一种相控阵列超声的金属熔体控制系统、方法及设备

本发明涉及超声熔炼，尤其涉及一种相控阵列超声的金属熔体控制系统、方法及设备。

背景技术：

1、利用超声效应作用于金属熔体，可达到细化晶粒和熔体除气的效果，但目前的功率超声发展进入瓶颈期，主要受到单一声源技术和结构所限制，单一声源超声功率密度越高，频率就越低，当频率低到人的听力范围时，就不能继续加大功率密度了，功率密度限制了金属熔体中的空化效应。在超声熔铸设备中金属熔体的盛装器皿(结晶器或坩埚)是一个有限的体积容器，容器壁面上产生的反射波与原来的入射声波有很容易相互叠加会形成驻波，有些地方一直处于高振幅，一些地方一直处于低振幅，不利于在整个超声熔铸设备的金属熔池发挥超声应有的效果和作用。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种相控阵列超声的金属熔体控制系统、方法及设备，用于解决现有超声熔铸设备中金属熔池的超声波分布不均匀，不利于金属铸件加工的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

3、一种相控阵列超声的金属熔体控制系统，包括数据获取模块、主控模块、换能变幅模块和金属熔炼模块；

4、所述数据获取模块，用于获取超声预处理信息，并将所述超声预处理信息传送至所述主控模块，所述超声预处理信息包括超声振荡频率、超声振荡功率、超声介入温度、超声相位补偿和超声介入时间；

5、所述主控模块，用于将所述超声预处理信息转化为具有相位和振幅的电压方波信号，并将所述电压方波信号传送至所述换能变幅模块；

6、所述换能变幅模块，用于将所述电压方波信号转换为超声波信号以及对所述超声波信号进行变幅，得到动态超声波信号；

7、所述金属熔炼模块，用于采用所述动态超声波信号控制超声熔铸设备中金属熔池对加工元件进行熔炼。

8、优选地，所述换能变幅模块包括与所述主控模块连接的换能阵列子模块和与所述换能阵列子模块连接的变幅发射阵列子模块，所述变幅发射阵列子模块包括若干个变幅发射单元，若干个所述变幅发射单元呈阵列方式布局设置在金属熔池中；

9、所述换能阵列子模块，用于采用压电晶片将所述电压方波信号转换为超声波信号；

10、所述变幅发射阵列子模块，用于将所述超声波信号进行变幅，得到动态超声波信号以及根据所述动态超声波信号控制若干个所述变幅发射单元向金属熔池发射若干束超声波束；

11、其中，所述金属熔炼模块还用于根据多束所述超声波束叠加得到放大功率的波源，采用所述波源对金属熔池的加工元件进行熔炼；以及根据所述动态超声波信号的相角大小控制所述超声波束对金属熔池中加工元件进行熔炼的速度。

12、优选地，每个所述变幅发射单元包括超声变幅杆和与所述超声变幅杆连接的超声发射头，所述超声变幅杆上调节有用于冷却的水冷套；所述超声变幅杆用于对所述超声波信号进行变幅；所述超声发射头用于发射超声波束。

13、优选地，所述换能阵列子模块包括若干个呈矩阵分布的换能器，每个所述换能器包括依次连接的超声波接收器、压电晶片和超声波发送器以及用于给所述超声波接收器、所述压电晶片和所述超声波发送器供电的可调稳压电源，所述超声波接收器用于接收所述主控模块传送的所述电压方波信号，所述超声波发送器用于向所述变幅发射阵列子模块发送所述超声波信号。

14、优选地，所述主控模块包括spi串行接口、fifo缓存器、相位译码器和若干个相位发生器，所述数据获取模块的输出端与所述spi串行接口的输入端连接，所述spi串行接口的输出端与所述fifo缓存器的输入端连接，所述fifo缓存器的输出端与所述相位译码器的输入端连接，所述相位译码器的输出端与每个所述相位发生器的输入端连接，每个所述相位发生器的输出端与所述换能变幅模块的输入端连接；所述fifo缓存器用于存储所述超声预处理信息，所述相位译码器用于将所述预处理信息转化为电压方波信号，所述相位发生器用于将所述电压方波信号的相位差和占空比调制成与所述换能变幅模块匹配的相位和振幅。

15、优选地，所述数据获取模块包括熔池信息获取子模块和熔池信息分析子模块；

16、所述熔池信息获取子模块，用于获取超声熔铸设备的金属熔池信息，所述金属熔池信息包括金属熔池的化学成分、物理参数和熔池特征；

17、所述熔池信息分析子模块，用于采用全连接前馈神经网络的机器学习模型对所述金属熔池信息进行处理，得到超声预处理信息。

18、优选地，所述熔池信息分析子模块的机器学习模型基于熔体净化遵循原理和合金晶粒细化遵循原理输出超声预处理信息。

19、本发明还提供一种相控阵列超声的金属熔体控制方法，应用于上述所述的相控阵列超声的金属熔体控制系统上，该相控阵列超声的金属熔体控制方法包括以下步骤：

20、获取超声熔铸设备中金属熔池对加工元件进行熔炼的加工指令以及超声预处理信息，所述超声预处理信息包括超声振荡频率、超声振荡功率、超声介入温度、超声相位补偿和超声介入时间；

21、根据所述加工指令采用主控模块将所述超声预处理信息转化为具有相位和振幅的电压方波信号；以及将所述电压方波信号转换为超声波信号以及对所述超声波信号进行变幅，得到动态超声波信号；

