青岛科技大学本科毕业设计（论文）
4 超声系统选择
4.1超声波发生器
超声波发生器也称作超声电源，它是一种用以产生超声频电能并向超声换能器提供的装置，将 220V 或 380V 的交流电转化成频率为超声频的电振荡信号。按照所采用的工作原理，可以把超声波发生器分为模拟电路和数字电路两大类。模拟电路超声波发生器又分为振荡-放大型和逆变型两种。常用的电子管发生器、晶体管发生器和模拟集成电路发生器均属于前一种，可控硅发生器则属于后一种。它主要由振荡器、电压放大器、功率放大器和输出变压器等部分组成。
其中，振荡器是超声波发生器的心脏。超声加工要求发生器能够识别换能器、变幅联接件、工具头的固有频率，当某种原因引起超声波振动系统共振频率的变化时，可通过“声反馈”或“电反馈”使超声波发生器的工作频率能自动跟踪变化，保证超声波振动系统始终处于良好的谐振状态，使得工具头输出的振幅最大，且工具头的微小磨损不影响输出振幅，保证加工效率。实际加工中，机械负载是经常变化的（加工材料材质的变化、加工小孔时直径的变化、工具头的磨损等），即使频率跟踪良好，负载的增大也会引起输出振幅、单位负载功率的下降，因此，为提高加工表面质量及工艺过程的稳定性，要求换能器传送出的机械功率随负载的变化而变化，即工具头输出振幅恒定性，要求发生器具有功率自动调节功能。另外，超声发生器必须加入保护模块，如过流保护模块，过压保护模块、换能器与阴极工具头联接出现故障自动切断电源模块。
为此，一般要求超声波发生器应满足如下条件： （1）输出阻抗与相应的超声振动系统输入阻抗匹配；
（2）频率调节范围应与超声振动系统频率变化范围相适应，并连续可调； （3）输出功率尽可能具有较大的连续可调范围，以适应不同工件的加工； （4）结构简单、工作可靠、效率高、便于操作和维修。
采用数字电路超声波发生器，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变方便的调整控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。此外，还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现超声波发生器的智能化。
超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式：
采用单片机控制。单片机控制克服了模拟电路的缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度和高稳定度的控制特性，并可实现灵活多样的控制功能。但是，单片机的工作频率与控制精度是一对矛盾，而且处理速度也很难满足高频电路的要求
采用数字信号处理器（DSP）控制。在超声波发生器中，DSP可以完成出功率变换以外的所有功能，如主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等。虽然DSP有着许多优点，但是她也存在一些局限性，如采用频率的选择、PWM信号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等，这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。
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立式超声微细电化学加工机床机械系统设计
采用FPGA控制。现场可编程门阵列FPGA具有集成度高、处理速度快、效率高等优点。比较而言，DSP适合取样速率低和软件复杂程度高的场合使用：而当系统取样速率高（MHz级），数据率高（20MB/s以上）、条件操作少、任务比较固定时，FPGA更有优势。
4.2超声换能器
超声换能器是超声振动系统的核心部件。超生加工处理设备利用超声换能器的作用将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能，并通过变幅杆进行振幅放大和聚能后再传输到工具头，进而实现对共建的超声加工处理。目前，广泛采用的超声换能器主要有用铁、钴、镍及其合金等材料的磁致伸缩效应制作磁致伸缩换能器和用水晶、钛酸钡、锆钛酸铅等材料的压电效应制作的压电换能器两大类。
磁致伸缩换能器是由磁致伸缩材料制作的铁芯外面缠绕线圈而成，当线圈中通以一定直流电产生最佳偏磁场后，再通以交变电流使其产生交变磁场，使重叠于最佳偏磁场之上，由此铁芯中的磁场将在最佳片磁场水平上变化。在交变磁场的作用下，由于材料的磁致伸缩效应，换能器两端面产生与交流电频率相同的交变伸缩，当交变电流的频率与换能器的共振频率一致时，换能器端部震动最强烈，由此从换能器两端面向介质辐射出的超声波。
压电换能器是利用压电材料在电场作用下产生形变的特性，即上述压电晶体的逆压电效应而制成的超声换能器，将压电材料做成片状，上下两面涂上银层作为电极，并进行极化处理，在该压电片两电极间加上电场。
