超聲波清洗機的設(shè)計,超聲波清洗機的設(shè)計,超聲波,清洗,設(shè)計 湘潭大學興湘學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 超聲波清洗機 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學 號： 2006183919 姓 名： 謝鑫 指導教師： 周里群 教授 完成日期： 2010- 05-31 目 錄 引言………………………………………………………………………………3 第一章 超聲波清洗機原理與結(jié)構(gòu)………………………………….….4 第一節(jié) 超聲波清洗的原理和特點…………………………….…...4 第二節(jié) 超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定………………………..5 第二章 超聲波發(fā)生器設(shè)計……………………………………….. ……..6 第一節(jié) 超聲波發(fā)生器的選擇………………………………………..6 第二節(jié) 超聲波振蕩器設(shè)計………………………..…………….……7 第三節(jié) 超聲波放大器設(shè)計……………………………………………8 第四節(jié) 高頻驅(qū)動和匹配電路………………………………………..10 第三章 超聲波換能器設(shè)計…………….…………………………………11 第一節(jié) 換能器的選擇……………….………………………………….11 第二節(jié) 換能器設(shè)計計算………………………………………………..12 第四章 清洗槽設(shè)計…………………………………………………………16 參考文獻…………………………………………………………………………..17 超聲波清洗機 摘要：超聲波清洗始于20世紀50年代初，隨著技術(shù)的進步應用日益擴大。目前已廣泛地用于電子電器工業(yè)、清洗半導體器件、電子管零件、印刷電路、繼電器、開關(guān)和濾波器等；機械工業(yè)中用于清洗齒輪、軸承、油泵油嘴偶件、燃油過濾器、閥門及其他機械零件，大如發(fā)動機及導彈部件，小如手表零件；再如光學和醫(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)計的超聲波清洗機主要應用于家庭中廚具和一些難洗的生活用具。該產(chǎn)品是一種機電產(chǎn)品，通過壓電陶瓷材料做成的超聲波換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變成機械振動，在液體中產(chǎn)生超聲波振動進行清洗。利用超聲波可以穿透固體物質(zhì)而使整個清洗介質(zhì)振動并產(chǎn)生空化氣泡，該清洗方式對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。這種新一代時尚家電，能夠使人們從繁瑣的家務勞動中解脫出來。 關(guān)鍵詞：超聲波；清洗機；換能器 Ultrasonic washer Abstract: ultrasonic cleaning began in the early 1950s, with the development of technology application widening. Currently has been widely used in electronic industry, semiconductor device, cleaning tube parts and printing circuit, relays, switches and filter; etc. Mechanical industry for the cleaning gears, bearings, diesel oil, fuel filter, valves and other mechanical parts, such as engine and missile components, such as watch of small parts, Again, such as optical and medical equipment used for washing various aspects lens, glasses and frame, glassware, medical and surgical instruments, etc.; adjusted The design of ultrasonic cleaning machine is mainly used in the family of kitchen utensils and appliances and some difficult life washing. This product is a kind of mechanical and electrical products, through the piezoelectric materials made of ultrasonic transducer will exceed audio electrical oscillation into mechanical vibration, ultrasonic vibration in liquid in cleaning. Using ultrasonic can