旋转超声加工智能超声波发生器的研究

　　随着科学技术的发展,硬脆材料及各种复合材料发展迅速,加工问题不断提出。国内外的研究表明:采用金刚石工具的旋转超声加工是加工硬脆材料的一种有效方法,具有良好的发展前景[1,2]。超声加工,要稳定顺利进行,必须保证超声振动系统始终处于良好的谐振状态,而在实际加工过程中,由于负载变化、工具磨损、换能器发热等因素的影响,换能器的机械共振频率将发生漂移,从而使振动系统失谐,导致工具端面的振幅减小,而振幅的减小或消失,会使系统降低甚至丧失超声加工的能力,因而为了保证超声加工的顺利进行,必须研制能适应负载变化的具有频率自动跟踪和稳定振幅输出的智能超声波发生器。

　　1　频率自动跟踪方案

　　频率自动跟踪系统按获得反馈信号的不同,可分为电反馈系统和声反馈系统,电反馈系统又可分为[3～5]: 1)采用阻抗电桥形式的动态反馈系统; 2)单一的电压或电流反馈系统; 3)功率反馈—压控振动系统; 4)锁相压控振动系统。由于电反馈系统反馈信号的获取较为简单便利,目前大多采用这一形式的频率跟踪方法,但这些跟踪方法都有一定的局限性,如频率跟踪范围窄或频率跟踪速度慢等,因而有必要寻求新的频率自动跟踪方案。

　　数控插补分粗插补和精插补,粗插补由软件实现,精插补由硬件实现。类比于数控插补原理,提出了一种粗精频率跟踪相结合的解决方案,具体思路为:粗跟踪由软件实现,采用变频搜索法;精跟踪由硬件实现,采用传统的锁相环电路实现。

　　由硬件电路组成的锁相环自动频率跟踪,跟踪速度快,在一般情况下能够满足加工要求,但其频率跟踪范围窄,如果由于某种原因频率突变,超出了频率跟踪范围,可能导致系统失谐,此时需要采用变频搜索的粗跟踪方法将频率拉回锁相环频率跟踪范围。另外,目前的频率粗调,基本采用手动方式,采用粗精频率跟踪的方法,可实现谐振频率调整的自动化。

　　在振动系统中具体实现时,由于控制变量仅仅是超声发生器频率f和输入电流I之间的关系,因此,设I是要寻找的目标,f是影响因素,首先将f在允许的范围内分成若干等份,以作为控制f过程的推进量Δf。假设初始状态在f1,通过测量得到对应的I1,然后f向前推进至f2,又可得到I2,比较I1与I2的大小。若I2>I1,即I增加,则沿原推进方向进一步至I3,如此不断进行,直至频率进入锁相电路自动频率跟踪的捕获带内;若I2<I1,此时的I值下降,说明控制超过极值点,推进方向应改变,这样只要减小搜索步长,就可以得到任意精度的Im。

　　根据功能要求,粗频率跟踪软件可分成如下几个模块:

　　1)系统初始化模块;