旋转超声加工系统阻抗匹配电路及方法

技术领域

本发明涉及超声加工设备技术领域，尤其是指一种旋转超声加工系统阻抗匹配电路及方法。

背景技术

旋转超声加工技术(简称RUM)是近年来兴起的一种新型加工技术，其在硬脆性难加工材料的精密高效加工中具有独特的优势。在旋转超声振动加工系统中，由超声换能器、变幅杆和加工工具构成的超声振子在机床主轴的带动下高速旋转，同时在超声电源的驱动下产生超声振动，从而实现旋转超声加工。在高速旋转的情况下，超声电源与超声振子之间的电能可靠传输是旋转超声振动加工系统稳定可靠工作的关键技术之一。传统的电刷-滑环结构难以适应高速旋转加工的要求。近年来提出的感应非接触电能传输装置(简称ICPT)基于电磁感应原理，实现了超声电信号的非接触式传输。在超声电源和超声振子之间接入ICPT后，由于超声换能器压电陶瓷和ICPT线圈的影响，超声电源的输入阻抗包含电抗的成分，影响了电源的输出效率；副边回路阻抗也存在电抗成分，影响超声振子的输出效率和谐振状态。另外，由于原边和副边线圈之间存在间隙，会显著影响ICPT的能量传输效率。因此，必须对旋转超声振动加工系统的电源输入负载阻抗和副边回路阻抗进行谐振匹配，使电源的负载阻抗虚部和副边回路阻抗虚部为零，消除无功损耗，实现电源和超声振子的最佳工作状态。

目前对传输装置的阻抗匹配方式的研究可以分为两大类：一类是在传输装置原边回路和副边回路分别加入匹配元件进行匹配的双边匹配法；另一类是仅对原边回路进行匹配的单边匹配法。其中，双边匹配法是分别在原边回路和副边回路并联或串联接入电抗元件，使两边回路在超声振子的谐振频率点分别实现串联谐振，从而使两边回路在谐振频率点的阻抗虚部都等于零(称为双边谐振)。基于这一思想，研究人员提出了在原边和副边回路分别采用并-并、并-串、串-并、串-串四种方式接入电抗元件的匹配方法，并对不同方法的电路传输特性进行了大量的研究，研究表明双边匹配方式可以实现双边谐振的理想效果，使电源和超声振子都具有最佳工作状态。但是需要在原边和副边回路都加入电抗元件，在旋转超声加工系统中，由于超声振子和副边线圈要做高速旋转，加之超声刀柄或主轴结构的限制，在副边回路加入匹配元件会给结构设计和回转部件的动平衡带来很大的困难，在实际中难以应用。单边匹配法只在原边回路接入电抗元件，避免了对副边回路的改动，便于在旋转超声振动加工系统中应用，与双边匹配方法相比具有明显的实用性。单边匹配的方法有采用单一电抗元件在原边串联或并联匹配的方式，也有采用L-C双元件或三元件在原边回路串-并联组合匹配的方式。单边匹配法在原边加入匹配元件后，虽然使原边回路达到谐振状态(称为原边谐振)，提高了超声电源的输出效率，但是副边回路并未达到谐振状态，仍存在无功损耗，超声振子输出效率和输出有用功率都受到影响。

因此，迫切需要提供一种创新的旋转超声加工系统阻抗匹配电路及方法以克服现有技术存在的上述技术缺陷。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的技术缺陷，而提出一种旋转超声加工系统阻抗匹配电路及方法，其不需要改变旋转部件的结构，只需在电源的输出端增加双电容匹配组合，就可以使旋转超声振动加工系统实现阻抗匹配，达到最佳输出特性，便于各种旋转超声振动加工系统的结构设计和实际应用。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种旋转超声加工系统阻抗匹配电路，旋转超声加工系统包括超声电源、感应传输器和超声振子，所述感应传输器包括与所述超声电源连接而构成原边回路的原边线圈和与所述超声振子连接而构成副边回路的副边线圈，匹配电路包括第一匹配电容和第二匹配电容，所述第一匹配电容与所述原边线圈串联，所述第二匹配电容与所述原边线圈并联；其中，存在特定的匹配电容参数以使原边回路和副边回路同时谐振。

在本发明的一个实施例中，所述超声振子包括静态电容，所述静态电容与所述副边线圈串联。

在本发明的一个实施例中，所述超声振子包括动态支路，所述动态支路包括串联的动态电容、动态电感和动态电阻，且串联的所述动态电容、动态电感和动态电阻与静态电容并联。

在本发明的一个实施例中，当超声电源的信号频率等于超声振子的谐振频率时，超声振子的动态支路产生串联谐振，其动态支路谐振阻抗表现为纯电阻，动态电阻与静态电容并联的阻抗为超声振子的谐振阻抗。