penetrate solid material and make the cleaning medium vibration and produce cavitation bubbles, the cleaning method for any life appliance does not exist in a corner, and not cleaned clean cleanliness is very high. This new generation of fashionable home appliance, can make people from the housework. Keywords: ultrasonic, Cleaner, transducer 引言 超聲波是一種超過人類聽力頻率范圍的聲波，具有頻率高、方向性準、穿透能力強等特點，廣泛應用于清洗、距離測量、醫(yī)學等領(lǐng)域。超聲清洗始于2O世紀5O年代初，開始主要用于電子、光學和醫(yī)藥等領(lǐng)域，作為一項實用性很強的技術(shù)，其應用場所廣泛，涉及到大的機械零部件，小半導體器件的清洗等，常常稱作“無刷清洗”。超聲波清洗的主要特點是速度快、效果好、容易實現(xiàn)工業(yè)控制等針對復雜工件表面，如空穴、凹凸處，普通清洗方法很難實現(xiàn)，而采用超聲波就可以獲得很好的效果。隨著聲化學的出現(xiàn)與應用，再配合使用適當?shù)娜芤?，調(diào)節(jié)清洗液酸堿度等，清洗效果更好 第一章 超聲波清洗機原理與結(jié)構(gòu) 1.1 超聲波清洗的原理和特點 圖1是超聲波清洗的原理圖，換能器將超聲頻電能轉(zhuǎn)換成機械振動并通過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，當聲壓或聲強達到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合。在氣泡閉合時，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?？栈a(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。蒸汽型空化對污垢層的直接反復沖擊，一方面破壞污物與清洗件表面的吸附，另一方面也會引起污物層的疲勞破壞而脫離。氣體型氣泡的振動對固體表面進行擦洗，污層一旦有縫可鉆，氣泡還能“鉆入”裂縫作振動，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，當固體粒子被油污裹著而附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子自行脫落。超聲在清洗液中傳播時會產(chǎn)生正負交變的聲壓，沖擊清洗件，同時由于非線形效應會產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面上會產(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、擴散作用，加速可溶性污物的溶解，強化化學清洗劑的清洗作用。 圖1 超聲波清洗機原理圖 由此可見，凡是液體能浸到聲場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雜，如空穴、狹縫等的細致清洗，易于實現(xiàn)清洗自動化。對一般的除油、防銹、磷化等工藝過程，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，清潔度也達到高標準。在某些場合下可以用水劑代替有機溶劑進行清洗，或降低酸堿的濃度。對于一些有損人體健康的清洗，如清洗放射性污物可以實現(xiàn)遙控和自動化清洗。超聲清洗也有其局限性，例如對聲波反射強的材料如金屬、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而對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。 1.2 超聲波清洗機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定 (1)超聲波清洗機結(jié)構(gòu)設(shè)計 超聲波清洗機主要由超聲波發(fā)生器、超聲換能器和清洗槽組成，其結(jié)構(gòu)如圖1。超聲波發(fā)生器將50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號后，通過電纜輸送給超聲換能器。清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。 (2)參數(shù)設(shè)定 為了實現(xiàn)超聲波清洗的高效率，應當選擇最佳的聲強、頻率及清洗槽聲場分布等參數(shù)。工作頻率選在20—50kHz之間。低頻聲波的空化氣泡大、數(shù)量少，易于清洗較粗糙物品。高頻聲波空化氣泡小、數(shù)量多，易于清洗精細且形狀復雜的物品。本超聲波用清洗機于清洗較粗糙的生活用具，所以采用低頻20kHz。清洗液采用碳氫清洗液，碳氫清洗液具有以下特點：清洗性能好，蒸發(fā)損失小，無毒，材料相容性好，不破壞環(huán)境，價格便宜。 第二章 超聲波發(fā)生器設(shè)計 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。