何祥磊，苏宏华，陈玉荣，顾佳庆

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

0 引言

陶瓷、石材、光学玻璃、硬质合金等硬脆材料具备优越的物理、化学和力学性能，在航空、电子、汽车、冶金、化工和机械加工等工业领域正得到越来越广泛的应用，并且其应用还在不断向新的领域拓展[1]。超声振动辅助磨削加工作为硬脆材料加工的有效手段，其在减小磨削力、提高工件加工表面质量与精度、提高加工效率、减小刀具磨损、延长刀具使用寿命等方面已显露出优势，并在加工行业内得到广泛的认可与应用[2-4]。

在超声振动辅助磨削加工中，因加工对象的特征和材料不同，使用刀具的材料和形状也会存在差别，而这些因素的变化都会造成超声刀柄的谐振频率的变化[5]，因此在加工前，需要超声电源[6]能对更换刀具后的超声刀柄的谐振频率进行自动识别，并输出与之对应的频率，使超声刀柄在谐振频率点上工作，以保证超声刀柄加工时的稳定性。

针对上述问题，本文基于超声刀柄装置，利用最大电流法和相位控制法相结合的方法对超声电源进行了控制程序设计；通过制作的样机，对超声电源进行了频率自动识别稳定性和精确性的测试。

1 超声电源频率自动识别原理和程序设计

1.1 超声电源频率自动识别原理

超声换能器在谐振状态时，电路呈纯阻性，输入电压不变时流过换能器的电流、电压同相且电流值最大。由此可见，通过检测电压、电流相位关系和电流大小，找到电流最大点对应的频率并使电流、电压相位差在设定的阈值内，就能实现超声电源谐振频率自动识别的功能。本超声电源运用电流最大法和相位控制法相结合的方式实现谐振频率自动识别功能，利用最大电流法进行粗略定频，再利用相位控制法进行精确定频。电流、电压的检测需要对换能器两端的电流、电压进行实时采样。本超声电源采用霍尔元件对换能器回路的电流、电压进行采样，测量电路如图1所示。

图1 电流电压采样电路

电流采样和电压采样用的霍尔传感器都是补偿式传感器，霍尔传感器原理如图2所示[7]。原边电流Ip会在聚磁环处产生磁场，通过次级线圈电流产生的磁场进行补偿，补偿电流Is会精确反映原边电流Ip并使霍尔元件处于检测零磁通的工作状态。

图2 霍尔传感器原理图

当主回路有电流通过时，导线上产生的磁场会使霍尔元件产生电位差。电位差会驱动功率管使其导通，从而副边线圈会产生一个补偿电流Is。这补偿电流会通过多扎绕组产生的磁场对原来的磁场进行补偿，此磁场与原来磁场正好相反，当两者完全抵消，磁芯内部磁通为0时达到磁平衡状态。霍尔元件起指示零磁通作用，此时可以通过Is来测量Ip。当Ip变化时，平衡破坏，霍尔元件会出现电位差，重复上述过程会重新达到平衡，且失衡到再次平衡所需时间为微秒量级的。因此次级的补偿电流安匝数始终和初级测量电流的安匝数相等，如此即能实时测得换能器的电流信息[7-10]。

电压采样时，在高频匹配变压器输出侧并联多个电阻，在该回路串联一个霍尔传感器用来采集回路电流信号。该回路呈纯阻性，得到电流信号信息就能得到回路电压信号信息。通过两个霍尔电流传感器即能测得换能器的电流和电压信息。

1.2 超声电源频率自动识别程序设计

程序开发环境为Keil uVision5，语言为C语言。频率自动识别过程：电源启动后，超声电源会对超声刀柄的谐振频率进行搜索。为了提高搜索效率，可以在电源上通过数字键盘设定特定的搜索频率带以减少搜索时间。此时主程序调用全程谐振频率搜索程序，在20kHz～25kHz(范围可根据超声刀柄所处频率带进行调整)以大步长搜寻电流最大点对应的频率，超声电源会将搜索到的电流最大点对应的频率设为超声电源的起始工作频率。执行完此程序，超声电源的工作频率接近超声刀柄的谐振频率，但是精度低。超声电源还需对超声刀柄进行精确地扫频，通过检测换能系统的电流和电压的相位差来判断超声刀柄是否处于谐振状态。首先采样换能器回路中的电压和电流相位关系信号，若相位差在设定的阈值θ(可调)之内，则认为超声刀柄处于谐振状态；若大于这个阈值，则通过控制程序小步长调节超声电源的输出频率；当电流相位超前时，则增加超声电源输出频率，当电流相位滞后时，则减小超声电源输出频率。以此使电压和电流的相位差处于设定的阈值之内，达到频率自动识别的目的。程序流程图如图3所示。

