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湘潭大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 超聲波清洗機(jī)設(shè)計 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： XXXXX 姓 名： XXXXX 指導(dǎo)教師： XXXXX 完成日期： 2014年5月20日  摘要 超聲波清洗是屬于物理力清洗，并且其本身是綠色清洗，如在清洗液中添加適宜的清洗劑，則屬于組合清洗，更具明顯的清洗效果。超聲波清洗是功率超聲中應(yīng)用最為廣泛的一種，超聲波清洗作為現(xiàn)代一種重要的清洗方式，與現(xiàn)代科技發(fā)展及先進(jìn)制造工藝密切相關(guān)。超聲波清洗在各種化學(xué)、物理及機(jī)械的清洗中是高效的的一種清洗方法，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，超聲波清洗技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、電子、紡織、輕工、化工、船舶、航空航天、原子能以及醫(yī)療醫(yī)藥各領(lǐng)域。超聲波可以對工件施加非常大的能量，對有些表面形狀復(fù)雜的精密零部件來說，提高零部件清潔水平不僅可以降低設(shè)備的振動和噪聲，還可以提高使用壽命和可靠性。此次設(shè)計的超聲波清洗機(jī)主要應(yīng)用于精密零件的清洗，例如中小齒輪、軸承的清洗。利用高能量的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，該清洗方式對待清洗件不存在清洗不到的死角，不僅如此，且清洗潔凈度非常高。 關(guān)鍵詞：超聲波；換能器；清洗機(jī) Abstract Belongs to physical cleaning, ultrasonic cleaning and cleaning itself is green, such as the appropriate cleaning agent is added in the cleaning fluid, belong to combination cleaning, cleaning effect is more obvious. Ultrasonic cleaning is one of the most widely used in ultrasonic power, ultrasonic cleaning, as a kind of important modern cleaning method, is closely related to the development of modern science and technology and advanced manufacturing technology. Ultrasonic cleaning in all kinds of chemical, physical and mechanical cleaning is one of the efficient cleaning method, with the rapid development of science and technology, ultrasonic cleaning technology has been widely used in machinery, optics, electronics, textile, light industry, chemical industry, shipbuilding, aerospace, atomic energy, and medical treatment in various fields. Ultrasound can apply for very big energy, for some complex shape surface precision components, and improve the level of parts cleaning can not only reduce the vibration and noise of device, also can improve the service life and reliability. The design of the ultrasonic cleaning machine is mainly used in precision parts cleaning, such as small gears, bearings cleaning. Using high-energy ultrasound can penetrate solid matter and make the overall vibration and cavitation bubble cleaning media, the cleaning method to clean corner, there is no cleaning not only that, and washing cleanliness is very high. Keywords：ultrasonic;transducer;Cleaner 目錄 第1章 緒論 1 1.1 超聲波及超聲波清洗的認(rèn)識 1 1.2 超聲波清洗的應(yīng)用與發(fā)展 1 1.3 本次設(shè)計的創(chuàng)新 1 第2章 超聲波清洗機(jī)原理與結(jié)構(gòu) 2 2.1 超聲波清洗機(jī)的原理與特點 2 2.2 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定 