摘要 超声清洗是属于物理力清洗，其本身绿色清洗，在清洗液中添加适宜的清洗剂则属组合清洗，更具明显的清洗效果。超声清洗是功率超声中应用最为广泛的一种，超声清洗与现代科技发展及先进制造工艺密切相关。超声清洗在各种化学、物理及机械的清洗中是的一种，机械、光学、电子、纺织、轻工、化工、船舶、航空航天、原子能以及医疗医药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 目录 第1章 绪论 1 1.1 超声波及超声波清洗的认识 1 1.2 超声波清洗的应用与发展 1 1.3 本次设计的创新 1 第2章 超声波清洗机原理与结构 2 2.1 超声波清洗机的原理与特点 2 2.2 超声波清洗机的结构和参数设定 5 2.2.1 超声波清洗机结构设计 5 2.2.2 超声波清洗机参数设定 5 第3章 超声波发生器的设计 6 3.1超声波发生器的选择 6 3.2超声波发生器的设计 6 3.2.1超声波振荡器的设计 6 3.2.2 超声波放大器的设计 9 第4章 超声换能器的设计 13 4.1 超声换能器的选择 13 4.2 超声换能器的设计 13 第5章 箱体的设计 14 5.1 清洗槽的设计 14 5.2 附加箱的设计 14 5.3 箱盖的设计 14 5.4 脚轮的设计 15 第6章 附加部件的选择 16 第7章 中央控制系统设计 17 7.1 系统工艺流程设计 17 7.2 主的设计 17 7.3 软件设计 18 第8章 总结 20 致谢 21 参考文献 22 附录 23 译文及外文原文 23 第1章 绪论 1.1 超声波及超声波清洗的认识 超声波是一种超过人类听力频率范围(20HZ--20kHZ)的声波，具有频率高，超过、波长短、方向性准、穿透能力强等特点，广泛应用于清洗、距离测量、医学等领域。而超声波清洗是超声波在液体中传播，使液体在超声波频率下与清洗槽一起振动，清洗槽与液体振动时有自己固有频率，这种振动频率称为声波频率，因此清洗机工作时人们就听到嗡嗡作响。随着清洗行业的不断发展，超声波清洗机被越来越多的行业和企业运用到了。超声波清洗技术也越来越得到广泛的应用，归其有很多的优点：1、清洗效果好。运用于工业清洗的清洗方式一般为人工清洗、蒸汽气相清洗、有机溶剂清洗、高压水射流清洗和超声波清洗。超声波清洗被国际公认为是当前效果最好、效率最高的清洗方式, 其清洗效率可高达98% 以上, 并且清洗洁净度也达到了最高级别。而传统的有机溶剂清洗和人工清洗的清洗效率仅仅为60% ~70% ；2、清洗成本低。3、劳动损伤的避免。以往在肮脏的环境中通过繁重的体力劳动, 需要长时间地进行手工清洗的复杂机械零件, 应用了超声波清洗机以后, 不仅改善了劳动环境,减轻了劳动强度， 杜绝了手工清洗对工件产生的伤害, ,而且在大幅提高清洗精度的基础上, 清洗时间大大的缩短，缩短时间可为原来的四分之一。水就可以作为清洗液，所以超声波清洗还可以减少清洗剂的使用，从而可有效地降低污染，减少有毒溶剂对人类和环境的损害。 1.2 超声波清洗的应用与发展 功率超声中应用最为广泛的一种超声清洗，超声清洗与现代科技发展及先进制造工艺密切相关。对滤芯金属的清洗1.3 本次设计的创新 本次设计的超声波清洗机是用于清洗中小型轴承、齿轮等，使用可编程（PLC）进行自动控制，省力、省时、污染少。并设计的结构充分的利用了空间，附加了一个存放卫生纸的纸箱，方便及时清理手上或放超声波清洗机的台上的污水。 第2章 超声波清洗机原理与结构 2.1 超声波清洗机的原理与特点 图1即是超声波清洗机的原理图，由图可以直观的看出超声波清洗机包括主要的三个结构：超声波发生器、换能器和清洗槽。