超聲波花邊機原理結構電路分析以及應用

　　超聲波花邊機原理結構電路分析以及應用

摘要:介紹一種新型服裝機電產品超聲波花邊機,著重討論其工作原理、整機組成及各部分設計特點.

　　關鍵詞:超聲波;服飾加工;花邊機;花邊成型

引言

　　超聲波花邊機是一種將超聲波焊接技術應用于服飾加工的服裝機電產品.該機應用超聲波和花輪(刻有凸起花色圖案的加工工具)相互作用產生的機械能和熱能,能夠對各類化纖、混紡織物進行多種加工,并可一次熔切成型,也可在皮革表面上壓花,可廣泛應用于服裝、紡織等廠家的產品花邊成型.我國是服裝、紡織品生產大國,進口國外設備價格昂貴.為此,我們在引進、消化和吸收的基礎上,研制了新穎的HB型超聲波花邊機.

1   超聲波工作原理

1.1   逆壓電效應

　　某些物質(如石英、壓電陶瓷等),當受到外力作用時,不僅幾何尺寸發(fā)生變化,而且內部極化,表面上有電荷出現(xiàn),形成電場;當外力消失時,材料重新回復到原來狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應.相反,如果將這些物質置于電場中,其幾何尺寸也發(fā)生變化, 這種由于外電場作用導致物質的機械變形的現(xiàn)象, 稱為逆壓電效應.超聲加工、超聲波花邊機等均是逆壓電效應的應用.

1.2   基本原理

   HB型超聲波花邊機的超聲波部分,分為超聲波發(fā)生器和超聲波換能器系統(tǒng)2大部件,如圖1所示.

超聲波花邊機結構示意圖

　　　超聲波換能器系統(tǒng)又由超聲波換能器、變幅桿和工具變幅桿組成.當220V、50Hz工頻交流電流進入超聲波發(fā)生器,發(fā)生器就開始工作,將50Hz頻率轉換為20000Hz,并保持在這個頻率上.從超聲波發(fā)生器輸出的20000Hz電流流入換能器,換能器將電能轉換為機械能,產生垂直于其上表面的超聲機械振動,其振幅僅0.005～0.01mm,再經變幅桿和工具變幅桿放大為0.05～0.1mm,以驅動工具端面作超聲振動.在工具變幅桿上方有一個花輪,織物在被壓到花輪與工具變幅桿端面之間時, 通過接觸面之間和分子間的摩擦,使接觸處溫度急劇升高,發(fā)生裁切(花輪邊緣最高處)、穿孔(花輪中間最高處)或壓花(花輪中間次高處).電機用于帶動換能器系統(tǒng)轉動,以便使工具端面均勻磨損,延長使用壽命.

2   整機組成及結構設計特點

2.1   整機組成

   HB型超聲波花邊機主要由4大部分組成.

a.超聲波發(fā)生器.包括超聲波發(fā)生器電源及整機電氣控制系統(tǒng).前者將220V、50Hz工頻電轉換為換能器所要求的工作頻率和電壓;后者包括上、下電機的啟停及轉速控制、電源指示、工作電流指示和照明等.

b.超聲波振動器.主要包括超聲波換能器系統(tǒng)、支架、電刷及電機驅動部分,是整機核心部分,提供足夠振幅的超聲波振動.

c.花輪驅動組.主要包括直流調速電機至花輪的傳動系統(tǒng)、機頭和氣動系統(tǒng).氣動系統(tǒng)包括氣動三聯(lián)閥、換向閥、液壓阻尼汽缸及相應管路等.

d.機架組.主要包括工業(yè)縫紉機架、紙帶組、薄膜帶組、安全罩殼和壓輪組等.

2   結構設計特點

   HB型超聲波花邊機是一種輕工服裝機械,在結構設計上有以下特點:

a.多種機型合一.國外機型按花輪規(guī)格(花輪寬度,常用有25mm、50mm和65mm)分為多種機型,用戶加工不同規(guī)格的花邊時,只能通過購買多種機型來解決.CHJ型超聲波花邊機通過更換花輪墊板、支架等少量零件,即可使用另外一種規(guī)格的花輪,方便了用戶.使用另一規(guī)格花輪時,要相應調整花輪壓力和發(fā)生器輸出功率.

b.氣動替代手動.實現(xiàn)氣動控制后,操作者只要推拉換向閥桿即可實現(xiàn)花輪上下的頻繁操作,大大減輕了勞動強度;另一方面,通過調整氣動系統(tǒng)的節(jié)流閥,可很方便且在較大范圍內調整花輪壓力.

c.氣2液阻尼缸.花輪上、下汽缸采用氣2液阻尼缸,使花輪下壓時,由于與之串聯(lián)的液壓阻尼(小孔節(jié)流原理)缸阻尼作用,花輪緩慢下壓,不易損傷花輪和工具變幅桿,提高關鍵件使用壽命.

d.機體表面精飾處理.

e.采用直流調速電機,實現(xiàn)高、低速運行.

f.換能器系統(tǒng)的轉動.下電機帶動換能器系統(tǒng)轉動,使工具變幅桿表面磨損均勻,提高關鍵部件使用壽命.

g.采用通用工業(yè)縫紉機機架作為機身,提高開發(fā)速度,降低制造成本.

3   超聲波發(fā)生器的設計

　　　超聲波發(fā)生器主要由電源部分、反饋振蕩部分及直流電機調速控制部分等組成,其中反饋振蕩部分是核心部分.

