何祥磊，蘇宏華，陳玉榮，顧佳慶

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

陶瓷、石材、光學(xué)玻璃、硬質(zhì)合金等硬脆材料具備優(yōu)越的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，在航空、電子、汽車、冶金、化工和機(jī)械加工等工業(yè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，并且其應(yīng)用還在不斷向新的領(lǐng)域拓展[1]。超聲振動(dòng)輔助磨削加工作為硬脆材料加工的有效手段，其在減小磨削力、提高工件加工表面質(zhì)量與精度、提高加工效率、減小刀具磨損、延長刀具使用壽命等方面已顯露出優(yōu)勢(shì)，并在加工行業(yè)內(nèi)得到廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用[2-4]。

在超聲振動(dòng)輔助磨削加工中，因加工對(duì)象的特征和材料不同，使用刀具的材料和形狀也會(huì)存在差別，而這些因素的變化都會(huì)造成超聲刀柄的諧振頻率的變化[5]，因此在加工前，需要超聲電源[6]能對(duì)更換刀具后的超聲刀柄的諧振頻率進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并輸出與之對(duì)應(yīng)的頻率，使超聲刀柄在諧振頻率點(diǎn)上工作，以保證超聲刀柄加工時(shí)的穩(wěn)定性。

針對(duì)上述問題，本文基于超聲刀柄裝置，利用最大電流法和相位控制法相結(jié)合的方法對(duì)超聲電源進(jìn)行了控制程序設(shè)計(jì)；通過制作的樣機(jī)，對(duì)超聲電源進(jìn)行了頻率自動(dòng)識(shí)別穩(wěn)定性和精確性的測(cè)試。

1 超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別原理和程序設(shè)計(jì)

1.1 超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別原理

超聲換能器在諧振狀態(tài)時(shí)，電路呈純阻性，輸入電壓不變時(shí)流過換能器的電流、電壓同相且電流值最大。由此可見，通過檢測(cè)電壓、電流相位關(guān)系和電流大小，找到電流最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率并使電流、電壓相位差在設(shè)定的閾值內(nèi)，就能實(shí)現(xiàn)超聲電源諧振頻率自動(dòng)識(shí)別的功能。本超聲電源運(yùn)用電流最大法和相位控制法相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)諧振頻率自動(dòng)識(shí)別功能，利用最大電流法進(jìn)行粗略定頻，再利用相位控制法進(jìn)行精確定頻。電流、電壓的檢測(cè)需要對(duì)換能器兩端的電流、電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。本超聲電源采用霍爾元件對(duì)換能器回路的電流、電壓進(jìn)行采樣，測(cè)量電路如圖1所示。

圖1 電流電壓采樣電路

電流采樣和電壓采樣用的霍爾傳感器都是補(bǔ)償式傳感器，霍爾傳感器原理如圖2所示[7]。原邊電流Ip會(huì)在聚磁環(huán)處產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償電流Is會(huì)精確反映原邊電流Ip并使霍爾元件處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。

圖2 霍爾傳感器原理圖

當(dāng)主回路有電流通過時(shí)，導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)使霍爾元件產(chǎn)生電位差。電位差會(huì)驅(qū)動(dòng)功率管使其導(dǎo)通，從而副邊線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電流Is。這補(bǔ)償電流會(huì)通過多扎繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)原來的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，此磁場(chǎng)與原來磁場(chǎng)正好相反，當(dāng)兩者完全抵消，磁芯內(nèi)部磁通為0時(shí)達(dá)到磁平衡狀態(tài)?；魻栐鹬甘玖愦磐ㄗ饔?，此時(shí)可以通過Is來測(cè)量Ip。當(dāng)Ip變化時(shí)，平衡破壞，霍爾元件會(huì)出現(xiàn)電位差，重復(fù)上述過程會(huì)重新達(dá)到平衡，且失衡到再次平衡所需時(shí)間為微秒量級(jí)的。因此次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)始終和初級(jí)測(cè)量電流的安匝數(shù)相等，如此即能實(shí)時(shí)測(cè)得換能器的電流信息[7-10]。

