超聲波清洗機(jī)設(shè)計(jì)

1、?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目 超聲波自動(dòng)清洗機(jī)設(shè)計(jì) 高職 院（系） 數(shù)控 專業(yè)學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 起訖日期 設(shè)計(jì)地點(diǎn) 教學(xué)樓 目 錄引言 3第一章 超聲波清洗機(jī)原理和特點(diǎn) 3 第二章 超聲波發(fā)生器設(shè)計(jì) .4 第一節(jié) 超聲波發(fā)生器的選擇 .4第二節(jié) 超聲波振蕩器設(shè)計(jì) 6第三節(jié) 超聲波放大器設(shè)計(jì) 7第四節(jié) 高頻驅(qū)動(dòng)和匹配電路 9第三章 超聲波換能器選擇設(shè)計(jì) 10第四章 清洗槽設(shè)計(jì) 11 參考獻(xiàn) 11超聲波清洗機(jī)摘要：超聲波清洗始于20世紀(jì)50年代初，隨著技術(shù)的進(jìn)步應(yīng)用日益擴(kuò)大。目前已廣泛地用于電子電器工業(yè)、清洗半導(dǎo)體器件、電子管零件、印刷電路、繼電器、開(kāi)關(guān)和濾波器等；機(jī)械工業(yè)中用于清洗齒輪、

2、軸承、油泵油嘴偶件、燃油過(guò)濾器、閥門(mén)及其他機(jī)械零件，大如發(fā)動(dòng)機(jī)及導(dǎo)彈部件，小如手表零件；再如光學(xué)和醫(yī)療器械方面用于清洗各種透鏡、眼鏡及框、醫(yī)用玻璃器皿、針管和手術(shù)器具等；此次設(shè)計(jì)的超聲波清洗機(jī)主要應(yīng)用于家庭中廚具和一些難洗的生活用具。該產(chǎn)品是一種機(jī)電產(chǎn)品，通過(guò)壓電陶瓷材料做成的超聲波換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)，在液體中產(chǎn)生超聲波振動(dòng)進(jìn)行清洗。利用超聲波可以穿透固體物質(zhì)而使整個(gè)清洗介質(zhì)振動(dòng)并產(chǎn)生空化氣泡，該清洗方式對(duì)任何生活用具不存在清洗不到的死角，且清洗潔凈度非常高。這種新一代時(shí)尚家電，能夠使人們從繁瑣的家務(wù)勞動(dòng)中解脫出來(lái)。關(guān)鍵詞：超聲波；清洗機(jī)；換能器引言超聲波是一種超過(guò)人類聽(tīng)力頻率

3、范圍的聲波，具有頻率高、方向性準(zhǔn)、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于清洗、距離測(cè)量、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。超聲清洗始于2O世紀(jì)5O年代初，開(kāi)始主要用于電子、光學(xué)和醫(yī)藥等領(lǐng)域，作為一項(xiàng)實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，其應(yīng)用場(chǎng)所廣泛，涉及到大的機(jī)械零部件，小半導(dǎo)體器件的清洗等，常常稱作“無(wú)刷清洗”。超聲波清洗的主要特點(diǎn)是速度快、效果好、容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制等針對(duì)復(fù)雜工件表面，如空穴、凹凸處，普通清洗方法很難實(shí)現(xiàn)，而采用超聲波就可以獲得很好的效果。隨著聲化學(xué)的出現(xiàn)與應(yīng)用，再配合使用適當(dāng)?shù)娜芤?，調(diào)節(jié)清洗液酸堿度等，清洗效果更好第一章 超聲波清洗機(jī)原理與結(jié)構(gòu)1.1 超聲波清洗的原理和特點(diǎn)圖1是超聲波清洗的原理圖，換能器將超聲頻電能轉(zhuǎn)換成

4、機(jī)械振動(dòng)并通過(guò)清洗槽壁向盛在槽中的清洗液輻射超聲波。存在于液體中的微氣泡(稱為空化核)在聲波的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓或聲強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)，然后突然閉合。在氣泡閉合時(shí)，產(chǎn)生沖擊波，在氣泡周圍產(chǎn)生10 一10 Pa的壓力及局部高溫，這種物理現(xiàn)象稱為超聲空化。空化所產(chǎn)生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使它們分散于溶液中。蒸汽型空化對(duì)污垢層的直接反復(fù)沖擊，一方面破壞污物與清洗件表面的吸附，另一方面也會(huì)引起污物層的疲勞破壞而脫離。氣體型氣泡的振動(dòng)對(duì)固體表面進(jìn)行擦洗，污層一旦有縫可鉆，氣泡還能“鉆入”裂縫作振動(dòng)，使污垢脫落。由于空化作用，兩種液體在界面迅速分散而乳化，當(dāng)固體粒子被油污裹著而附在清洗件表

