超声波原理和维修

讲授者：王振云讲义指南一、超声波的用途和基本构成；二、超声波的使用方法及注意事项；三、超声波发生器的组成结构及器件检测；四、超声波控制系统的电路分析;五、如何使用编程器对发生器进行简易设置；六、超声波系统的常见故障分析。一、超声波的用途和基本构成1、超声波清洗机主要是用于组件中对喷丝板、过滤芯等零部件的清洗，使这些被清洗的部件最终达到组件安装时所必需的清洁指标。2、超声波清洗系统主要是由电气控制系统、机械移动机构和纯水的给排系统三部分组成。3、电气控制系统主要是由PLC控制系统、超声波发射器和换能器三部分组成。一、超声波控制柜图片：PLC控制式控制柜内部器件分布图控制操作按钮界面图PLC控制器二、超声波发生器单机图片：LED显示屏（正常工作时可以显示工作频率、工作电流和故障代码；当连接编程器时可以显示各种需要设置的参数）电源开关超声按钮运行指示灯报警指示灯电源指示灯功率大小显示条通讯接口（主要用于连接编程器）超声波发生器组合图片：聚能式发生器A（控制移动机架上的前换能器）聚能式发生器B（控制移动机架上的后换能器）分布式发生器A（控制清洗槽平面下方左边的换能器）分布式发生器B（控制清洗槽平面下方右边的换能器）三、聚能式换能器整体图片：散热风扇内部是换能器核心部件振头（连接在振动棒上）被清洗部件喷丝板左右超限开关BA换能器核心部件图片：换能器负极（此线在发生器内部与外壳连接）换能器正极（此处输入由超声波发生器逆变匹配后送来约1700V的高频驱动电压，其频率为15KHz左右）变幅杆（用于振幅放大作用）内部由四片压电陶瓷晶片和一个共振板组成（1）换能器的组成材料是压电陶瓷晶片。由压电陶瓷的物理属性可知，当其两极所加的驱动电压频率等于压电陶瓷的固有振荡频率时，压电晶片将会发生机械共振；反之，如果压电陶瓷两端未加驱动电压，而在陶瓷晶片的共振板上施加等于其固有频率的机械振动波能时，将压迫晶片产生共振，使得其两端在压电陶瓷的机械能转换为电能后，产生与之成正比的电压信号；（2）由换能器产生的约15KHz超声波机械振动波能，通过变幅杆振幅放大，再由超声波振动棒进行振幅二级放大后传给振头以做高频机械振动；振头振动所产生的高频机械能通过纯净水做为作用力媒介来对被清洗物件进行超声波清洗。换能器的工作原理简介：五、清洗槽与控制柜及发生器的插件端子连接图：连接至三相移动电动机下面四个插件端子分别连接四个换能器（分别是上面移动架上的两个聚能式换能器，和平面底下处于左右位置的两个分布式换能器）连接至用于限制机架左右移动的行程开关连接至用于确定机架移动正确点位置的定位检测接近开关，及用于判定机架左右位置的光电开关六、左右移动机构中的定位接近开关图片：定位感应接近开关（用于移动电机在左右移动过程中感知为所需短暂定位停留而设置的定位螺杆的位置信号，其感知后会在该点停留一个时间段，其停留的具体时间由“单块清洗时间继电器”的设定时间来确定，通常为两分钟左右）定位螺杆（为移动电机左右移动过程中所需短暂定位停留而设置的定位螺杆）喷丝板定位俯视图片：实际定位点A实际定位点A-1实际定位点A-2定位点依次类推聚能式换能器振头左右移动机构中的左右位置感知光电开关图片：右边位置标志条（只有在清洗槽的右边下方设置位了置标志条）起到对移动机架左右位置感知作用的对射接受一体化光电开关左右移动机构中的左反位开关和移动电机图片：三相移动电动机触动臂（用于碰触左右反位开关）左反位行程开关（当机架移动到左极限并且使碰触臂碰触到左反位开关后，移动电机开始反向运转，机架上的聚能式换能器也随之向右移动）左右移动机构中的左右超限行程开关图片：左右超限开关（此常闭触点串联在PLC的电源供电回路中。当支架的左右移动，而左右反位开关失控时，超限了的支架就会使左右超限开关被清洗槽内壁碰触而动作保护）（1）对射接收一体式光电开关是用于感知移动机构所处在清洗槽的左右位置。