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超声换能器的原理及设计超声波换能器是超声波焊接机的高频机械振动源及作用，就是将超声波发生器输出的电能或者磁能转换成相同频率的机械振动，超声焊接机用的换能器，目前有两种，一种是，磁致伸缩型换能器，另一种是压电陶瓷换能器磁致伸缩式换能器，由于效率低，性价比低，还需外加直流极化磁场，因此目前超声焊接机已经很少使用。
压电陶瓷换能器基本原理是建立在晶体材料的压电效应基础上的，这种材料为压电晶体材料，在超声焊接机主要用的是压电陶瓷产量，这种材料在成熟外地发生形变时，在压电陶瓷晶体表面，会出现电荷，晶体内部产生电场，反之，当晶体呈受外电场作用时，金片会发生形变，这种现状称之为压电效应，前者称正电效应，或者称逆电效应。
超声波换能器是超声振动系统的核心部件，超声波换能器设计的好坏，关系到焊接机工作的效率，稳定性及寿命等，在市场上采用大部分的压电陶瓷换能器，按照振动形式区别种类很多，如径向振动模式，纵向复合式振动模式，剪切振动模式，厚度振动模式等。
超声波塑料焊接机工作时加工塑料工件，需要的是高频率的纵向振动。
使得工件的上下模上下高频振动融化焊接层得到焊接效果。
压电换能器的结构：压电陶瓷换能器的结构，由压电陶瓷晶片，电极片，前后盖等组成。
后盖板一般用质量较大的钢制成前盖板由质量轻的，高强度铝合金或者钛合金制造而成，它是利用了压电陶瓷的纵向效应器，陶瓷元件的极化方向，电场方向，机械振动方向，三者一致。
这种换能器称纵向复合振动换能器，它的长度方向尺寸远大于它们的宽度。
图3-1为国内外焊接机常用的政治使用图与结构图，图中两端是两块金属盖板，中间是压电陶瓷元件堆，压电陶瓷一般是纵向极化的带孔圆片，一根应立螺杆，将这三部分紧固在一起着，称为预应力螺杆。
他只陶瓷元件，具有较大的抗压强度，同时在大功率驱动下，陶瓷元件取压缩状态，从而避免膨胀所造成的破裂这种换能器通过改变前后盖的材料尺寸来控制换能器的频率带宽，前后增速比和有效机电耦合系数等性能参数。
超声波加工技术论文超声波加工是利用工具断面的超声振动，通过磨料悬浮液加工脆硬材料的一种成型方法。
这是店铺为大家整理的超声波加工技术论文，仅供参考!超声波加工技术论文篇一超声加工的应用及发展摘要：陶瓷、光学玻璃、功能晶体、金刚石、宝石和先进复合材料等具有优越的物理、化学和机械性能，在航空、航天、军工、电子、汽车和生物工程等领域正得到越来越广泛的应用，并且其应用还在不断向新的领域扩展。
与此同时，人们开始探索特种加工方式来加工这些难加工材料。
超声加工技术就是在此背景下发展起来的，实践证明，它是加工上述难加工硬脆材料的高效和经济有效的方法之一。
超声技术在工业中的应用开始于20世纪10～20年代，它是以经典声学理论为基础，同时结合电子技术、计量技术、机械振动和材料学等学科领域的成就发展起来的一门综合技术。
超声技术的应用可划分为功率超声和检测超声两大领域。
其中，功率超声是利用超声振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发生改变，或者使这种状态改变加快的一门技术。
功率超声在机械加工方面的应用，按其加工工艺特征大致分为2类，一类是带磨料的超声磨料加工(包括游离磨料和固结磨料)，另一类是采用切削刀具与其他加工方法相结合形成的超声复合加工。
关键词：超生加工发展特点及优势应用潜能一、超声加工技术的发展1927年，美国物理学家伍德和卢米斯最早作了超声加工试验，利用超声振动对玻璃板进行雕刻和快速钻孔。
但当时超声加工并未应用到工业上，直到大约1940年在文献上第一次出现超声加工(USM-Ultrasonic Machining)工艺技术描述以后，超声加工才吸引了大家的注意，并且逐渐融入到其他的工业领域。
1951年，科恩研制了第一台实用的超声加工机，为超声加工技术的发展奠定了基础。
USM提供了比常规机械加工技术更多的优点。
例如，导电和非导电材料它都可以加工，并且加工复杂的三维轮廓也可以像简单形状那样快速。
此外，超声加工过程不会产生有害的热区域，同时也不会在工件表面带来化学/ 电气变化，而且加工时在工件表面上所产生的有压缩力的残余应力可以增加被加工零件的高周期性疲劳强度。
超声波电源发生器工作原理
超声波电源发生器是一种先进的电力设备，它能够将低频电源转换为高频超声波信号输出，并将其用于实现灵活、精确的工程应用。
超声波电源发生器的工作原理是将低频电源（如直流电源）或交流电源）用交流转换器转换为直流电压后，再将其转换为高频超声波信号输出。
