一种用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的制作方法

本发明属于超声加工技术领域，具体涉及一种用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱。

背景技术：

在现代产品加工制造中，超声加工技术得到了的广泛应用，但是针对超声加工系统声学性能的开发与调试，仍然存在很多问题。在超声加工系统中超声电源基于超声振动系统的声学参数所做的阻抗匹配是否良好是影响超声加工系统声学性能好坏的关键。因此有一台能够反应超声加工系统加工过程中频率状态、功率状态并能进行相应的阻抗匹配调节的匹配箱对超声加工系统声学性能调试有着极大的便利；检索资料分析显示：国内有很多针对电感调节的可调电感箱，但都不是针对超声加工系统，也无法对超声加工系统实现动态阻抗匹配；现有技术如公开号为cn105033779的专利文献，公开了一种超声加工系统的动态跟踪匹配装置，包括主控芯片、一双绕组变压器，所述双绕组变压器的l1线圈的一端与超声输出端相连接，所述双绕组变压器的l1线圈的另一端与一个可调电感器的电感lp并联连接，所述双绕组变压器的l2线圈的一端连接在一由两个三极管连接构成的复合三极管的其中一个发射极上并与所述主控芯片的引脚相连接，l2线圈的另一端与所述复合三极管另一个发射极相连接，所述复合三极管的基极与所述可调电感器的可调电感芯相连接，还包括一压电陶瓷器件pzt，所述压电陶瓷器件pzt与所述可调电感器的电感ls串联连接，在所述电感ls的两端还串接有电阻r1、r2；电阻r1、r2的连接点通过一运算放大器与所述主控芯片相连接；上述方案结合了频率跟踪算法，针对超声加工系统做了动态跟踪匹配装置，实现对于超声加工系统阻抗的动态匹配，但是并没有反映超声加工过程中加工状态的装置，并且由于外界对于超声振动系统内部静电容c0影响量较大，其动态匹配并不十分准确；

因此，本领域亟需一种针对超声加工系统阻抗匹配调节以及反映加工过程中加工状态的动态匹配箱。

技术实现要素：

基于现有技术中存在的上述不足，本发明提供一种用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱，所述超声加工系统包括电声系统的超声电源、超声换能器，所述动态匹配箱包括箱体及安装于箱体内的功率检测模块、频率显示模块、电感调节模块、匹配电容模块；所述功率检测模块连接于超声电源变压器与电感调节模块之间，用于检测电声系统的功率使用情况；所述频率显示模块与超声电源变压器连接，用于采集超声电源输出端的频率信号以实时检测电声系统的频率；所述电感调节模块连接于功率检测模块与匹配电容模块之间，所述匹配电容模块并联在超声换能器的两端，所述电感调节模块与匹配电容模块用于对超声加工系统进行动态阻抗匹配。

作为优选方案，所述功率检测模块包括驻波检测组件、功率显示表头，所述驻波检测组件主回路输入端与超声电源变压器输出端连接，所述驻波检测组件主回路输出端与电感调节模块连接，所述驻波检测组件通过耦合信号输出端口与功率显示表头连接；所述功率检测模块检测整个电声系统的功率使用情况，并指导通过对电感调节模块的调节对整个电声系统功率使用进行优化调节。

作为优选方案，所述频率显示模块包括ac/dc开关电源、光耦、频率计，所述ac/dc开关电源输入端与市电连接，所述ac/dc开关电源输出端与光耦和频率计连接，所述光耦信号输入端与超声电源变压器连接，所述光耦信号输出端与频率计连接；通过光耦滤波，频率计计数后，频率显示模块可以实现对整个电声系统的频率进行实时监测，同时指导对于电感调节模块和匹配电容模块进行即时调节。

作为优选方案，所述电感调节模块包括定值大电感部和可调电感部，所述定值大电感部串联在可调电感部与匹配电容模块之间，所述可调电感部通过保险丝与功率检测模块连接；所述电感调节模块为整个电声系统提供的动态可调的匹配电感。

作为优选方案，所述定值大电感部包括定值大电感、定值大电感支座、定值大电感按钮开关，所述定值大电感固定于定值大电感支座并与定值大电感按钮开关连接。

作为优选方案，所述可调电感部包括可调电感旋钮开关、若干100μh小电感、若干10μh小电感、支撑底板、小电感支座，所述若干100μh小电感、若干10μh小电感分别固定于小电感支座且相邻电感之间相互串联连接，所述小电感支座固定于支撑底板上。