22、采用所述动态超声波信号控制超声熔铸设备中金属熔池对加工元件进行熔炼。

23、优选地，该相控阵列超声的金属熔体控制方法包括：根据所述动态超声波信号控制若干个变幅发射单元向金属熔池发射若干超声波束，根据多束所述超声波束叠加得到放大功率的波源，采用所述波源对金属熔池的加工元件进行熔炼；以及根据所述动态超声波信号的相角大小控制所述超声波束对金属熔池中加工元件进行熔炼的速度。

24、本发明还提供一种终端设备，包括处理器以及存储器；

25、所述存储器，用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

26、所述处理器，用于根据所述程序代码中的指令执行上述所述的相控阵列超声的金属熔体控制方法。

27、从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

28、该相控阵列超声的金属熔体控制系统包括数据获取模块、主控模块、换能变幅模块和金属熔炼模块；数据获取模块用于获取超声预处理信息；主控模块用于将超声预处理信息转化为具有相位和振幅的电压方波信号；换能变幅模块用于将电压方波信号转换为超声波信号以及对超声波信号进行变幅，得到动态超声波信号；金属熔炼模块用于采用动态超声波信号控制超声熔铸设备中金属熔池对加工元件进行熔炼。该相控阵列超声的金属熔体控制系统通过数据获取模块、主控模块和换能变幅模块得到控制超声熔铸设备中金属熔池对加工元件进行熔炼的动态超声波信号，能够通过换能变幅模块呈阵列向金属熔池发射该动态超声波信号，使得动态超声波信号均匀分布在金属熔池中，便于金属熔池中金属铸件的加工；由于阵列容错性能好，大大提高了利用超声波信号加工金属的效率，解决了现有超声熔铸设备中金属熔池的超声波分布不均匀，不利于金属铸件加工的技术问题。

技术特征：

1.一种相控阵列超声的金属熔体控制系统，其特征在于，包括数据获取模块、主控模块、换能变幅模块和金属熔炼模块；

2.根据权利要求1所述的相控阵列超声的金属熔体控制系统，其特征在于，所述换能变幅模块包括与所述主控模块连接的换能阵列子模块和与所述换能阵列子模块连接的变幅发射阵列子模块，所述变幅发射阵列子模块包括若干个变幅发射单元，若干个所述变幅发射单元呈阵列方式布局设置在金属熔池中；

3.根据权利要求2所述的相控阵列超声的金属熔体控制系统，其特征在于，每个所述变幅发射单元包括超声变幅杆和与所述超声变幅杆连接的超声发射头，所述超声变幅杆上调节有用于冷却的水冷套；所述超声变幅杆用于对所述超声波信号进行变幅；所述超声发射头用于发射超声波束。

4.根据权利要求2所述的相控阵列超声的金属熔体控制系统，其特征在于，所述换能阵列子模块包括若干个呈矩阵分布的换能器，每个所述换能器包括依次连接的超声波接收器、压电晶片和超声波发送器以及用于给所述超声波接收器、所述压电晶片和所述超声波发送器供电的可调稳压电源，所述超声波接收器用于接收所述主控模块传送的所述电压方波信号，所述超声波发送器用于向所述变幅发射阵列子模块发送所述超声波信号。

5.根据权利要求1所述的相控阵列超声的金属熔体控制系统，其特征在于，所述主控模块包括spi串行接口、fifo缓存器、相位译码器和若干个相位发生器，所述数据获取模块的输出端与所述spi串行接口的输入端连接，所述spi串行接口的输出端与所述fifo缓存器的输入端连接，所述fifo缓存器的输出端与所述相位译码器的输入端连接，所述相位译码器的输出端与每个所述相位发生器的输入端连接，每个所述相位发生器的输出端与所述换能变幅模块的输入端连接；所述fifo缓存器用于存储所述超声预处理信息，所述相位译码器用于将所述预处理信息转化为电压方波信号，所述相位发生器用于将所述电压方波信号的相位差和占空比调制成与所述换能变幅模块匹配的相位和振幅。

6.根据权利要求1所述的相控阵列超声的金属熔体控制系统，其特征在于，所述数据获取模块包括熔池信息获取子模块和熔池信息分析子模块；

7.根据权利要求6所述的相控阵列超声的金属熔体控制系统，其特征在于，所述熔池信息分析子模块的机器学习模型基于熔体净化遵循原理和合金晶粒细化遵循原理输出超声预处理信息。

8.一种相控阵列超声的金属熔体控制方法，应用于上述如权利要求1-7任意一项所述的相控阵列超声的金属熔体控制系统上，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的相控阵列超声的金属熔体控制方法，其特征在于，包括：根据所述动态超声波信号控制若干个变幅发射单元向金属熔池发射若干超声波束，根据多束所述超声波束叠加得到放大功率的波源，采用所述波源对金属熔池的加工元件进行熔炼；以及根据所述动态超声波信号的相角大小控制所述超声波束对金属熔池中加工元件进行熔炼的速度。

10.一种终端设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；

技术总结
本发明实施例涉及一种相控阵列超声的金属熔体控制系统、方法及设备，该系统包括数据获取模块、主控模块、换能变幅模块和金属熔炼模块。该相控阵列超声的金属熔体控制系统通过数据获取模块、主控模块和换能变幅模块得到控制超声熔铸设备中金属熔池对加工元件进行熔炼的动态超声波信号，能够通过换能变幅模块呈阵列向金属熔池发射该动态超声波信号，使得动态超声波信号均匀分布在金属熔池中，便于金属熔池中金属铸件的加工；由于阵列容错性能好，大大提高了利用超声波信号加工金属的效率，解决了现有超声熔铸设备中金属熔池的超声波分布不均匀，不利于金属铸件加工的技术问题。

技术研发人员：陈海燕,潘美诗,邓权威,吉西西,甘书铭,黄睿捷
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13