5 2.2.1 超聲波清洗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 2.2.2 超聲波清洗機(jī)參數(shù)設(shè)定 5 第3章 超聲波發(fā)生器的設(shè)計 6 3.1超聲波發(fā)生器的選擇 6 3.2超聲波發(fā)生器的設(shè)計 6 3.2.1超聲波振蕩器的設(shè)計 6 3.2.2 超聲波放大器的設(shè)計 9 第4章 超聲換能器的設(shè)計 13 4.1 超聲換能器的選擇 13 4.2 超聲換能器的設(shè)計 13 第5章 箱體的設(shè)計 14 5.1 清洗槽的設(shè)計 14 5.2 附加箱的設(shè)計 14 5.3 箱蓋的設(shè)計 14 5.4 腳輪的設(shè)計 15 第6章 附加部件的選擇 16 第7章 中央控制系統(tǒng)設(shè)計 17 7.1 系統(tǒng)工藝流程設(shè)計 17 7.2 主控制器的設(shè)計 17 7.3 軟件設(shè)計 18 第8章 總結(jié) 20 致謝 21 參考文獻(xiàn) 22 附錄 23 譯文及外文原文 23 第1章 緒論 1.1 超聲波及超聲波清洗的認(rèn)識 超聲波是一種超過人類聽力頻率范圍(20HZ--20kHZ)的聲波，具有頻率高，超過、波長短、方向性準(zhǔn)、穿透能力強等特點，廣泛應(yīng)用于清洗、距離測量、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。而超聲波清洗是超聲波在液體中傳播，使液體在超聲波頻率下與清洗槽一起振動，清洗槽與液體振動時有自己固有頻率，這種振動頻率稱為聲波頻率，因此清洗機(jī)工作時人們就聽到嗡嗡作響。隨著清洗行業(yè)的不斷發(fā)展，超聲波清洗機(jī)被越來越多的行業(yè)和企業(yè)運用到了。超聲波清洗技術(shù)也越來越得到廣泛的應(yīng)用，歸其有很多的優(yōu)點：1、清洗效果好。運用于工業(yè)清洗的清洗方式一般為人工清洗、蒸汽氣相清洗、有機(jī)溶劑清洗、高壓水射流清洗和超聲波清洗。超聲波清洗被國際公認(rèn)為是當(dāng)前效果最好、效率最高的清洗方式, 其清洗效率可高達(dá)98% 以上, 并且清洗潔凈度也達(dá)到了最高級別。而傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑清洗和人工清洗的清洗效率僅僅為60% ~70% ；2、清洗成本低。3、勞動損傷的避免。以往在骯臟的環(huán)境中通過繁重的體力勞動, 需要長時間地進(jìn)行手工清洗的復(fù)雜機(jī)械零件, 應(yīng)用了超聲波清洗機(jī)以后, 不僅改善了勞動環(huán)境,減輕了勞動強度， 杜絕了手工清洗對工件產(chǎn)生的傷害, ,而且在大幅提高清洗精度的基礎(chǔ)上, 清洗時間大大的縮短，縮短時間可為原來的四分之一。水就可以作為清洗液，所以超聲波清洗還可以減少清洗劑的使用，從而可有效地降低污染，減少有毒溶劑對人類和環(huán)境的損害。 1.2 超聲波清洗的應(yīng)用與發(fā)展 功率超聲中應(yīng)用最為廣泛的一種要算超聲波清洗了，超聲波清洗與現(xiàn)代科技技術(shù)發(fā)展以及先進(jìn)制造工藝密切相關(guān)。應(yīng)用的領(lǐng)域有：對濾芯、金屬的清洗，超聲波清洗技術(shù)在磷化處理中的應(yīng)用等?，F(xiàn)在的主要產(chǎn)品有：銅材清洗機(jī)、KWD-15144ST、多鉤同步全自動清洗機(jī)、鋁型材清洗機(jī)、KWD-10124ST 精密電子零件超聲波清洗機(jī)、樹脂鏡片全自動清洗機(jī)、全自動超聲波清洗機(jī)、十五槽光學(xué)鏡片清洗機(jī)、SH300-13L觸摸智能超聲波清洗機(jī)、H150-6L 墨盒打印頭超聲波清洗機(jī)、五金件除油除銹超聲波清洗機(jī)、S健康超聲家電、化學(xué)攪拌混勻超聲波清洗機(jī)、商用超聲波清洗機(jī)、醫(yī)療超聲波清洗機(jī)、大功率超聲波清洗機(jī)等等。 1.3 本次設(shè)計的創(chuàng)新 本次設(shè)計的超聲波清洗機(jī)是用于清洗中小型軸承、齒輪等，使用可編程控制器（PLC）進(jìn)行自動控制，省力、省時、污染少。并設(shè)計的結(jié)構(gòu)充分的利用了空間，附加了一個存放衛(wèi)生紙的紙箱，方便及時清理手上或放超聲波清洗機(jī)的臺上的污水。 第2章 超聲波清洗機(jī)原理與結(jié)構(gòu) 2.1 超聲波清洗機(jī)的原理與特點 圖1即是超聲波清洗機(jī)的原理圖，由圖可以直觀的看出超聲波清洗機(jī)包括主要的三個結(jié)構(gòu)：超聲波發(fā)生器、換能器和清洗槽。超聲波清洗機(jī)的原理為超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號，而換能器將超聲頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械高頻振動并通過清洗槽壁向盛在槽中的清洗液來輻射超聲波。超聲波在清洗液中連續(xù)的，疏密相間的向前輻射，從而使液體流動而產(chǎn)生直徑為50-500m的數(shù)以萬計的微小氣泡，存在于液體中的微氣泡，此微氣泡就被稱為空化核，在聲波的作用下振動，在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)這些氣泡得以形成、生長，而在正壓區(qū)，當(dāng)聲強或聲壓達(dá)到一定值時，氣泡就會迅速增長，然后瞬間閉合。