超聲波花邊機(jī)原理結(jié)構(gòu)電路分析以及應(yīng)用

　　超聲波花邊機(jī)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(jī)電產(chǎn)品超聲波花邊機(jī),著重討論其工作原理、整機(jī)組成及各部分設(shè)計(jì)特點(diǎn).

　　關(guān)鍵詞:超聲波;服飾加工;花邊機(jī);花邊成型

引言

　　超聲波花邊機(jī)是一種將超聲波焊接技術(shù)應(yīng)用于服飾加工的服裝機(jī)電產(chǎn)品.該機(jī)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(jī)械能和熱能,能夠?qū)Ω黝?lèi)化纖、混紡織物進(jìn)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(guó)是服裝、紡織品生產(chǎn)大國(guó),進(jìn)口國(guó)外設(shè)備價(jià)格昂貴.為此,我們?cè)谝M(jìn)、消化和吸收的基礎(chǔ)上,研制了新穎的HB型超聲波花邊機(jī).

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(shí),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(chǎng);當(dāng)外力消失時(shí),材料重新回復(fù)到原來(lái)狀態(tài),這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng).相反,如果將這些物質(zhì)置于電場(chǎng)中,其幾何尺寸也發(fā)生變化, 這種由于外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)的機(jī)械變形的現(xiàn)象, 稱(chēng)為逆壓電效應(yīng).超聲加工、超聲波花邊機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)入超聲波發(fā)生器,發(fā)生器就開(kāi)始工作,將50Hz頻率轉(zhuǎn)換為20000Hz,并保持在這個(gè)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(jī)械能,產(chǎn)生垂直于其上表面的超聲機(jī)械振動(dòng),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(dòng)工具端面作超聲振動(dòng).在工具變幅桿上方有一個(gè)花輪,織物在被壓到花輪與工具變幅桿端面之間時(shí), 通過(guò)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(jī)用于帶動(dòng)換能器系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng),以便使工具端面均勻磨損,延長(zhǎng)使用壽命.

2   整機(jī)組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1   整機(jī)組成

   HB型超聲波花邊機(jī)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(jī)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(jī)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(dòng)器.主要包括超聲波換能器系統(tǒng)、支架、電刷及電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分,是整機(jī)核心部分,提供足夠振幅的超聲波振動(dòng).

c.花輪驅(qū)動(dòng)組.主要包括直流調(diào)速電機(jī)至花輪的傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)頭和氣動(dòng)系統(tǒng).氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣動(dòng)三聯(lián)閥、換向閥、液壓阻尼汽缸及相應(yīng)管路等.

d.機(jī)架組.主要包括工業(yè)縫紉機(jī)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(jì)特點(diǎn)

   HB型超聲波花邊機(jī)是一種輕工服裝機(jī)械,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有以下特點(diǎn):

a.多種機(jī)型合一.國(guó)外機(jī)型按花輪規(guī)格(花輪寬度,常用有25mm、50mm和65mm)分為多種機(jī)型,用戶(hù)加工不同規(guī)格的花邊時(shí),只能通過(guò)購(gòu)買(mǎi)多種機(jī)型來(lái)解決.CHJ型超聲波花邊機(jī)通過(guò)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(hù).使用另一規(guī)格花輪時(shí),要相應(yīng)調(diào)整花輪壓力和發(fā)生器輸出功率.

b.氣動(dòng)替代手動(dòng).實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)控制后,操作者只要推拉換向閥桿即可實(shí)現(xiàn)花輪上下的頻繁操作,大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度;另一方面,通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)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(shí),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(jī)體表面精飾處理.

e.采用直流調(diào)速電機(jī),實(shí)現(xiàn)高、低速運(yùn)行.

f.換能器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng).下電機(jī)帶動(dòng)換能器系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng),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(jī)機(jī)架作為機(jī)身,提高開(kāi)發(fā)速度,降低制造成本.

3   超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)

　　　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(jī)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(dòng)作,其觸點(diǎn)J1-1,J1-2釋放時(shí),電路開(kāi)始工作,振蕩出頻率為20000Hz左右的方波.該方波電壓經(jīng)過(guò)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(shí),通過(guò)C9,C10,C11,C12分壓取出正反饋電壓,通過(guò)反饋?zhàn)儔浩鱐1反饋到振蕩管.壓電晶體兩端加上交變信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng),該振動(dòng)經(jīng)過(guò)變幅桿放大后產(chǎn)生足夠功率的超聲波.另一方面,由于機(jī)械振動(dòng)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(shí)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(hào)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(shí)行頻率的自動(dòng)跟蹤.

3.2   超聲波發(fā)生器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　超聲波發(fā)生器設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn):

a.頻率自動(dòng)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(dòng)失調(diào)、振幅下降,影響加工質(zhì)量.本設(shè)計(jì)采用頻率跟蹤電路,通過(guò)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(guò)匹配變壓器T3實(shí)現(xiàn)阻部分匹配;通過(guò)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(wú)功功率,實(shí)現(xiàn)抗部分匹配.

c.功率可調(diào).可通過(guò)切換轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)H,獲得合適的輸出功率,保證加工質(zhì)量,延長(zhǎng)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(jī)調(diào)速電路單獨(dú)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(duì)震蕩電路的干擾.

4 .超聲波換能器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

   HB型超聲波花邊機(jī)所用超聲波換能器系統(tǒng)由超聲波換能器和兩級(jí)超聲波變幅桿組成,其中第2級(jí)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(chēng)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(jī)的核心部件,設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn):

a.作為超聲波換能器系統(tǒng)的推動(dòng)級(jí),超聲波換能器采用半波長(zhǎng)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(zhǎng)螺栓緊緊地連接在一起,形成一個(gè)振動(dòng)體,具有整體強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定性好、電聲轉(zhuǎn)換效率高、加工裝配比較簡(jiǎn)單及成本較低等優(yōu)點(diǎn),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(jī)

　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(diǎn)是強(qiáng)場(chǎng)介電損耗低,介電損耗和機(jī)電損耗在高電壓、高靜壓和較高溫度下變化很小,并且機(jī)械強(qiáng)度高,矯頑場(chǎng)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(diǎn),缺點(diǎn)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(guò)渡圓弧,減少應(yīng)力集中而對(duì)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(dòng)能量的同時(shí)會(huì)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(qiáng)度高、制造方便且價(jià)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(qiáng),且表面硬度高、耐磨性好.

5   結(jié)束語(yǔ)

     HB型超聲波花邊機(jī)適合于對(duì)化纖布料及含棉量不大于35%的混紡布料進(jìn)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(duì)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(shí)工作,性能穩(wěn)定、可靠.該產(chǎn)品一經(jīng)推出就深受用戶(hù)歡迎,且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.超聲波花邊機(jī)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。