超聲振動輔助磨削電源諧振頻率自動識別研究

何祥磊，蘇宏華，陳玉榮，顧佳慶

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

陶瓷、石材、光學玻璃、硬質合金等硬脆材料具備優越的物理、化學和力學性能，在航空、電子、汽車、冶金、化工和機械加工等工業領域正得到越來越廣泛的應用，并且其應用還在不斷向新的領域拓展[1]。超聲振動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勢，并在加工行業內得到廣泛的認可與應用[2-4]。

在超聲振動輔助磨削加工中，因加工對象的特征和材料不同，使用刀具的材料和形狀也會存在差別，而這些因素的變化都會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]能對更換刀具后的超聲刀柄的諧振頻率進行自動識別，并輸出與之對應的頻率，使超聲刀柄在諧振頻率點上工作，以保證超聲刀柄加工時的穩定性。

針對上述問題，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合的方法對超聲電源進行了控制程序設計；通過制作的樣機，對超聲電源進行了頻率自動識別穩定性和精確性的測試。

1 超聲電源頻率自動識別原理和程序設計

1.1 超聲電源頻率自動識別原理

超聲換能器在諧振狀態時，電路呈純阻性，輸入電壓不變時流過換能器的電流、電壓同相且電流值最大。由此可見，通過檢測電壓、電流相位關系和電流大小，找到電流最大點對應的頻率并使電流、電壓相位差在設定的閾值內，就能實現超聲電源諧振頻率自動識別的功能。本超聲電源運用電流最大法和相位控制法相結合的方式實現諧振頻率自動識別功能，利用最大電流法進行粗略定頻，再利用相位控制法進行精確定頻。電流、電壓的檢測需要對換能器兩端的電流、電壓進行實時采樣。本超聲電源采用霍爾元件對換能器回路的電流、電壓進行采樣，測量電路如圖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償式傳感器，霍爾傳感器原理如圖2所示[7]。原邊電流Ip會在聚磁環處產生磁場，通過次級線圈電流產生的磁場進行補償，補償電流Is會精確反映原邊電流Ip并使霍爾元件處于檢測零磁通的工作狀態。

圖2 霍爾傳感器原理圖

當主回路有電流通過時，導線上產生的磁場會使霍爾元件產生電位差。電位差會驅動功率管使其導通，從而副邊線圈會產生一個補償電流Is。這補償電流會通過多扎繞組產生的磁場對原來的磁場進行補償，此磁場與原來磁場正好相反，當兩者完全抵消，磁芯內部磁通為0時達到磁平衡狀態。霍爾元件起指示零磁通作用，此時可以通過Is來測量Ip。當Ip變化時，平衡破壞，霍爾元件會出現電位差，重復上述過程會重新達到平衡，且失衡到再次平衡所需時間為微秒量級的。因此次級的補償電流安匝數始終和初級測量電流的安匝數相等，如此即能實時測得換能器的電流信息[7-10]。

電壓采樣時，在高頻匹配變壓器輸出側并聯多個電阻，在該回路串聯一個霍爾傳感器用來采集回路電流信號。該回路呈純阻性，得到電流信號信息就能得到回路電壓信號信息。通過兩個霍爾電流傳感器即能測得換能器的電流和電壓信息。

1.2 超聲電源頻率自動識別程序設計

程序開發環境為Keil uVision5，語言為C語言。頻率自動識別過程：電源啟動后，超聲電源會對超聲刀柄的諧振頻率進行搜索。為了提高搜索效率，可以在電源上通過數字鍵盤設定特定的搜索頻率帶以減少搜索時間。此時主程序調用全程諧振頻率搜索程序，在20kHz～25kHz(范圍可根據超聲刀柄所處頻率帶進行調整)以大步長搜尋電流最大點對應的頻率，超聲電源會將搜索到的電流最大點對應的頻率設為超聲電源的起始工作頻率。執行完此程序，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。超聲電源還需對超聲刀柄進行精確地掃頻，通過檢測換能系統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。首先采樣換能器回路中的電壓和電流相位關系信號，若相位差在設定的閾值θ(可調)之內，則認為超聲刀柄處于諧振狀態；若大于這個閾值，則通過控制程序小步長調節超聲電源的輸出頻率；當電流相位超前時，則增加超聲電源輸出頻率，當電流相位滯后時，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定的閾值之內，達到頻率自動識別的目的。程序流程圖如圖3所示。

