金剛石拉絲模超聲加工自動頻率跟蹤系統(tǒng)設計

秦玉成，王瑞雪，葉正生，劉在潤

（北京市電加工研究所，北京100191；北京迪蒙特佳工模具技術有限公司，北京102206）

金剛石拉絲模超聲加工自動頻率跟蹤系統(tǒng)設計

秦玉成，王瑞雪，葉正生，劉在潤

（北京市電加工研究所，北京100191；北京迪蒙特佳工模具技術有限公司，北京102206）

在分析金剛石拉絲模超聲加工原理的基礎上，討論了超聲頻率自動跟蹤的必要性，提出了基于模擬鎖相環(huán)技術的頻率跟蹤電源系統(tǒng)的設計。通過外圍硬件電路檢測辨別換能器兩端電壓和電流信號的相位差方向，控制CD4046鎖相環(huán)輸出頻率的大小，使換能器的工作頻率始終在諧振頻率點。在加載不同長度工具針負載的情況下，對自動跟蹤電源系統(tǒng)進行壓電阻抗分析測試，實驗結果表明，該系統(tǒng)具有良好的頻率跟蹤性能。

金剛石拉絲模；超聲加工；頻率自動跟蹤；壓電阻抗分析

金剛石拉絲模是拉拔加工銅絲、鋁絲、焊絲、切割線、不銹鋼絲等金屬絲材的重要工具之一。在拉拔加工過程中，金屬絲材經(jīng)過拉絲模?？装l(fā)生塑性變形，進而獲得所需的絲材尺寸與表面質量。由于金剛石材料硬度極高，傳統(tǒng)的機械加工方法難以對金剛石拉絲模?？走M行加工。目前，國內外多采用超聲波加工方法［1］，加工原理見圖1。

圖1 金剛石拉絲模加工原理

金剛石拉絲模超聲加工通過超聲工具針將振蕩能量傳遞給金剛石微粉，金剛石微粉獲取瞬時動能，并高速撞擊?？變缺砻?，由此實現(xiàn)去除金剛石表面材料，達到整形加工的目的。由于超聲工具針在加工過程中不斷發(fā)生磨損，需對其修正后才能進行加工，而在加工過程中，除了負載變化外，工具針的長度也會逐漸減小，使換能器諧振頻率發(fā)生變化，進而導致超聲加工難以持續(xù)進行。要獲得高質量的超聲加工，要求振動系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)［2］，最有效的辦法是實時調整超聲電源的激勵頻率，使其與換能器諧振頻率相匹配，即要求超聲加工系統(tǒng)具有頻率自動跟蹤功能［3］。

目前，國內金剛石拉絲模所用的超聲加工機電源，其設計大多是利用電容選頻的方法來實現(xiàn)頻率調整，即根據(jù)實際負載情況設定幾個固定的頻率，通過人工操作來實現(xiàn)頻率調節(jié)及匹配，不能實現(xiàn)頻率的連續(xù)跟蹤；另外，由于工具針可用長度范圍很短，加工過程中需不斷更換新針，也使金剛石拉絲模的生產(chǎn)效率大幅降低?；谏鲜鲈?，本文提出基于模擬鎖相環(huán)技術的頻率跟蹤超聲電源系統(tǒng)的設計，旨在通過檢測換能器兩端電壓和電流信號的相位差與方向，控制CD4046鎖相環(huán)輸出頻率的大小，使換能器的工作頻率始終在諧振頻率點。

1 基于CD4046鎖相環(huán)的電路設計與分析

1.1 CD4046鎖相環(huán)的工作原理

CD4046為數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）芯片，它是一種通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路。PLL電路將輸入波形與VCO振蕩器波形的相位進行比較，使其輸入頻率與VCO振蕩頻率同步。CD4046鎖相環(huán)內部電路硬件結構見圖2［4］，主要由2個鑒相器（PDⅠ和PDⅡ）、VCO（壓控振蕩器）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等構成，其內部VCO產(chǎn)生50%占空比的方波信號。該電輸入端允許輸入0.1 V左右的小信號或方波，經(jīng)放大和整形，提供滿足鑒相器要求的方波。當無輸入信號時，其輸出電壓為VDD/2，用以確定VCO的自由振蕩頻率［5］。