频超声波信号是一种正弦波形，形成的振动波波长一般为1mm至50mm，频率通常为20kHz－2MHz之间。
超声波电源发生器的工作方式一般分为半导体模式、振荡模式和变压器模式等，其中半导体模式指将低频源（如直流电池）用半导体元件（即功率晶体管）转换为高频超声波信号，振荡模式则通过穿插各种器件实现，而变压器模式则是通过一个变压器完成此功能，它能够将低频电源转换为高频超声波信号。
超声波电源发生器的输出信号可以用于各种实际应用，如控制自动化设备、用于焊接、清洗以及检测等。
例如，超声波电源发生器可以用于维护自动化设备，其中通过将高频超声波信号调节到特定的频率和幅度，可以实现对机器性能参数的准确控制和检测，从而提高机器性能。
另外，超声波电源发生器还可以用于物体的精确焊接。
它能够将高频超声波信号调节到特定的频率和幅度，使物体在焊接过程中产生高温，从而实现物体的精确焊接和装配。
样，超声波电源发生器还可以用于实现物体的特殊表面处理和清洗，为实现均匀、持久的表面处理效果和清洗提供了可行的方案。
超声波电源发生器的操作原理及其在工程应用方面的广泛性为其受到广泛应用打开了大门。
它已经成为自动化控制系统、工业设备以及各种商业应用中使用最为广泛的电力设备。
未来，超声波电源发生器将继续拓展新的应用领域，为更多工程应用提供更高效率、更精确的控制效果。
超声波焊接机操作目的正确操作设备，确保设备正常运行，保证正常生产和产品质量、1.范围本公司所有超声波焊接机操作人员及维修和工程技术人员。
2.操作人员：设备的操作和保养。
维修人员：设备的检修及调试。
工程技术人员：制定及修改规范。
3.引用文件3.1.超声波塑料熔接机使用说明书4.术语和定义4.1.超声波焊接装置是通过一个电晶体功能设备将当前50/60Hz的电频转变成20KHz或15KHz的高频电能，供应给转换器。
转换器能将电能转换成用于超声波的机械振动能,调压装置负责传输转变后的机械能至超声波焊接机的焊头。
焊头是将机械振动能直接传输至需压合产品的一种声学装置。
通过上焊接把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。
又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区,致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体.当超声波停止作用后让压力持续几秒钟，使其凝固成型,这样就形成一个坚固分子链,达到焊接的目的，焊接强度能接近原材料的强度.4.2.超声波焊接:以超声波频率振动的焊头,在预定的时间及压力下，摩擦生热，令塑胶接面相互熔合，既牢固,又方便快捷。
4.3.超声波焊接机主要由如下几个部分组成：发生器、气动部分、程序控制部分，换能器部分。
4.3.1.发生器主要作用是将工频50Hz的电源利用电子线路转化成高频(例如15KHz）的高压电波。
4.3.2.气动部分主要作用是在加工过程中完成加压、保压等压力工作.4.3.3.程序控制部分控制整部机器的工作流程,做到一致的加工效果。
4.3.4.换能器部分是将发生器产生的高压电波转换成机械振动，经过传递、放大、达到加工表面.5.流程图6.工作程序6.1.1.机台及工作台面是否清洁。
6.1.2.检查发振箱后面的地线是否接地良好。
6.1.3.确认气源压力在6～8kg/cm2,检查高压气压管各处是否结合锁紧并无漏气现象。
6.1.4.确认模头工作面是否光滑平整。
目录一、摘要 (2)二、超声波金属点焊接原理及特点 (2)1.超声波金属焊接的优点 (2)2.超声波金属焊接的不足 (3)3.影响超声波金属焊接质量的主要因素 (3)三、国内外研究现状 (4)1.研究现状国内 (4)2.国外研究现状 (5)四、制约国内超声波金属焊接技术发展的几个关键因素 (7)五、超声波金属焊接技术今后发展方向 (7)六、参考文献 (8)摘要:介绍了超声波焊接技术的基本原理、目前的发展状况，对目前国内外金属超声波焊接设备进行了简要介绍，对国内相关领域的发展进行了总结，分析了目前制约金属超声波焊接技术的关键因素和解决的对策，并对超声波技术的发展趋势进行了展望。