在氣泡閉合時，就會產(chǎn)生沖擊波，并且在氣泡周圍產(chǎn)生上千個大氣壓的壓力以及局部高溫，這種現(xiàn)象被稱為超聲空化。在超聲清洗的過程中是通過破壞不溶性污物，并且使他們分散并擴(kuò)散在清洗液中，當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而黏附在清洗件表面時，固體粒子及脫離，油被乳化，從而達(dá)到清洗件凈化的目的。這個過程被稱之為“空化”效應(yīng)的過程。即空化作用就是超聲波以每秒兩萬次以上的減壓力和壓縮力交互性的高頻變換方式向液體進(jìn)行透射。在減壓力作用時，在液體中真空核群泡的現(xiàn)象的產(chǎn)生，而在壓縮力作用時，真空核群泡受壓力壓碎時產(chǎn)生強大的沖擊力，從而以此剝離被清洗物表面的污垢，最終達(dá)到精密洗凈目的?？栈a(chǎn)生的巨大壓力能破壞不溶性污物并且使污物分散在溶液中。蒸汽型空化對污垢層的直接進(jìn)行反復(fù)沖擊，一方面是通過破壞污物與清洗件表面的吸附，另一方面是通過引起污物層的疲勞破壞而脫離。因為氣體型氣泡的振動可以對固體表面進(jìn)行擦洗，污層一旦有縫可鉆，氣泡還能“鉆入”裂縫作振動，從而迫使污垢脫落。正因為空化作用，使得兩種液體在界面處迅速分散而乳化，所以當(dāng)固體粒子被油污裹著而附在清洗件表面時，油被乳化，從而使固體粒子自行脫落。超聲在清洗液中傳播時會產(chǎn)生正負(fù)交變的聲壓，沖擊清洗件，同時由于非線形效應(yīng)會產(chǎn)生微聲流和聲流，所有這些作用都能夠破壞污物，削弱或除去邊界污層，增加擴(kuò)散、攪拌作用，并且不僅可以加速可溶性污物的溶解，而且能夠強化化學(xué)清洗劑的清洗作用。 圖1 超聲波清洗機(jī)原理圖 由上述可知，超聲波清洗機(jī)有其顯著的特點。凡是液體能浸到、空化產(chǎn)生的地方都有清洗作用，不受清洗件表面復(fù)雜性狀的限制，如精密零部件表面的空穴、凹槽、狹縫和微孔、深孔都能得到清洗，并且用一般的刷洗方法這些部位是不能清洗干凈的，并且超聲清洗的清洗速度快、質(zhì)量高，易于實現(xiàn)清洗自動化。對一般的防銹、除油、磷化等工藝過程，在超聲波作用下只需2-3分鐘即可完成，其速度相對于傳統(tǒng)方法可提高幾倍到幾十倍，與此同時清潔度也達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)。并且在某些場合下還可以用凈水來代替有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗，從而對于一些有害身體健康的清洗，如清洗放射性污物，就可以通過實現(xiàn)遙控和自動化清洗，從而來減少對人體的傷害。所以，鑒于超聲清洗有以上優(yōu)點，這項技術(shù)在工業(yè)上已得到廣泛的應(yīng)用，并在不斷發(fā)展。但是超聲清洗也有其局限性，例如對聲波吸收大的材料如布料、橡膠、泡沫塑料以及粘度大的污物清洗效果差。 下面圖2是超聲清洗過程圖解： 污物去除 分散作用 超聲清洗 輻射壓 壓力 微沖流 氣泡振動 攪拌作用 聲流 氣泡崩潰 空化作用 促進(jìn)化學(xué)反應(yīng) 微熱作用 溫度上升 沖擊壓力 圖2 超聲清洗過程圖解 2.2 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定 2.2.1 超聲波清洗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖1所示，超聲波清洗機(jī)主要由三部分組成，分別為超聲波發(fā)生器、超聲換能器和清洗槽。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，換能器則是將超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電能轉(zhuǎn)換成超聲振動的機(jī)械能；清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。 2.2.2 超聲波清洗機(jī)參數(shù)設(shè)定 超聲波清洗的清洗效果受很多因素的影響，影響超聲清洗效果的主要因素有聲學(xué)參數(shù)、化學(xué)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)。其中聲學(xué)參數(shù)主要有頻率、聲強、聲場分布和波形；熱力學(xué)參數(shù)主要有溫度、黏性、清洗液的表面張力、蒸汽壓等；化學(xué)參數(shù)中主要有清洗液性質(zhì)、清洗時間和是否與污物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等。 超聲波清洗的物理機(jī)制主要是超聲空化，因此要達(dá)到良好的清洗效果必須選擇最佳的聲強、頻率以及清洗槽聲場分布等參數(shù)并且要選好清洗劑的物理化學(xué)性質(zhì)。對于聲學(xué)參數(shù)：工作頻率選在20—40kHz之間。在低頻情況下，空泡生長的時間長，空化氣泡大、數(shù)量少，低頻空化強度高，故適用于污物與清洗件表面結(jié)合強度高或者大清洗件表面的場合，但是，不易清洗表面形狀復(fù)雜的和穿透深孔的部件，且噪聲大；雖然較高頻率空化強度較弱，空化氣泡小、但是數(shù)量多，適用于表面形狀較復(fù)雜、狹縫及污物與清洗件表面結(jié)合力弱的清洗。清洗液的溫度升高，可以導(dǎo)致液體的粘滯系數(shù)和表面張力系數(shù)下降，從而導(dǎo)致空化閾值下降，從而使空化易于產(chǎn)生；但是清洗液溫升，也會導(dǎo)致蒸氣壓增大會降低空化強度。溫度同樣影響空化效率和清洗中化學(xué)反應(yīng)的速度。