它是一個帶有振蕩電路的放大器，由振蕩、放大、匹配電路和電源組成。振蕩器產(chǎn)生一定頻率的信號，放大器將其放大到一定的功率輸出。達到最佳負載值，通過輸出變壓器進行阻抗匹配，并通過功放輸出。 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沒有輸入信號的、帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。圖3表示接正反饋時放大器在輸入信號=0時的方框圖，簡化下得圖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Xa，經(jīng)過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Xf與Xa在大小和相位上都一致，則可以除去外接信號Xa，將1、2兩端連接在一起(如圖中虛線所示)而形成閉環(huán)系統(tǒng)，其輸出端可繼續(xù)維持與開環(huán)時一樣的輸入信號，即=。 基本放大器（A） 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 ＝AF＝1 振幅平衡條件 和 + =2n n=0,1,2,3…… 相位平衡條件 這兩個式子是正弦波振蕩器產(chǎn)生持續(xù)振蕩的兩個必要條件。振蕩器的振蕩頻率0是由相位平衡條件決定的。一個正弦波振蕩器只在某一個頻率下滿足相位平衡條件，這個頻率就是f0,這就是要求在環(huán)路中包含一個具有選頻特性的網(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 由于TL494價格便宜而且性能優(yōu)越，設(shè)計采用由開關(guān)穩(wěn)壓塊TL494構(gòu)成的振蕩器。振蕩器電路見圖5 圖5 振蕩器電路圖 將TL494的5腳(CT)和6腳(RT)接定時元件電阻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)生的超聲波強度的決定因素。通過給TL494的4腳加以一定的直流電壓就可實現(xiàn)占空比調(diào)整。定時元件由電容C、電阻R1和電位器R2構(gòu)成，調(diào)節(jié)電位器R2即可實現(xiàn)頻率的調(diào)整。本機供電電源為12V，采用的是推挽工作方式。電阻R3(10kQ)和電位器R4(10kQ)構(gòu)成分壓電路，死區(qū)時間控制端的電位應界于2．5～5V之間。調(diào)節(jié)電位器R4亦可實現(xiàn)超聲波的強度調(diào)節(jié)。 2.3超聲波放大器設(shè)計 （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放大至所需電平。放大部分可以是單級的，也可以是多級的，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、場效應管和IBGT器件）。近年來越來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、最大集電極電流、最大集電極耗散功率參數(shù)的限制，通常一對晶體管的最大輸出功率只能達到百瓦級。要提高晶體管發(fā)生器的輸出能力，除了有賴于搞性能器件外，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信號控制作相應變化。 (2)低壓驅(qū)動電路 本機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，見圖6。為了避免兩只功放管同時導通，導致內(nèi)部功耗增加，兩管的導通時間必須錯開，使它們在交替工作時有一段同時截止的時間。為此，三極管P1和P2對振蕩器的輸出作反相處理，三極管選用PNP型的8550。低壓驅(qū)動電路所用的電源是直流12V，而功放電路的電源是交流220V，在三極管后加入一個耦合變壓器，完成高低壓隔離的任務。 圖6 低壓驅(qū)動電路圖 (3)功放匹配電路功放電路 如圖7所示。電路由兩個VMOS功率場效應管2SK791構(gòu)成。具有線性度高、頻率響應好、開關(guān)速度快等優(yōu)點，是理想的開關(guān)元件。但其關(guān)斷特性在電流小時并不理想，下降沿有拖尾。 圖7 功放電路 2.4 高頻驅(qū)動和匹配電路 超聲發(fā)生器與一般放大器的一個重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項很重要的內(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載中的電抗成分諧振。只有在同時進行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個系統(tǒng)才算是達到了匹配，換能器才能正常工作。 高頻驅(qū)動和匹配電路如圖8 圖8高頻驅(qū)動和匹配電路 超聲波清洗機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)簡單(通常只有一個匹配電感)，卻具有重要作用。相同型號的清洗機，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。