CN100355100C - 压电换能器装配在线计算机控制*** - Google Patents

压电换能器装配在线计算机控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电换能器装配在线计算机控制***。它具有依次相连接的压电换能器装配机、电压表、A/D转换器、计算机、伺服电机、压力阀、液压泵，压电换能器装配机具有底座，在底座中间设有油缸，并由螺栓固定，油缸侧面设有油缸出油管、油缸进油管，油缸上端设有待装配的压电换能器，在底座两边设有阶梯形立柱，在阶梯形立柱和待装配的压电换能器两端设有移动压板和上压板，上压板用小垫片和螺母固定在阶梯形立柱上，在移动压板上和压电换能器侧面设有导向座，在上压板和待装配的压电换能器上端设有扭矩扳手，在扭矩扳手上设有扭矩扳手进油管和扭矩扳手出油管。本发明具有装配精度高、压电换能器频率变化小、阻抗低、电容稳定、压电换能器工作时不易脱开和碎裂等优点。

Description

压电换能器装配在线计算机控制***
技术领域
本发明涉及超声波领域，尤其涉及一种压电换能器装配在线计算机控制***。
背景技术
随着科学技术的迅猛发展，超声焊接机、超声清洗、超声加工机等智能超声设备获得了越来越广泛的应用，每年的产量都在以15～20％的速度快速递增。压电换能器是智能超声设备的核心器件，是一种高效、大功率电声转换器件。压电换能器集压电效应和逆压电效应为一身，压电换能器的装配过程是实现压电效应的过程，压电换能器的使用过程是实现逆压电效应的过程。
智能超声设备对压电换能器的要求是：
(1)结构尺寸小，瞬时输出功率达35～40w/cm2，连续功率为7～8w/cm2，功率大，根据使用不同规格的晶片和数量，压电换能器的功率为100～2200w；
(2)在长时间连续和间断工作状态下发热少，声损耗低；
(3)电声转换效率＞80％；
(4)压电换能器工作时不能松开；
(5)压电陶瓷片在长期工作状态下不会破碎；
(6)同一规格的压电换能器在批量生产时频率一致性好；
(7)阻抗低，对于15kHz的2200W压电换能器，其阻抗＜12Ω；
(8)电容稳定，变化范围小。
但是，由于陶瓷材料的复杂多变性、颗粒分布不均、烧结工艺复杂、压电换能器元器件辐射面的平面度、粗糙度和平行度难以控制、压力波动等一系列的原因，使得压电换能器难以达到上述要求。尤其突出的是，我国压电换能器研制和生产单位使用扭矩扳手装配压电换能器，扭矩波动范围达30～50Nm，压力波动范围达3000～6000N，导致批量生产时的压电换能器频率变化范围达到150～350Hz，阻抗变化范围达3～6Ω，电容变化范围为500～1200pf，表现在使用过程中，压电换能器电声转换效率低，易发热，陶瓷片易破碎、压电换能器易松开，压电换能器和超声波发生器难以匹配等问题，压电换能器生产和应用单位急需解决上述难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电荷量恒定、装配高性能压电换能器的压电换能器装配在线计算机控制***。
为了达到上述目的，本发明采取下列措施：
它具有依次相连接的压电换能器装配机、电压表、A/D转换器、计算机、伺服电机、压力阀、液压泵，压电换能器装配机具有底座，在底座中间设有油缸，并由螺栓固定，油缸侧面设有油缸出油管、油缸进油管，油缸上端设有待装配的压电换能器，在底座两边设有阶梯形立柱，在阶梯形立柱和待装配的压电换能器两端设有移动压板和上压板，上压板用小垫片和螺母固定在阶梯形立柱上，在移动压板上和压电换能器侧面设有导向座，在上压板和待装配的压电换能器上端设有扭矩扳手，在扭矩扳手上设有扭矩扳手进油管和扭矩扳手出油管。
本发明与背景技术相比具有的有益的效果是：
(1)根据电荷量来判断压电换能器的装配质量；
(2)通过计算机控制和检测***来改变施加在压电换能器螺母上的扭矩，实现了压电换能器装配的智能化和自动化；
(3)装配精度高，压电换能器电荷量可控制在±3％以内；
(4)压电换能器谐振频率变化范围为20～30Hz；
(5)压电换能器阻抗变化范围为1～1.5Ω；
(6)压电换能器电容变化范围为100～150pf；
(7)压电换能器工作时发热极少；
(8)压电换能器长期工作时不易破碎和松开。
压电换能器装配机计算机控制和检测***可以广泛地用于各种不同形状、不同规格的压电换能器装配生产和科研领域中。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是压电换能器装配在线计算机控制***方框图；
图2是本发明压电换能器装配机结构示意图，图中：扭矩扳手1、扭矩扳手进油管2、螺母3、小垫片4、上压板5、扭矩扳手出油管6、大垫片7、导向座8、立柱9、压电换能器10、移动压板11、油缸出油管12、油缸13、螺栓14、油缸进油管15、底座16；
图3(a)是本发明待装配的压电换能器结构示意图，图中：螺母17、后端盖18、压电陶瓷片19、电极20、前端盖21；
图3(b)是本发明待装配的压电换能器结构侧视图；
