超声波花边机原理结构电路分析以及应用

摘要:介绍一种新型服装机电产品超声波花边机,着重讨论其工作原理、整机组成及各部分设计特点.

　　关键词:超声波;服饰加工;花边机;花边成型

引言

　　超声波花边机是一种将超声波焊接技术应用于服饰加工的服装机电产品.该机应用超声波和花轮(刻有凸起花色图案的加工工具)相互作用产生的机械能和热能,能够对各类化纤、混纺织物进行多种加工,并可一次熔切成型,也可在皮革表面上压花,可广泛应用于服装、纺织等厂家的产品花边成型.我国是服装、纺织品生产大国,进口国外设备价格昂贵.为此,我们在引进、消化和吸收的基础上,研制了新颖的HB型超声波花边机.

1   超声波工作原理

1.1   逆压电效应

　　某些物质(如石英、压电陶瓷等),当受到外力作用时,不仅几何尺寸发生变化,而且内部极化,表面上有电荷出现,形成电场;当外力消失时,材料重新回复到原来状态,这种现象称为压电效应.相反,如果将这些物质置于电场中,其几何尺寸也发生变化, 这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象, 称为逆压电效应.超声加工、超声波花边机等均是逆压电效应的应用.

1.2   基本原理

   HB型超声波花边机的超声波部分,分为超声波发生器和超声波换能器系统2大部件,如图1所示.

超声波花边机结构示意图

　　　超声波换能器系统又由超声波换能器、变幅杆和工具变幅杆组成.当220V、50Hz工频交流电流进入超声波发生器,发生器就开始工作,将50Hz频率转换为20000Hz,并保持在这个频率上.从超声波发生器输出的20000Hz电流流入换能器,换能器将电能转换为机械能,产生垂直于其上表面的超声机械振动,其振幅仅0.005～0.01mm,再经变幅杆和工具变幅杆放大为0.05～0.1mm,以驱动工具端面作超声振动.在工具变幅杆上方有一个花轮,织物在被压到花轮与工具变幅杆端面之间时, 通过接触面之间和分子间的摩擦,使接触处温度急剧升高,发生裁切(花轮边缘最高处)、穿孔(花轮中间最高处)或压花(花轮中间次高处).电机用于带动换能器系统转动,以便使工具端面均匀磨损,延长使用寿命.

2   整机组成及结构设计特点

2.1   整机组成

   HB型超声波花边机主要由4大部分组成.

a.超声波发生器.包括超声波发生器电源及整机电气控制系统.前者将220V、50Hz工频电转换为换能器所要求的工作频率和电压;后者包括上、下电机的启停及转速控制、电源指示、工作电流指示和照明等.

b.超声波振动器.主要包括超声波换能器系统、支架、电刷及电机驱动部分,是整机核心部分,提供足够振幅的超声波振动.

c.花轮驱动组.主要包括直流调速电机至花轮的传动系统、机头和气动系统.气动系统包括气动三联阀、换向阀、液压阻尼汽缸及相应管路等.

d.机架组.主要包括工业缝纫机架、纸带组、薄膜带组、安全罩壳和压轮组等.

2   结构设计特点

   HB型超声波花边机是一种轻工服装机械,在结构设计上有以下特点:

a.多种机型合一.国外机型按花轮规格(花轮宽度,常用有25mm、50mm和65mm)分为多种机型,用户加工不同规格的花边时,只能通过购买多种机型来解决.CHJ型超声波花边机通过更换花轮垫板、支架等少量零件,即可使用另外一种规格的花轮,方便了用户.使用另一规格花轮时,要相应调整花轮压力和发生器输出功率.

b.气动替代手动.实现气动控制后,操作者只要推拉换向阀杆即可实现花轮上下的频繁操作,大大减轻了劳动强度;另一方面,通过调整气动系统的节流阀,可很方便且在较大范围内调整花轮压力.

c.气2液阻尼缸.花轮上、下汽缸采用气2液阻尼缸,使花轮下压时,由于与之串联的液压阻尼(小孔节流原理)缸阻尼作用,花轮缓慢下压,不易损伤花轮和工具变幅杆,提高关键件使用寿命.

d.机体表面精饰处理.

e.采用直流调速电机,实现高、低速运行.

f.换能器系统的转动.下电机带动换能器系统转动,使工具变幅杆表面磨损均匀,提高关键部件使用寿命.

g.采用通用工业缝纫机机架作为机身,提高开发速度,降低制造成本.

3   超声波发生器的设计

　　　超声波发生器主要由电源部分、反馈振荡部分及直流电机调速控制部分等组成,其中反馈振荡部分是核心部分.