作为优选方案，所述小电感支座包括竖直支座和横卧支座，所述竖直支座和横卧支座按照相邻支座之间相互垂直的排布方式固定于支撑底板上以减小相邻电感之间产生的耦合。

作为优选方案，所述匹配电容模块包括电容电路板、匹配电容、匹配电容按钮开关，所述匹配电容固定于电容电路板并与匹配电容按钮开关连接。

作为优选方案，所述匹配电容按钮开关有若干个档位，其中一档的一个接线柱与定值大电感按钮开关连接，另一个接线柱与超声电源及超声换能器的一端连接，其他各个档位分别连接至匹配电容的对应的各个档位，可根据不同的外接负载大小选择合适的匹配电容；匹配电容的接地电容与超声换能器另一端连接，给超声换能器并联接入对应的匹配电容，可增加整个声学系统的电容基数，从而减小外界对换能器内部静电容的影响量，同时还能增大整个声学系统的有效介电常数，也具有一定的滤波功能。

本发明与现有技术相比，有益效果是：本发明的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱集频率、功率显示，电感电容调节为一体，能够反应超声加工系统加工过程中的加工状态，并能进行相应阻抗调节；造价低廉、机构可靠、运行稳定、操作简单，对于超声加工系统声学性能的开发与调试有着极大的现实意义。

附图说明

图1是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的整体结构框图示意图；

图2是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的整体接线示意图；

图3是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的匹配箱外箱体等轴测图；

图4是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的匹配箱外箱体另一等轴测图；

图5是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的匹配箱内部元器件排布等轴测图；

图6是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的匹配箱内部元器件排布另一等轴测图；

图7是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的功率检测模块的接线示意图；

图8是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的功率检测模块的各元器件排布的主视图；

图9是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的功率检测模块的各元器件排布的等轴测图；

图10是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的电感调节部分接线示意图；

图11是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的电感调节模块部分的主视图；

图12是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的电感调节模块部分的右视图；

图13是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的电感调节模块部分的俯视图；

图14是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的匹配电容模块接线示意图；

图15是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的匹配电容模块的主视图；

图16是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的匹配电容模块的右视图；

图17是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的频率显示模块接线示意图；

图18是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的频率显示模块的主视图；

图19是本发明实施例一的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱的频率显示模块的俯视图；

其中：a.超声电源变压器；b.超声换能器；c.功率检测模块；d.频率显示模块；e.电感调节模块；e1.定值大电感部；e2.可调电感部；f.匹配电容模块；1.匹配箱箱体上板；2.匹配箱箱体左板；3.匹配电容按钮开关；4.匹配箱箱体前板；5.航空插头；6.保险丝；7.100μh可调电感旋钮开关；8.空气开关；9.10μh可调电感旋钮开关；10.频率计；11.定值大电感按钮开关；12.功率显示表头；13.匹配箱箱体右板；14.匹配箱箱体底板；15.ac/dc隔离型开关电源；16.光耦；17.定值大电感支座；18.定值大电感；19.电容电路板；20.匹配电容；21驻波检测组件；22.100μh小电感；23.100μh可调电感的支撑底板；24.10μh可调电感的支撑底板；25.竖直支座；26横卧支座；27.10μh小电感。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例一：

如图1-19所示，本实施例的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱用于针对超声加工系统阻抗匹配调节以及反映加工过程中加工状态，包括电声系统的箱体及安装于箱体内的功率检测模块c、频率显示模块d、电感调节模块e、匹配电容模块f。功率检测模块c位于超声电源变压器a与电感调节模块e之间，对整个电声系统的功率使用情况进行监测，包括功率的变化情况，并指导通过对电感调节模块e的调节对整个电声系统功率使用进行优化调节；电感调节模块e位于功率检测模块c与匹配电容模块f之间，包括定值大电感部e1和可调电感部e2；匹配电容模块f并联在超声换能器b的两端；电感调节模块e与匹配电容模块f共同实现了匹配箱对于外接超声加工系统的动态阻抗匹配；频率显示模块d是采集超声电源变压器a输出端的频率信号对整个电声系统的频率进行实时监测，便于对整个电声系统进行监控，同时指导对于超声加工系统的可调电容、可调电感进行即时调节。

