一种基于超声加工机床的自动扫频装置及扫频方法

摘要

本发明提供了一种基于超声加工机床的自动扫频装置，包括超声波电源、功率放大电路、换能器、电流采样电路、调理电路和工具头，本发明还提供了一种基于超声加工机床的自动扫频方法，采用最大电流法与变频率步长的方法结合使用对加工机床的工具头进行扫描。本发明通过对超声换能器的谐振频率进行开机扫频，从而解决了在超声加工中，因为更换不同的工具头和刀柄而造成换能器谐振频率变化的问题；通过对超声换能器的谐振频率进行开机扫频，提高了该系统频率跟踪的精准度和超声电源系统的实用性。

权利要求

1.一种基于超声加工机床的自动扫频方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤a.开启电源，系统初始化；

步骤b.设定超声波电源(1)的扫频范围f1-f2和初始扫频步长Δf1，控制系统延时一段的时间待电源输入电压稳定后，启动功率调理电路(5)使换能器(3)的输出电压稳定在最低的电压Vd；

步骤c.开启扫频模式，扫频信号经过功率放大电路(2)放大后，从低频点f1以初始扫频步长Δf1开始扫频，通过电流采样电路(4)采集换能器(3)的电流值，判断当前电流Ic是否为最大值，当采样电流超过参考电流Iref1时，减少扫频步长，增加参考电流的值；

步骤d.比较当前电流与前一时刻的电流Ib，若连续3个时刻的当前电流小于前一时刻的电流，结束扫频；

步骤e.结束扫频后，判断最大电流值是否大于设定的电流阀值Iref2，若满足则获得该电流值对应的频率值即为谐振频率，否则认为扫频失败。

2.如权利要求1所述的基于超声加工机床的自动扫频方法，其特征在于：所述步骤b中，若换能器(3)的输出电压不能稳定在最低的电压Vd，信号反馈至功率调理电路(5)，直至换能器(3)的输出电压稳定在最低的电压Vd。

3.如权利要求1所述的基于超声加工机床的自动扫频方法，其特征在于：所述步骤c中，若采样电流低于参考电流Iref1时，将信号反馈至电流采样电路(4)，增大采样电流，直至采样电流超过参考电流Iref1。

4.如权利要求1所述的基于超声加工机床的自动扫频方法，其特征在于：所述步骤d中，若连续3个时刻的当前电流任意一个时刻不小于前一时刻的电流，将信号反馈至功率调理电路(5)，减少扫频步长，增加参考电流值，直至连续3个时刻的当前电流小于前一时刻的电流。

说明书

一种基于超声加工机床的自动扫频装置及扫频方法

技术领域

[0001] 本发明涉及加工机床扫频技术领域，具体涉及一种基于超声加工机床的自动扫频装置及扫频方法。

背景技术

[0002] 在旋转超声加工机床中，经常需要更换不同的刀柄或工具头，工具头的长度和形状以及刀柄都会对振子的机械谐振频率有影响，因此，需要机床能通过扫频的方式在较宽的频率范围内快速自动找到更换工具头后新的谐振频率。通过对旋转超声加工机床进行开机扫频，就能有效快速的找到更换工具头或刀柄后新的谐振频率，从而避免超声加工机床因更换工具头或刀柄而导致谐振频率改变，从而损坏整个系统的现象。该发明是针对超声加工机床中，经常需要更换不同的工具头或刀柄，而造成对振子的机械谐振频率改变的现象，引进一种基于超声加工机床的自动扫频方法，当电源启动时，采用变频率步长的方法对超声加工机床进行开机扫频，从而有效快速的找到更换工具头或刀柄后新的谐振频率，加快频率的搜索速度，提高超声电源系统的实用性。

[0003] 目前基于超声加工机床的超声电源系统在使用时，例如中国专利CN200710134516公开了一种“超声波电源中频率跟踪电路结构”，该超声波电源的频率跟踪是采用分频电路，工作在谐振频率时，换能器回路的电压和电流处于同相状态，从而达到频率自动跟踪的目的，而该频率跟踪只针对超声波电源在工作过程中的。另外，中国专利CN201320025133公开了一种“强制微抖动扫频跟踪式超声波电源”，该专利中所述的扫频也是针对在超声加工中负载的快速剧烈变化的工作过程中的。

