Ультразвуковая размерная обработка материалов (стр. 7 из 20)

Для создания таких УЗ станков необходимо разработать соответствующий электронный генератор, учитывающий и устраняющий влияние внешних воздействий.
В предыдущих подразделах главы рассматривались вопросы влияния свойств различных обрабатываемых сред на колебательную систему, на ее основные параметры. Там же было показано, что из-за изменения параметров колебательной системы происходит рассогласование генератора электрических УЗ колебаний с колебательной системой, что приводит к снижению эффективности УЗ воздействий. Рассмотрим, при каких условиях УЗ генератор будет работать наиболее эффективно, выявим причины, снижающие производительность, эффективность работы УЗ станков.

Технологический процесс размерной обработки, протекающий под действием УЗ колебаний, будет протекать наиболее эффективно, если в рабочую зону будут вводиться ультразвуковые колебания необходимой интенсивности и со временем эта интенсивность не меняется. Однако из-за изменения физических свойств обрабатываемой среды под действием УЗ колебаний неизбежно меняются свойства колебательной системы: изменяется ее механическая резонансная частота, как следствие меняется напряжение, питающее колебательную систему, механические колебания затухают, падает акустическая мощность. В генераторах с автоматической подстройкой частоты, разработанных для многофункциональных аппаратов, проблема ухода резонансной частоты решается.

Однако, это не решает всех проблем. При наличии автоматической подстройки резонансной частоты и при изменении внешней нагрузки эффективность УЗ воздействия так же изменяется вследствие изменения амплитуды колебания рабочего инструмента.
У существующих в настоящее время генераторов существует верхнее ограничение по мощности, обусловленное некоторыми причинами, что не позволяет их применять при энергоемких технологических процессах и тормозит дальнейшие перспективы повышения производительности и повышения производственной мощности. Особенно это проявляется при выполнении больших глубоких отверстий. Одной из ответственных частей УЗ аппарата является колебательная система. Составляющей частью колебательной системы является концентратор, назначение которого состоит в усилении амплитуды колебаний и в согласовании генератора со средой. Производительность и эффективность УЗ воздействия во много зависят от формы, материала концентратора. Основное требование к концентратору – минимальные потери в нем энергии.
Решение проблемы автоматической подстройки параметров генератора при всех возможных изменениях параметров обрабатываемых сред и разработка электрического генератора для специализированного ультразвукового станка является сложной проблемой.

К этой проблеме нельзя подходить сразу, в целом. Необходимо декомпозировать данную задачу на составляющие и в дальнейшем работать над частными задачами.
Наиболее интересной и перспективной является схема генератора с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты.

К достоинству таких схем относятся все достоинства схем генераторов с независимым возбуждением, плюс к этому добавляется возможность автоматической подстройки частоты в соответствии с изменением механической частоты колебательной системы.
Однако у всех разработанных к настоящему времени генераторов с автоподстройкой частоты есть следующие общие недостатки:

1. Ограничение по максимальной развиваемой мощности, обусловленное длительным временем рассасывания зарядов в базах современных высоковольтных транзисторов при протекании больших токов;

2. Диапазон перестройки рабочей частоты генератора меньше возможного диапазона изменения собственной рабочей частоты колебательной системы при размерной обработке;

3. Ограниченный диапазон изменения или полное отсутствие регулировок выходной мощности генераторов;

4. Полное отсутствие или недостаточное быстродействие систем автоматического поддержания амплитуды механических колебаний колебательной системы;

5. Отсутствие систем защиты от нерегламентных режимов работы;

6. Отсутствие ультразвуковых колебательных систем, способных обеспечить максимально эффективное согласование выходного электрического сопротивления электрического генератора и механического сопротивления обрабатываемых сред в широком диапазоне;

7. Снижение производительности (эффективности ультразвукового воздействия) при изменении влияния обрабатываемых сред даже при наличии системы автоматической подстройки рабочей частоты.

Устранение перечисленных недостатков существующих генераторов позволит создать специализированные ультразвуковые станки.

4.1 Разработка базового варианта электронного генератора для ультразвуковых станков

На основании результатов создания электронных генераторов для многофункциональных аппаратов и исследований, проведенных выше, был разработан электрический генератор для УЗ станков, удовлетворяющий рассмотренным ранее требованиям.