其中，箱体包括匹配箱箱体上板1，匹配箱箱体左板2，匹配箱箱体前板4以及相对的匹配箱箱体底板14、匹配箱箱体右板13、匹配箱箱体后板。匹配箱箱体承载着电感调节模块e、匹配电容模块f、频率显示模块d、功率检测模块c。功率检测模块c包括驻波检测组件21、功率显示表头12；频率显示模块d包括ac/dc开关电源15、光耦16、频率计10、空气开关8；电感调节模块e包括定值大电感18部e1的定值大电感18、定值大电感支座17、定值大电感按钮开关11及可调电感部e2的可调电感旋钮开关、若干100μh小电感22、若干10μh小电感27、支撑底板、小电感支座；匹配电容模块f包括电容电路板19、匹配电容20、匹配电容按钮开关3。

其中，匹配箱箱体上板1用于安装各个模块的显示装置以及手动调节装置，包括匹配电容按钮开关3、航空插头5、保险丝6、100μh可调电感旋钮开关7，空气开关8,10μh可调电感旋钮开关9，频率计10，定值大电感按钮开关11，功率显示表头12；频率计10是频率显示模块d的显示装置，对整个电声回路频率信号进行计数并显示；频率计10旁边并行安装的定值大电感18开关、100μh可调电感旋钮开关7、10μh可调旋钮开关是电感调节模块e的外部手动调节装置，定值大电感18开关有三个档位，一个档位的两个接线柱短接，中间档位的一个接线柱连接至匹配电容按钮开关3，另一个接线柱与10μh可调电感旋钮开关9连接，另一个档位两个接线柱与定值大电感18两端连接，根据外接电声系统声学参数的大小计算得出是否需要使用定值大电感18，手动调节定值大电感按钮开关11、100μh和10μh可调电感旋钮开关，各档位分别与对应可调电感部e2相连。两个电感旋钮开关相互之间串联连接，10μh可调电感旋钮开关9另一端与定值大电感按钮开关11连接，100μh可调电感旋钮开关7另一端通过保险丝6与功率检测模块c连接。手动调整三个开关组合为超声加工系统提供电感匹配调节；匹配箱箱体上板1最前侧以及匹配箱箱体前板4上侧的安装孔为了便于空气开关8的安装；安装于匹配箱箱体上板1最左侧的匹配电容按钮开关3是匹配电容模块f的手动调节装置，开关有三个档位，中间一档的一个接线柱与定值大电感按钮开关11连接，另一个接线柱与超声电源变压器a连接，该接线柱同时与超声换能器b一端连接，另外两个档位分别连接至匹配电容20的两个档位；位于匹配电容按钮开关3旁边的是功率显示表头12，将驻波检测组件21输入的分离出来的电压信号进行拟合标定，得出整个超声加工系统的功率使用情况，并将其显示在表头上；安装在匹配箱箱体前板4上的航空插头5实现匹配箱内频率显示模块d与外界市电的连接；超声电源a与匹配箱箱体内部的匹配电容模块f和光耦16通过线路孔连接，匹配电容模块f通过线路孔与外接超声振动系统连接；匹配箱箱体各板上的安装孔便于各模块的装置安装固定。

功率检测模块c位于匹配箱箱体内部的左前侧，固定安装在匹配箱箱体底板14和匹配箱箱体上板1上，包括驻波检测组件21、功率显示表头12；驻波检测组件21位于电感调节模块e的右前方，固定安装在匹配箱箱体内部底板上，有4个端口，主回路输入端与超声电源变压器a输出端连接，主回路输出端通过保险丝6和电感调节模块e相连，利用内部电感线圈的互感作用产生感应电动势，并通过辅助电路分离正、反向电压，通过耦合信号输出端口将分离出来的电压分别输入功率显示表头12；功率显示表头12位于驻波检测组件21的正上方，安装于匹配箱箱体上板1上，将驻波检测组件21输入的分离出来的电压信号进行拟合标定，得出整个超声加工系统的功率使用情况，并将其显示在表头上；功率检测模块c可以实现对整个电声系统的功率使用情况进行监测，并指导通过对可调电感部e2的调节对整个电声系统功率使用进行优化调节。