超声波清洗机的原理为超声波发生器发出的高频振荡信号，在超声波纵向传播的负压区这些气泡形成、生长，而在正压区，空化作用就是超声波以每秒两万次以上的减压力压缩力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中真空核群泡的现象产生，在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，剥离被清洗物表面的污垢，达到精密洗净目的1 超声波清洗机原理图 由上述可知，超声波清洗机有其显著的特点。凡是液体能浸到、空化产生的地方都有清洗作用，不受清洗件表面复杂性状的限制，如精密零部件表面的空穴、凹槽、狭缝和微孔、深孔都能得到清洗，并且用一般的刷洗方法这些部位是不能清洗干净的，并且超声清洗的清洗速度快、质量高，易于实现清洗自动化。对一般的防锈、除油、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需2-3分钟即可完成，其速度相对于传统方法可提高几倍到几十倍，与此同时清洁度也达到高标准。并且在某些场合下还可以用净水来代替有机溶剂进行清洗，从而对于一些有害身体健康的清洗，如清洗放射性污物，就可以通过实现遥控和自动化清洗，从而来减少对的伤害。所以，鉴于超声清洗有以上优点，这项技术在工业上已得到广泛的应用，并在不断发展。但是超声清洗也有其局限性，例如对声波吸收大的材料如布料、橡胶、泡沫塑料以及粘度大的污物清洗效果差。 下面图2是超声清洗过程图解： 图2 超声清洗过程图解 2.2 50Hz的交流电转换成超声频电振荡信号后，通过电缆输送给超声换能器，换能器则是将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能；清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。 2.2.2 超声波清洗机参数设定 超声波清洗的清洗效果受很多因素的影响，影响超声清洗效果的主要因素有声学参数、化学参数和热力学参数。其中声学参数主要有频率、声强、声场分布和波形；热力学参数主要有温度、黏性、清洗液的表面张力、蒸汽压等；化学参数中主要有清洗液性质、清洗时间和是否与污物发生化学反应等。 超声波清洗的物理机制主要是超声空化，因此要达到良好的清洗效果必须选择最佳的声强、频率以及清洗槽声场分布等参数并且要选好清洗剂的物理化学性质尊龙凯时ag旗舰厅官方网站。对于声学参数：工作频率选在20—40kHz之间。在低频情况下，空泡生长的时间长，空化气泡大、数量少，低频空化强度高，故适用于污物与清洗件表面结合强度高或者大清洗件表面的场合，但是，不易清洗表面形状复杂的和穿透深孔的部件，且噪声大；虽然较高频率空化强度较弱，空化气泡小、但是数量多，适用于表面形状较复杂、狭缝及污物与清洗件表面结合力弱的清洗。清洗液的温度升高，可以导致液体的粘滞系数和表面张力系数下降，从而导致空化阈值下降，从而使空化易于产生；但是清洗液温升，也会导致蒸气压增大会降低空化强度。温度同样影响空化效率和清洗中化学反应的速度。对空化强度而言，不同的清洗剂有不同的最佳温度，水的最佳温度是60℃。本超声波清洗机用于清洗较为复杂的齿轮轴承，所以采用30kHz。当电功率强度达到时超声波才有清洗作用，因为选的换能器是压电型，所以电功率强度取。本设计的超声波清洗机主要用于一个实验室的齿轮或轴承的清洗，所以清洗的量不会很多，因此设计一个小型的清洗机，内槽的尺寸为,故总功率取2kw。 第3章 超声波发生器的设计 3.1超声波发生器的选择 超声波发生器（即超声电源），它是一种用以产生并向超声换能器提供超声频电能的装置。按照其工作原理，我们可以把超声波发生器分为两大类一类是模拟电路，另一类是数字电路。模拟电路超声波发生器又可分为振荡一放大型和逆变型两种。