芳綸蜂窩材料超聲加工用數(shù)字式電源系統(tǒng)設計與實驗研究.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，進而影響芳綸蜂窩材料的加工效果。由于芳綸蜂窩材料結構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載，在進行超聲切割時，頻繁變化的切削力導致壓電換能系統(tǒng)的諧振頻率和等效阻抗會產

2、生較大變化。因此超聲電源的頻率和功率需要根據(jù)負載切削力的變化作出適當?shù)恼{節(jié)，滿足材料的加工要求。根據(jù)芳綸蜂窩材料獨特的加工變化特點，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)，進一步通過實驗研究力負載和相位變化對壓電換能系統(tǒng)的影響，分析總結出變化

3、規(guī)律，為超聲電源的設計和調節(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)所設計的電源方案對系統(tǒng)的主電路各功能模塊進行了詳細的理論分析與參數(shù)計算，最后在選擇STM32控制芯片的基礎上搭建了DDS信號發(fā)生電路、IGBT驅動電路、過載過流保護電路、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)間的匹配電路進行了研究與設計，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。之后針對力負載導致壓電換能系統(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行推導計算，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載的增大而自動調節(jié)變大。
　　然后，對壓電換能系統(tǒng)頻率漂移后的跟蹤方法進行研究，針對常規(guī)PID控制調節(jié)不能適應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)調節(jié)效果。結果表明，設計的模糊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行測試。測試結果表明，研制的樣機可以很好地進行頻率跟蹤工作，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