电感调节模块e位于匹配箱内最里侧，固定安装在匹配箱箱体底板14上；包括1000μh定值大电感18、定值大电感支座17、定值大电感按钮开关11、9个100μh小电感22线圈和9个10μh小电感27线圈组成的可调电感、小电感竖直支座25和横卧支座26，100μh可调电感的支撑底板23，10μh可调电感的支撑底板24,100μh可调电感旋钮开关7，10μh可调电感旋钮开关9，保险丝6；定值大电感支座17位于电感调节模块e最右侧，呈圆柱形状，下部有3个相互之间有着120°夹角的平板支脚将定值大电感支座17固定在匹配箱箱体底板14上，1000μh定值大电感18套在该支座的外部，两端与定值大电感按钮开关11相连；10μh可调电感的支撑底板24位于1000μh定值大电感18左侧，通过铜螺柱固定安装于匹配箱箱体底板14左上侧，呈“l”形，100μh可调电感的支撑底板23与10μh可调电感的支撑底板24形状相同，通过铜螺柱与10μh可调电感的支撑底板24相连，固定安装于其正上方；小电感支座呈“横卧式炮架”和“竖直式炮架”两种形状，小电感线圈套于支座的圆柱头外部，可调电感部e2的10μh和100μh的竖直支座25和横卧支座26均按照相邻支座之间相互垂直的排布方式固定安装于对应的可调电感的支撑底板上，从而减小相邻电感之间产生耦合。100μh和10μh小电感27均采用相邻电感之间串联的方式进行连接；100μh可调电感旋钮开关7和10μh可调电感旋钮开关9，位于可调电感部e2上侧，并排安装于匹配箱箱体上板1，开关各档位分别与对应可调电感部e2相连。两个电感旋钮开关相互之间串联连接，10μh可调电感旋钮开关9另一端与定值大电感按钮开关11连接共同构成了匹配箱的电感调节模块e，为整个匹配系统提供了0-1990μh的可调范围。

匹配电容模块f位于电感调节模块e的右前侧，固定安装于匹配箱箱体左板2上，包括电容电路板19、匹配电容20、匹配电容按钮开关3；电容电路板19位于电感调节模块e的右前侧，固定安装于匹配箱箱体左板2上，匹配电容20固定安装于电容电路板19上；匹配电容按钮开关3位于电容板的正上方，固定安装于匹配箱箱体上板1上，开关有三个档位，中间一档的一个接线柱与定值大电感按钮开关11连接，另一个接线柱与超声电源a连接，该接线柱同时与超声换能器b一端连接，另外两个档位分别连接至匹配电容20的两个档位，匹配电容模块f的接地电容与超声换能器b另一端连接，从而使匹配电容模块f并联在超声换能器b的两端；优选的，匹配电容按钮开关3可以有三个以上的档位，可根据不同的外接负载大小选择合适的匹配电容20，给超声换能器b并联接入对应的匹配电容20。超声换能器b内部可以等效由动态电阻和静电容构成，在声学系统的调试与使用中，接入对应的匹配电容20，可增加整个声学系统的电容基数，从而减小外界对换能器内部静电容的影响量，并联匹配电容模块f还能增大整个声学系统的有效介电常数，同时也具有一定的滤波功能。

频率显示模块d位于电感调节模块e的左前侧，固定安装于匹配箱箱体右板13和匹配箱箱体上板1上；包括ac/dc隔离型开关电源15、光耦16、频率计10、空气开关8；ac/dc隔离型开关电源15安装于匹配电容模块f正对面的匹配箱箱体右板13内部上，输入端vin通过空气开关8与市电连接，dc输出端同时与光耦16和频率计10连接，将外界交流高压降压整流滤波后得到一定值的稳定直流电压，为光耦16和频率计10提供稳定的直流电压；光耦16平行安装于ac/dc隔离型开关电源15正上方，固定安装在匹配箱箱体右板13上，信号输入端两个接头接在超声电源变压器a两个电压合适的档位之间获取整个电声系统回路的频率信号，供电端与ac/dc隔离型开关电源15连接，信号输出端与频率计10连接，将采集到的整个电路的频率信号经过光耦16滤波后接入到频率计10进行计数；频率计10位于光耦16的上方，平行安装于定值大电感按钮开关11旁边，频率计10与ac/dc隔离型开关电源15和光耦16连接，由ac/dc隔离型开关电源15提供稳定直流电压，由光耦16提供电路频率信号，对整个电声回路频率信号进行计数并显示；空气开关8位于保险丝6的正上方，固定安装于匹配箱箱体内侧前板上，空气开关88输入端通过航空插头5接入市电电压，输出端与ac/dc隔离型开关电源15输入端vin连接，对电路进行过压/过流保护；频率显示模块d可以实现对整个电声系统的频率进行实时监测，便于对整个电声系统进行监控，同时指导对于超声加工系统的可调电容、可调电感进行即时调节。