圖3 頻率自動識別流程圖

2 超聲電源頻率自動識別測試

為驗證超聲電源頻率自動識別的穩定性和精確性，基于上述方案制作了樣機，如圖4和圖5所示，分別使用阻抗分析儀和超聲電源對超聲刀柄諧振頻率進行識別測試，試驗參數如表1所示。

圖4 阻抗分析儀測量超聲刀柄諧振頻率

圖5 超聲電源測量超聲刀柄諧振頻率

表1 試驗條件

分別改變刀具的懸長和直徑，記錄超聲電源識別的超聲刀柄諧振頻率，同時與阻抗分析儀測量的諧振頻率進行對比分析。圖6為改變刀具懸長和直徑時阻抗分析儀識別的刀柄諧振頻率，圖7為改變刀具懸長和直徑時電源識別的刀柄諧振頻率。

圖6 阻抗分析儀識別的諧振頻率

圖7 超聲電源識別的諧振頻率

由圖6和圖7可知，當刀具直徑不變時，超聲刀柄的諧振頻率隨刀具懸長的增大而減小；當刀具懸長不變時，超聲刀柄的諧振頻率隨刀具直徑的增大而減小。

2.1 超聲電源頻率自動識別穩定性分析

對比圖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別頻率差值圖

由圖8可知，超聲電源測得的超聲刀柄諧振頻率和阻抗分析儀測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%。

為進一步驗證超聲電源頻率自動識別的穩定性，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，用超聲電源進行頻率自動識別重復試驗。測量結果如圖9所示。

圖9 超聲電源重復測量結果

由圖9知，超聲刀柄裝夾刀具直徑和懸長不變時，超聲電源自動識別的諧振頻率保持穩定。重復5次測量，3組測量數據極差最大為30Hz，最大標準差為11.9，可見每組數據數值極為接近，充分驗證了電源頻率自動識別的穩定性。

2.2 超聲電源頻率自動識別精確性分析

上述實驗中阻抗分析儀測得的諧振頻率和電源測得的諧振頻率存在差別，為驗證電源自動識別超聲刀柄諧振頻率的準確性，搭建如圖10所示的振幅測試平臺。電源設為手動模式，分別選取直徑4mm、6mm、8mm的刀具，懸長為23mm進行驗證。用電渦流傳感器測得超聲刀柄在不同激勵頻率下刀具端面振幅結果如圖11、圖12和圖13所示。

圖10 振幅測試平臺

圖11 直徑4mm刀具端面振幅與頻率關系

圖12 直徑6mm刀具端面振幅與頻率關系

圖13 直徑8mm刀具端面振幅與頻率關系

當刀具端面振幅越大時，電源輸出的頻率越接近刀柄的諧振頻率，振幅最大點對應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對應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識別超聲刀柄的諧振頻率分別為22475Hz、22030Hz、21710Hz。

由試驗結果知，刀具端面振幅最大點對應頻率和超聲電源自動識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‰，說明電源自動識別的諧振頻率為超聲刀柄的諧振頻率。驗證了電源的頻率自動識別的精確性。

3 結語

本文基于最大電流法和相位控制法相結合的頻率自動識別方法，研制了具有自動識別超聲刀柄諧振頻率功能的超聲電源。結合超聲刀柄，進行了超聲電源頻率自動識別測試，結果表明：

1)當刀具直徑不變時，超聲刀柄的諧振頻率隨刀具懸長的增大而減小；當刀具懸長不變時，超聲刀柄的諧振頻率隨刀具直徑的增大而減小。

2)超聲電源測得的超聲刀柄諧振頻率與阻抗分析儀測得的頻率差值最大變化值為221Hz，誤差<1%；重復測量時，電源測量數據極差最大為30Hz，驗證了超聲電源頻率自動識別的穩定性。

3)通過刀具端面振幅驗證試驗，刀具端面振幅最大點對應的頻率和超聲電源自動識別的諧振頻率相差最大25Hz，誤差<1.5‰，驗證了超聲電源頻率自動識別的精確性。