對空化強度而言，不同的清洗劑有不同的最佳溫度，水的最佳溫度是60℃。本超聲波清洗機(jī)用于清洗較為復(fù)雜的齒輪軸承，所以采用30kHz。當(dāng)電功率強度達(dá)到時超聲波才有清洗作用，因為選的換能器是壓電型，所以電功率強度取。本設(shè)計的超聲波清洗機(jī)主要用于一個實驗室的齒輪或軸承的清洗，所以清洗的量不會很多，因此設(shè)計一個小型的清洗機(jī)，內(nèi)槽的尺寸為,故總功率取2kw。 第3章 超聲波發(fā)生器的設(shè)計 3.1超聲波發(fā)生器的選擇 超聲波發(fā)生器（即超聲電源），它是一種用以產(chǎn)生并向超聲換能器提供超聲頻電能的裝置。按照其工作原理，我們可以把超聲波發(fā)生器分為兩大類一類是模擬電路，另一類是數(shù)字電路。模擬電路超聲波發(fā)生器又可分為振蕩一放大型和逆變型兩種。本設(shè)計采用振蕩——放大型超聲波發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。它是一個帶有振蕩電路的放大器，是由振蕩器、放大器、匹配電路和電源四部分組成。振蕩器產(chǎn)生一定頻率的信號，通過放大器將其放大到一定的功率輸出，以致達(dá)到最佳負(fù)載值，最后通過輸出變壓器進(jìn)行阻抗匹配，并通過功放輸出。下圖即是振蕩-放大型超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖 振蕩器 放大器 匹配器 電源 超聲換能器 圖3 振蕩-放大型超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖 3.2超聲波發(fā)生器的設(shè)計 3.2.1超聲波振蕩器的設(shè)計 超聲波振蕩器的作用是產(chǎn)生一個一定頻率的信號，用以推動后面的放大部分。它既可以是一個反饋網(wǎng)絡(luò)，也可以是一個獨立的振蕩器。 （1）、振蕩條件 根據(jù)超聲加工的需要，超聲波發(fā)生器的波形可以使正弦波，也可以是非正弦波，但正弦波最為常見。正弦波振蕩器從結(jié)構(gòu)上看就是一個帶選頻網(wǎng)絡(luò)的、沒有輸入信號的正反饋放大器。圖4表示接正反饋時放大器在輸入信號X1=0時的方框圖，下圖5為簡化圖 。由圖5可知，如果在放大器輸入端1外接一定幅度、一定頻率的正弦波信號Xa，經(jīng)過基本放大器和反饋電路所構(gòu)成的閉合環(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在相位和大小上都一致，這樣就可以除去外接信號Xa，如下圖中虛線所示，將1、2兩端連接在一起，而構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，其系統(tǒng)的輸出端可繼續(xù)維持與開環(huán)時一樣大小和相位的輸入信號，即=。 基本放大器（A） 反饋網(wǎng)絡(luò) （F） 圖4 正弦波振蕩器方框圖 圖5 正弦波振蕩器方框圖 則有 ＝AF＝1 此式為振幅平衡條件 和 + =2n n=0,1,2,3…… 此式為相位平衡條件 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f0是由相位平衡條件決定的。當(dāng)一個正弦波振蕩器只在某一頻率下滿足相位平衡條件，這個頻率就是f0,這就是要求在AF閉合回路中包含一個具有選頻特性的網(wǎng)絡(luò)，稱此網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)。它既可以設(shè)置在放大器A中，同樣也可以設(shè)置在反饋網(wǎng)絡(luò)中，它可以用R、C元件組成，也可以用、元件組成。用R、C元件組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩器稱為振蕩器，用、元件組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩器稱為振蕩器，欲使振蕩器能夠自行建立振蕩，則必須滿足＞1的條件。此情況下在接通電源后，振蕩器就能夠自行起振，并且最后趨于穩(wěn)態(tài)平衡。 由于正弦波振蕩器中的放大器件是工作再線性區(qū)（振蕩器）或接近線性區(qū)（振蕩器），所以在分析中，可以近似的按線性電路來處理。 （2）、超聲波振蕩器的選擇 超聲波振蕩器可分為正弦振蕩器、正弦振蕩器和壓控振蕩器等等。由于TL494不僅價格便宜而且性能優(yōu)越，能達(dá)到預(yù)期的效果，可使清洗機(jī)清洗效能達(dá)標(biāo)，并且成本不會太高，因此本次設(shè)計中就采用由開關(guān)穩(wěn)壓塊TL494構(gòu)成的振蕩器。如圖6所示為此振蕩器電路圖。 圖6 振蕩器電路圖 將TL494的5腳(CT)與6腳(RT)接電容C和定時元件電阻R，就可以起振，振蕩器工作頻率計算式為： （3-1） 由于頻率選為30kHZ由上公式得RC=0.408×,換能器產(chǎn)生的超聲波強度的決定因素是振蕩器輸出的方波占的空比。此設(shè)計中通過給TL494的4腳加上一定大小的直流電壓便可實現(xiàn)占空比調(diào)整。此設(shè)計的定時元件是由電阻R1、電位器R2和電容C構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)電位器R2可實現(xiàn)頻率的調(diào)整。本此設(shè)計的超聲波清洗機(jī)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(yīng)將界于之間。要實現(xiàn)超聲波的強度調(diào)節(jié)還可以調(diào)節(jié)電位器R4。 