5、面時(shí)，油被乳化，固體粒子自行脫落。超聲在清洗液中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生正負(fù)交變的聲壓，沖擊清洗件，同時(shí)由于非線形效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面上會(huì)產(chǎn)生高速的微聲流，所有這些作用能夠破壞污物，除去或削弱邊界污層，增加攪拌、擴(kuò)散作用，加速可溶性污物的溶解，強(qiáng)化化學(xué)清洗劑的清洗作用。圖1 超聲波清洗機(jī)原理圖由此可見(jiàn)，凡是液體能浸到聲場(chǎng)存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、質(zhì)量高，特別適合于清洗件表面形狀復(fù)雜，如空穴、狹縫等的細(xì)致清洗，易于實(shí)現(xiàn)清洗自動(dòng)化。對(duì)一般的除油、防銹、磷化等工藝過(guò)程，在超聲波作用下只需兩三分鐘即可完成，其速度比傳統(tǒng)方法可提高幾倍到幾十倍，清潔度也達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)。在某些場(chǎng)

6、合下可以用水劑代替有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗，或降低酸堿的濃度。對(duì)于一些有損人體健康的清洗，如清洗放射性污物可以實(shí)現(xiàn)遙控和自動(dòng)化清洗。超聲清洗也有其局限性，例如對(duì)聲波反射強(qiáng)的材料如金屬、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而對(duì)聲波吸收大的材料如布料、橡膠以及粘度大的污物清洗效果差。第二章 超聲波發(fā)生器設(shè)計(jì)2.1超聲波發(fā)生器的選擇超聲波發(fā)生器也稱作超聲電源，它是一種用以產(chǎn)生超聲頻電能并向超聲換能器提供的裝置。按照所采用的工作原理，可以把超聲波發(fā)生器分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類。模擬電路超聲波發(fā)生器又分為振蕩一放大型和逆變型兩種。本設(shè)計(jì)采用振蕩一放大型超聲波發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它是一個(gè)帶有振蕩電路的放大器，由

7、振蕩、放大、匹配電路和電源組成。振蕩器產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)，放大器將其放大到一定的功率輸出。達(dá)到最佳負(fù)載值，通過(guò)輸出變壓器進(jìn)行阻抗匹配，并通過(guò)功放輸出。振蕩器放大器匹配器電源超聲換能器圖2 振蕩-放大型超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖振蕩條件：從結(jié)構(gòu)上看，正弦波振蕩器就是一個(gè)沒(méi)有輸入信號(hào)的、帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。圖3表示接正反饋時(shí)放大器在輸入信號(hào)=0時(shí)的方框圖，簡(jiǎn)化下得圖4。由圖4可知，如果在放大器輸入端1外接一定頻率，一定幅度的正弦波信號(hào)Xa，經(jīng)過(guò)基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的環(huán)路輸出后，在反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端2得到反饋信號(hào)Xf與Xa在大小和相位上都一致，則可以除去外接信號(hào)Xa，將1、2兩端連接在一起(如圖

8、中虛線所示)而形成閉環(huán)系統(tǒng)，其輸出端可繼續(xù)維持與開(kāi)環(huán)時(shí)一樣的輸入信號(hào)，即=?；痉糯笃鳎ˋ）反饋網(wǎng)絡(luò) （F）圖3 正弦波振蕩器方框圖 圖4 正弦波振蕩器方框圖AF1 振幅平衡條件 和 + =2n n=0,1,2,3 相位平衡條件這兩個(gè)式子是正弦波振蕩器產(chǎn)生持續(xù)振蕩的兩個(gè)必要條件。振蕩器的振蕩頻率0是由相位平衡條件決定的。一個(gè)正弦波振蕩器只在某一個(gè)頻率下滿足相位平衡條件，這個(gè)頻率就是f0,這就是要求在環(huán)路中包含一個(gè)具有選頻特性的網(wǎng)絡(luò)。它可以設(shè)置在放大器A中，也可以設(shè)置在反饋網(wǎng)絡(luò)F中，它可以用R、C元件組成，也可以用L、C元件組成。欲使振蕩器能自行建立振蕩，就必須滿足1的條件。這樣在接通電源后，振