当跟随移动机架一起移动的一体式光电开关所经过处未有遇到右边位置标志条时（即移动机架处于清洗槽的左边，此时无遮挡物处于此光电对射空间），该光电输出一个闭合状态给PLC，由PLC内部程序可以确定此时该移动机构正处于清洗槽的左边位置，于是PLC输出相应的动作点，使控制驱动清洗槽左边平面下分布式换能器的超声波发射器停止工作，而使控制驱动清洗槽右边平面下换能器的超声波发射器保持或开始工作。而控制驱动处于移动机架上的前后两个聚能式换能器的发生器无论移动机架在任何非超限位置总是处在工作状态。其如此的作用是防止上下同时相对超声而作用于被清洗物件的清洁效果由于其超声作用方向的相反而互相削弱乃至完全抵消；（2）位置标志条只在清洗槽的右下方设置，而其左下方未有安装位置标识条，这样就使左右位置检测光电可以在机架实际所处的不同位置时分别输出具有代表其左右位置信息的状态动作：断开或闭合；（3）由以上分析可知，装在移动机架上的两个聚能式换能器在随同机架一起从左至右、再从右至左的不断往复中来对清洗槽内的所有物件进行清洗。而其在移动过程中是停止机架上的前后两个聚能式换能器工作的，只有当定位位置到达后，即聚能式换能器对准在物件上方后，再进行开启并计；待单板清洗时间到达后，便停止物件上方的聚能式换能器工作，机架带动聚能式换能器继续向左或向右移动，当机架位置到达了下一个定位点后，聚能式发生器再次开启，依次往复，直至总设定的超声时间到达后，系统停止工作。二、超声波的使用方法及注意事项1、超声波的基本使用方法：（1）准备开机将套有尼龙套的喷丝板放在清洗支架上，再将支架放入水槽。根据喷丝板支架的长度，调整限位开关位置，使振头行程正好满足清洗要求。调整振头前后位置，使振头的辐射面正好在工件中心。调整振头前后高度使振头的辐射面与喷丝板的最高点间隙保持在2—4毫米左右，不碰撞，不摩擦为宜。打开进水阀进水，调节溢水阀，使振头入水约10mm—15mm，调节进水阀使系统进出水平衡。（2）开始清洗按下总电源按钮，绿色灯亮，总定时器开始计时；①、选择手动模式；此时按下移动按钮，振头会向左或向右右移；如按下相应位置的超声按钮，则相应的发生器会开始工作超声。②、选择自动模式；按下自动启动按钮，设备开始自动运行。清洗时间到后，报警灯报警。按下急停按钮，系统断电，红色指示灯亮。弹开急停按钮，重新启动即可。（3）清洗暂停及关机按下自动停止按钮，将暂停清洗；再次按下总电源按钮，系统关机；关闭进水阀，停止供水，打开排水阀，放掉水槽里的水。2、注意事项：（1）换能器主要部件是压电器件，工作时两端电压峰值超过1700V，决不允许有水滴进。否则容易造成高压拉弧，陶瓷片炸裂。（更换工件时，若用手扳换能器外壳时，切忌水从上面通风孔内进入）；（2）不得无水操作或将振头无故提出水面，否则容易损坏振动子；（3）不准向聚能器和振动子接合部位泼水（防止接合部连接螺丝缝隙进水，受超声作用发生腐蚀，引起螺丝松动或折断）；（4）聚能器不能调整过低，否则会碰到工件，使系统电流突然过大，系统自动保护关机。振动子位置调整好后用手柄锁紧，防止意外下滑，撞到工件；（5）考虑到设备持续运行时无人看管，系统软件将清洗时间设定为定时和不定时两种。定时一般为3小时，系统会自动停机；（6）不准使机器带故障工作，否则会使故障点扩大。三、超声波发生器的组成结构及器件检测1、发生器的开机现象：（1）开启系统电源及发生器电源，发生器指示灯亮，显示器显示从5开始依次向下显示，即5,4,3,2,1，此时超声波清洗机进行初始化，发生器面板显示起始频率并不停闪烁，当发生器的遥控端接收到控制柜给出的启动信号后，系统频率从15000HZ开始，以每次5HZ向下扫描，功率条显示到一半时，频率转为以每次1HZ扫描，功率继续往上升，可听到超声波声音，在功率条满格后频率扫描停止，超声波正常工作。（2）发生器工作一段时间后，功率会稍微下降，此时系统频率会进行跟踪调整，即向下扫描几赫兹后，功率条减少一格，慢慢地功率条又恢复满格。功率和频率如此反复，直到人为干预。