[0004] 目前，在超声加工中，经常会遇到需要更换工具头或刀柄的情况，而工具头或刀柄的不同会导致换能器谐振频率的差异，若频率跟踪只针对超声加工过程中扫频，会导致该系统的谐振频率不准确。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于超声加工机床的自动扫频装置及扫频方法，该基于超声加工机床的自动扫频装置通过对超声换能器的谐振频率进行开机扫频，从而解决了在超声加工中，因为更换不同的工具头和刀柄而造成换能器谐振频率变化的问题。通过对超声换能器的谐振频率进行开机扫频，提高了该系统频率跟踪的精准度和超声电源系统的实用性。

[0006] 为实现上述方案，本发明提供了一种基于超声加工机床的自动扫频装置，包括超声波电源、功率放大电路、换能器、电流采样电路、调理电路和工具头，所述超声波电源的信号输出端与功率放大电路的信号输入端连接，所述功率放大电路的信号输出端与换能器的信号输入端连接，所述换能器的信号输出端A口与工具头连接，所述换能器的信号输出端B口与电流采样电路的信号输入端连接，所述电流采样电路的信号输出端与调理电路的信号输入端连接，所述调理电路的信号输出端连接到超声波电源的信号输入端。

[0007] 在上述技术方案中，所述功率放大电路对超声波电信号进行功率放大后传输到换能器，所述换能器通过连接工具头进行超声加工。

[0008] 在上述技术方案中，所述电流采样电路采集换能器的电流值，经过所述调理电路后反馈到超声波电源上。

[0009] 本发明的工作原理是：超声波电源启动后，通过功率放大电路对超声波电信号进行功率放大传输到换能器，换能器通过连接工具头进行超声加工；接着，通过电流采样电路采集换能器的电流值，经过调理电路后反馈到超声波电源上；当工具头或刀柄改变时，通过对换能器进行电流采样和调理，即通过开机扫频，匹配到更换工具头或刀柄后新的谐振频率，从而实现在超声加工过程中的开机扫频。

[0010] 一种基于超声加工机床的自动扫频方法，包括如下步骤：

[0011] a．开启电源，系统初始化；

[0012] b．设定超声波电源的扫频范围（f1-f2）和初始扫频步长∆f1，控制系统延时一段的时间待电源输入电压稳定后，启动功率调整电路使换能器的输出电压稳定在最低的电压Vd；

[0013] c．开启扫频模式，扫频信号经过功率放大电路放大后，从低频点f1以初始扫频步长∆f1开始扫频，通过电流采样电路采集换能器的电流值，判断当前电流Ic是否为最大值，当采样电流超过参考电流Iref1时，减少扫频步长，增加参考电流的值；

[0014] d.比较当前电流与前一时刻的电流Ib，若连续3个时刻的当前电流小于前一时刻的电流，结束扫频；

[0015] e．结束扫频后，判断最大电流值是否大于设定的电流阀值Iref2，若满足则获得该电流值对应的频率值即为谐振频率，否则认为扫频失败。

[0016] 在上述技术方案中，所述步骤b中，若换能器的输出电压不能稳定在最低的电压Vd，信号反馈至功率调理电路，直至换能器的输出电压稳定在最低的电压Vd。

[0017] 在上述技术方案中，所述步骤c中，若采样电流低于参考电流Iref1时，将信号反馈至电流采样电路，增大采样电流，直至采样电流超过参考电流Iref1。

[0018] 在上述技术方案中，所述步骤d中，若连续3个时刻的当前电流任意一个时刻不小于前一时刻的电流，将信号反馈至功率调理电路，减少扫频步长，增加参考电流值，直至连续3个时刻的当前电流小于前一时刻的电流。

[0019] 在上述技术方案中，所述的开机扫频是根据在超声加工中，同一个换能器在加工不同工件时需要用到不同的工具头，而工具头的不同会导致换能器谐振频率的差异的问题，在电源启动后，通过扫频的方式再获得新的谐振频率。

[0020] 在上述技术方案中，所述的最大电流法是根据换能器的电流与频率的关系，通过改变换能器的电驱动频率，观察其电流的大小，当电流取得最大值时，即为换能器的谐振频率。