電壓采樣時(shí)，在高頻匹配變壓器輸出側(cè)并聯(lián)多個(gè)電阻，在該回路串聯(lián)一個(gè)霍爾傳感器用來采集回路電流信號(hào)。該回路呈純阻性，得到電流信號(hào)信息就能得到回路電壓信號(hào)信息。通過兩個(gè)霍爾電流傳感器即能測(cè)得換能器的電流和電壓信息。

1.2 超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別程序設(shè)計(jì)

程序開發(fā)環(huán)境為Keil uVision5，語言為C語言。頻率自動(dòng)識(shí)別過程：電源啟動(dòng)后，超聲電源會(huì)對(duì)超聲刀柄的諧振頻率進(jìn)行搜索。為了提高搜索效率，可以在電源上通過數(shù)字鍵盤設(shè)定特定的搜索頻率帶以減少搜索時(shí)間。此時(shí)主程序調(diào)用全程諧振頻率搜索程序，在20kHz～25kHz(范圍可根據(jù)超聲刀柄所處頻率帶進(jìn)行調(diào)整)以大步長搜尋電流最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率，超聲電源會(huì)將搜索到的電流最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率設(shè)為超聲電源的起始工作頻率。執(zhí)行完此程序，超聲電源的工作頻率接近超聲刀柄的諧振頻率，但是精度低。超聲電源還需對(duì)超聲刀柄進(jìn)行精確地掃頻，通過檢測(cè)換能系統(tǒng)的電流和電壓的相位差來判斷超聲刀柄是否處于諧振狀態(tài)。首先采樣換能器回路中的電壓和電流相位關(guān)系信號(hào)，若相位差在設(shè)定的閾值θ(可調(diào))之內(nèi)，則認(rèn)為超聲刀柄處于諧振狀態(tài)；若大于這個(gè)閾值，則通過控制程序小步長調(diào)節(jié)超聲電源的輸出頻率；當(dāng)電流相位超前時(shí)，則增加超聲電源輸出頻率，當(dāng)電流相位滯后時(shí)，則減小超聲電源輸出頻率。以此使電壓和電流的相位差處于設(shè)定的閾值之內(nèi)，達(dá)到頻率自動(dòng)識(shí)別的目的。程序流程圖如圖3所示。

圖3 頻率自動(dòng)識(shí)別流程圖

2 超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別測(cè)試

為驗(yàn)證超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別的穩(wěn)定性和精確性，基于上述方案制作了樣機(jī)，如圖4和圖5所示，分別使用阻抗分析儀和超聲電源對(duì)超聲刀柄諧振頻率進(jìn)行識(shí)別測(cè)試，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

圖4 阻抗分析儀測(cè)量超聲刀柄諧振頻率

圖5 超聲電源測(cè)量超聲刀柄諧振頻率

表1 試驗(yàn)條件

分別改變刀具的懸長和直徑，記錄超聲電源識(shí)別的超聲刀柄諧振頻率，同時(shí)與阻抗分析儀測(cè)量的諧振頻率進(jìn)行對(duì)比分析。圖6為改變刀具懸長和直徑時(shí)阻抗分析儀識(shí)別的刀柄諧振頻率，圖7為改變刀具懸長和直徑時(shí)電源識(shí)別的刀柄諧振頻率。

圖6 阻抗分析儀識(shí)別的諧振頻率

圖7 超聲電源識(shí)別的諧振頻率

由圖6和圖7可知，當(dāng)?shù)毒咧睆讲蛔儠r(shí)，超聲刀柄的諧振頻率隨刀具懸長的增大而減?。划?dāng)?shù)毒邞议L不變時(shí)，超聲刀柄的諧振頻率隨刀具直徑的增大而減小。

2.1 超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別穩(wěn)定性分析

對(duì)比圖6和圖7中阻抗分析儀和超聲電源在刀具同一直徑不同懸長測(cè)得的超聲刀柄諧振頻率得到兩者差值曲線如圖8所示。

圖8 阻抗分析儀和電源識(shí)別頻率差值圖

由圖8可知，超聲電源測(cè)得的超聲刀柄諧振頻率和阻抗分析儀測(cè)得的超聲刀柄諧振頻率差值變化范圍在20Hz～250Hz之間，最大變化量為221Hz，誤差<1%。

