超声研磨恒流电源系统关键技术的研究

发布时间：2017-05-22 09:25

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【摘要】：超声研磨由于其独特的加工原理和对加工设备、环境要求不高等特点,是实现纳米级、原子级加工的主要方法,已成为超精密加工技术中的一个重要部分。本文主要针对固结磨料超声研磨压电换能器,对其激励电源展开了一系列的研究。固结磨料超声研磨过程中,随着负载的快速变化,激励电源必须对压电换能器保持快速的频率跟踪与功率匹配响应,才能满足高效精密加工需求。文章从微观角度分析了固结磨料超声研磨的材料去除过程,通过建立压电换能器的力学模型,基于力电类比,得出了压电换能器的等效阻抗与负载变化关系。为改善加工稳定性,提高材料表面完整性,提出了压电换能器的智能化恒流激励电源驱动方案。针对已有的换能器参数,确定了恒流源的设计目标参数。超声研磨恒流电源的设计分为硬件电路设计及软件控制系统设计两部分。硬件电路部分主要由电源供电模块,DDS正弦信号发生模块,功率放大电路模块,保护、监测电路模块,匹配电路模块等组成。软件控制部分主要由DSP与CPLD共同完成。DSP主要负责提供DDS信号,频率追踪,监控电路等部分,其程序的控制主要依托于中断模块来完成。CPLD主要负责数据的传输。在上述研究的基础上,开展了超声研磨电源性能测试试验。搭建了试验平台,通过在不同电流及负载下的超声研磨试验,验证了电源的恒流输出及负载变化下的快速响应功能和频率追踪功能。超声研磨恒流电源的设计达到了预期的目标,并且性能良好。完成了简单的超声研磨与普通研磨的对比试验,证明了超声研磨相对于普通研磨的优越性,为后续工艺试验的进一步展开奠定了基础。
【关键词】：固结磨料超声研磨 压电换能器 等效阻抗 恒流源 数字信号处理 频率追踪 电源性能测试试验
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN86
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-18
• 1.1 课题背景13-15
• 1.1.1 超声研磨的原理及应用13-14
• 1.1.2 超声电源的研究现状及进展14-15
• 1.2 课题研究目的与内容15-16
• 1.3 各章节内容安排16-18
• 第二章 超声研磨电源中的一些关键技术18-27
• 2.1 超声电源整体结构综述18
• 2.2 固结磨料超声研磨用压电换能器等效阻抗分析18-23
• 2.2.1 固结磨料超声研磨的材料去除过程19
• 2.2.2 超声研磨振动系统的力学模型19-20
• 2.2.3 负载的等效阻抗20-22
• 2.2.4 压电超声换能器的等效阻抗及负载特性22-23
• 2.2.5 使用恒流源驱动换能器的必要性23
• 2.3 超声研磨电源中涉及的一些其他关键技术23-24
• 2.4 超声研磨电源参数设定24-26
• 2.4.1 换能器简介24-25
• 2.4.2 换能器参数的测量及电源参数的确定25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第三章 超声研磨恒流电源硬件电路的设计27-42
• 3.1 总体电源方案设计27
• 3.2 电源供电模块27-28
• 3.3 DDS正弦信号发生器28-31
• 3.3.1 DDS技术简介28-29
• 3.3.2 AD9851芯片介绍29-30
• 3.3.3 DDS控制设计30
• 3.3.4 DDS外围电路设计30-31
• 3.4 功率放大电路设计31-37
• 3.4.1 A类~H类放大器31-33
• 3.4.2 功率放大主电路33-34
• 3.4.3 DC/DC可调降压器34-36
• 3.4.4 变压器的设计36-37
• 3.5 保护、监测电路设计37-39
• 3.6 换能器匹配电路设计39-40
• 3.6.1 匹配电感的计算39-40
• 3.6.2 匹配电感的设计40
• 3.7 本章小结40-42
• 第四章 超声研磨恒流电源控制系统的设计42-59
• 4.1 DSP控制系统设计42-46
• 4.1.1 DSP简介42
• 4.1.2 TMS320F28335芯片概述42-43
• 4.1.3 DSP硬件系统设计43-45
• 4.1.4 DSP开发环境CCS45-46
• 4.1.5 DSP主要负责的控制部分及涉及模块46
• 4.2 CPLD信号处理模块的设计46-49
• 4.2.1 CPLD简介46-48
• 4.2.2 CPLD硬件系统设计48
• 4.2.3 CPLD开发环境Quartus II48
• 4.2.4 CPLD负责的数据处理模块48-49
• 4.3 DSP与CPLD之间的通信方式49-50
• 4.4 超声研磨电源的控制算法及程序流程图50-58
• 4.4.1 DSP模块的初始化配置51-52
• 4.4.2 控制算法52-56
• 4.4.3 程序流程图56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 第五章 超声研磨恒流电源性能测试与结果59-66
• 5.1 测试试验平台搭建59-61
• 5.1.1 换能器的进电装置设计59-60
• 5.1.2 超声研磨试验工件60
• 5.1.3 夹具设计60-61
• 5.2 电源性能测试试验61-64
• 5.2.1 试验方案设计61-62
• 5.2.2 试验操作过程62
• 5.2.3 电源性能测试结果及分析62-64
• 5.3 超声研磨试验与结果64-65
• 5.4 本章小结65-66
• 第六章 总结与展望66-68
• 6.1 论文完成的主要工作66-67
• 6.2 后续工作展望67-68
• 参考文献68-71
• 致谢71-72
• 在读研期间的研究成果及发表的学术论文72

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本文编号：385321