3.2.2 超聲波放大器的設(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以至所需的電平。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)生器使用的是電子管做作為放大器件，現(xiàn)在則普遍采用晶體管（三極管、場效應(yīng)管和絕緣柵雙極型晶體管（IBGT）器件）。近年來越來越多的廠家開始采用功率集成電路做超聲波發(fā)生器的放大器件。而現(xiàn)在工業(yè)上廣泛使用的超聲波發(fā)生器已基本上被晶體管電路所壟斷。晶體管發(fā)生器的優(yōu)點很突出，主要在于質(zhì)量輕、體積小、效率高。但是從另一方面講，由于受到最大集電極電流、方向擊穿電壓、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(dá)到百瓦級。所以要提高晶體管發(fā)生器的輸出能力，最重要的措施是采用高效率的電路，其次是有賴于高性能器件的開發(fā)。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，晶體管工作區(qū)是在伏安特性曲線的有源區(qū)。 (2）、低壓驅(qū)動電路的設(shè)計 本機(jī)采用高壓小電流功放電路，是由兩只三極管和耦合變壓器構(gòu)成，見圖7。為了避免兩只功放管同時導(dǎo)通，導(dǎo)致內(nèi)部功耗增加，兩管的導(dǎo)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。因此，該三極管P1和P2對振蕩器的輸出必須要作反相處理，三極管選用PNP型的8550。低壓驅(qū)動電路所用的電源是直流12，而功放電路的電源是交流220，并且在三極管后加入一個耦合變壓器，以完成高低壓隔離的任務(wù)。低壓驅(qū)動電路如下圖7所示。 圖 7 低壓驅(qū)動電路圖 (3)、功放匹配電路的設(shè)計 超聲波發(fā)生器與一般的放大器的一個重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。如下圖 所示。電路是由兩個功率場效應(yīng)管構(gòu)成。具有線性度高、開關(guān)速度快、頻率響應(yīng)好等優(yōu)點，是理想的開關(guān)元件。但其缺點是關(guān)斷特性在電流小時并不理想，下降沿有拖尾。功放電路如下圖8所示。 圖 8 功放匹配電路圖 (4)、高頻驅(qū)動和匹配電路的設(shè)計 超聲發(fā)生器與一般放大器的一個重要區(qū)別就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，還有一項很重要的內(nèi)容——調(diào)諧，就是要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。只有在阻抗變換和調(diào)諧同時進(jìn)行了之后，整個系統(tǒng)才算是真正的達(dá)到了匹配，換能器才能進(jìn)行正常工作。 下圖9是高頻驅(qū)動和匹配電路圖。 圖9高頻驅(qū)動和匹配電路圖 超聲波清洗機(jī)中的匹配電路是將發(fā)生器輸出的電能送至換能器的通道。超聲波發(fā)生器與換能器之間的匹配包括的內(nèi)容有兩方面：一是發(fā)生器的輸出阻抗與換能器的動態(tài)阻抗一致；二是在額定輸入電功率條件下，使換能器輸出的聲功率最大。其匹配方法是：首先應(yīng)準(zhǔn)確測量換能器的動態(tài)阻抗以及其變化的范圍，然后合理選擇發(fā)生器的匹配回路和輸出阻抗的元件值，用逐步逼近的方法，通過反復(fù)測試，即可實現(xiàn)發(fā)生器與換能器之間的匹配。雖然匹配電路結(jié)構(gòu)簡單(即通常只有一個匹配電感)，但其具有重要的作用。 相同型號的清洗機(jī)，匹配調(diào)得好的清洗效果好；相反，匹配調(diào)得差的則清洗效果差。對于同一臺機(jī)器而言，如果工作一段時間后換能器經(jīng)過更換或者由于其他原因清洗效果變 差，都需要重新調(diào)整匹配。這與一般電子設(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。 綜上所述，選擇KES-1000系列超聲波發(fā)生器，其優(yōu)點有：1）超聲波發(fā)生器采用目前國際領(lǐng)先的他激式震蕩線路，較以前的自激式震蕩線路在輸出功率增加15%以上；2）超聲波發(fā)生器裝置工作電壓220 V AC±10％，超聲波發(fā)生器具有過壓，過流，輸出短路等保護(hù)措施；3）超聲波發(fā)生器具有功率無級調(diào)節(jié)的功能，輸出功率可實現(xiàn)10～100%的連續(xù)調(diào)整，以適應(yīng)各種清洗對象的要求。而此次設(shè)計的清洗機(jī)總共有三個箱體：清洗缸、中央控制箱和紙箱。故超聲波發(fā)生器的箱體尺寸為100×150×50，并放入中央控制箱中。 第4章 超聲換能器的設(shè)計 4.1 超聲換能器的選擇 超聲換能器是超聲振動系統(tǒng)的核心部件，超聲波清洗機(jī)設(shè)備是利用超聲換能器的作用即超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻電能轉(zhuǎn)換成超聲振動的機(jī)械能，從而達(dá)到清洗效果。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、制造工藝復(fù)雜、價格昂貴，因此目前很少采用。目前我國主要采用的換能器類型是壓電換能器，因為這種換能器原材料價格便宜、且電聲轉(zhuǎn)換效率高，并且便于制造成不同的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的清洗要求。