关键词:超声波焊接；发展状况；发展趋势The basic principles of ultrasonic welding technique and the present research status were presented, the metalultrasonic welding apparatus at home and abroad were briefly introduced, and the domestic developments in the relevant metalultrasonic welding areas were summarized. Moreover, the key factors that currently affect metal ultrasonic welding and thesolutions to these issues were analyzed, the development tendency of ultrasonic metal welding techniques was pointed out atthe end.Key words:ultrasonic welding; development status; development tendency超声波金属焊接还在电子工业、电器制造、新材料的制备、航空航天及核能工业、食品包装盒、高级零件的密封技术方面都有很广泛的应用，量比电流焊接少得多，超声波邦定作为超声波金属焊接的一种小功率应用，常用于晶体管或集成电路引线的焊接。
超声波焊接机工作原理及工艺参数一．超声波应用原理我们知道正确的波的物理定义是：振动在物体中的传递形成波。
这样波的形成必须有两个条件：一是振动源，二是传播介质。
波的分类一般有如下几种：一是根据振动方向和传播方向来分类。
当振动方向与传播方向垂直时，称为横波。
当振动方向与传播方向一致时，称为纵波。
二是根据频率分类，我们知道人耳敏感的听觉范围是20HZ-20000HZ，所以在这个范围之内的波叫做声波。
低于这个范围的波叫做次声波，超过这个范围的波叫超声波。
波在物体里传播，主要有以下的参数：一是速度V，二是频率F，三是波长λ。
三者之间的关系如下：V=F.λ。
波在同一种物质中传播的速度是一定的，所以频率不同，波长也就不同。
另外，还需要考虑的一点就是波在物体里传播始终都存在着衰减，传播的距离越远，能量衰减也就越厉害，这在超声波加工中也属于考虑范围。
1、超声波在塑料加工中的应用原理：塑料加工中所用的超声波，现有的几种工作频率有15KHZ，18KHZ，20KHZ，40KHZ。
其原理是利用纵波的波峰位传递振幅到塑料件的缝隙，在加压的情况下，使两个塑料件或其它件与塑料件接触部位的分子相互撞击产生融化，使接触位塑料熔合，达到加工目的。
2、超声波焊机的组成部分超声波焊接机主要由如下几个部分组成：发生器、气动部分、程序控制部分，换能器部分。
发生器主要作用是将工频50HZ的电源利用电子线路转化成高频（例如20KHZ）的高压电波。
气动部分主要作用是在加工过程中完成加压、保压等压力工作需要。
程序控制部分控制整部机器的工作流程，做到一致的加工效果。
换能器部分是将发生器产生的高压电波转换成机械振动，经过传递、放大、达到加工表面。
3．换能器部分由三部分组成：换能器（TRANSDUCER）；增幅器（又称二级杆、变幅杆，BOOSTER）；焊头（又称焊模，HORN或SONTRODE）。
①换能器(TRANSDUCER)：换能器的作用是将电信号转换成机械振动信号。
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第18卷第5期2004年10月 华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报(自然科学版)Journal of East China Shipbuilding Institute(Natural Science Edition)Vo1118No15Oct.2004文章编号:1006-1088(2004)05-0082-04用于焊后处理的超声波功率电源的研究与实现马 刚,邓志良,谢成祥,姜文刚(江苏科技大学电子信息学院,江苏镇江212003)摘 要:研制了一种新型用于焊后处理的超声波冲击装置。
该装置的功率电源采用自适应带通滤波器对换能器的电压和电流的基波信号进行提取,用单片机和DDS芯片完成了高精度的自动频率跟踪和功率控制,实现了脉冲频率和脉冲宽度的联合调制,可以满足实际超声波冲击的要求。