[0021] 在上述技术方案中，所述的变频率步长是根据开机扫频的范围广，且频率精度高的原因，通过变频率步长在低频段以大步长进行扫频，随着电流的增加，减少扫频步长，提高频率搜索精度，当电流值持续下降后，结束扫频，以此就可以有效的实现变频率步长的电流扫频。

[0022] 本发明相较于现有技术的有益效果在于：1）通过本装置对系统的自动扫频，使得在超声加工中，不会因为更换工具头或刀柄而造成换能器谐振频率的差异，从而提高了频率跟踪的准确性；2）通过采用变频率步长的方法，加快频率的搜索速度，提高超声电源系统的实用性；3）在低频段以大步长进行扫频，随着电流的增加，减小扫频步长，提高频率搜索精度。

附图说明

[0023] 图1是本发明的结构框图。

[0024] 图2是本发明的自动扫频流程图。

[0025] 图中：1-超声波电源，2-功率放大电路，3-换能器，4-电流采样电路，5-调理电路，6-工具头。

具体实施方式

[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

[0027] 实施例1：一种基于超声加工机床的自动扫频装置。

[0028] 参照图1所示，一种基于超声加工机床的自动扫频装置，包括超声波电源1、功率放大电路2、换能器3、电流采样电路4、调理电路5和工具头6，所述超声波电源1的信号输出端与功率放大电路2的信号输入端连接，所述功率放大电路2的信号输出端与换能器3的信号输入端连接，所述换能器3的信号输出端A口与工具头6连接，所述换能器3的信号输出端B口与电流采样电路4的信号输入端连接，所述电流采样电路4的信号输出端与调理电路5的信号输入端连接，所述调理电路5的信号输出端连接到超声波电源1的信号输入端。

[0029] 参照图1所示，超声波电源1启动后，通过功率放大电路2对超声波电信号进行功率放大传输到换能器3，换能器3通过连接工具头6进行超声加工；接着，通过电流采样电路4采集换能器3的电流值，经过调理电路5后反馈到超声波电源1上；当工具头6或刀柄改变时，通过对换能器3进行电流采样和调理，即通过开机扫频，匹配到更换工具头6或刀柄后新的谐振频率，从而实现在超声加工过程中的开机扫频。

[0030] 实施例2：一种基于超声加工机床的自动扫频方法。

[0031] 参照图2所示，一种基于超声加工机床的自动扫频方法，包括如下步骤：

[0032] a．开启电源，系统初始化；对STM32的时钟模块、GPIO模块、PWM模块和中断模块资源进行初始化配置；

[0033] b．设定超声波电源1的扫频范围（f1-f2）和初始扫频步长∆f1，控制系统延时一段的时间待电源输入电压稳定后，启动功率调理电路5使换能器3输出电压稳定在最低的电压Vd；

[0034] c．开启扫频模式，扫频信号经过功率放大电路2放大后，从低频点f1以初始扫频步长∆f1开始扫频，通过电流采样电路4采集换能器3的电流值，判断当前电流Ic是否为最大值，当采样电流超过参考电流Iref1时，减少扫频步长，增加参考电流的值；

[0035] d.比较当前电流与前一时刻的电流Ib，若连续3个时刻的当前电流小于前一时刻的电流，结束扫频；

[0036] e．结束扫频后，判断最大电流值是否大于设定的电流阀值Iref2，若满足则获得该电流值对应的频率值即为谐振频率，否则认为扫频失败。

[0037] 参照图2所示，所述步骤b中，若换能器3的输出电压不能稳定在最低的电压Vd，信号反馈至功率调理电路5，直至输出换能器3的电压稳定在最低的电压Vd。

[0038] 参照图2所示，所述步骤c中，若采样电流低于参考电流Iref1时，将信号反馈至电流采样电路4，增大采样电流，直至采样电流超过参考电流Iref1。

[0039] 参照图2所示，所述步骤d中，若连续3个时刻的当前电流任意一个时刻不小于前一时刻的电流时，将信号反馈至功率调理电路5，减少扫频步长，增加参考电流值，直至连续3个时刻的当前电流小于前一时刻的电流。

[0040] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。