本设计采用振荡——放大型超声波发生器，其结构框图如图3所示。它是一个带有振荡电路的放大器，是由振荡器、放大器、匹配电路和电源四部分组成。振荡器产生一定频率的信号，通过放大器将其放大到一定的功率输出，以致达到最佳负载值，最后通过输出变压器进行阻抗匹配，并通过功放输出。下图即是振荡-放大型超声波发生器结构框图 图3 振荡-放大型超声波发生器结构框图 3.2超声波发生器的设计 3.2.1超声波振荡器的设计 超声波振荡器的作用是产生一个一定频率的信号，用以推动后面的放大部分。它既可以是一个反馈网络，也可以是一个独立的振荡器。 （1）、振荡条件 根据超声加工的需要，超声波发生器的波形可以使正弦波，也可以是非正弦波，但正弦波最为常见。正弦波振荡器从结构上看就是一个带选频网络的、没有输入信号的正反馈放大器。图4表示接正反馈时放大器在输入信号X1=0时的方框图，下图5为简化图 。由图5可知，如果在放大器输入端1外接一定幅度、一定频率的正弦波信号Xa，经过基本放大器和反馈电路所构成的闭合环路输出后，在反馈网络的输出端2得到反馈信号Xf与Xa在相位和大小上都一致，这样就可以除去外接信号Xa，如下图中虚线两端连接在一起，而构成的闭环系统，其系统的输出端可继续维持与开环时一样大小和相位的输入信号，即=。 图4 正弦波振荡器方框图 图5 正弦波振荡器方框图 则有 ＝AF＝1 此式为振幅平衡条件 和 + =2n n=0,1,2,3…… 此式为相位平衡条件 这两个式子是正弦波振荡器产生持续振荡的两个必要条件。振荡器的振荡频率f0是由相位平衡条件决定的。当一个正弦波振荡器只在某一频率下满足相位平衡条件，这个频率就是f0,这就是要求在AF闭合回路中包含一个具有选频特性的网络，称此网络为选频网络。它既可以设置在放大器A中，同样也可以设置在反馈网络中，它可以用R、C元件组成，也可以用、元件组成。用R、C元件组成选频网络的振荡器称为振荡器，用、元件组成选频网络的振荡器称为振荡器，欲使振荡器能够自行建立振荡，则必须满足＞1的条件。此情况下在接通电源后，振荡器就能够自行起振，并且最后趋于稳态平衡。 由于正弦波振荡器中的放大器件是工作再线性区（振荡器）或接近线性区（振荡器），所以在分析中，可以近似的按线）、超声波振荡器的选择 超声波振荡器可分为正弦振荡器、正弦振荡器和压控振荡器等等。由于TL494不仅价格便宜而且性能优越，能达到预期的效果，可使清洗机清洗效能达标，并且成本不会太高，因此本次设计中就采用由开关稳压块TL494构成的振荡器。如图6所示为此振荡器电路图。 图6 振荡器电路图 将TL494的5脚(CT)与6脚(RT)接电容C和定时元件电阻R，就可以起振，振荡器工作频率计算式为： （3-1） 由于频率选为30kHZ由上公式得RC=0.408×,换能器产生的超声波强度的决定因素是振荡器输出的方波占的空比。此设计中通过给TL494的4脚加上一定大小的直流电压便可实现占空比调整。此设计的定时元件是由电阻R1、电位器R2和电容C构成，通过调节电位器R2可实现频率的调整。本此设计的超声波清洗机供电电源为12V，采用的是推挽工作方式。电阻R3(10kQ)和电位器R4(10kQ)构成分压电路，死区时间控制端的电位应将界于之间。要实现超声波的强度调节还可以调节电位器R4。 3.2.2 超声波放大器的设计 (1）、超声波放大器的选择 超声波放大器的作用是将振荡信号放大以至所需的电平。放大部分可以是单级的，也可以是多级的，主要看输出功率的需要。早期的超声波发生器使用的是电子管做作为放大器件，现在则普遍采用晶体管（三极管、场效应管和绝缘栅双极型晶体管（IBGT）器件）。近年来越来越多的厂家开始采用功率集成电路做超声波发生器的放大器件。而现在工业上广泛使用的超声波发生器已基本上被晶体管电路所垄断。