隨著科技生產的發展數控機床在工業應用上的廣泛使用，隨之而來的數控機床冷卻液槽的清洗工作是一項不可忽視的問題，由于機床的冷卻液槽槽壁堆積著大量的油污和切削粉末，采用傳統的手動清掃，不僅勞動強度大、作業環境臟、作業時間長，同時消耗大量的化學清洗液和輔助材料，造成材料浪費的同時也產生了大量的廢液造成污染。不僅給管理部門和使用部門都帶來了很大的麻煩，同時也嚴重影響數控機床的高效運行，急需一種專用的清洗設備來解放大量的勞動力和節約大量的勞動時間。讓數控機床高效運行，為生產加工服務。

　　1 技術背景

　　(1)采用模塊化功能電路設計，易于安裝和調試及修理。(2)換能器采用夾心式1/4波長換能器，易于安裝和調試。(3)倒喇叭型變幅桿，位移節點設計在變幅桿1/4處，易于安裝，聲損耗小。(4)整體結構緊湊，依據現場情況可改變多種安裝形式。(5)振動子法蘭盤設計，對原設備改動較小。

　　2 設計方案

　　2.1 超聲波簡介

　　物體每秒鐘振動的次數稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。 我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為20～20000赫茲。當聲波的振動頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能。

　　2.2 超聲波的空化作用

　　超聲波在液體介質中傳播產生特殊的“空化效應”，“空化效應”不斷產生無數內部壓力達到上千個大氣壓的微氣穴并不斷“爆破”產生微觀上的強大沖擊波。超聲波聲場的能量密度與空化泡崩潰時的能量密度相比，能量密度被擴大了萬億倍，引起能量的巨大集中;空化泡產生的極端高溫和高壓導致的聲化學現象和聲致發光，是聲化學中特有的能量和物質交換形式。超聲波防垢除垢作用就是依據超聲空化作用來實現的。

　　2.3 超聲波防垢除垢工作原理

　　大功率超聲波超聲波防垢除垢系統由超聲波振動部件和超聲波專用驅動電源兩大部分組成。超聲波振動部件主要包括大功率超聲波換能器、變幅桿、工具頭(發射頭)，用于產生超聲波振動，并將此振動能量向液體中發射。換能器將輸入的電能轉換成機械能，即超聲波。其表現形式是換能器在縱向作來回伸縮運動，振幅一般在幾個微米。這樣的振幅功率密度不夠，是不能直接使用的。變幅桿按設計需要放大振幅，隔離反應溶液和換能器，同時也起到固定整個超聲波振動系統的作用。工具頭與變幅桿相連，變幅桿將超聲波能量振動傳遞給工具頭，再由工具頭將超聲波能量發射到化學反應液體中。

　　2.4 超聲波防垢除垢系統主要部件功能

　　(1)超音波振動源(驅動電源)：把50-60Hz的市電轉化為高功率的高頻率(15kHz-100kHz)電源，提供給換能器。(2)換能器(controller，transducer)：把高頻率電能轉化為機械振動能。(3)變幅桿：聯接并固定換能器與工具頭，將換能器之振幅放大后傳送到工具頭。(4)工具頭(導入桿)：把機械能和壓力傳至工作物，同時也有振幅放大的功能。(5)連接螺栓：將以上各組件緊密地連接。

　　3 超聲電源的設計

　　把50-60Hz的市電轉化為高功率的高頻率(15kHz-100kHz)電源，通過輸出變壓器阻抗匹配提供給換能器。起工作過程是AC-DC-AC的轉換過程，超聲功率電源也稱為超聲頻率發生器，它在超聲振動中起到頻率振蕩，調功、調頻及條脈寬的功能外，還要達到良好地阻抗匹配和頻率諧振，限于篇幅不在詳細介紹、羅列一些設計的原理圖及PCB板圖描述設計過程。

　　3.1 夾心換能器設計

　　現在用的超聲波換能器，除了磁致伸縮結構以外就是常用的用前后蓋板夾緊壓電陶瓷的“朗之萬”換能器，超聲波就是通過換能器將高頻電能轉換為機械振動。換能器的特性取決與選材和制作工藝，同樣尺寸外形的換能器的性能和使用壽命是千差萬別的。依據超聲波換能器設計理論，采用4片PZT壓電陶瓷設計制作成1/4波長夾心式，它有反射罩傳到體壓電陶瓷，電極片及鎖緊螺釘組成

　　3.2 超聲變幅桿設計

　　換能器將高頻電能轉換為機械振動，它是電聲轉換器件，其輸出的機械振幅較小，還不能滿足實際生產加工需求，還需將該機械振動進行放大，變幅桿就是用來接收換能器的機械振動并將之放大的關鍵器件。鑒于加工及安裝方便，采用流行的倒喇叭型變幅桿，將位移節點設計在變幅桿的前1/4處，通過鎖緊螺釘將它與換能器按要求鎖緊，并測試靜態特性和動態特性。

　　3.3 超聲電源箱鈑金設計

　　電源機箱不僅是超聲電源各部件的載體，還要滿足超聲電源個電子器件的熱、磁等參數要求，同時還要美觀方便使用，通過電氣原理圖及制版圖的設計，及超聲電源關鍵部件的設計后，綜合以上關鍵數據，采用CATIA的鈑金模塊設計超聲電源機箱實體圖。

　　4 超聲電源及變幅桿匹配調試

　　4.1 電源調試

　　超聲電源的調試較為關鍵，首先調試功率直流電源模塊，將功率電源帶上假負載，經測試沒有短路和斷路情況下，接通市電AC220V，經環牛變壓器降壓為AC110送入可控硅交流調壓部分，經全橋整流和電容穩壓，功率直流電源應有DC90V～DC150V直流輸出。接上半橋功率驅動，關閉前置振蕩板的振蕩信號，半橋驅動板的功率放大管的Vce應等于直流功率電源的一般電壓，說明半橋驅動工作正常，關閉前置放大的振蕩信號，測量輸出變壓器應有交流振蕩信號輸出，調整選頻網絡，輸出變壓器的輸出信號應有相應的頻率信號輸出。以上超聲電源基本調試完成，需進一步匹配調試。

　　4.2 匹配調試

　　匹配調試的目的是將超聲電源輸出頻率同振動子固有振蕩頻率匹配。這需要兩個關鍵步驟。

　　4.2.1 頻率調整

　　將振動子接到超聲電源上，調節選頻網絡，通過測量變幅桿輸出，直到變幅桿端面有明顯的微量振動，通過調節輸出變壓器副邊跳線繞組和匹配電容結合調整選頻網絡，是變幅桿振動位移為最大，通過頻率表測量變壓器輸出頻率，如果較低，可通過改變換能器和變幅桿外觀尺寸來改變振動子的固有諧振頻率，是變幅桿輸出位移振幅為最大。

　　4.2.2 阻抗匹配

　　匹配的含義是超聲電源輸出的阻抗和振動子的動態阻抗和容抗相匹配，是本身為容抗負載的換能器通過電容和電感的匹配轉換成純阻抗型負載。