此外，本发明还提供一种旋转超声加工系统阻抗匹配方法，该方法基于如上述所述的旋转超声加工系统阻抗匹配电路实现，方法包括：

当原边回路和副边回路均产生谐振时，求解得到满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线；

将第一匹配电容的参数曲线和第二匹配电容的参数曲线的交点作为匹配电容参数。

在本发明的一个实施例中，求解得到满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线的方法，包括：

计算原边回路的阻抗和副边回路的感应电流；

根据原边回路的阻抗和副边回路的感应电流，分别计算得到满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线。

在本发明的一个实施例中，在计算满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线时，将超声电源按照理想恒压源进行计算。

在本发明的一个实施例中，计算原边回路的阻抗的方法，包括：

设原边线圈的阻抗为Z

由基尔霍夫定律，得到原边回路：

I＝I

式中，R表示超声电源内阻，I表示超声电源的输出电流，C表示第一匹配电容的电容值，Z

副边回路：

Z

式中，Z

根据式(1)～(4)求解得：

其中：

式中，M表示原副边线圈的互感，X

根据式(5)得，原边回路的阻抗Zy为：

其中：

A＝R

B＝X

D＝X

E＝(R

式中，R

在本发明的一个实施例中，计算副边回路的感应电流的方法，包括：

根据式(6)得，副边感应电流为：

式中，M表示原副边线圈的互感。

在本发明的一个实施例中，计算得到满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线的方法，包括：

当原边回路和副边回路均产生谐振时，根据式(7)和(8)得：

ω(C+C

式中，X

联立式(9)和(10)，推得：

其中，

根据式(11)和(12)计算不同ICPT电感参数下双边谐振时的匹配电容。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的一种旋转超声加工系统阻抗匹配电路及方法，其不需要改变旋转部件的结构，只需在电源的输出端增加双电容匹配组合，就可以使旋转超声振动加工系统实现阻抗匹配，达到最佳输出特性，便于各种旋转超声振动加工系统的结构设计和实际应用。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明实施例提出的原边匹配的旋转超声振动加工系统示意。

图2是本发明实施例提出的阻抗匹配电路图。

图3是本发明实施例提出的超声振子谐振时的简化电路。

图4是本发明实施例提出的匹配电容计算曲线示意图。

图5是本发明实施例提出的电感对匹配参数的影响示意图。

图6是本发明实施例提出的互感系数对匹配参数的影响示意图。

图7是本发明实施例提出的超声振子谐振频率对匹配电容的影响示意图。

图8是本发明实施例提出的超声振子动态电阻对匹配电容的影响示意图。

图9是本发明实施例提出的阻抗匹配实验装置A双边谐振时的阻抗特性。

图10是本发明实施例提出的阻抗匹配实验装置B双边谐振时的阻抗特性。

图11是实测得到的双边谐振时原边的电压和电流波形。

图12是实测得到的双边谐振时副边的电压和电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明实施例提供一种旋转超声加工系统阻抗匹配电路，旋转超声加工系统包括超声电源、感应传输器和超声振子，所述感应传输器包括与所述超声电源连接而构成原边回路的原边线圈和与所述超声振子连接而构成副边回路的副边线圈，匹配电路包括第一匹配电容和第二匹配电容，所述第一匹配电容与所述原边线圈串联，所述第二匹配电容与所述原边线圈并联；其中，存在特定的匹配电容参数以使原边回路和副边回路同时谐振。

本发明提出一种旋转超声加工系统阻抗匹配电路，其提出原边回路C-C双电容串-并联组合匹配方式，使得旋转超声振动加工系统工作在双边谐振状态，实现最佳能量输出；并建立在单边匹配条件下双边谐振的理论模型，基于这一模型推出了C-C双电容串并-联匹配的参数设计方法，为传输装置的结构和参数优化提供了指导。

其中，所述超声振子包括静态电容和动态支路，所述静态电容与所述副边线圈串联，所述动态支路包括串联的动态电容、动态电感和动态电阻，且串联的所述动态电容、动态电感和动态电阻与静态电容并联。当超声电源的信号频率等于超声振子的谐振频率时，超声振子的动态支路产生串联谐振，其动态支路谐振阻抗表现为纯电阻，动态电阻与静态电容并联的阻抗为超声振子的谐振阻抗。