晶体管发生器的优点很突出，主要在于质量轻、体积小、效率高。但是从另一方面讲，由于受到最大集电极电流、方向击穿电压、最大集电极耗散功率参数的限制，通常一对晶体管的最大输出功率只能达到百瓦级。所以要提高晶体管发生器的输出能力，最重要的措施是采用高效率的电路，其次是有赖于高性能器件的开发。传统的甲类、乙类、丙类放大器是把有源器件作为电流源工作。在这些放大器中，晶体管工作区是在伏安特性曲线）、低压驱动电路的设计 本机采用高压小电流功放电路，是由两只三极管和耦合变压器构成，见图7尊龙凯时ag旗舰厅官方网站超声波清洗机机械CAD图纸设计doc。为了避免两只功放管同时导通，导致内部功耗增加，两管的导通时间必须错开，使它们在交替工作时有一段同时截止的时间。因此，该三极管P1和P2对振荡器的输出必须要作反相处理，三极管选用PNP型的8550。低压驱动电路所用的电源是直流12，而功放电路的电源是交流220，并且在三极管后加入一个耦合变压器，以完成高低压隔离的任务。低压驱动电路如下图7所示。 图 7 低压驱动电路图 (3)、功放匹配电路的设计 超声波发生器与一般的放大器的一个重要区别在于它的匹配电路部分。如下图 所示。电路是由两个功率场效应管构成。具有线性度高、开关速度快、频率响应好等优点，是理想的开关元件。但其缺点是关断特性在电流小时并不理想，下降沿有拖尾。功放电路如下图8所示。 图 8 功放匹配电路图 (4)、高频驱动和匹配电路的设计 超声发生器与一般放大器的一个重要区别就在于它的匹配电路部分。一般放大器与负载之间的匹配只牵涉到阻抗变换，而超声波发生器与负载之间的匹配则除了阻抗变换之外，还有一项很重要的内容——调谐，就是要选用一定值的阻抗元件，使之在工作频率上与负载中的电抗成分谐振。只有在阻抗变换和调谐同时进行了之后，整个系统才算是真正的达到了匹配，换能器才能进行正常工作。 下图9是高频驱动和匹配电路图。 图9高频驱动和匹配电路图 超声波清洗机中的匹配电路是将发生器输出的电能送至换能器的通道。超声波发生器与换能器之间的匹配包括的内容有两方面：一是发生器的输出阻抗与换能器的动态阻抗一致；二是在额定输入电功率条件下，使换能器输出的声功率最大。其匹配方法是：首先应准确测量换能器的动态阻抗以及其变化的范围，然后合理选择发生器的匹配回路和输出阻抗的元件值，用逐步逼近的方法，通过反复测试，即可实现发生器与换能器之间的匹配尊龙凯时ag旗舰厅官方网站。虽然匹配电路结构简单(即通常只有一个匹配电感)，但其具有重要的作用。 相同型号的清洗机，匹配调得好的清洗效果好；相反，匹配调得差的则清洗效果差。对于同一台机器而言，如果工作一段时间后换能器经过更换或者由于其他原因清洗效果变 差，都需要重新调整匹配。这与一般电子设备的匹配有所不同，超声清洗机的匹配除了要解决变阻问题(即变换负载的阻值，使之与发生器的最佳负载值相等)外，还要解决调谐问题尊龙凯时ag旗舰厅官方网站，即用匹配电感的感抗抵消换能器的容抗，使换能器呈纯阻性。 综上所述，选择KES-1000系列超声波发生器，其优点有：1）超声波发生器采用目前国际领先的他激式震荡线路，较以前的自激式震荡线）超声波发生器装置工作电压220 V AC±10％，超声波发生器具有过压，过流，输出短路等保护措施；3）超声波发生器具有功率无级调节的功能，输出功率可实现10～100%的连续调整，以适应各种清洗对象的要求。而此次设计的清洗机总共有三个箱体：清洗缸、中央控制箱和纸箱。故超声波发生器的箱体尺寸为100×150×50，并放入中央控制箱中。 第4章 超声换能器的设计 4.1 超声换能器的选择 超声换能器是超声振动

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