基于弯振夹心式换能器的超声喷丸成形设备的制作方法

1.本发明涉及超声压电作动技术领域，具体涉及一种基于弯振夹心式换能器结构及其驱动控制方式。


背景技术：

2.夹心式压电换能器是利用压电材料的逆压电效应来实现能量转换的器件。在大功率超声领域，常采用一种在压电陶瓷圆片的两端夹以金属块而组成的夹心式夹心式换能器。这类换能器的优点在于既得到了较低的工作频率，又可通过金属块的预压力始终处于压缩状态，避免了压电陶瓷的破裂。在金属表面加工成形、超声清洗以及航空航天先进制造等领域，夹心式超声换能器获得了广泛的应用。
3.超声喷丸是一种新型的喷丸技术，具有高灵活性、操作简单等特点，能够对简单构型大尺寸部件的精确成形、校形和表面强化，现常见于飞机壁板的塑性成形加工。其原理使利用夹心式换能器在谐振频率交流信号的激励下产生机械振动，继而推动撞针高速运动，对金属材料进行冲击。该高频冲击可在短时间内连续施加大于材料屈服强度的冲击力，引起材料残余压应力的重新分布，从而实现校形和表面强化的功能。
4.检索现有的超声喷丸设备专利发现，申请号为201710668045.x的中国专利申请公开的一种倾斜式超声喷丸强化设备，采用单个可容纳弹丸的倾斜式喷丸腔室，工作平面为腔室上端固定的斜平面，其优点是克服了弹丸入射角小的问题，能够有效增加喷丸硬化层的深度。申请号为201710667534.3的中国专利申请公开的一种超声喷丸强化设备，包含多个喷丸腔室，每个腔室设置风扇叶片外形相适配的上曲面，工作时多个振动头可同时对多个区域进行超声喷丸强化。申请号为201930113459.6的中国专利申请公开的一种超声喷丸枪，其特点是利用基于纵振模态的换能器，带动多排撞针进行喷丸成形，适用于大面积，构型简单壁板的加工成形。但上述发明均只适用于处理工件外表面，校形复杂壁板的内部时则存在限制。因此，设计一种工作面能探入复杂壁板内部的超声喷丸设备，对于解决限域空间内的加工问题具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的不足，提出一种基于弯振夹心式换能器的超声喷丸设备，其结构紧凑且可靠性高，能实现弯振模态驱动，同时具备大功率输出特性，用于解决现有技术中基于纵振模态换能器对复杂壁板内部进行加工的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明将采用以下的技术方案：
7.一种基于弯振夹心式换能器的超声喷丸成形设备，包括夹心式换能器、连接于夹心式换能器一端的碰头，收容夹心式换能器的机壳、驱动电路；所述夹心式换能器，包括同轴设置的预紧螺栓、后盖板、压电陶瓷组件、前盖板、变幅杆以及垫板；所述前盖板与后盖板分别连接于压电陶瓷组件的前后两端，所述压电陶瓷组件包括交替设置的电极片和双极化的弯振压电陶瓷，相邻压电陶瓷极化方向相反；所述预紧螺栓贯穿后盖板和压电陶瓷组件，
与前盖板螺纹连接，且在预紧螺栓施加预紧力夹紧压电陶瓷组件；所述前盖板与变幅杆后部连接；所述垫板与变幅杆前部连接。
8.进一步的，碰头包括碰头框架，下挡板，撞针，上挡板；所述碰头框架、上挡板、下挡板之间均螺纹连接；撞针通过上挡板和下挡板的孔位进行定位。
9.进一步的，所述机壳分为5段，各部分通过机壳螺栓进行连接。
10.驱动电路包括电源模块、信号模块、逆变模块以及匹配模块；所述电源模块包括ac-dc电源、整流桥、用于将市电转化为信号模块和逆变所需的电压；所述信号模块包括cd4046电路、cd4069电路、sg3525电路以及两个图腾柱，信号模块用于输出逆变模块需要的信号；所述逆变模块包括构成全桥逆变的四个igbt，用于输出换能器所需的交流电；所述匹配模块包括隔离变压器以及电感，用以隔离pcb和换能器以及匹配负载电路且谐振升压。
11.所述夹心式换能器的中间电极片和机壳螺栓连接，碰头和机壳螺栓连接，且夹心式换能器的垫板抵住撞针；所述驱动电路的电感输出连接换能器正极，不连电感的隔离变压器另一端连接换能器负极。