9、蕩器就可以自行起振，最后趨于穩(wěn)態(tài)平衡。2.2超聲波振蕩器設(shè)計(jì)由于TL494價(jià)格便宜而且性能優(yōu)越，設(shè)計(jì)采用由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓塊TL494構(gòu)成的振蕩器。振蕩器電路見(jiàn)圖5圖5 振蕩器電路圖將TL494的5腳(CT)和6腳(RT)接定時(shí)元件電阻R和電容c，即可起振，振蕩器工作頻率由下式?jīng)Q定：= ()由于頻率選為20k由上公式得RC=0.5958×,振蕩器輸出方波的占空比是換能器產(chǎn)生的超聲波強(qiáng)度的決定因素。通過(guò)給TL494的4腳加以一定的直流電壓就可實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)整。定時(shí)元件由電容C、電阻R1和電位器R2構(gòu)成，調(diào)節(jié)電位器R2即可實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)整。本機(jī)供電電源為12V，采用的是推挽工作方式。電阻R3(10k

10、Q)和電位器R4(10kQ)構(gòu)成分壓電路，死區(qū)時(shí)間控制端的電位應(yīng)界于255V之間。調(diào)節(jié)電位器R4亦可實(shí)現(xiàn)超聲波的強(qiáng)度調(diào)節(jié)。2.3超聲波放大器設(shè)計(jì)（1）超聲波放大器的選擇 超聲波放大器的作用是將振蕩信號(hào)放大至所需電平。放大部分可以是單級(jí)的，也可以是多級(jí)的，主要看輸出功率的需要。早期的超聲波發(fā)生器使用電子管做放大器件，現(xiàn)在則普遍采用晶體管（三極管、場(chǎng)效應(yīng)管和IBGT器件）。近年來(lái)越來(lái)越多的廠家采用功率集成電路做超聲波發(fā)生器的放大器件。目前工業(yè)上廣泛使用的超聲波發(fā)生器基本上被晶體管電路壟斷。與電子管發(fā)生器相比，晶體管發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)在于體積小、重量輕、效率高。但從另一方面講由于受到方向擊穿電壓、最大集電

11、極電流、最大集電極耗散功率參數(shù)的限制，通常一對(duì)晶體管的最大輸出功率只能達(dá)到百瓦級(jí)。要提高晶體管發(fā)生器的輸出能力，除了有賴于高性能器件外，還必須采用高效率的電路。傳統(tǒng)的甲類、乙類、丙類放大器是把有源器件作為電流源工作。在這些放大器中，晶體管工作在伏安特性曲線的有源區(qū)。集電極電流受基極激勵(lì)信號(hào)控制作相應(yīng)變化。 (2)低壓驅(qū)動(dòng)電路本機(jī)采用高壓小電流功放電路，由兩只三極管和耦合變壓器構(gòu)成，見(jiàn)圖6。為了避免兩只功放管同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致內(nèi)部功耗增加，兩管的導(dǎo)通時(shí)間必須錯(cuò)開(kāi)，使它們?cè)诮惶婀ぷ鲿r(shí)有一段同時(shí)截止的時(shí)間。為此，三極管P1和P2對(duì)振蕩器的輸出作反相處理，三極管選用PNP型的8550。低壓驅(qū)動(dòng)電路所用的電

12、源是直流12V，而功放電路的電源是交流220V，在三極管后加入一個(gè)耦合變壓器，完成高低壓隔離的任務(wù)。圖6 低壓驅(qū)動(dòng)電路圖(3) 功放匹配電路功放電路如圖7所示。電路由兩個(gè)VMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管2SK791構(gòu)成。具有線性度高、頻率響應(yīng)好、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是理想的開(kāi)關(guān)元件。但其關(guān)斷特性在電流小時(shí)并不理想，下降沿有拖尾。圖7 功放電路2.4高頻驅(qū)動(dòng)和匹配電路超聲發(fā)生器與一般放大器的一個(gè)重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負(fù)載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負(fù)載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項(xiàng)很重要的內(nèi)容調(diào)諧，即選用一定值的阻抗元件，使之在工作頻率上與負(fù)載中的電抗成分諧振。只有

13、在同時(shí)進(jìn)行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個(gè)系統(tǒng)才算是達(dá)到了匹配，換能器才能正常工作。高頻驅(qū)動(dòng)和匹配電路如圖8圖8高頻驅(qū)動(dòng)和匹配電路超聲波清洗機(jī)中的匹配電路是將發(fā)生器輸出的電能送往換能器的通道。匹配電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(通常只有一個(gè)匹配電感)，卻具有重要作用。相同型號(hào)的清洗機(jī)，匹配調(diào)得好的清洗效果好；匹配調(diào)得差的則清洗效果差。對(duì)同一臺(tái)機(jī)器而言，如果工作一段時(shí)間后清洗效果變差，或者換能器經(jīng)過(guò)更換，都需要重新調(diào)整匹配。與一般電子設(shè)備的匹配有所不同，超聲清洗機(jī)的匹配除了要解決變阻問(wèn)題(即變換負(fù)載的阻值，使之與發(fā)生器的最佳負(fù)載值相等)外，還要解決調(diào)諧問(wèn)題，即用匹配電感的感抗抵消換能器的容抗，使換能器呈純阻性。技術(shù)