本机床系统拟选用夹心式压电换能器，超声频率16k-50kHZ。夹心式压电换能器由压电陶瓷片、前后金属盖板、预应力螺栓、金属电极片以及预应力螺栓绝缘套管等组成。
换能器中央部分的陶瓷晶片堆由若干片压电陶瓷圆环组成，压电陶瓷晶片堆中各晶片之间采用机械串联而电路并联的方式联接，相邻两片晶片的极化方向相反，使得各个晶片的纵向振动能够同向叠加，以保证压电陶瓷晶片堆能够协调一致地振动。对于轻负载工作状态的压电陶瓷复合换能器，换能器振动位移较大，而电压不是太高，因此这种换能器的机械损耗占主导地位，而介电损耗则较小，在这种情况下，当换能器的压电陶瓷晶堆偏离位移节点时可以减少换能器的机械损耗，以避免陶瓷晶堆所受的应力过大而导致损坏及损耗增大。压电陶瓷元件的直径应小于对应换能器谐振频率在陶瓷材料中声波波长的四分之一。
夹心式压电换能器的前质量块，即前盖板，主要是保证实现将换能器产生的绝大部分能量从它的纵向前表面高效的辐射出去，另一方面前盖板实际上也充当一个阻抗变换器。换能器前盖板的材料基本上采用轻金属，如钛合金、铝镁合金和铝合金，最常用的前盖板形状有圆柱型、圆锥型、指数型以及多种复合形状等。换能器的后盖板主要是实现换能器的无障碍单向辐射，以保证能量能够最小限度地从换能器的后表面辐射，从而提高换能器的前向辐射功率。后盖板材料基本上采用一些重金属，如 45 钢和铜，其形状比较单一，主要是圆柱型或圆锥型。为了尽可能小的影响换能器的实际工作状态，应将换能器通过法兰盘与外部机构联接，而法兰盘的位置应位于换能器的位移节点处。
高声强螺杆夹心式压电换能器设计：
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（1）技术条件
谐振频率为20kHz；压电陶瓷片选用Fc，直径为?56mm，中心孔为?16mm，厚度为6mm，（K33?0.64，?0?7.5g/cm3,c0?3.57?105cm/s）；前后盖板的材料均选用铝合金LY12，直径为?56mm，（?1?2.7g/cm3，c1?c2?5.07?105cm/s）；电极厚度为l3=3mm的铝合金，直径为?66mm。
考虑用非对称结构，后盖板与两压电陶瓷片及电极片构成四分之一波长段，前盖板构成四分之三波长段。螺杆选用GB/T 5782-2000 M10×60，垫圈选用平垫圈-A级GB/T 97.1-1985，弹簧垫圈选用标准弹簧垫圈GB/T 93-1987。
（2）计算
用下面公式近似计算后盖板的长度l1：
??tan?Z0?T?tan??2?0/2?????1?Z?T???T?m?13cot?3?? 式中m?K?23?Z3/Z0;Z3??3c3S3;?3??l0/c0;?0??l0/c0;T?cot?330?? 0。
带入已知数据得出：
Z0S0?0c07.5?3.75Z???1055?1.951S1?1c12.7?5.07?10 ??l02?3.14?2?104?0.6?20?c?3.751?105?0.4220 tan??0/2??0.24?1?1.12 lc1?1?5.07?105?1.121??45.1mm得后盖板的长度
?2?3.14?2?104 前盖板为圆柱形：
?c25.07?105l2?4?4f?4?2?104?63.4mm 加工制作成的换能器如图4-1所示。
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4-1）
4-2）4-3）
4-4）
4-5）
4-6）
（（（（（（立式超声微细电化学加工机床机械系统设计
图4-1 换能器实体造型
Figure4-1 3D model of energy conversion device
4.3超声变幅杆
超声变幅杆其外形通常为变截面杆，是超声加工处理设备中超声振动系统的重要组成部分之一。在超声振动系统工作过程中，由超声换能器辐射面所产生的震动幅度较小，当工作频率在20kHz范围内超声换能器辐射面的振幅只有几微米，而在大量高强度超声应用中所需要的振幅大约为几十至几百微米，所以必须借助变幅杆的作用将机械振动质点的位移量和运动速度进行放大，并将超声能量聚集在较小的面积上，产生聚能作用。超声变幅杆还可以作为机械阻抗变换器，在换能器和负载之间架起桥梁，进行阻抗匹配，是超声能量更有效的从换能器向负载传输。
在超生加工处理设备的结构工艺上，通常在变幅杆或半波长等截面杆的波节平面处加带一个法兰盘，利用法兰盘将超声振动系统固装在超声设备上。
变幅杆可分为纵向震动变幅杆、弯曲振动变幅杆、扭转震动变幅杆。其中纵向震动变幅杆可分为简单形、复合形。简单形又可分为指数形、圆锥形、悬链形、阶梯形。
各种结构的比较如图4-2。
图4-2 不同结构变幅杆的比较 Figure4-2 Comparison between different horn
变幅杆截面沿轴向是变化的，忽略能量损耗，变幅杆轴向每一截面的振动能量不变。
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