图3 频率自动识别流程图

2 超声电源频率自动识别测试

为验证超声电源频率自动识别的稳定性和精确性，基于上述方案制作了样机，如图4和图5所示，分别使用阻抗分析仪和超声电源对超声刀柄谐振频率进行识别测试，试验参数如表1所示。

图4 阻抗分析仪测量超声刀柄谐振频率

图5 超声电源测量超声刀柄谐振频率

表1 试验条件

分别改变刀具的悬长和直径，记录超声电源识别的超声刀柄谐振频率，同时与阻抗分析仪测量的谐振频率进行对比分析。图6为改变刀具悬长和直径时阻抗分析仪识别的刀柄谐振频率，图7为改变刀具悬长和直径时电源识别的刀柄谐振频率。

图6 阻抗分析仪识别的谐振频率

图7 超声电源识别的谐振频率

由图6和图7可知，当刀具直径不变时，超声刀柄的谐振频率随刀具悬长的增大而减小；当刀具悬长不变时，超声刀柄的谐振频率随刀具直径的增大而减小。

2.1 超声电源频率自动识别稳定性分析

对比图6和图7中阻抗分析仪和超声电源在刀具同一直径不同悬长测得的超声刀柄谐振频率得到两者差值曲线如图8所示。

图8 阻抗分析仪和电源识别频率差值图

由图8可知，超声电源测得的超声刀柄谐振频率和阻抗分析仪测得的超声刀柄谐振频率差值变化范围在20Hz～250Hz之间，最大变化量为221Hz，误差<1%。

为进一步验证超声电源频率自动识别的稳定性，消除偶然误差带来的影响，选取直径分别为4mm、6mm、8mm的刀具，取悬长23mm，用超声电源进行频率自动识别重复试验。测量结果如图9所示。

图9 超声电源重复测量结果

由图9知，超声刀柄装夹刀具直径和悬长不变时，超声电源自动识别的谐振频率保持稳定。重复5次测量，3组测量数据极差最大为30Hz，最大标准差为11.9，可见每组数据数值极为接近，充分验证了电源频率自动识别的稳定性。

2.2 超声电源频率自动识别精确性分析

上述实验中阻抗分析仪测得的谐振频率和电源测得的谐振频率存在差别，为验证电源自动识别超声刀柄谐振频率的准确性，搭建如图10所示的振幅测试平台。电源设为手动模式，分别选取直径4mm、6mm、8mm的刀具，悬长为23mm进行验证。用电涡流传感器测得超声刀柄在不同激励频率下刀具端面振幅结果如图11、图12和图13所示。

图10 振幅测试平台

图11 直径4mm刀具端面振幅与频率关系

图12 直径6mm刀具端面振幅与频率关系

图13 直径8mm刀具端面振幅与频率关系

当刀具端面振幅越大时，电源输出的频率越接近刀柄的谐振频率，振幅最大点对应的频率为超声刀柄谐振频率，直径为4mm、6mm、8mm的刀具端面振幅最大点对应的超声电源输出频率分别为22500Hz、22050Hz、21715Hz，在同样悬长和直径下超声电源自动识别超声刀柄的谐振频率分别为22475Hz、22030Hz、21710Hz。

由试验结果知，刀具端面振幅最大点对应频率和超声电源自动识别的谐振频率最大相差为25Hz,同电源输出频率相比，误差<1.5‰，说明电源自动识别的谐振频率为超声刀柄的谐振频率。验证了电源的频率自动识别的精确性。

3 结语

本文基于最大电流法和相位控制法相结合的频率自动识别方法，研制了具有自动识别超声刀柄谐振频率功能的超声电源。结合超声刀柄，进行了超声电源频率自动识别测试，结果表明：

1)当刀具直径不变时，超声刀柄的谐振频率随刀具悬长的增大而减小；当刀具悬长不变时，超声刀柄的谐振频率随刀具直径的增大而减小。

2)超声电源测得的超声刀柄谐振频率与阻抗分析仪测得的频率差值最大变化值为221Hz，误差<1%；重复测量时，电源测量数据极差最大为30Hz，验证了超声电源频率自动识别的稳定性。

3)通过刀具端面振幅验证试验，刀具端面振幅最大点对应的频率和超声电源自动识别的谐振频率相差最大25Hz，误差<1.5‰，验证了超声电源频率自动识别的精确性。