Очевидно, что степень универсальности аппарата в значительной степени определяется сложностью его конструкция. В создаваемой конструкции соотношения универсальности и сложности должны быть определены на основании разумной достаточности для решения большинства проблем современных производств.

Разрабатываемое схемное решение должно обеспечивать работоспособность ультразвуковых станков во всех возможных случаях его использования. Это может достигаться за счет обеспечения автоматической подстройки режимов работы электронной схемы генератора при всех возможных изменениях условий ультразвукового технологического воздействия, при использовании различных колебательных систем с большим числом разнообразных инструментов. Универсальность разрабатываемого генератора позволит легко решить проблему создания специализированных аппаратов, предназначенных для решения конкретных технологических задач в определенных условиях, например, для использования в индивидуальном или мелкосерийном производстве. Естественно, что в этом случае схему можно упростить, исходя из специфики эксплуатации и возможностей потребителя.

Прежде чем приступить к анализу полной принципиальной электронной схемы УЗ станка, рассмотрим его структурную схему, представленную на рисунке 4.1.
Блок-схема ультразвукового станка включает в себя:

1-фазовыйкомпаратор;

2–генератор, управляемый напряжением;

3–выходные каскады УЗгенератора;

4–электрический LCконтур;

5–ультразвуковую колебательную систему;

6 – устройство, фиксирующее амплитуду напряжения на колебательной системе;

7-датчикидляснятиясигналовобратнойсвязи;

8–регулятор;

9–тиристорный регулятор;

10 – устройство для формирования уставки, задающей стабилизируемую мощность;

11–блок питания низковольтной части;

12–устройство защиты и автоматики.

При включении УЗ станка низковольтная часть его питается с помощью источника питания 11, блок автоматики 12 запускает генератор 2 на максимально возможной частоте из диапазона перестройки генератора, и тот начинает поиск резонансной частоты колебательной системы. Это происходит следующим образом: сигнал с выхода генератора 2 подается на выходные ключевые каскады 3, этот же сигнал (опорный) поступает на один из входов фазового компаратора 1, на ключевые каскады нагружен колебательный контур 4, резонанс которого близок к резонансной частоте механической колебательной системы. Работая как фильтр, контур 4 выдает первую гармонику прямоугольного сигнала, который на него подается, то есть на колебательную систему подается синусоидальное напряжение.
В электрическую цепь питания колебательной системы включены датчики 7 для снятия сигналов обратной связи. Один из датчиков включен таким образом, что сигнал (ток), снимаемый с него, имеет ту же частоту и фазу, что и ток в механической ветви ультразвуковой колебательной системы. Сигнал с этого датчика подается на второй вход фазового компаратора 1.

Рисунок 4.1 - Блок-схема многофункционального ультразвукового технологического аппарата

При неравенстве фаз и частот на входах фазового компаратора на его выходе формируется соответствующее напряжение, подаваемое на ГУН 2, который перестраивается в соответствии с подаваемым напряжением. Когда равенство фаз и частот будет достигнуто, данный генератор будет работать в условии резонанса, и любое изменение фазы и частоты будет скомпенсировано. Выходные каскады 3 питаются постоянным напряжением, которое поступает с тиристорного регулятора 9. Напряжение, которым питаются выходные каскады, определяется видом работы и устанавливается устройством 10.

В результате работы на различные среды и при смене нагрузок происходит изменение напряжения на колебательной системе. Для стабилизации этого напряжения, а, следовательно, для стабилизации амплитуды механических колебаний системы, напряжение на колебательной системе отслеживается датчиком 7, затем в блоке 6 фиксируется его амплитуда, и этот сигнал, пропорциональный амплитуде питающего напряжения колебательной системы, подается на пропорциональный регулятор 8. Это регулятор, сравнивая уровень, задаваемый устройством 10, с приходящим от блока 6 сигналом, вырабатывает управляющий сигнал для тиристорного регулятора. В результате происходит автоматическая стабилизация амплитуды механических колебаний системы.
Устройство защиты и автоматики 12 служит для ручного пуска генератора, выключения его при аварийных ситуациях, повторного перезапуска генератора, при срыве частоты и при срабатывании токовой защиты.