3.1   振蕩電路及工作原理

反饋振蕩部分工作原理如圖2所示.振蕩部分

圖2   反饋振蕩部分原理

　由V1,V2,T1,L1,L2和電容網(wǎng)絡組成推挽式振蕩器[1],T3為升壓變壓器.超聲波本振頻率主要由L1,L2決定.當繼電器J動作,其觸點J1-1,J1-2釋放時,電路開始工作,振蕩出頻率為20000Hz左右的方波.該方波電壓經過T3升壓和L2積分轉換成弦波后,輸出到換能器的壓電晶體上.同時,通過C9,C10,C11,C12分壓取出正反饋電壓,通過反饋變壓器T1反饋到振蕩管.壓電晶體兩端加上交變信號轉換成機械振動,該振動經過變幅桿放大后產生足夠功率的超聲波.另一方面,由于機械振動也施加在壓電晶體上,則它也產生一交變電壓.該電壓在換能器諧振時非常大,諧振頻率在20000Hz左右.該電壓經C9,C10,C11,C12分壓后取出的反饋信號要比前一反饋電壓大,因此以后的振蕩頻率主要由換能器的諧振頻率決定.故在一定的頻率范圍內, 發(fā)生器能實行頻率的自動跟蹤.

3.2   超聲波發(fā)生器的設計特點

　　超聲波發(fā)生器設計上具有以下特點:

a.頻率自動跟蹤.換能器的工作條件變化(負

載)往往引起其諧振頻率變化,使系統(tǒng)的振動失調、振幅下降,影響加工質量.本設計采用頻率跟蹤電路,通過反饋使超聲波發(fā)生器頻率保持與發(fā)生器一致,換能器始終處于良好的諧振狀態(tài),振幅輸出穩(wěn)定,保證加工質量.

b.阻抗匹配.超聲波發(fā)生器與超聲波換能器系

統(tǒng)之間的阻抗匹配,是通過匹配變壓器T3實現(xiàn)阻部分匹配;通過可調匹配電感線圈L1與換能器容性抗分量在工作頻率上形成回路諧振,以消除無功功率,實現(xiàn)抗部分匹配.

c.功率可調.可通過切換轉換開關H,獲得合適的輸出功率,保證加工質量,延長換能器使用壽命.

d.多管并聯(lián).功率放大管V1,V2分別可用多只(如3只BUS13A)并聯(lián)使用,提高輸出功率.

e.將較易損壞的直流電機調速電路單獨制作成

“控制盒"并置于電器箱外,不僅便于更換維修,而且避免了對震蕩電路的干擾.

4 .超聲波換能器系統(tǒng)的設計特點

   HB型超聲波花邊機所用超聲波換能器系統(tǒng)由超聲波換能器和兩級超聲波變幅桿組成,其中第2級變幅桿輸出端為適應寬花輪的需要,變形為較大直徑的圓形平面(也可理解為將變幅器與工具做為一體,稱為工具變幅桿),如圖3所示.

超聲波焊頭

超聲波模具圖紙

圖3   工具變幅桿的形成

　　超聲波換能器系統(tǒng)是超聲波花邊機的核心部件,設計上具有以下特點:

a.作為超聲波換能器系統(tǒng)的推動級,超聲波換能器采用半波長夾心式壓電陶瓷換能器[2].換能器的前蓋、壓電陶瓷及后蓋由一只長螺栓緊緊地連接在一起,形成一個振動體,具有整體強度高、性能穩(wěn)定性好、電聲轉換效率高、加工裝配比較簡單及成本較低等優(yōu)點,目前已廣泛應用于超聲波清洗、超聲波焊接及超聲波乳化等超聲加工應用中.

b.超聲波換能器的壓電陶瓷采用壓電常數(shù)和機

　電偶合系數(shù)比較高的鋯鈦酸鉛發(fā)射材料PZT28.它是鐵酸鈣改性的鋯鈦酸鉛二元系壓電材料,主要特點是強場介電損耗低,介電損耗和機電損耗在高電壓、高靜壓和較高溫度下變化很小,并且機械強度高,矯頑場高,適合于大功率連續(xù)工作的需要.

c.超聲波變幅桿采用高功效的階梯形變幅桿[3],如圖3a所示,且節(jié)面位置正好是在大小截面突變處,其振幅放大系數(shù)為最大,與大小截面半徑之比的平方成正比,這是深受歡迎的一大優(yōu)點,缺點是在節(jié)面突變位置存在較大的應力梯度.為此,在變幅桿大小截面突變處采用一合適的過渡圓弧,減少應力集中而對共振頻率影響.

d.變幅桿一方面是在交變載荷作用下工作,另一方面在傳遞和放大超聲波振動能量的同時會產生溫升.因此,要求變幅桿材料應聲阻小、熱損耗低、抗疲勞強度高、制造方便且價格適宜.綜合考慮,超聲波變幅桿材料選用中碳鋼經調質處理后使用.超聲波焊頭采用低碳合金鋼經滲碳淬火后,不僅抗疲勞能力強,且表面硬度高、耐磨性好.

5   結束語

     HB型超聲波花邊機適合于對化纖布料及含棉量不大于35%的混紡布料進行加工.縫合花邊織物厚度0.03～0.9mm,裁切織物厚度0.03～1.5mm,工作速度0～8.5m/min可調(對于較厚、較難加工的織物宜用慢速).花邊樣式豐富,只需更換花輪即可改變花式,且加工衣服花樣不生毛邊、不生皺紋,品質均勻.超聲波換能器系統(tǒng)在風冷條件下能夠連續(xù)24小時工作,性能穩(wěn)定、可靠.該產品一經推出就深受用戶歡迎,且具有良好的經濟效益和社會效益.超聲波花邊機原理結構電路分析以及應用_深圳超聲波設備生產廠家。