3.1   振荡电路及工作原理

反馈振荡部分工作原理如图2所示.振荡部分

图2   反馈振荡部分原理

　由V1,V2,T1,L1,L2和电容网络组成推挽式振荡器[1],T3为升压变压器.超声波本振频率主要由L1,L2决定.当继电器J动作,其触点J1-1,J1-2释放时,电路开始工作,振荡出频率为20000Hz左右的方波.该方波电压经过T3升压和L2积分转换成弦波后,输出到换能器的压电晶体上.同时,通过C9,C10,C11,C12分压取出正反馈电压,通过反馈变压器T1反馈到振荡管.压电晶体两端加上交变信号转换成机械振动,该振动经过变幅杆放大后产生足够功率的超声波.另一方面,由于机械振动也施加在压电晶体上,则它也产生一交变电压.该电压在换能器谐振时非常大,谐振频率在20000Hz左右.该电压经C9,C10,C11,C12分压后取出的反馈信号要比前一反馈电压大,因此以后的振荡频率主要由换能器的谐振频率决定.故在一定的频率范围内, 发生器能实行频率的自动跟踪.

3.2   超声波发生器的设计特点

　　超声波发生器设计上具有以下特点:

a.频率自动跟踪.换能器的工作条件变化(负

载)往往引起其谐振频率变化,使系统的振动失调、振幅下降,影响加工质量.本设计采用频率跟踪电路,通过反馈使超声波发生器频率保持与发生器一致,换能器始终处于良好的谐振状态,振幅输出稳定,保证加工质量.

b.阻抗匹配.超声波发生器与超声波换能器系

统之间的阻抗匹配,是通过匹配变压器T3实现阻部分匹配;通过可调匹配电感线圈L1与换能器容性抗分量在工作频率上形成回路谐振,以消除无功功率,实现抗部分匹配.

c.功率可调.可通过切换转换开关H,获得合适的输出功率,保证加工质量,延长换能器使用寿命.

d.多管并联.功率放大管V1,V2分别可用多只(如3只BUS13A)并联使用,提高输出功率.

e.将较易损坏的直流电机调速电路单独制作成

“控制盒"并置于电器箱外,不仅便于更换维修,而且避免了对震荡电路的干扰.

4 .超声波换能器系统的设计特点

   HB型超声波花边机所用超声波换能器系统由超声波换能器和两级超声波变幅杆组成,其中第2级变幅杆输出端为适应宽花轮的需要,变形为较大直径的圆形平面(也可理解为将变幅器与工具做为一体,称为工具变幅杆),如图3所示.

超声波焊头

超声波模具图纸

图3   工具变幅杆的形成

　　超声波换能器系统是超声波花边机的核心部件,设计上具有以下特点:

a.作为超声波换能器系统的推动级,超声波换能器采用半波长夹心式压电陶瓷换能器[2].换能器的前盖、压电陶瓷及后盖由一只长螺栓紧紧地连接在一起,形成一个振动体,具有整体强度高、性能稳定性好、电声转换效率高、加工装配比较简单及成本较低等优点,目前已广泛应用于超声波清洗、超声波焊接及超声波乳化等超声加工应用中.

b.超声波换能器的压电陶瓷采用压电常数和机

　电偶合系数比较高的锆钛酸铅发射材料PZT28.它是铁酸钙改性的锆钛酸铅二元系压电材料,主要特点是强场介电损耗低,介电损耗和机电损耗在高电压、高静压和较高温度下变化很小,并且机械强度高,矫顽场高,适合于大功率连续工作的需要.

c.超声波变幅杆采用高功效的阶梯形变幅杆[3],如图3a所示,且节面位置正好是在大小截面突变处,其振幅放大系数为最大,与大小截面半径之比的平方成正比,这是深受欢迎的一大优点,缺点是在节面突变位置存在较大的应力梯度.为此,在变幅杆大小截面突变处采用一合适的过渡圆弧,减少应力集中而对共振频率影响.

d.变幅杆一方面是在交变载荷作用下工作,另一方面在传递和放大超声波振动能量的同时会产生温升.因此,要求变幅杆材料应声阻小、热损耗低、抗疲劳强度高、制造方便且价格适宜.综合考虑,超声波变幅杆材料选用中碳钢经调质处理后使用.超声波焊头采用低碳合金钢经渗碳淬火后,不仅抗疲劳能力强,且表面硬度高、耐磨性好.

5   结束语

     HB型超声波花边机适合于对化纤布料及含棉量不大于35%的混纺布料进行加工.缝合花边织物厚度0.03～0.9mm,裁切织物厚度0.03～1.5mm,工作速度0～8.5m/min可调(对于较厚、较难加工的织物宜用慢速).花边样式丰富,只需更换花轮即可改变花式,且加工衣服花样不生毛边、不生皱纹,品质均匀.超声波换能器系统在风冷条件下能够连续24小时工作,性能稳定、可靠.该产品一经推出就深受用户欢迎,且具有良好的经济效益和社会效益.超声波花边机原理结构电路分析以及应用_深圳超声波设备生产厂家。