关键词:超声波功率电源;换能器;频率跟踪控制;输出功率恒定控制中图分类号:TG404 文献标识码:AResearch on U ltrasonic Po wer Supply Used for Post welding TreatmentMA Gang,DENG Zhi2liang,XIE Cheng2xiang,J IANG Wen2gang(School of Electronics and Information,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang Jiangsu212003,China) Abstract:Develops a new kind of ultrasonic percussion device used for postwelding treatment.The power supply of the device adopts the self2adaptive band2pass filter to draw the signal of base wave of voltage and current in transducer and finishes the high accuracy function of automatic frequency tracing control and output power control with one2chip computer and DDS chip.The control circuit has realized the pulse frequency and pulse width union m odulation.This device can meet the actual request to ultrasonic percussion.K ey words:ultrasonic power supply;transducer;frequency tracing control;constant output power control 0 引 言有关资料研究表明:应力集中是降低焊接接头和结构疲劳强度并引起疲劳失效的首要原因[1]。
所以,改善焊接接头疲劳强度、防止焊接结构的疲劳破坏仍是目前焊接工程领域应努力解决的实际问题,同时也是当今焊接学科领域一项重要的研究课题。
近年来,乌克兰、加拿大等国在采用超声波冲击法来提高焊接接头疲劳强度方面做了细致的研究。
这种装置的执行机构轻巧,操作方便灵活,工人劳动强度较低,应用时受限小,成本低且节能,因而这是一种很具有实用价值的焊后改善接头疲劳强度的方法。
本文对超声波冲击装置中的重要部件之一即功率电源的技术进行了较为深入的研究,对电源结构、信号采集等设计方案进行了详细的论述,提出了以MICROCHIP单片机为核心的控制电路以及超声波冲击装置频率跟踪、输出功率的闭环控制方案。
1 超声波冲击装置工作原理与结构111 超声波冲击装置的组成 本装置主要由3部分组成,即超声波功率电源、声学系统和机械构架。
对功率电源的要求是能实现对收稿日期:2004-01-07作者简介:马 刚(1979-),男,陕西西安人,江苏科技大学硕士研究生。
图1 超声波冲击装置系统结构图Fig.1 Structure of ultras onic percussion device system 声学系统谐振频率的跟踪和输出功率恒定控制功能,这里所说的输出功率恒定控制是指输出功率能够跟踪得上设定功率。
此外,为了使功率电源输出的激励交流电更好地符合声学系统的需要,并且提高功率电源和声学系统之间的能量传输效率,必须设计合理的匹配网络。
整个系统结构设计如图1所示。
112 超声波功率电源主电路图2 超声波冲击装置主电路原理图Fig.2 Principle of main circuit 功率电源主电路原理图如图2所示。
功率电源将电网上50H z 的工频交流电经整流和滤波形成直流电,把该直流电通过由功率开关器件IG BT 组成的逆变器转换为频率与声学系统换能器谐振频率一致的大约20kH z 高频交流电压,高频主变压器将其与负载隔离、变压,然后在经过匹配电路使主变压器的方波输出电压转变成近似于理想正弦波形且与声学系统相匹配的同频交流电,用来激励声学系统的压电换能器,使之发出超声频的机械振动[2,3]。
产生的位移振幅经变幅杆将振幅放大使针状冲击头产生约30μm 的位移并作用于工件上的焊缝处,使以焊趾为中心的一定区域的焊接接头表面产生足够深度的塑变层,从而有效地改善焊缝与母材过渡区(焊趾)的外部几何形状,降低了焊接接头的应力集中程度,致使冲击处理后接头疲劳强度得以显著的提高。
2 超声波功率电源控制电路控制电路的控制作用一是通过对输出电压与电流相位的比较来调节驱动脉冲的频率,使得由逆变器输出的电压与电流相位一致,从而实现声学系统的最大效率输出;二是由采样输出电压与电流获取的实际输出功率与设定功率进行比较,获得宽度可变的驱动脉冲信号来控制功率开关器件的通断时间,从而实现输出功率的控制。
