超聲發(fā)生器是超聲加工系統(tǒng)的重要部分，其性能的好壞直接影響著產(chǎn)品的加工質量。在超聲加工系統(tǒng)中，為了獲得最大振幅以提高加工質量，工作中應調整超聲發(fā)生器的頻率，使其與換能器振動系統(tǒng)的諧振頻率相同。但加工過程中諸多因素的改變使換能器的諧振頻率發(fā)生變化（如圖1所示）,當超聲發(fā)生器具有頻率自動跟蹤性能后，系統(tǒng)就總是工作在諧振狀態(tài)；為使超聲設備工作穩(wěn)定，許多場合要求換能器輸出的功率與負載大小成比例，例如當換能器從重載突然變?yōu)榭蛰d時，其機械負載阻急劇變小，使得發(fā)生器和換能器極易損壞，我們研制的新型多功能發(fā)生器內部有一穩(wěn)速電路，使功放的功率隨負載的變化而變化；為了現(xiàn)場了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)，特別加入了機械振幅監(jiān)控裝置，使得操作人員可以方便地管理和操作設備。

圖1 換能器振動系統(tǒng)的頻率特性

　電路原理與裝置

　　如圖2所示，發(fā)生器可分為主電路、采樣電路、頻率跟蹤、穩(wěn)速電路以及振幅監(jiān)測電路。

圖2 超聲發(fā)生器系統(tǒng)結構圖

　主電路
　　壓控振蕩選用的是ICL8083,按圖3所示接線時，可得到頻率可控的正弦波，其中輸入電壓V即是鑒相電路的輸出，其壓控制特性曲線如圖4示。

圖3 壓控振蕩電路圖

圖4 壓控特性

圖5 換能器等效電路

圖6 鑒相電路簡圖

   頻率跟蹤電路
　　頻率跟蹤電路由單壓取樣、鑒相電路組成。換能器和超聲發(fā)生器連接的等電路圖如圖5所示。輸出變壓器B的左端接超聲發(fā)生器的功率輸出端，L₀為匹配電感，使換能器處與諧振狀態(tài)，虛框中為換能器的等效電路。當其處于諧振狀態(tài)時，虛框部分呈純阻性，電壓和電流相位相同；當處于失諧狀態(tài)時，電路呈感性或容性，這時電壓和電流相位不同。通過鑒相電路可以把這一相位差轉換為一信號電壓，當這一電壓加在8083的7、8腳時即可改變超聲發(fā)生器的頻率，使換能器處于諧振狀態(tài)，鑒相電路簡圖如圖6所示。U和i分別為由采樣電路得到的換能器兩端的電壓和通過其的電流，經(jīng)電壓比較器A₁、A₂和異或門A₄及D觸發(fā)器A₅處理后各點波形如圖7。其中異或門A₄的輸出經(jīng)由兩個電容構成的濾波電路后，變成一平滑的直流電壓，而且其大小隨相位差（異或門輸出高電平的寬度）的增大而增大。當電壓落后電流時，D觸發(fā)器輸出高電平，這時A₃為一放大倍數(shù)為“1”的反向器（和運放相連的電阻應相對較大，否則三極管導通時電路將失去作用）；反之，A₃為一放大倍數(shù)為“1”的跟隨器。由此可知，鑒相電路可控制系統(tǒng)頻率向諧振頻率靠近直至達到諧振頻率。電壓和電流采樣電路如圖8所示，由于換能器的電壓和電流是主電路的強電信號，本電路采用光電耦連接強弱電，使主電路和控制電路隔離，同時也有濾波的作用，強電采樣用的是電壓互感器和電流互感器。電路中均采用40系列的COMS芯片，這樣不僅電路穩(wěn)定，而且異或門的輸出電壓范圍較大，可以達到8083的要求，中間省去放大電路，使得電路簡化。

圖7 各點波形

圖8 電壓、電源采樣電路

  穩(wěn)速電路
　　當超聲加工系統(tǒng)穩(wěn)定重載工作時，主電路電流為一穩(wěn)定值且應達到最大輸出功率。這時如果變?yōu)榭蛰d，換能器的阻抗變小，電路電流突然增大，不但浪費能源而且換能器容易被燒壞。同時，當工件變化時，如果功率不變，則機械振幅發(fā)生變化，造成加工質量不穩(wěn)定。所以可設計一電路，取主電路電流為信號，利用雙向可控硅加一負反饋電路，可以使系統(tǒng)電流為一穩(wěn)定值，從而機械振幅穩(wěn)定。穩(wěn)速電路簡圖如圖9所示。

圖9 穩(wěn)速電路

　　當主回路電流增大時，光電耦合器的導通程度增大，三極管T₁的基極電位升高，導致R的電位升高，由于T₂的基極電位不變，其集電極的輸出電壓升高，PNP三極管的導通程度減小，電容C的充電時間加長，使得單結晶管的張馳振蕩頻率降低，雙向可控硅的導通角變小，功放供電電壓降低，系統(tǒng)功率下降；反之，T₂的輸出降低，單結晶管的張馳振蕩頻率升高，雙向可控硅的導通角加大，功放供電電壓升高，系統(tǒng)功率上升。這樣，組回路電流就可以穩(wěn)定為一固定值，從而換能器的機械振幅穩(wěn)定，加工質量穩(wěn)定。同樣，電路中主回路的電壓采樣采用光電耦合器件，減少主回路對穩(wěn)速電路的影響，使得系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。

  機械振幅監(jiān)測電路
　　機械振幅監(jiān)測電路比較簡單，采用傳感器獲得信號、中間放大電路、顯示設備的結合。這方面技術比較成熟，這里不贅述濾清器。

　系統(tǒng)總結

　　在實際應用中，超聲發(fā)生器可加一開關用以控制系統(tǒng)處于自動頻率跟蹤還是手動調節(jié)，一旋鈕控制在滿載時的功率（機械振幅合適），這樣本系統(tǒng)就可以為實際所用。
　　超聲發(fā)生器正在向系列化、通用化和積木化程度高的方向發(fā)展，因此一臺超聲設備必須具有多種機加工所必須的功能。本系統(tǒng)同時具有頻率跟蹤、自動穩(wěn)速、機械振幅監(jiān)測等多種功能，且設計中多采用CMOS元件以及集成電路，系統(tǒng)體積小、工作穩(wěn)定、費用低，非常適用。