相应于上述匹配电路的实施例，本发明实施例还提供一种旋转超声加工系统阻抗匹配方法，该方法基于如上述所述的旋转超声加工系统阻抗匹配电路实现，方法包括：当原边回路和副边回路均产生谐振时，求解得到满足原边谐振和副边谐振的第一匹配电容和第二匹配电容的参数曲线；将第一匹配电容的参数曲线和第二匹配电容的参数曲线的交点作为匹配电容参数。

具体地，图1所示为原边匹配的旋转超声振动加工系统示意。该系统的等效电路如图2所示，图中，CE、LE、RE分别是超声振子等效电路的动态电容、动态电感和动态电阻，C0是超声振子的静态电容，LP、RP分别是ICPT的原边线圈自感及内阻，LS、RS分别是ICPT的副边线圈自感及内阻，M是原副边线圈的互感，C、C1分别是原边的第一匹配电容和第二匹配电容，R是超声电源的输出端内阻。

设超声电源为电压源，输出电压为U，输出电流是I，流过原边线圈电流为IP,副边线圈感应电流为Is，流过超声振子动态支路的电流为IE，jωMIp是原边回路在副边回路的感应电势，jωMIS是副边回路在原边回路的感应电势。当电源信号频率ω等于超声振子的谐振频率时，超声振子的动态支路产生串联谐振，其动态支路谐振阻抗表现为纯电阻RE。RE与静态电容C0并联的阻抗ZT为超声振子的谐振阻抗。电路可以简化为图3。

设：

原边线圈的阻抗为：

Z

副边线圈阻抗为：

Z

副边线圈与超声振子的谐振阻抗Zst为：

Z

由Kirchhoff定律，可得：

原边回路：

I＝I

副边回路：

Z

由式(1)～(4)求解可得：

其中，

由式(5)可得，原边回路的阻抗Zy为：

其中：

A＝R

B＝X

D＝X

E＝(R

显然，原边的阻抗包含了副边回路在原边的反射阻抗，因此这也是超声电源的负载阻抗。

由式(6)可得，副边感应电流为：

I CPT的原边与超声电源连接后，原边阻抗Z

ω(C+C

由式(9)和(10)可以看出，原边的匹配电容不仅影响电源的负载阻抗特性，也影响副边回路的阻抗特性。由式(9)和(10)分别求出满足原边谐振和副边谐振的两个匹配电容参数曲线，两条曲线的交点就是满足完全谐振的匹配电容参数。设超声振子参数为：谐振频率f＝20.15KHz,动态电阻R

显然，在超声振子参数不变的情况下，双边谐振的匹配电容主要受ICPT原边和副边线圈的自感和互感的影响。联立式(9)和(10)可推得：

其中，

设ICPT线圈的互感系数

在旋转超声振动加工系统中，超声振子参数是影响匹配电容参数的另一个主要因素。图7和图8分别是谐振频率和动态电阻变化时，匹配电容的变化规律。随着谐振频率的增高，匹配电容值减小；随着动态电阻增大，匹配电容C增大，而C

下面应用阻抗分析仪对匹配后振动系统进行测试。分别测试匹配电路的输入端和超声振子两端的阻抗特性。超声换能器前端采用ER16弹性夹头安装Φ6mm硬质合金铣刀，构成超声振子。把超声振子分别与不同参数的ICPT组合，构成不同的超声振动加工实验系统，保持原边与副边的间隙为0.5mm。实验系统参数如表1所示。

表1阻抗匹配实验装置及双边匹配电容参数

根据超声振子和ICPT的参数由式(11)(12)计算得到双边谐振时的匹配电容，应用阻抗分析仪分别测量两套实验系统的原边和副边阻抗特性，并对测试结果进行分析。图9和图10分别为装置A和装置B双边谐振时的阻抗特性。图11和图12是实测得到的双边谐振时原边和副边的电压和电流波形。

由实验结果可以看出，双边谐振时，在超声电源的驱动下ICPT原边和副边回路的电压与电流波形近于同相位。ICPT两边均处于谐振状态，系统具有良好的传输特性。图中电压与电流存在小的相位差，这主要时由于振子参数的小信号测量误差和实际匹配电容与理论计算值的偏差造成的。仅有原边谐振时，虽然原边可以处于谐振状态，但副边没有实现谐振匹配，回路阻抗存在电抗分量，超声振子工作时存在无功损耗，降低了系统的传输效率。比较两种匹配情况下的有效机电耦合系数K

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。