14、人員通常是根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行匹配。例如，有人在改變清洗槽水位時(shí)觀察電流的變化，如果電流變化處于一定范圍之內(nèi)，同時(shí)管子不發(fā)熱，空化聲強(qiáng)，便認(rèn)為匹配已調(diào)好。也有人讓機(jī)器空載時(shí)稍，微呈電感性，而在加載后轉(zhuǎn)變?yōu)榧冏锠顟B(tài)。這些經(jīng)驗(yàn)都是適用的。但在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再掌握匹配的原理，就可以在匹配時(shí)有的放矢，更加主動(dòng)，從而收到事半功倍的效果。第三章 超聲波換能器設(shè)計(jì) 3.1換能器的選擇用于超聲清洗的換能器有兩種類型一是磁致伸縮換能器，另一種是壓電換能器，磁致伸縮換能器這種換能器的電聲效率比較低而且金屬鎳材料價(jià)格昂貴，制造工藝復(fù)雜，所以目前很少采用。還有一種用鐵氧體材料做成的磁致伸縮換能器，雖然其電聲效率比較

15、高，但機(jī)械強(qiáng)度低，所能承受的電功率容量小，因而目前我國(guó)也很少應(yīng)用。目前我國(guó)主要采用壓電換能器，因?yàn)檫@種換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率高原材料價(jià)格便宜，而且便于制造不同的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的清洗要求。壓電換能器又有很多種如圓柱形、喇叭形等。經(jīng)過(guò)對(duì)比最后確定選用喇叭形夾心電換能器作為此次的換能器。換能器是用來(lái)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量的裝置。在聲學(xué)研究領(lǐng)域中，換能器主要是指電聲換能器，它能實(shí)現(xiàn)電能和聲能之間的第四章 清洗槽設(shè)計(jì) 清洗槽由內(nèi)槽和外殼組成內(nèi)槽的外表面(一般在槽底外表)粘結(jié)超聲換能器，槽內(nèi)盛清洗液槽一般用耐腐蝕的不銹鋼板制成，過(guò)于厚會(huì)影響聲的輻射槽的內(nèi)壁，尤其是粘有

16、換能器的輻射板要平整拋光，不能有傷痕，否則易產(chǎn)生空化腐蝕，縮短使用壽命為避免被清洗工件直接與槽壁板接觸而劃傷，一般用鏤空吊籃(網(wǎng)籃)或支架將清洗件懸吊在清洗液中網(wǎng)籃的骨架應(yīng)盡可能地小而輕，一般用不銹鋼絲編成或用其它反射聲良好的材料做成結(jié)構(gòu)上要使超聲波受阻小而清洗液易于流動(dòng)內(nèi)槽的尺寸要根據(jù)清洗件的大小和形狀而定清洗件的總表面積不應(yīng)大于內(nèi)槽的體積粘有換能器的輻射板(如槽底板)所承受的電功率強(qiáng)度一般低于15 Wcm2(用壓電換能器時(shí)大多數(shù)應(yīng)在051 wcm2之間)過(guò)高的強(qiáng)度會(huì)加速輻射板表面的空化腐蝕，同時(shí)由于過(guò)劇烈的空化所產(chǎn)生的氣泡會(huì)影響能量傳遞，使遠(yuǎn)離輻射面的液體空間聲強(qiáng)變?nèi)醵_(dá)不到均勻清洗的目的在普通的清洗槽中，由于液面的反射，在清洗槽中會(huì)產(chǎn)生的駐波，使得在液體空間有些區(qū)域聲壓最小(波節(jié)處)，有些地方聲壓最大(波腹處)而造成清洗干凈程度不均勻?yàn)闇p少駐波的形成，有時(shí)清洗槽的形狀要特別設(shè)計(jì)，或采取其他措施，例如掃頻工作方式清洗件在槽中的排列要有一定的間隔，而最窄小的面應(yīng)朝向換能器的輻射面，以免妨礙聲輻射到整個(gè)清洗槽空間內(nèi)槽尺寸為400×360×200mm，超聲波