芳綸蜂窩材料超聲加工用數(shù)字式電源系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究.pdf

1、在芳綸蜂窩材料加工過程中引入超聲振動，對提高材料表面的加工質(zhì)量、減少材料與刀具間的摩擦、降低切割溫度等性能方面具有顯著的提升效果。超聲電源在超聲加工中處于核心地位，它的性能優(yōu)劣直接影響超聲主軸壓電換能系統(tǒng)的振動效果，進(jìn)而影響芳綸蜂窩材料的加工效果。由于芳綸蜂窩材料結(jié)構(gòu)呈多胞正交各向異性，刀具在實際切割的過程中切削力變化比較快。而壓電換能系統(tǒng)作為超聲電源的工作負(fù)載，在進(jìn)行超聲切割時，頻繁變化的切削力導(dǎo)致壓電換能系統(tǒng)的諧振頻率和等效阻抗會產(chǎn)

2、生較大變化。因此超聲電源的頻率和功率需要根據(jù)負(fù)載切削力的變化作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，滿足材料的加工要求。根據(jù)芳綸蜂窩材料獨(dú)特的加工變化特點，需要研制不同于市場上用于其它加工的數(shù)字式超聲電源。
　　本文首先通過美國EI功率放大器驅(qū)動壓電換能系統(tǒng)切割芳綸蜂窩材料，利用NI采集卡、測力儀、電壓電流傳感器等測量設(shè)備獲取加工過程中切削力和相位角的變化情況。然后根據(jù)獲知的實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)一步通過實驗研究力負(fù)載和相位變化對壓電換能系統(tǒng)的影響，分析總結(jié)出變化

3、規(guī)律，為超聲電源的設(shè)計和調(diào)節(jié)提供具體的參考依據(jù)。
　　其次，根據(jù)芳綸蜂窩材料的加工特點確定了電源的總體方案，然后根據(jù)所設(shè)計的電源方案對系統(tǒng)的主電路各功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析與參數(shù)計算，最后在選擇STM32控制芯片的基礎(chǔ)上搭建了DDS信號發(fā)生電路、IGBT驅(qū)動電路、過載過流保護(hù)電路、按鍵及顯示接口電路，實現(xiàn)電源硬件系統(tǒng)的搭建。
　　再次，對數(shù)字式超聲電源主電路和超聲加工壓電換能系統(tǒng)間的匹配電路進(jìn)行了研究與設(shè)計，研究不同匹配

4、方式對壓電換能系統(tǒng)工作性能的影響，確定出適合芳綸蜂窩材料超聲加工用的匹配方式，并確定出具體的匹配電路。之后針對力負(fù)載導(dǎo)致壓電換能系統(tǒng)阻抗值變大、電源輸出功率變小的問題，利用匹配電路的變阻作用，對匹配后的阻抗公式進(jìn)行推導(dǎo)計算，算出滿足系統(tǒng)空載狀態(tài)下輸出功率最小的最佳匹配點，保證電源的輸出功率隨力負(fù)載的增大而自動調(diào)節(jié)變大。
　　然后，對壓電換能系統(tǒng)頻率漂移后的跟蹤方法進(jìn)行研究，針對常規(guī)PID控制調(diào)節(jié)不能適應(yīng)頻率實時變化的缺點，加入模糊

5、控制規(guī)則，在線實時整定PID的控制參數(shù)，通過Simulink仿真平臺搭建仿真模型，驗證控制對象參數(shù)變化后模糊PID和傳統(tǒng)數(shù)字PID的動態(tài)調(diào)節(jié)效果。結(jié)果表明，設(shè)計的模糊PID控制算法在動態(tài)特性和穩(wěn)定性方面具有較大優(yōu)勢。
　　最后對研制的數(shù)字式超聲電源分模塊進(jìn)行測試，確保電源系統(tǒng)的正常工作，并對數(shù)字超聲電源的頻率跟蹤性能進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，研制的樣機(jī)可以很好地進(jìn)行頻率跟蹤工作，有效地提高了電源的輸出效率，滿足了芳綸蜂窩材料的超聲切