王振宇

摘 要：文章介绍了利用超声波对机床冷却液箱的清洗。并对超声波的设计思路以及具体方案、对超声电源及变幅杆匹配调试等进行了研究。

关键词：超声波；冷却液箱；防垢除垢

引言

随着科技生产的发展数控机床在工业应用上的广泛使用，随之而来的数控机床冷却液槽的清洗工作是一项不可忽视的问题，由于机床的冷却液槽槽壁堆积着大量的油污和切削粉末，采用传统的手动清扫，不仅劳动强度大、作业环境脏、作业时间长，同时消耗大量的化学清洗液和辅助材料，造成材料浪费的同时也产生了大量的废液造成污染。不仅给管理部门和使用部门都带来了很大的麻烦，同时也严重影响数控机床的高效运行，急需一种专用的清洗设备来解放大量的劳动力和节约大量的劳动时间。让数控机床高效运行，为生产加工服务。

1 技术背景

（1）采用模块化功能电路设计，易于安装和调试及修理。（2）换能器采用夹心式1/4波长换能器，易于安装和调试。（3）倒喇叭型变幅杆，位移节点设计在变幅杆1/4处，易于安装，声损耗小。（4）整体结构紧凑，依据现场情况可改变多种安装形式。（5）振动子法兰盘设计，对原设备改动较小。

2 设计方案

2.1 超声波简介

物体每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。 我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。

2.2 超声波的空化作用

超声波在液体介质中传播产生特殊的“空化效应”，“空化效应”不断产生无数内部压力达到上千个大气压的微气穴并不断“爆破”产生微观上的强大冲击波。超声波声场的能量密度与空化泡崩溃时的能量密度相比，能量密度被扩大了万亿倍，引起能量的巨大集中；空化泡产生的极端高温和高压导致的声化学现象和声致发光，是声化学中特有的能量和物质交换形式。超声波防垢除垢作用就是依据超声空化作用来实现的。

2.3 超声波防垢除垢工作原理

大功率超声波超声波防垢除垢系统由超声波振动部件和超声波专用驱动电源两大部分组成。超声波振动部件主要包括大功率超声波换能器、变幅杆、工具头（发射头），用于产生超声波振动，并将此振动能量向液体中发射。换能器将输入的电能转换成机械能，即超声波。其表现形式是换能器在纵向作来回伸缩运动，振幅一般在几个微米。这样的振幅功率密度不够，是不能直接使用的。变幅杆按设计需要放大振幅，隔离反应溶液和换能器，同时也起到固定整个超声波振动系统的作用。工具头与变幅杆相连，变幅杆将超声波能量振动传递给工具头，再由工具头将超声波能量发射到化学反应液体中。

2.4 超声波防垢除垢系统主要部件功能

（1）超音波振动源（驱动电源）：把50-60Hz的市电转化为高功率的高频率（15kHz-100kHz）电源，提供给换能器。（2）换能器（controller，transducer）：把高频率电能转化为机械振动能。（3）变幅杆：联接并固定换能器与工具头，将换能器之振幅放大后传送到工具头。（4）工具头（导入杆）：把机械能和压力传至工作物，同时也有振幅放大的功能。（5）连接螺栓：将以上各组件紧密地连接。

3 超声电源的设计

把50-60Hz的市电转化为高功率的高频率（15kHz-100kHz）电源，通过输出变压器阻抗匹配提供给换能器。起工作过程是AC-DC-AC的转换过程，超声功率电源也称为超声频率发生器，它在超声振动中起到频率振荡，调功、调频及条脉宽的功能外，还要达到良好地阻抗匹配和频率谐振，限于篇幅不在详细介绍、罗列一些设计的原理图及PCB板图描述设计过程。

3.1 夹心换能器设计

现在用的超声波换能器，除了磁致伸缩结构以外就是常用的用前后盖板夹紧压电陶瓷的“朗之万”换能器，超声波就是通过换能器将高频电能转换为机械振动。换能器的特性取决与选材和制作工艺，同样尺寸外形的换能器的性能和使用寿命是千差万别的。依据超声波换能器设计理论，采用4片PZT压电陶瓷设计制作成1/4波长夹心式，它有反射罩传到体压电陶瓷，电极片及锁紧螺钉组成

3.2 超声变幅杆设计

换能器将高频电能转换为机械振动，它是电声转换器件，其输出的机械振幅较小，还不能满足实际生产加工需求，还需将该机械振动进行放大，变幅杆就是用来接收换能器的机械振动并将之放大的关键器件。鉴于加工及安装方便，采用流行的倒喇叭型变幅杆，将位移节点设计在变幅杆的前1/4处，通过锁紧螺钉将它与换能器按要求锁紧，并测试静态特性和动态特性。

3.3 超声电源箱钣金设计

电源机箱不仅是超声电源各部件的载体，还要满足超声电源个电子器件的热、磁等参数要求，同时还要美观方便使用，通过电气原理图及制版图的设计，及超声电源关键部件的设计后，综合以上关键数据，采用CATIA的钣金模块设计超声电源机箱实体图。

4 超声电源及变幅杆匹配调试

4.1 电源调试

超声电源的调试较为关键，首先调试功率直流电源模块，将功率电源带上假负载，经测试没有短路和断路情况下，接通市电AC220V，经环牛变压器降压为AC110送入可控硅交流调压部分，经全桥整流和电容稳压，功率直流电源应有DC90V～DC150V直流输出。接上半桥功率驱动，关闭前置振荡板的振荡信号，半桥驱动板的功率放大管的Vce应等于直流功率电源的一般电压，说明半桥驱动工作正常，关闭前置放大的振荡信号，测量输出变压器应有交流振荡信号输出，调整选频网络，输出变压器的输出信号应有相应的频率信号输出。以上超声电源基本调试完成，需进一步匹配调试。

4.2 匹配调试

匹配调试的目的是将超声电源输出频率同振动子固有振荡频率匹配。这需要两个关键步骤。

4.2.1 频率调整

将振动子接到超声电源上，调节选频网络，通过测量变幅杆输出，直到变幅杆端面有明显的微量振动，通过调节输出变压器副边跳线绕组和匹配电容结合调整选频网络，是变幅杆振动位移为最大，通过频率表测量变压器输出频率，如果较低，可通过改变换能器和变幅杆外观尺寸来改变振动子的固有谐振频率，是变幅杆输出位移振幅为最大。

4.2.2 阻抗匹配

匹配的含义是超声电源输出的阻抗和振动子的动态阻抗和容抗相匹配，是本身为容抗负载的换能器通过电容和电感的匹配转换成纯阻抗型负载。

5 结束语

采用模块化设计超声电源，安装调试方便快捷，易于维修和更换。采用配对进口原装大功率晶体管整列，功率大使用寿命高。夹心式换能器设计，声功率强，效率高。采用不锈钢功率头，可产生大功率空化效应，对机床冷却液生化学处理，阻止冷却液氧化凝结，高效防污除垢能力。