壓電換能器又有很多種比如喇叭形、圓柱形等。喇叭形換能器輻射的面積較廣，所以經(jīng)過對比最后確定選用100喇叭形夾心壓電陶瓷換能器作為此次的換能器，喇叭形換能器結(jié)構(gòu)如圖10所示。 圖10 喇叭形換能器結(jié)構(gòu)示意圖 4.2 超聲換能器的設(shè)計 超聲波要達(dá)到清洗效果其超聲波電功率密度就得達(dá)到0.3以上,超聲波的功率密度越高，空化效果越強、清洗效果越好并且速度越快。但對于表面光潔度甚高的、精密的物件，采用長時間的高功率密度清洗會對物件表面產(chǎn)生“空化”腐蝕,故取1,而此次設(shè)計的超聲波清洗機(jī)的內(nèi)槽的尺寸是，故得總功率為:=。而又考慮到換能器不發(fā)生干涉的最小距離是30mm，故選擇功率為100w換能器，故需要的換能器的個數(shù)是=個。將8個置于清洗槽底部和12個左側(cè)面。 第5章 箱體的設(shè)計 5.1 清洗槽的設(shè)計 清洗槽由內(nèi)槽和外殼組成，采用不銹鋼材料制成，因為不銹鋼不生銹、強度高、抗一般化學(xué)腐蝕。內(nèi)槽的外表面(一般在槽底外表)粘結(jié)超聲換能器，超聲波橫縱交加時可增強清洗效果、提高清洗效率，因此，此清洗機(jī)換能器就采用了粘結(jié)在槽底部和一個左側(cè)面，槽內(nèi)盛清洗液，此次超聲波清洗機(jī)的清洗液采用高壓凈水，必要時再人工加入清洗劑。與換能器粘結(jié)的槽底部厚度不宜太厚，一般取1.5-3mm，以減少聲能損失，此此設(shè)計取2mm。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影響清洗效果，一般用鏤空吊籃(網(wǎng)籃)或支架將清洗件懸吊在清洗液中，結(jié)構(gòu)上要使超聲波受阻小而清洗液易于流動。本次設(shè)計采用小鋼絲編織而成的網(wǎng)籃的形式。網(wǎng)籃的底部與內(nèi)表面底部之間安裝電熱管，用于清洗液加熱和保溫，并由溫度傳感器及開關(guān)控制水溫保持在60℃左右。故外槽尺寸為。 5.2 附加箱的設(shè)計 另加此設(shè)計有一個小的創(chuàng)新之處就是設(shè)計了一個附加箱，其總尺寸為，附加箱分為兩層，上層存放中央控制器PLC和超聲波發(fā)生器電路等，下層存放衛(wèi)生紙，兩層間用一塊不銹鋼板離底部100mm的高度采用焊接的方式隔開，即下箱體是紙箱，上箱體是中央控制箱。為了對電路的檢查和維修的方便，中央控制箱體的右側(cè)面設(shè)計可打開的側(cè)面。而為了放紙和取紙的方便，紙箱的前面是沒有不銹鋼板的。附加箱與清洗槽之間用六個直徑為6毫米的螺栓固定。整個清洗機(jī)箱體的外圍尺寸是。 5.3 箱蓋的設(shè)計 為了保證水槽的清潔，為了保證清洗過程中的安全和清潔，本次設(shè)計在水槽的上方設(shè)計了一個箱蓋，并且，為了減輕箱蓋的重量從而來減輕整體的重量，箱蓋采用的材質(zhì)是ABS材質(zhì)的。手柄也是硬塑料的，用兩個M6的螺栓連接。結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。 圖11 箱蓋結(jié)構(gòu)圖 5.4 腳輪的設(shè)計 為了清洗機(jī)移動的方便，此次設(shè)計在清洗機(jī)底部安裝兩個定向輪和兩個轉(zhuǎn)向輪。并且四個輪都安裝在水槽底部，不安裝在附加箱底部。經(jīng)對整個裝置的最大的質(zhì)量的估算，定向輪的型號是CV120-75，萬向輪選擇的是3寸平頂靜音PU萬向輪，選擇的型號為2B-3WJ543WI54，其載重為80千克。 圖 12 萬向輪 第6章 附加部件的選擇 排熱扇的選擇：為了保證中央控制器的正常工作，則在控制箱里需要安裝一個小型排熱扇，超聲波清洗機(jī)使用的風(fēng)機(jī)稱為翼式離心風(fēng)機(jī)，也叫多翼式送風(fēng)機(jī)，選取的型號是CY150，其參數(shù)為370W，單相220V/三相380V，最大風(fēng)壓是14.8 。 加熱器的選擇：為了保證水溫能從常溫增加到60℃，并具有一個安全性，故選擇的型號是;ZK-B-02-010，功率是5.8KW。 進(jìn)水電磁閥的選擇：選擇能進(jìn)行數(shù)控的先導(dǎo)式的電磁閥DCF-HSE。該型電磁閥線圈采用100%無氧銅漆包線繞制，采用目前國際上頂級線圈封裝材料封裝，線圈具有防水防潮、耐磨防腐蝕、耐高低溫的優(yōu)點，絕緣等級高，散熱效果好，正常情況下，產(chǎn)品可長期使用。 排水電磁閥的選擇：因為設(shè)計的清洗機(jī)容積不是很大，只有68，故選擇型號為DCF-HS3C的排水電磁閥。 報警器的選擇：當(dāng)清洗完畢時，要自動提醒，就得用上報警器，選擇HC-103聲光警號報警器。 液位計的選擇：由于本次設(shè)計的超聲波清洗機(jī)是全自動的，所以要控制水位的高低，因此要選擇一個液位計，選的型號為YZ01-201。 溫度傳感器的選擇：清洗的過程中水溫要保持在60℃左右，因此要用溫度傳感器來取得溫度的信號進(jìn)而來控制加熱器的開與關(guān)，在此設(shè)計中選擇型號為DS18B20的防水溫度傳感器。 第7章 中央控制系統(tǒng)設(shè)計 7.1 系統(tǒng)工藝流程設(shè)計 將待洗零部件放入網(wǎng)籃。1、啟動系統(tǒng)；2、打開給水泵，注入高壓凈水，根據(jù)情況放入清洗劑；3、啟動加熱裝置；4、達(dá)到設(shè)定水位，關(guān)閉給水泵，并浸泡待洗零件；5、當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定水溫后，停止加熱；6、啟動超聲波發(fā)生器；7、延時；8、打開污水泵，抽出廢水；9、延時；10、發(fā)出報警，提示清洗完畢；11、關(guān)閉系統(tǒng)。 