动态匹配箱电路连接方式及工作方式为：ac/dc隔离型开关电源15输入端vin通过空气开关8与市电相连，dc输出端同时与频率计10和光耦16连接，将外界交流高压降压整流滤波后得到一定值的稳定直流电压，为光耦16和频率计10提供稳定的直流电压。光耦16信号输入端两个接头接在超声电源变压器a两个电压合适的档位之间获取整个电声回路的频率信号，供电端与ac/dc隔离型开关电源15连接，信号输出端与频率计10连接，将采集到的整个电路的频率信号经过光耦16滤波后输入到频率计10进行计数。频率计10与ac/dc隔离型开关电源15和光耦16连接，由ac/dc隔离型开关电源15提供稳定直流电压，由光耦16提供电路频率信号，对整个电路信号频率进行计数并显示；驻波检测组件21有4个端口，主回路输入端与超声电源变压器a输出端连接，主回路输出端通过保险丝6和可调电感部e2相连，利用内部电感线圈的互感作用产生感应电动势，并通过辅助电路分离正、反向电压，通过耦合信号输出端口将分离出来的电压分别输入功率显示表头12；功率显示表头12将驻波检测组件21输入的分离出来的电压信号进行标定得出整个超声加工系统的功率使用情况，并将其显示在表头上；驻波检测组件21和功率显示表头12共同构成了功率检测模块c，对整个电声系统的功率使用情况进行监测，并指导通过对可调电感部e2的调节对整个电声系统功率使用进行优化调节；,100μh和10μh的可调电感旋钮开关分别各有10档，各档位分别与对应可调电感部e2相连，两旋钮开关相互之间串联连接，100μh可调电感旋钮开关7另一端通过保险丝6与功率检测模块c连接，10μh可调电感旋钮开关9另一端与定值大电感按钮开关11连接。定值大电感18开关有3个档位，一个档位两个接线柱短接，中间档位一个接线柱连接至匹配电容按钮开关3，另一个接线柱与10μh可调电感旋钮开关9连接，另一个档位两端与定值大电感18两端连接，可以根据外接超声振动系统声学参数的大小计算得出是否需要使用定值大电感18，手动调节定值大电感按钮开关11。1000μh定值大电感18与100μh、10μh可调电感共同构成了匹配箱的电感调节模块e，为整个匹配系统提供了0-1990μh的可调范围；匹配电容按钮开关3有三个档位，中间一档的一个接线柱与定值大电感按钮开关11连接，另一个接线柱与超声电源a连接，该接线柱同时与超声换能器b一端连接，另外两个档位分别连接至匹配电容20的两个档位，匹配电容模块f的接地电容与超声换能器b另一端连接，从而使匹配电容模块f并联在超声换能器b的两端。超声换能器b内部可以等效由动态电阻和静电容构成，在声学系统的调试与使用中，接入对应的匹配电容20，可增加整个声学系统的电容基数，从而减小外界对换能器内部静电容的影响量，并联匹配电容模块f还能增大整个声学系统的有效介电常数，同时也具有一定的滤波功能。匹配电容模块f与电感调节模块e共同实现了匹配箱对于外接超声换能器b的动态阻抗匹配。

本实施例的用于超声加工系统声学性能开发调试的动态匹配箱集频率、功率显示，电感电容调节为一体，能够反应超声加工系统加工过程中的加工状态，并能进行相应阻抗调节；造价低廉、机构可靠、运行稳定、操作简单，对于超声加工系统声学性能的开发与调试有着极大的现实意义，随着超声加工技术的应用越来越广泛，推广应用前景较大。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。