對同一臺機器而言，如果工作一段時間后清洗效果變差，或者換能器經(jīng)過更換，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，超聲清洗機的匹配除了要解決變阻問題(即變換負載的阻值，使之與發(fā)生器的最佳負載值相等)外，還要解決調(diào)諧問題，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)人員通常是根據(jù)各自的經(jīng)驗進行匹配。例如，有人在改變清洗槽水位時觀察電流的變化，如果電流變化處于一定范圍之內(nèi)，同時管子不發(fā)熱，空化聲強，便認為匹配已調(diào)好。也有人讓機器空載時稍，微呈電感性，而在加載后轉(zhuǎn)變?yōu)榧冏锠顟B(tài)。這些經(jīng)驗都是適用的。但在已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，再掌握匹配的原理，就可以在匹配時有的放矢，更加主動，從而收到事半功倍的效果。 第三章 超聲波換能器設(shè)計 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．而且金屬鎳材料價格昂貴，制造工藝復雜，所以目前很少采用還有一種用鐵氧體材料做成的磁斂伸縮換能器，雖然其電聲效率比較高，但機械強度低，所能承受的電功率容量小，因而目前我國也很少應用目前我國主要采用壓電換能器，因為這種換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率高．原材料價格便宜，而且便于制造不同的結(jié)構(gòu)，以適應不同的清洗要求。壓電換能器又有很多種如圓柱形、喇叭形等。經(jīng)過對比最后確定選用喇叭形夾心壓電換能器作為此次的換能器。 換能器是用來進行能量轉(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。在聲學研究領(lǐng)域中，換能器主要是指電聲換能器，它能實現(xiàn)電能和聲能之間的相互轉(zhuǎn)換。超聲波換能器的特性參數(shù)包括共振頻率、頻帶寬度、機電耦合系數(shù)、電聲效率、機械品質(zhì)因數(shù)、阻抗特性、指向性、發(fā)射及接收靈敏度等不同用途的換能器對性能參數(shù)的要求是不同的，如對于發(fā)射超聲波換能器，要求換能器有大的輸出功率和高的能量轉(zhuǎn)換效率；而對于接收型超聲波換能器，則要求寬的頻帶和高的靈敏度等 。因此，在換能器具體設(shè)計過程中，必須根據(jù)具體的應用，對換能器的有關(guān)參數(shù)進行合理設(shè)計。 3.2換能器的設(shè)計計算 對如圖9所示的換能器，設(shè)前蓋板、壓電陶瓷堆及后蓋板的特性阻抗分別為、、（， 分別是密度、聲速和截面積），長度分別為、和。頻率方程可由等效傳輸線理論求得。把換能器看做等效傳輸線，對應于自由端其阻抗為零，對應于節(jié)點處，其阻抗為無窮大，對均勻截面細棒如圖10其阻抗變換關(guān)系為 式中，為棒的特性阻抗；是右端的負載阻抗；是從棒左端看的阻抗；k是波數(shù)。其阻抗變換關(guān)系可以用mobius變換方法設(shè)，，則有 錐形棒 且， 阻抗的反變換為 節(jié)面在前后蓋板長度滿足： 由上式得 mm 圖9 喇叭形換能器結(jié)構(gòu) 圖10 等截面細棒阻抗變換 第四章 清洗槽設(shè)計 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，過于厚會影響聲的輻射．槽的內(nèi)壁，尤其是粘有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．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)所承受的電功率強度一般低于1．5 W／an2(用壓電換能器時．大多數(shù)應在0．5～1 w／cm2之間)．過高的強度會加速輻射板表面的空化腐蝕，同時由于過劇烈的空化所產(chǎn)生的氣泡會影響能量傳遞，使遠離輻射面的液體空間聲強變?nèi)醵_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．為減少駐波的形成，有時清洗槽的形狀要特別設(shè)計，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，而最窄小的面應朝向換能器的輻射面，以免妨礙聲輻射到整個清洗槽空間 內(nèi)槽尺寸為400×360×200mm，超聲波功率為500瓦；外槽尺寸為420×490×380mm；超聲波發(fā)生器電路箱為224×100×135mm，由六個直徑為4.5毫米的螺紋固定。 參考文獻： [1] 曹風國. 超聲加工技術(shù)[M].化學工業(yè)出版社，2005(1) [2] 張海燕．超聲波清洗技術(shù)[J]．近代物理知識，2002(6) [3] 白基成 郭永豐. 特種加工技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006(1) [4] 胡傳忻 夏志東. 特種加工手冊[M].北京工業(yè)大學出版社，2007(9) [5] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，1987(6) [6] 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