新型超声发生器在生产中推广应用

      超声发生器是超声加工系统的重要部分，其性能的好坏直接影响着产品的加工质量。在超声加工系统中，为了获得最大振幅以提高加工质量，工作中应调整超声发生器的频率，使其与换能器振动系统的谐振频率相同。但加工过程中诸多因素的改变使换能器的谐振频率发生变化（如图1所示）,当超声发生器具有频率自动跟踪性能后，系统就总是工作在谐振状态；为使超声设备工作稳定，许多场合要求换能器输出的功率与负载大小成比例，例如当换能器从重载突然变为空载时，其机械负载阻急剧变小，使得发生器和换能器极易损坏，我们研制的新型多功能发生器内部有一稳速电路，使功放的功率随负载的变化而变化；为了现场了解系统的工作状态，特别加入了机械振幅监控装置，使得操作人员可以方便地管理和操作设备。

图1 换能器振动系统的频率特性

　电路原理与装置

　　如图2所示，发生器可分为主电路、采样电路、频率跟踪、稳速电路以及振幅监测电路。

图2 超声发生器系统结构图

　主电路
　　压控振荡选用的是ICL8083,按图3所示接线时，可得到频率可控的正弦波，其中输入电压V即是鉴相电路的输出，其压控制特性曲线如图4示。

图3 压控振荡电路图

图4 压控特性

图5 换能器等效电路

图6 鉴相电路简图

   频率跟踪电路
　　频率跟踪电路由单压取样、鉴相电路组成。换能器和超声发生器连接的等电路图如图5所示。输出变压器B的左端接超声发生器的功率输出端，L₀为匹配电感，使换能器处与谐振状态，虚框中为换能器的等效电路。当其处于谐振状态时，虚框部分呈纯阻性，电压和电流相位相同；当处于失谐状态时，电路呈感性或容性，这时电压和电流相位不同。通过鉴相电路可以把这一相位差转换为一信号电压，当这一电压加在8083的7、8脚时即可改变超声发生器的频率，使换能器处于谐振状态，鉴相电路简图如图6所示。U和i分别为由采样电路得到的换能器两端的电压和通过其的电流，经电压比较器A₁、A₂和异或门A₄及D触发器A₅处理后各点波形如图7。其中异或门A₄的输出经由两个电容构成的滤波电路后，变成一平滑的直流电压，而且其大小随相位差（异或门输出高电平的宽度）的增大而增大。当电压落后电流时，D触发器输出高电平，这时A₃为一放大倍数为“1”的反向器（和运放相连的电阻应相对较大，否则三极管导通时电路将失去作用）；反之，A₃为一放大倍数为“1”的跟随器。由此可知，鉴相电路可控制系统频率向谐振频率靠近直至达到谐振频率。电压和电流采样电路如图8所示，由于换能器的电压和电流是主电路的强电信号，本电路采用光电耦连接强弱电，使主电路和控制电路隔离，同时也有滤波的作用，强电采样用的是电压互感器和电流互感器。电路中均采用40系列的COMS芯片，这样不仅电路稳定，而且异或门的输出电压范围较大，可以达到8083的要求，中间省去放大电路，使得电路简化。

图7 各点波形

图8 电压、电源采样电路

  稳速电路
　　当超声加工系统稳定重载工作时，主电路电流为一稳定值且应达到最大输出功率。这时如果变为空载，换能器的阻抗变小，电路电流突然增大，不但浪费能源而且换能器容易被烧坏。同时，当工件变化时，如果功率不变，则机械振幅发生变化，造成加工质量不稳定。所以可设计一电路，取主电路电流为信号，利用双向可控硅加一负反馈电路，可以使系统电流为一稳定值，从而机械振幅稳定。稳速电路简图如图9所示。

图9 稳速电路

　　当主回路电流增大时，光电耦合器的导通程度增大，三极管T₁的基极电位升高，导致R的电位升高，由于T₂的基极电位不变，其集电极的输出电压升高，PNP三极管的导通程度减小，电容C的充电时间加长，使得单结晶管的张驰振荡频率降低，双向可控硅的导通角变小，功放供电电压降低，系统功率下降；反之，T₂的输出降低，单结晶管的张驰振荡频率升高，双向可控硅的导通角加大，功放供电电压升高，系统功率上升。这样，组回路电流就可以稳定为一固定值，从而换能器的机械振幅稳定，加工质量稳定。同样，电路中主回路的电压采样采用光电耦合器件，减少主回路对稳速电路的影响，使得系统可以稳定工作。

  机械振幅监测电路
　　机械振幅监测电路比较简单，采用传感器获得信号、中间放大电路、显示设备的结合。这方面技术比较成熟，这里不赘述滤清器。

　系统总结

　　在实际应用中，超声发生器可加一开关用以控制系统处于自动频率跟踪还是手动调节，一旋钮控制在满载时的功率（机械振幅合适），这样本系统就可以为实际所用。
　　超声发生器正在向系列化、通用化和积木化程度高的方向发展，因此一台超声设备必须具有多种机加工所必须的功能。本系统同时具有频率跟踪、自动稳速、机械振幅监测等多种功能，且设计中多采用CMOS元件以及集成电路，系统体积小、工作稳定、费用低，非常适用。