图4是本发明计算机控制软件流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，压电换能器装配在线计算机控制***具有依次相连接的压电换能器装配机、电压表、A/D转换器、计算机、伺服电机、压力阀、液压泵，压电换能器装配机具有底座16，在底座中间设有油缸13，并由螺栓14固定，油缸侧面设有油缸出油管12、油缸进油管15，油缸上端设有待装配的压电换能器10，在底座两边设有阶梯形立柱9，在阶梯形立柱和待装配的压电换能器两端设有移动压板11和上压板5，上压板用小垫片4和螺母3固定在阶梯形立柱上，在移动压板11上和压电换能器侧面设有导向座8，在上压板和待装配的压电换能器上端设有扭矩扳手1，在扭矩扳手上设有扭矩扳手进油管2和扭矩扳手出油管6。
如图3所示，压电换能器具有依次相连接的螺母17、后端盖18、压电陶瓷片19、电极20、前端盖21。
如图4所示，计算机控制软件流程如下：装配过程中，在扭矩扳手的作用下，压电陶瓷片受到轴向压力，产生电荷，A/D转换器将电荷量(电压量)模拟信号转换为数字信号，经采样后开始比较压电陶瓷实际承受轴向压力后的电压Vi和设定电压V0。
进入电压递增子程序后，先设定一个电压递增步长，比较V0、Vi。若V0＞Vi，则返回电压递增子程序，继续递增一个电压步长，比较V0、Vi。若V0＜Vi，则开始判断是否满足|V0-Vi|＜δ，其中δ是事先设定的一个误差值。
若满足|V0-Vi|＜δ，则继续执行下面的程序，开始计算压电陶瓷压力增量，然后计算扭矩增量，最后计算液压***油压增量，输出控制信号至伺服电机，调整压力阀，增大液压扭矩扳手的扭矩，增加施加在压电陶瓷上的压力，增加电荷量，从而增加电压，使压电换能器达到设计要求。
若不满足V0-Vi|＜δ，则减小电压递增步长，减少电压调节幅度，继续执行电压递增子程序，判断是否满足V0＞Vi。如果满足V0＞Vi，则返回电压递增子程序；如果不满足V0＞Vi，则继续执行下面的程序，开始计算压电陶瓷压力增量，然后计算扭矩增量，最后计算液压***油压增量，输出控制信号至伺服电机，调整压力阀，增大液压扭矩扳手的扭矩，增加施加在压电陶瓷上的压力，增加电荷量，从而增加电压，使压电换能器达到设计要求。
压电换能器装配前，在液压泵的作用下，液压油经油缸进油管15进入油缸13，活塞向上移动，通过移动压板11将压电换能器10、大垫片7顶在上压板5下端面上。导向座8用于压电换能器在装配过程中导向，防止压电换能器各元器件沿横向错位。
首先将压电换能器两电极20输入端接入电压表。在液压泵的作用下，液压油径扭矩扳手进油管2，推动扭矩扳手1转动，将扭矩作用在压电换能器上端的螺母上。
装配过程中，在扭矩扳手的作用下，压电陶瓷片受到轴向压力，产生电荷，A/D转换器将电荷量信号送至计算机控制***，通过伺服电机调节压力阀，改变液压油压力，进而改变施加在压电换能器螺母上的扭矩。若电荷量(电压)偏低，再增加施加在压电换能器螺母上的扭矩，增加施加压电陶瓷片上的压力；若电荷量(电压)偏高，则减小施加在压电换能器螺母上的扭矩，降低施加在压电陶瓷片上的压力。
实例：扭矩扳手最小扭矩80Nm，最大扭矩1000Nm，精度±3％，液压***工作压力600bar，最大流量6.5L/min，液压泵动力源4kw/380v。
压电换能器装配前，在液压泵的作用下，液压油经油缸进油管15进入油缸13，活塞向上移动，通过移动压板11将压电换能器10、大垫片7顶在上压板5下端面上。导向座8用于压电换能器在装配过程中导向，防止压电换能器各元器件沿横向错位。首先将压电换能器两电极20输入端接入电压表。在液压泵的作用下，液压油径扭矩扳手进油管2，推动扭矩扳手1转动，将扭矩作用在压电换能器上端的螺母上。装配过程中，在扭矩扳手的作用下，压电陶瓷片受到轴向压力，产生电荷，A/D转换器将电荷量信号送至计算机控制***，通过伺服电机调节压力阀，改变液压油压力，进而改变施加在压电换能器螺母上的扭矩。若电荷量(电压)偏低，再增加施加在压电换能器螺母上的扭矩，增加施加压电陶瓷片上的压力；若电荷量(电压)偏高，则减小施加在压电换能器螺母上的扭矩，降低施加在压电陶瓷片上的压力
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1、一种压电换能器装配在线计算机控制***，其特征在于，它具有依次相连接的压电换能器装配机、电压表、A/D转换器、计算机、伺服电机、压力阀、液压泵，压电换能器装配机具有底座(16)，在底座中间设有油缸(13)，并由螺栓(14)固定，油缸侧面设有油缸出油管(12)、油缸进油管(15)，油缸上端设有待装配的压电换能器(10)，在底座两边设有阶梯形立柱(9)，在阶梯形立柱和待装配的压电换能器两端设有移动压板(11)和上压板(5)，上压板用小垫片(4)和螺母(3)固定在阶梯形立柱上，在移动压板(11)上和压电换能器侧面设有导向座(8)，在上压板和待装配的压电换能器上端设有扭矩扳手(1)，在扭矩扳手上设有扭矩扳手进油管(2)和扭矩扳手出油管(6)。
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