為進(jìn)一步驗(yàn)證超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別的穩(wěn)定性，消除偶然誤差帶來的影響，選取直徑分別為4mm、6mm、8mm的刀具，取懸長23mm，用超聲電源進(jìn)行頻率自動(dòng)識(shí)別重復(fù)試驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果如圖9所示。

圖9 超聲電源重復(fù)測(cè)量結(jié)果

由圖9知，超聲刀柄裝夾刀具直徑和懸長不變時(shí)，超聲電源自動(dòng)識(shí)別的諧振頻率保持穩(wěn)定。重復(fù)5次測(cè)量，3組測(cè)量數(shù)據(jù)極差最大為30Hz，最大標(biāo)準(zhǔn)差為11.9，可見每組數(shù)據(jù)數(shù)值極為接近，充分驗(yàn)證了電源頻率自動(dòng)識(shí)別的穩(wěn)定性。

2.2 超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別精確性分析

上述實(shí)驗(yàn)中阻抗分析儀測(cè)得的諧振頻率和電源測(cè)得的諧振頻率存在差別，為驗(yàn)證電源自動(dòng)識(shí)別超聲刀柄諧振頻率的準(zhǔn)確性，搭建如圖10所示的振幅測(cè)試平臺(tái)。電源設(shè)為手動(dòng)模式，分別選取直徑4mm、6mm、8mm的刀具，懸長為23mm進(jìn)行驗(yàn)證。用電渦流傳感器測(cè)得超聲刀柄在不同激勵(lì)頻率下刀具端面振幅結(jié)果如圖11、圖12和圖13所示。

圖10 振幅測(cè)試平臺(tái)

圖11 直徑4mm刀具端面振幅與頻率關(guān)系

圖12 直徑6mm刀具端面振幅與頻率關(guān)系

圖13 直徑8mm刀具端面振幅與頻率關(guān)系

當(dāng)?shù)毒叨嗣嬲穹酱髸r(shí)，電源輸出的頻率越接近刀柄的諧振頻率，振幅最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率為超聲刀柄諧振頻率，直徑為4mm、6mm、8mm的刀具端面振幅最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的超聲電源輸出頻率分別為22500Hz、22050Hz、21715Hz，在同樣懸長和直徑下超聲電源自動(dòng)識(shí)別超聲刀柄的諧振頻率分別為22475Hz、22030Hz、21710Hz。

由試驗(yàn)結(jié)果知，刀具端面振幅最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率和超聲電源自動(dòng)識(shí)別的諧振頻率最大相差為25Hz,同電源輸出頻率相比，誤差<1.5‰，說明電源自動(dòng)識(shí)別的諧振頻率為超聲刀柄的諧振頻率。驗(yàn)證了電源的頻率自動(dòng)識(shí)別的精確性。

3 結(jié)語

本文基于最大電流法和相位控制法相結(jié)合的頻率自動(dòng)識(shí)別方法，研制了具有自動(dòng)識(shí)別超聲刀柄諧振頻率功能的超聲電源。結(jié)合超聲刀柄，進(jìn)行了超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別測(cè)試，結(jié)果表明：

1)當(dāng)?shù)毒咧睆讲蛔儠r(shí)，超聲刀柄的諧振頻率隨刀具懸長的增大而減??；當(dāng)?shù)毒邞议L不變時(shí)，超聲刀柄的諧振頻率隨刀具直徑的增大而減小。

2)超聲電源測(cè)得的超聲刀柄諧振頻率與阻抗分析儀測(cè)得的頻率差值最大變化值為221Hz，誤差<1%；重復(fù)測(cè)量時(shí)，電源測(cè)量數(shù)據(jù)極差最大為30Hz，驗(yàn)證了超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別的穩(wěn)定性。

3)通過刀具端面振幅驗(yàn)證試驗(yàn)，刀具端面振幅最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率和超聲電源自動(dòng)識(shí)別的諧振頻率相差最大25Hz，誤差<1.5‰，驗(yàn)證了超聲電源頻率自動(dòng)識(shí)別的精確性。