1.2 集成鎖相環(huán)頻率智能跟蹤系統(tǒng)的硬件設計

頻率智能跟蹤系統(tǒng)的硬件設計電路主要由CD4046集成芯片、OP運算放大器、施密特觸發(fā)器等器件組成，各硬件電路連線見圖3。其設計構思是使用CD4046鎖相環(huán)的VCO產(chǎn)生的50%占空比的方波驅動超聲波電源中的半橋逆變電路，設定電阻R1、R2的值可用來確定VCO的最低和最高輸出頻率，若改變VCO的輸入電壓，其輸出頻率也會做線性變化。將超聲換能器的電壓信號作為相位參考信號，電流信號作為頻率比較信號，分別接入CD4046鎖相環(huán)電路的第3腳和第4腳。當電壓信號與電流信號的相位差為0°時，換能器工作在諧振狀態(tài)；如果電壓信號與電流信號有±90°的相位差（以電壓為參考），則換能器未工作在諧振狀態(tài)，此時，將電流信號通過移相放大器做90°移相處理，并輸出到CD4046鎖相環(huán)電路的第14腳作為頻率比較信號；當CD4046鎖相環(huán)電路第3腳與第14腳的相位差為90°，即超聲換能器電壓信號與電流信號的相位差為0°時，滿足鎖相環(huán)入鎖要求，此時，鎖相環(huán)的輸出頻率鎖定在超聲換能器的諧振頻率點上。

圖2 CD4046內部電路硬件結構圖

圖3 硬件電路連線圖

實際工作中，超聲換能器通常有3個工作狀態(tài)，即容抗、阻抗和感抗。當換能器工作在諧振頻率點時為純阻抗狀態(tài)，此時能量轉換效率最高。當換能器受環(huán)境溫度、電壓波動及負載變化影響時，諧振頻率會出現(xiàn)波動，與其對應的就是容抗和感抗狀態(tài)的變換。因為容抗和感抗是相反方向的兩種對稱狀態(tài)，所以當換能器的工作頻率在諧振頻率點左右變化時，系統(tǒng)將無法辨別工作頻率的調整方向。為了區(qū)分容抗和感抗狀態(tài)、確定換能器的工作頻率調整方向，需使換能器工作在“容抗-阻抗”或“感抗-阻抗”狀態(tài)中。本文根據(jù)壓電阻抗分析儀所測的換能器參數(shù)，設計了一個匹配網(wǎng)絡電路，以區(qū)分換能器工作在容抗狀態(tài)還是感抗狀態(tài)，進而使鎖相環(huán)的輸出頻率控制在一個接近于諧振頻率點的頻率。換能器工作在該頻率下將保證較高且穩(wěn)定的能量輸出。

2 自動頻率跟蹤超聲電源系統(tǒng)的設計

自動頻率跟蹤超聲加工電源系統(tǒng)的整體結構見圖4。其工作原理是單相交流電經(jīng)EMI濾波電路、控制整流及電容濾波電路，形成約DC300 V的直流電，經(jīng)過以UC3843集成芯片為核心元件組成的PWM開關電源模塊，完成超聲波所需電源的DC-DC轉換。輸出功率的調節(jié)是通過改變PWM的占空比來實現(xiàn)的。功率設定和檢測電路由取樣電路中的電流信號、濾波電路及運算放大電路組成。該電路測得加在換能器上的電流幅值，經(jīng)濾波、放大后得到電流輸出的電平信號，調節(jié)輸出功率設定電平可調節(jié)積分放大電路中的零點，電流信號電平經(jīng)積分放大器輸出控制PWM的占空比。當輸出功率超出設定功率時，減小PWM的占空比，可使超聲輸出功率減?。环粗?，增大PWM的占空比，可使超聲輸出功率增大。