7.2 主控制器的設(shè)計 本系統(tǒng)中的控制量均為開關(guān)量，整個工藝過程以邏輯順序控制為主，故選用可編程控制器即PLC為控制單元，實現(xiàn)整個過程的自動控制。并且PLC優(yōu)點很多，比如說體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、功能強大、擴(kuò)展能力強、抗干擾能力強，很適合工業(yè)環(huán)境。 本系統(tǒng)中，輸入量為5個，輸出量為6個，故選用三菱公司的FXIN-24MR型控制器。該型號PLC提供14個輸入點和10個輸出點，繼電器輸入方式，采用8進(jìn)制編號。具體輸入點和輸出點分配方案如表1所示。 表1 PLC 輸入、輸出的分配表 輸入端子分配 輸出端子分配 啟動按鈕 SQ0 X000（I0.0） 電路箱散熱器 Y000 (Q0.0) 液位上限位開關(guān) SQ1 X001 (I0.1) 給水泵電磁閥 Y001 (Q0.1) 液位下限位開關(guān) SQ2 X002 (I0.2) 污水泵電磁閥 Y002 (Q0.2) 溫度信號 達(dá)到60 X003 (I0.3) 加熱器 Y003 (Q0.3) 未達(dá)到60 X003 (I0.5) 超聲波驅(qū)動器 Y004 (Q0.4) 緊急停機(jī)按鈕 X004 (I0.4) 報警器 Y005 (Q0.5) 具體的操作：按下啟動按鈕X000，中央控制箱散熱器風(fēng)扇Y000開始運轉(zhuǎn)，同時打開給水泵電磁閥Y001，注入高壓凈水，噴洗待洗零部件，并啟動加熱裝置Y003，直到水達(dá)到設(shè)定的上限值時，液位上限開關(guān)X001動作，停止注入高壓水。當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定值60℃時，控制器便接收溫度信號X003，即停止加熱，當(dāng)水溫低于設(shè)定值60℃時便重新啟動加熱裝置。延時T0（設(shè)定為60s），浸泡待洗零部件60s。時間到后啟動超聲波驅(qū)動電路Y004，定時T1（初設(shè)90s），T1時間到，超聲波驅(qū)動電路停止工作，并打開污水泵電磁閥Y002，直到液位達(dá)到了設(shè)定的下限值，液位下限位開關(guān)X002動作，再次延時T2（設(shè)定10s）以排凈污水，延時完畢，驅(qū)動報警器Y005，報警持續(xù)時間為T3(20s)，報警完畢，等待T4（設(shè)定60s）切斷所有電源，系統(tǒng)停止工作，在整個工作過程中，如果按下緊急按鈕X004，系統(tǒng)可隨時停止工作，以避免發(fā)生事故。 7.3 軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件流程圖如下圖所示。 圖 13 系統(tǒng)軟件流程圖 根據(jù)上述流程圖的畫出其系統(tǒng)的梯形圖，如下圖所示。 圖 14 系統(tǒng)功能的梯形圖 PLC的硬件接線圖如下： 圖 15 PLC硬件接線圖 第8章 總結(jié) 時間過得好快，一轉(zhuǎn)眼幾個月的畢業(yè)設(shè)計接近了尾聲。經(jīng)過這幾個月的的奮戰(zhàn)我的畢業(yè)設(shè)計終于完成了。對我來說，超聲波的原理及其應(yīng)用是我的新的知識點，在大學(xué)期間的課程當(dāng)中，我沒有接觸過這方面的知識，但是自從我選了這課題《超聲波清洗機(jī)設(shè)計》后我開始去圖書館借書、查閱資料，上網(wǎng)搜索關(guān)于超聲波的知識，漸漸地對超聲波有了了解。并在整個超聲波清洗機(jī)的設(shè)計過程當(dāng)中，我對超聲波有了更加深入的了解。并且再次復(fù)習(xí)了有關(guān)的專業(yè)知識，比如說有《機(jī)械設(shè)計》、《精密與特種加工技術(shù)》、《現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)》、《機(jī)械原理》等書籍，對這些知識又有了新的認(rèn)識，有了更深的了解。在沒有做畢業(yè)設(shè)計以前覺得畢業(yè)設(shè)計只是對大學(xué)這幾年來所學(xué)專業(yè)知識的一個單純總結(jié)，但是到現(xiàn)在，通過親身經(jīng)歷了這次做畢業(yè)設(shè)計才發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種復(fù)習(xí)、總結(jié)、檢驗，而且也是對自己能力的一種鍛煉、提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我看到了自己原來所學(xué)的知識還比較欠缺，還不扎實。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我意識到了學(xué)習(xí)要腳踏實地，學(xué)習(xí)的過程是一個長期積累的過程，在以后的生活、工作中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，不斷的努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 在這次畢業(yè)設(shè)計中也使我們的同學(xué)關(guān)系更融洽了，同學(xué)之間互相幫助，互相學(xué)習(xí)，互相借鑒，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽同學(xué)的不同的看法有益于我們更好的理解知識，因此在這里我非常感謝幫助我的同學(xué)。 