在超声波冲击装置工作时,实时采样换能器两端的电压和流经换能器的电流,经自适应带通滤波器滤波后,由MICROCHIP 单片机检测电压和电流的相位差,并获取功率信号,进行处理后,输出数字频率信号和脉冲宽度信号,进行脉冲频率和脉冲宽度联合调制,驱动IG BT 半桥交替导通,同时实现频率跟踪和功率控制。
211 频率跟踪控制图3 基于DDS 的频率自动跟踪原理图Fig.3 Principle of automatic frequency tracing based on DDS 换能器作为电/声(机械能)转换器件,按照功率电源提供的激励电流频率振动,只有在激励电流频率与其谐振频率一致时,声学系统才有最大效率输出[1]。
而且换能器的谐振频率还会在冲击负载的影响下发生一定的偏移。
整个声学系统固有谐振频率发生较大波动的情况下,仍能使功率电源的工作频率与之保持一致,就要求功率电源配有精确、快速的频率跟踪系统。
本文采用基于直接数字频率合成器DDS (Direct Digital Synthesizer )芯片的频率自动跟踪电路,其原理如图3所示[4]。
38第5期 马 刚等:用于焊后处理的超声波功率电源的研究与实现图4 DDS 结构图Fig.4 Structure of DDS AD9833型DDS 内含一个采用28位相位累加器的数值控制的振荡器、一个正弦ROM 以及一个10位D/A 转换器,其结构原理如图4所示。
AD9833的时钟频率可达25MH z ,片内有32位的频率寄存器,频率精度可以控制到0.01H z ,可以输出对称的正弦波和三角波,输出频率与频率寄存器的数值成线性关系[5]。
可以通过SPI (Serial Peripheral Interface )接口将频率数据写入频率寄存器,产生合适的输出频率,与功率控制信号一起作用,生成一定占空比的脉宽信号,控制IG BT 半桥交替导通。
当换能器处于谐振状态时,加在换能器两端的电压与流过其中的电流是同相位的。
当激励信号的频率偏离换能器的谐振频率时,换能器工作在失谐状态,其两端的电压与电流存在相位差。
对电压和电流采样后,对其进行自适应带通滤波,获取其非常接近正弦波的基波波形,经整形得到两路占空比为50%的方波信号,相与后便可得到与相位差互补的同频的脉宽信号,由计算机来检测这一脉宽信号的占空比,从而获得相位差。
通过模糊运算产生发生器频率增量,最后通过SPI 接口将数字频率信号写入DDS 芯片的频率寄存器,实现高精度的频率跟踪控制[6,7]。
212 基于锁相环的带通滤波器由于发生器的逆变器输出的交变电压是一定占空比的方波,经高频变压器后,又发生一定的畸变,因此,换能器两端的电压和流过换能器的电流,除含有基波分量外,还有大量的奇次谐波,其中,基波信息最重要,通过基波电流和电压的相位差可以判别换能器是否处于谐振状态,为频率跟踪提供条件,这样,在超声波功率电源的控制中,不可避免地要进行基波信息的提取。
对于超声波冲击装置,换能器的谐振频率不是固定的,因此,要求提取基波分量的滤波器在换能器谐振频率的漂移范围内具有通用性,而一般的有源模拟滤波器很难满足这种自适应滤波的要求。
为解决这一问题,本文采用锁相倍频与开关电容滤波器MAX 267相结合的方法构成自适应滤波器。
MAX 267含有两个独立的开关电容带通滤波器,仅仅使用外部时钟,就可以使每个滤波器实现二阶带通滤波器。
滤波器的中心频率由时钟频率确定,中心频率的控制十分方便。
此时,实现自适应带通滤波的关键是时钟频率的产生。
逆变电源的频率是由AD9833的输出频率控制的,在频率跟踪完好的情况下,AD9833的输出频率即为换能器的谐振频率。
为提取基波分量,开关电容滤波器的输入时钟频率必须随着控制器输出频率变化而变化,从而保证开关电容带通滤波器的中心频率与控制器的输出信号频率一致。
MAX 267的时钟频率与中心频率之比为100,因此,将AD9833的输出频率整形为同频的方波信号后锁相100倍频为MAX 267提供时钟频率。
213 输出功率恒定控制为保证冲击工艺过程稳定、冲击质量良好,要求声学系统传递跟负载的机械功率应与设定功率一致。
但是,声学系统缺乏对自身输出功率的调节功能,因而必须通过控制功率电源的功率输出才能实现。
超声波功率电源的功率一般是通过改变激励电压来控制的,通常采用可控整流方法,此时需要比较复杂的触发电路,并且该方法会产生丰富的谐波,给电网带来污染,严重时将影响其他设备的使用。
因此,本文采用全波不可控整流方案,通过改变脉宽的方法来调节换能器的激励电压。
集成PW M 控制器如T L494,通常只能输出固定频率的脉宽信号,实现精确的频率自动调整很不方便,而在超声波功率电源中,由于要进行频率跟踪,所以要求激励信号的频率是变化的,采用此类的PW M 控制器难以满足要求。
