4 壓控特性
圖5 換能器等效電路
圖6 鑒相電路簡圖
頻率跟蹤電路
頻率跟蹤電路由單壓取樣、鑒相電路組成。換能器和超聲發(fā)生器連接的等電路圖如圖5所示。輸出變壓器B的左端接超聲發(fā)生器的功率輸出端，L0為匹配電感，使換能器處與諧振狀態(tài)，虛框中為換能器的等效電路。當(dāng)其處于諧振狀態(tài)時(shí)，虛框部分呈純阻性，電壓和電流相位相同；當(dāng)處于失諧狀態(tài)時(shí)，電路呈感性或容性，這時(shí)電壓和電流相位不同。通過鑒相電路可以把這一相位差轉(zhuǎn)換為一信號(hào)電壓，當(dāng)這一電壓加在8083的7、8腳時(shí)即可改變超聲發(fā)生器的頻率，使換能器處于諧振狀態(tài)，鑒相電路簡圖如圖6所示。U和i分別為由采樣電路得到的換能器兩端的電壓和通過其的電流，經(jīng)電壓比較器A1、A2和異或門A4及D觸發(fā)器A5處理后各點(diǎn)波形如圖7。其中異或門A4的輸出經(jīng)由兩個(gè)電容構(gòu)成的濾波電路后，變成一平滑的直流電壓，而且其大小隨相位差（異或門輸出高電平的寬度）的增大而增大。當(dāng)電壓落后電流時(shí)，D觸發(fā)器輸出高電平，這時(shí)A3為一放大倍數(shù)為“1”的反向器（和運(yùn)放相連的電阻應(yīng)相對(duì)較大，否則三極管導(dǎo)通時(shí)電路將失去作用）；反之，A3為一放大倍數(shù)為“1”的跟隨器。由此可知，鑒相電路可控制系統(tǒng)頻率向諧振頻率靠近直至達(dá)到諧振頻率。電壓和電流采樣電路如圖8所示，由于換能器的電壓和電流是主電路的強(qiáng)電信號(hào)，本電路采用光電耦連接強(qiáng)弱電，使主電路和控制電路隔離，同時(shí)也有濾波的作用，強(qiáng)電采樣用的是電壓互感器和電流互感器。電路中均采用40系列的COMS芯片，這樣不僅電路穩(wěn)定，而且異或門的輸出電壓范圍較大，可以達(dá)到8083的要求，中間省去放大電路，使得電路簡化。
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