的確是萬事開頭難，一開始不知道如何入手，但是通過指導(dǎo)老師的虛心教導(dǎo)，同學(xué)的相互幫助，慢慢的對此課程有了把握，最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值!有些東西以為學(xué)會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，學(xué)會了不一定能用的好，所以我認(rèn)為只有到真正會用的時候才是真的學(xué)會了。 致謝 通過畢業(yè)設(shè)計，我們能將大學(xué)所學(xué)的知識學(xué)以致用。課堂中的學(xué)習(xí)基本是理論學(xué)習(xí)，而理論知識的運用很少能在實際中驗證、實現(xiàn)，會遇到很多的理論與實際無法轉(zhuǎn)化的難題，所以如果稍不用心的話就會感覺理論知識學(xué)習(xí)的枯燥，理論的知識本來就不是那么容易入手，尤其是比較專業(yè)、高深的知識，因此很容易導(dǎo)致學(xué)生對理論知識學(xué)習(xí)興趣的降低。我們學(xué)習(xí)的根本目的在于運用，只有學(xué)以致用，學(xué)習(xí)才有意義，尤其對于我們工科而言。我們機(jī)械專業(yè)大學(xué)開設(shè)的課程有很多，包括現(xiàn)代工程圖學(xué)，高等數(shù)學(xué)，C語言程序設(shè)計，大學(xué)物理，電路，工程數(shù)學(xué)，理論力學(xué)，互換性與技術(shù)測量，機(jī)械原理，模擬電路，材料力學(xué)，金工實習(xí)，機(jī)械設(shè)計，機(jī)械制造基礎(chǔ)，數(shù)字電路，工程測試與信號處理，控制理論基礎(chǔ)，電機(jī)拖動，液壓與氣壓傳動，機(jī)電傳動與控制，機(jī)械制造工藝學(xué)等等我們雖然學(xué)了這么多課程，但實際上掌握到真正可用的東西少之又少，原因一部分在于我們學(xué)藝未精，一部分則來源于沒有與實際運用掛鉤。所以導(dǎo)致我們常常懷疑學(xué)那么多的課本知識是否對以后的工作有用，誠然，知識積累的越多越好，尤其是我們的專業(yè)知識，我相信大學(xué)的教育機(jī)制是本著重大的責(zé)任，我們花這么大的代價：從小學(xué)開始，我們就一直在為上大學(xué)的目的而努力學(xué)習(xí)，為此家長和老師是含辛茹苦，我們也放棄了很多少年時的玩樂，為的正是能上大學(xué)，接受更好的教育，以后成才，報答他們?，F(xiàn)在我們已經(jīng)臨近大學(xué)的尾聲，回首整個大學(xué)的學(xué)習(xí)生活，難免有不少感慨，曾經(jīng)的我是不懂如何去學(xué)，但當(dāng)懂得如何去學(xué)的時候，又發(fā)現(xiàn)時間已經(jīng)不再，慶幸地是，大學(xué)里雖有很多遺憾，但還不算荒廢，也學(xué)習(xí)到很多有用的東西。 對于畢業(yè)設(shè)計,設(shè)計一個我沒有接觸過的機(jī)器，一開始是沒有任何頭緒，在網(wǎng)絡(luò)上找了很多文獻(xiàn)資料，但有用的很少，一直不知如何下手，所以進(jìn)展很緩慢，之后不斷的積累有用的東西，更重要的是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，學(xué)會一步一步如何動手開展，導(dǎo)師要求我們的設(shè)計機(jī)器希望能有我們自己的創(chuàng)新，很長一段時間一來我一直著重于如何去創(chuàng)新，但是畢竟個人經(jīng)歷、知識有限，無法在短時間內(nèi)設(shè)計出滿意的東西，最后和合作的同學(xué)選擇了一個能滿足要求，結(jié)構(gòu)不失為簡潔的方案。 在此，鄭重地感謝這次畢業(yè)設(shè)計過程中對我給予幫助的人，首先，要感謝的是我的導(dǎo)師李玉平副教授，她認(rèn)真負(fù)責(zé)，嚴(yán)格的要求，無微不至，教會我許多設(shè)計的經(jīng)驗和知識，以及人生上也極為有用的道理，通過李玉平老師的教導(dǎo)，使我受益匪淺。其次，我還要特別感謝我的好朋友方化攀同學(xué)，他在三維建模過程中給了我很大的幫助，還要感謝我的同學(xué)楊如意、羅瓊、劉博良、陳鵬等人，他們在設(shè)計說明書的編寫工作中給了我很多的建議。除此之外，還必須感謝參考文獻(xiàn)的各位原作者，學(xué)校、學(xué)院的各位老師、領(lǐng)導(dǎo)。 參考文獻(xiàn) [1] 趙又紅，周知進(jìn). 機(jī)械設(shè)計、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)：中南大學(xué)出版社 [2] 聞邦椿. 機(jī)械設(shè)計手冊. 機(jī)械工業(yè)出版，2010 [3] 曹鳳國. 超聲加工. 化學(xué)工業(yè)出版社，2014.1 [4] 濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計： 高等教育出版社，第八版 [5] 張建華. 精密與特種加工技術(shù)： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2003.7 [6] 王永華. 現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)：北京航空航天大學(xué)出版社，第二版 [7] 顧東明. 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