超聲波花邊機原理結(jié)構(gòu)電路分析以及應(yīng)用

　　超聲波花邊機原理結(jié)構(gòu)電路分析以及應(yīng)用

摘要:介紹一種新型服裝機電產(chǎn)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(shè)計特點.

　　關(guān)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(shù)應(yīng)用于服飾加工的服裝機電產(chǎn)品.該機應(yīng)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(chǎn)生的機械能和熱能,能夠?qū)Ω黝惢w、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(yīng)用于服裝、紡織等廠家的產(chǎn)品花邊成型.我國是服裝、紡織品生產(chǎn)大國,進口國外設(shè)備價格昂貴.為此,我們在引進、消化和吸收的基礎(chǔ)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(yīng)

　　某些物質(zhì)(如石英、壓電陶瓷等),當(dāng)受到外力作用時,不僅幾何尺寸發(fā)生變化,而且內(nèi)部極化,表面上有電荷出現(xiàn),形成電場;當(dāng)外力消失時,材料重新回復(fù)到原來狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng).相反,如果將這些物質(zhì)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(dǎo)致物質(zhì)的機械變形的現(xiàn)象, 稱為逆壓電效應(yīng).超聲加工、超聲波花邊機等均是逆壓電效應(yīng)的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為機械能,產(chǎn)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(jīng)變幅桿和工具變幅桿放大為0.05～0.1mm,以驅(qū)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)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(qū)動組.主要包括直流調(diào)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計特點

   HB型超聲波花邊機是一種輕工服裝機械,在結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)調(diào)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(diào)整氣動系統(tǒng)的節(jié)流閥,可很方便且在較大范圍內(nèi)調(diào)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(guān)鍵件使用壽命.

d.機體表面精飾處理.

e.采用直流調(diào)速電機,實現(xiàn)高、低速運行.

f.換能器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動.下電機帶動換能器系統(tǒng)轉(zhuǎn)動,使工具變幅桿表面磨損均勻,提高關(guān)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(shè)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(diào)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(luò)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(dāng)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(jīng)過T3升壓和L2積分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成機械振動,該振動經(jīng)過變幅桿放大后產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(nèi), 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(shè)計特點

　　超聲波發(fā)生器設(shè)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(fù)

載)往往引起其諧振頻率變化,使系統(tǒng)的振動失調(diào)、振幅下降,影響加工質(zhì)量.本設(shè)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(zhì)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(diào)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(diào).可通過切換轉(zhuǎn)換開關(guān)H,獲得合適的輸出功率,保證加工質(zhì)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(diào)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(shè)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(yīng)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(shè)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(zhuǎn)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(yīng)用于超聲波清洗、超聲波焊接及超聲波乳化等超聲加工應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)生溫升.因此,要求變幅桿材料應(yīng)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(jīng)調(diào)質(zhì)處理后使用.超聲波焊頭采用低碳合金鋼經(jīng)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(jié)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(diào)(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(zhì)均勻.超聲波換能器系統(tǒng)在風(fēng)冷條件下能夠連續(xù)24小時工作,性能穩(wěn)定、可靠.該產(chǎn)品一經(jīng)推出就深受用戶歡迎,且具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益.超聲波花邊機原理結(jié)構(gòu)電路分析以及應(yīng)用_深圳超聲波設(shè)備生產(chǎn)廠家。