12.所述夹心式换能器受到预设频率的交流电压激励，根据逆压电效应，压电陶瓷片产生超声振动；该振动经由变幅杆放大并传递至垫板，垫板再带动撞针振动。
13.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
14.1.本发明采用的夹心式换能器结构紧凑且可靠性高，能实现弯振模态驱动，同时具备大功率输出特性。相对于现有技术，该夹心式换能器体积小巧，能够探入复杂壁板内部进行超声喷丸强化作业。
15.2.本发明采用的以sg3525为核心的信号模块和全桥逆变模块，能在较大范围内调节频率和功率，易于调试换能器与匹配电路，且对于探究不同功率对喷丸的影响具有重要研究意义。
16.3.本发明采用的基于弯振夹心式换能器的超声喷丸设备具有高灵活性、操作简单、便于调节、使用维护成本低等特点，有助于解决飞机复杂壁板的局部塑性问题。
附图说明
17.图1为基于弯振夹心式换能器的超声喷丸设备流程图；
18.图2为喷丸枪的三维结构示意图；
19.图3为夹心式换能器的立体分解图；
20.图4为薄铝片立体图；
21.图5为厚铝片立体图；
22.图6为机壳的立体分解图；
23.图7为碰头的立体分解图；
24.图8为信号模块电路图；
25.图9为逆变模块电路图；
26.图10为匹配模块电路图；
27.图11为压电陶瓷工作示意图；
28.图12为电路主要部分时序图。
具体实施方式
29.下面详细描述本发明所涉及优选实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”、“连接”、“接入”、“接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
31.如图1所示，本发明公开了一种基于弯振夹心式换能器的超声喷丸设备，包括夹心式换能器、碰头、机壳以及驱动电路。市电接入pcb上的电源模块，经由ac-dc电源和整流桥分别输出信号模块和逆变模块所需电压。信号模块所输出占空比可调的交流信号输入igbt栅极，使igbt全桥逆变电路输出高压交流电；再接入一个隔离变压器，串联接入匹配电感与换能器，则喷丸枪即在高压激励下正常运行。其中，通过调节cd4046外围电路可调节频率，调节sg3525外围电路可占空比，进而调节功率。此外，ac-dc电源是由ap8022,pc817构成的常见电路，属于现有技术，本实施方式中不再进行详细说明。整流桥电路较为简单，直接并入全桥逆变模块描述。
32.如图2所示，喷丸枪包括夹心式换能器、机壳、碰头。
33.如图3所示，夹心式换能器同轴设置预紧螺栓1、后盖板2、压电陶瓷组件(压电陶瓷3和电极片4)、前盖板5、变幅杆6、垫板7、螺栓8构成。其中，压电陶瓷3为双极化的弯振压电陶瓷，相邻压电陶瓷3极化方向相反设置，用于有效激发换能器整体的弯振模态。
34.预紧螺栓1的材料选用钛合金等高强度钢，能有效保证换能器的性能稳定。后盖板2采用圆柱后盖板为圆柱、圆台的结合，中心处留有贯穿通孔。压电陶瓷3和电极片4交替设置。外侧的四个电极片为薄铝片，形状如图4所示；中部的电极片为厚铝片，形状如图5所示。奇数位电极片为负极，偶数位电极片为正极。前盖板5为圆柱，中心处留有贯穿螺纹孔；变幅杆6为阶梯式三段式结构，前部为长方体，中心处留有螺纹孔，中部为方形，后部为圆柱，中心处留有突出螺柱；垫板7为长方体，中心处留有贯穿螺纹孔。此外，除预紧螺栓1为高强度材料外，其余金属构件为一般强度材料，如淬火45钢等。
35.预紧螺栓1贯穿后盖板2和压电陶瓷组件，与前盖板5螺纹连接，且在预紧螺栓1施加预紧力夹紧压电陶瓷组件；前盖板5与变幅杆6后部螺柱螺纹连接；所述垫板7与变幅杆6前部螺栓连接。
36.如图6所示,机壳9共分为五段，主要用于连接夹心式换能器以及碰头，材料亦可选择淬火45钢。后两段与中间电极片螺栓连接，中间三段稳固夹心式换能器的不同部位，前段与碰头框架连接。