在超聲波電源系統(tǒng)中，已知換能器工作在諧振頻率時，超聲波的電壓與電流相位同步；反之，電壓與電流最大相位差為90°。換能器在容抗狀態(tài)下，電流相位超前于電壓相位；換能器在感抗狀態(tài)下，電流相位滯后于電壓相位。為使頻率跟蹤系統(tǒng)能辨別電壓與電流的相位方向，電壓信號通過零運算放大比較器生成有一定量延遲的方波信號，該信號送入CD4046中PDⅠ的3腳作為參考信號；電流信號通過整形放大電路生成移相90°的方波信號，該信號送入CD4046中PDⅠ的14腳作為反饋信號。因為電壓相位信號有延遲，所以電流相位與電壓相位還未達到90°相位差時，PDⅠ的兩輸入信號就已到達90°相位，這時鎖相環(huán)就進入了鎖相狀態(tài)?？刂齐妷合辔坏难舆t大小可使超聲波換能器工作在接近諧振頻率的某個工作頻率點，當換能器的工作頻率減小或增大，PDⅠ的比較信號相位差也隨之減小或增大，進而鎖相環(huán)的輸出頻率也隨之變化。換能器的工作頻率始終在諧振頻率點之前，從而能使頻率跟蹤系統(tǒng)辨別電壓、電流的相位方向。

圖4 自動頻率跟蹤超聲電源系統(tǒng)整體結構圖

3 自動頻率跟蹤系統(tǒng)的實驗研究

金剛石拉絲模超聲加工電源系統(tǒng)的設計參數(shù)為：輸入電源頻率50 Hz，輸入電壓220 V，輸出頻率21～22 k Hz。設計完成后，需對電源系統(tǒng)進行測試分析，檢驗其自動頻率跟蹤的性能及效果。

由于工具針長度的變化會導致?lián)Q能器本身諧振頻率的變化，如果電源系統(tǒng)的輸出頻率不能及時調整，則換能器的工作性能會發(fā)生很大變化。因此，實驗采用不同長度的工具針作為同一換能器的外加負載，以此驗證自動頻率跟蹤系統(tǒng)的跟蹤效果。

裝夾工具針的初始長度為115 mm，依次遞減10 mm，分別為115、105、95、85、75、65 mm，等效電容為3.710 nF。在加載不同工具針長度的情況下，通過壓電阻抗分析儀測得換能器的各項工作參數(shù)（表1）。其中，針長為裝卡工具針的實際長度；工作頻率為超聲波換能器實際振蕩頻率；其他參數(shù)用壓電阻抗分析儀測得。

表1 頻率自動跟蹤電源的實驗結果

通過實驗結果可看出，在工具針長度發(fā)生變化（即換能器的負載發(fā)生變化）時，實際測得的換能器工作頻率非常接近于其諧振頻率，說明設計的自動頻率跟蹤電源系統(tǒng)運行效果良好，實現(xiàn)了頻率跟蹤的功能，可使超聲輸出趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

［1］曹鳳國．特種加工手冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2010．

［2］黃景榮．超聲振動加工中的自動頻率跟蹤［J］．合肥工業(yè)大學學報，1997，20（6）：83-87．

［3］鄭書友，徐西鵬．超聲加工中超聲發(fā)生器的頻率跟蹤技術［J］．計量技術，2005（12）：10-14．

［4］Texas Instruments Inc．CD4046B Types［DB/OL］．http:// www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4046b.pdf．

［5］羅云萌．高頻感應釬焊電源技術研究［D］．鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2012.

Development of Automatic Frequency Tracking Power Supply System for Diamond Draw ing Dies Ultrasonic Processing

Qin Yucheng，Wang Ruixue，Ye Zhengsheng，Liu Zairun
（Beijing Institute of Electro-machining，Beijing 100191，China；Beijing DMBEST Tool and Die Tech.Co.，Ltd，Beijing 102206，China）

Based on the ultrasonic processingmechanism of diamond drawing dies，the necessities of the frequency automatic tracking power supply for ultrasonic processing were studied.And the power supply system of frequency automatic tracking based on the simulation phase-locked loop technique was designed.Through the peripheral hardware circuit，the difference of voltage-current phase on both ends of the transducer were identifies.The output frequencies of phase-locked loop CD4046 were controlled，which can make the work frequency of the transducer is always same at the resonance frequency points.Under the condition of loading the different length of needle tool，the piezoelectric impedance analysis testswere carried out on automatic tracking power system.The result shows that the system has good tracking performance.

diamond drawing dies；ultrasonic processing；frequency automatic tracking；piezoelectric impedance analysis

TG663

A

1009－279X（2015）05－0048-04

2015-06-04

北京市科學技術研究院青年骨干計劃資助項目（2012-022）

秦玉成，男，1980年生，助理工程師。