2、聚能式发生器结构图片：串联电感及电容输出变压器开关稳压电源单片机控制主板散热风扇过滤器功率放大板主控接触器桥堆整流器扼流线圈输出电容和滤波电容分布式发生器结构图片：散热风扇过滤器主控接触器桥堆整流器断路器开关谐振电容串联谐振电感输出变压器开关稳压电源IGBT模块功率驱动板单片机控制主板输出变压器和电感电容谐振网络图片：电容串联电感输出变压器单片机控制主板图片：连接至开关稳压源输出端，为单片机主板提供各种所需等级电压连接至通讯接口，用于连接编程器遥控端子和超声按钮输入端，用于控制超声与否连接至主接触器线圈端子，用于控制整机功率部件加电与否连接至功率放大板输入端口，向功率板提供待放大高频信号，并收集从功率板中反馈过来的工作状态电压信息STC系列90C58PD单片机3、聚能式发生器草稿框架图（A）：聚能式发生器草稿框架图（B）：聚能式发生器草稿框架图（C）：聚能式发生器草稿框架图（D）：3、关于发生器内的一些重要部件的检测方法：（1）换能器的四角插头，其中两个是220V散热风扇供电，另外两个是供给换能器振头的。换能器1，2端为接换能器，3,4端接散热风扇。其中换能器好坏可用电容档测量。1,2端用电容档测量，一般测得容量为14.86nf左右。3,4端测得的电阻为1.24k左右。1，2端为接换能器，正常测得容量为14.86nf左右3,4端接散热风扇，正常测得电阻为1.24k左右（2）整流桥堆的测量：检测时，可通过万用表的二极管档，首先将黑表笔固定在“+”极引脚，然后用红表笔分别碰触两个“～”极引脚，此时正常时应该显示两次“495”左右的数值；将红表笔固定在“一”极引脚上，再将黑表笔分别碰触两个“～”极引脚，此时正常时也应显示数值为“495”左右。根据各整流二极管的正、反向的压降值（与普通二极管的测量方法相同）是否正常，即可判断该全桥是否损坏。若测得全桥内某只二极管的正、反向电阻值均为0或均为无穷大，则可判断该二极管已击穿或开路损坏。）（2）绝缘栅三极管IGBT的测量：该管共有三个引脚，分别是栅极G、集电极C和发射极E。由于该管的集电极和发射极之间有一个续流二极管，所以用万用表二极管挡测量时即可判断出集电极和发射极，那么剩余一个引脚就是栅极。注意，该管在正常情况下只有CE之间是可以有一个单向导通特性的，其余各引脚之间应均为无穷大才是正常。（3）IGBT模块的测量：万用表打在二极管档上，分别用红表笔碰触在2脚，黑表笔碰触在1脚；和将红表笔碰触在1脚，黑表笔碰触在3脚。由于它们内部之间都存在着一个续流二极管，所以正常时显示应该为“371”左右。再将万用表打在电容档上，分别去测量4脚和5脚、6脚和7脚之间的电容值，正常情况下约为22nF左右。（4）电容的测量：测量前首先要先将电容内聚攒的电荷通过短接两引脚的方式来中和掉。将万用表打电容档上，直接测量电容的容值大小，或偏差太大或完全失容，则表示此电容已经损坏。（5）功率板的测量：①测量功率板上的电阻（有50欧姆和0.6欧姆两种）阻值是否正常；②测量功率板上的功率管IGBT是否正常（如要判断精确最好取下来测量）；③测量功率板上的二极管、电容和激励变压器是否正常。IGBT功率管0.6欧姆电阻50欧姆电阻电源直流300V输入和功率放大输出端口激励变压器电容四、超声波控制系统的电路分析1、超声波控制系统的分类①PLC左右移动定点超声控制式；②继电接触器左右移动超声控制式；③简易固定超声控制式。1、PLC左右移动定点超声控制式图片：超声上前继电器超声上后继电器超声下左继电器超声下右继电器电源接触器左移接触器右移接触器热继电器PLC控制器PLC左右移动定点超声控制式原理图：电源手动自动左移右移超声上前超声上后超声下左超声下右定位光电左右光电左反位开关右反位开关总定时到位定位定时到位自动启动自动停止电源指示灯自动指示灯电源接触器左移接触器右移接触器超声上前继电器超声上后继电器超声下左继电器超声下右继电器报警灯单板超声定时器定位光电左右感知光电急停按钮左右超限开关断路器开关电源接触器左右切换接触器超声波发生器