37.如图7所示，碰头包括碰头框架10、下挡板11、撞针12、上挡板13。碰头框架10用于连接各部件，材料为淬火45钢。下挡板11和上挡板13用于给撞针12定位，材料选用铝，中部留有两排通孔。撞针12与工件接触，采用高强度钛合金。碰头框架各部分10以及下挡板11，撞针12之间均螺纹连接。所述机壳与夹心式换能器中间厚电极片螺栓连接，与碰头框架螺栓连接，此时垫板抵住撞针。
38.如图8所示，所述信号模块包括锁相环集成芯片cd4046、四反相器cd4069、单片集成pwm控制芯片sg3525、两对图腾柱(q1-q4)以及外围电路电阻r1-r9,c1-c6，d1-d2。
39.所述锁相环集成芯片cd4046的引脚x8、引脚x5和引脚x3相连接地；引脚x11接可调电阻r1的一端，可调电阻r1另一端接地；引脚x6和引脚x7之间接电容c1；引脚x16接入直流电压12v；引脚x4接电容c2的一端，电容c2的另一端接电阻r2和电阻r3的一端。所述锁相环集成芯片cd4046内部集成vco构成的方波发生器，振动电容c1接在引脚x6和引脚x7之间，振荡电阻r1接在引脚a11，两者共同决定cd4046的输出频率，通调节变阻r1的阻值即可改变引脚x4输出的方波信号频率。
40.所述四反相器cd4069的引脚y7接地；引脚y9和引脚y11相连，且连接电阻r3的另一端；引脚y14分别接直流电压12v和电阻r2的另一端；引脚y1、引脚y2、引脚y4分别连接电阻r4、电阻r5、电容c4的一端。且电阻r4、电阻r5、电容c4的另一端相连。引脚y8和引脚y10相连，且连接电阻r6的一端。所述四反相器cd4069通过外围电路即可将占空比为50％的方波转化为占空比8％的尖波信号，该尖波信号可被sg3525的引脚z3同步信号端接收。
41.所述单片集成pwm控制芯片sg3525的引脚z16和引脚z2之间接电阻r10；引脚z15和引脚z13相连，且接入直流电压12v；引脚z3接电阻r6的另一端；引脚z7接电阻r7的一端；引脚z5接电阻r7的另一端和电容c4的一端，电容c4的另一端接地；引脚z6接电阻r8的一端，电阻r8的另一端接地；引脚z8接电解电容c5的正极，电解电容c5的负极接地；引脚z12和引脚z10接地；引脚z9接电解电容c6的正极和可变电阻r9的一端，电解电容c6的负极和可变电阻r9的另一端接地；引脚z14和引脚z11分别接入两个图腾柱的基极。所述单片集成pwm控制芯片sg3525内部集成振荡器，误差放大器，pwm控制器等。从引脚z3同步信号端接收的信号经过振荡器、pwm控制器，触发器和与非门，将接收的尖波信号转变为频率为接收信号一半、相位差180
°
的两路矩形波信号；引脚z9补偿端的变阻r9控制引脚z11和引脚z14输出矩形波的占空比，通过调节变阻r9的阻值即可实现逆变模块pwm输出的电流；引脚z5和引脚z7之间接电阻r7为死区电阻，使两路输出占空比必定小于50％。
42.所述两个图腾柱包括两对特性相同的npn管和pnp管(q1-q4)。npn管q1和pnp管q2基极相连且连接sg3525的引脚z11，发射极相连且连接二极管d1负极，二极管d1正极接地；npn管q1集电极接入直流电压12v；pnp管q2集电极接地。同样的，npn管q4和pnp管q3基极相连且连接sg3525的引脚z14，发射极相连且连接二极管d2负极，二极管d2正极接地；npn管q4集电极接入直流电压12v；pnp管q3集电极接地。两对图腾柱的发射极作为信号模块的输出端口(out1和out2)分别连接逆变模块两对桥的栅极输入端(in1和in2)。图腾柱电路能提升拉电流和灌电流，提高信号模块驱动能力，以此驱动igbt。
43.如图9所示，所述驱动模块中的整流桥电路包括整流桥kbu1010、电阻r11、电容c7。所述逆变模块包括四块igbt(vt1-vt4)、外围电路电阻r12-r19、电容c8-c11。市电接入整流桥kbu1010交流输入端，ud 端口接r11的一端、c7的一端、igbt1和igbt2集电极；ud-端口接r11的另一端、c7的另一端、igbt3和igbt4发射极。in1接电阻r12的一端，r12的另一端接igbt1的栅极，igbt1的集电极接电容c8的一端。电容c8的另一端接电阻13的一端，电阻13的另一端接igbt1的发射极。igbt1的发射极接隔离变压器的同名端。in2接电阻r14的一端，r14的另一端接igbt2的栅极。igbt2的集电极接电容c9的一端，电容c9的另一端接电阻15的一端，电阻15的另一端接igbt2的发射极，igbt2的发射极接隔离变压器的非同名端。in2接
电阻r16的一端，r16的另一端接igbt3的栅极，igbt3的集电极接电容c10的一端，电容c10的另一端接电阻17的一端，电阻17的另一端接igbt3的发射极，igbt3的集电极接隔离变压器的同名端。in1接电阻r18的一端，r18的另一端接igbt4的栅极，igbt4的集电极接电容c11的一端，电容c11的另一端接电阻19的一端，电阻19的另一端接igbt4的发射极，igbt4的集电极接隔离变压器的非同名端。
44.当sg3525引脚c11输出高电平时，引脚c14输出低电平，即igbt1、igbt2栅极接收高电压则导通，igbt2、igbt3栅极接收低电压不导通；同理，当sg3525引脚c11输出低电平时，引脚c14输出高电平，即igbt1、igbt4栅极接收低电压则不导通，igbt2、igbt3栅极接收高电压导通。每个桥臂上下管之间信号为互补形式，以防造成上下管直通导致短路。所述igbt为电压控制型元件，总体消耗的驱动功率较小，栅极驱动的上升沿和下降沿十分陡峭，因此导通的瞬时电压和截止的瞬时电流很大。在igbt集电极和发射极并联一组电阻和电容，能有效吸收尖峰电压和电流。定义隔离变压器初级绕组同名端为正，非同名段为负，则igbt1、igbt4导通时电压为正，igbt2、igbt3导通时电压为负，则初级绕组两端电压为交流方波。
45.如图10所示，所述匹配模块包括隔离变压器tr1(大功率变压器电感量不可忽视，这里近似等效为并联电感ltr)、电感l1以及喷丸枪。逆变模块的信号接入隔离变压器初级绕组两端。副级绕组的同名端接匹配电感l1的一端，另一端定义为u ，接换能器的正极电极片。副级绕组的非同名端定义为u-，接换能器的负极电极片。不可忽略的并联电感ltr与电感l1组成l型匹配，优选电感值可使负载电路变为阻性。由于换能器本身是容性负载，可将电感l1与换能器的支路视作串联谐振电路，根据谐振升压，换能器正负极上电压可升至上千幅。
46.如图11所示，为本实施例的压电陶瓷的工作示意图。四片双极化的弯振压电陶瓷同轴设置，相邻两片陶瓷片极化方向相反。图示时刻，u 为高电平，u-为低电平，四片压电陶瓷左侧均拉伸，右侧均压缩，换能器向右弯曲；同理u 为低电平，u-为高电平，四片压电陶瓷左侧均压缩，右侧均拉伸，换能器向左弯曲。
47.如图12所示，为本实施例的超声喷丸设备各主要构件的理论波形。cd4046产生基础频率的方波信号，调节变阻r1即可改变频率。sg3525内部的二分频触发器属于上升沿触发，每接收一次上升沿信号，则引脚11和引脚14两路输出状态发生跳变；改变引脚9补偿端的变阻r9,即可改变两路输出的占空比；当从cd4069处接收到的信号频率改变时，sg3525的输出频率也改变。逆变模块的igbt接收不同频率的栅极信号，其输出频率也随之改变；接收相同频率不同占空比的栅极信号，输出频率和电压均不变，而占空比越高，输出电流越高，以此改变功率。按照隔离变压器处的定义，初、负极绕组电压正负状态相反，此外由于电感特性和谐振升压，换能器电压陡升且出现跳变的尖刺。
48.本实施例中，本发明的夹心式换能器作为一种弯振模态的压电超声驱动器，充分利用夹心式工作频率低，输出功率大的优点，解决了纵振设备只可垂直工作的问题。同时，所述换能器只需要一路激励信号，降低了换能器对驱动电路的要求，并且驱动电路的频率和功率都可通过外围变阻调节，便于进行换能器的适配与研究。
49.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。