用于超声加工的小功率电源设计

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在全球工业领域中，集成电路的产值增长最快，年平均综合增长率超过6%，目前总产值已超过两万亿美元。集成电路的生产制造包括Ic设计、Ic前工序制造、Ic后工序封装三大工序，而Ic封装的产值在集成电路产值中占到很大比重。邦定(bonding)形式的封装是-种很常用的IC封装形式。邦定主要是在压力和超声波能量共同作用下，将细小的金属丝实现芯片电极与PCB板相应的焊盘连接。

人耳可以听到的声波频率范围为(16-20)kHz，低于 16Hz的声波称为次声波，高于 20kHz的声波称为超声波。超声工程中最主要分功率超声和超声检测两大块。作为超声应用重要-部分的功率超声主要应用有超声加工、超声清洗。超声加工系统由超声波发生电源、换能器、变幅杆等构成。超声波发生电源是超声加工中超声波的发生设备，具有十分重要的作用。而时间可控、功率可调的稳定超声波电源对超声加工过程来说是必不可少的。

2系统的总体设计2.1系统的硬件设计昕 十的系统由上位机与下位机构成，上位机选用工控机，以方便与其他拈进行集成。同时还可以和单片机为核心的下位机很容易通过串口RS232协议进行通信。下位机以STC12C5A60S2单片机为核心，并包含功率调节电路，时间控制电路、超声波发生电路、串口通信电路及锁相电路等。系统总体结构，如图I所示。超声波发生及功率时间调整电路(图略)。由于超声波电源为高频电源，因此要求单片机要有很强的抗干扰能力，同时为了功能扩展的需要，选择内部资源丰富的单片机，综合以上考虑选取了STC12C5A60S2单片机作为下位机控制拈的核心，他是-款C8051系列中功能较全且抗干扰能力较强的-款单片机，此单片机具备60KByetes的可编程Flash，1280字节的数据存储器，支持大容量的程序代码；2个 16位定时器计数器，具有最多可达44个的数字I/0引脚，处理器还包括看门狗、DAC、可编程时钟等，并具备多种总线接口，包括UART、SPI等，足以满座工业控制的需要 。系统中单 片机与工控机通过 RS232串 口进行通信 。

STC12C5A60S2芯片中包含的串行通信拈带有与RS232标准- 致的异步串口(URAT)，使得 STC12C5A60S2可以很方便的与上位机通信。由于单片机产生的是非TTL电平信号，因此在与标准的RS232串行通讯口连接前要进行电平转换，系统中采用电平转换芯片ADM3251E，芯片是某公司推出的基于专利iCoupler和isoPower磁隔离技术的RS-232隔离器。Rin和Tout引脚带有正负 15kV的ESD保护，因此十分适合超声波电源中高频信号干来稿日期 ：2012-03-21基金项目：国家科技重大专项资gJ(2012ZX02102003)作者简介：刘学平，(1965-)，男，安徽人，博士，主要从事绿色制造工艺及装备研究16 刘学平等：用于超声加工的小功率电源设计 第1期扰下的通信。

图 1系统硬件结构构成Fig.1 System Hardware Structure超声波信号发生电路用单片精密函数发生器XR8038来实现超声波信号的发生。XR8038是-种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需调整个别的外部组件就能产生从0.001Hz-300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。

功率调节电路通过单片机控制DS1804数字电位器来控制，单片机的三条线 I/0口线分别控制数字电位器位器 DS1804的CS、Uo、INC端，cs为片选，当I/O口置低时该数字电位器工作；U/D为确定数字电位器改变方向，置低阻值变小，反之阻值变大；INC端信号控制电位器阻值改变量，高电平触发。

超声输出时间控制是这样-个过程：收到超声输出命令后，下位机单片机输出驱动使得模拟开关MCI4066闭合，并同时启动对应的内部定时器开始计时，定时器溢出中断之后断开模拟开关，停止超声的输出∩以使用单片机的内部定时器To、T1作为计时定时器，从而实现系统要求的超声输出时间范围。

锁相电路的主要任务是实现负载谐振频率和驱动脉冲频率的同步，从而实现频率自动跟踪，使得换能器上面的电压、电流同相位。锁相电路是通过 CD4046锁相芯片实现的。

2.2系统软件设计系统软件设计主要是对下位机单片机程序进行设计，通过串口中断接收上位机指令，根据上位机指令执行单片机程序，包括功率调节和时间控制等。系统主程序主要是完成初始化工作，包括数字电位器归零、定时器 T1以及串行 口的初始化，并等待进人相关的中断处理子程序。主要包括串口中断子程序，功率调整子程序以及时间控制子程序等。串口中断服务子程序的基本任务是：获取上位机发送过来的焊接工艺参数以及命令，进行相关的设置。下位机接收到上位机发来的数据后，先判别是参数调整命令还是超声输出命令，然后再执行相应的动作。如图2所示。超声输出功率调整是通过改变接入功率调整电阻网络中的数字电位器 DS1804的阻值来实现的。由于单片机不能直接读取DS1804片内计数器触点的值，所以功率调整前先调用数字电位器归零子程序，然后再开始计数。功率调整子程序的流程是片选数字电位器，发脉冲使数字电位器归零，再根据设定的功率参数发送脉冲并计数，实现功率的精确控制。从数字电位器输出的信号通过模拟开关来控制信号发生时间。超声输出定时子程序的流程是下位机收到超声输出命令后，单片机输出驱动使得模拟开关闭合，并同时启动对应的内部定时器开始计时，定时器溢出中断之后断开模拟开关，停止超声的输出。

图2串口中断子程序Fig.2 Serial Interrupt Subprogram3系统的实验验证3.1上位机与下位机通讯系统在上位机中设置好焊接功率与焊接时间等工作参数，通过串口通讯将数据传送给下位机，下位机根据接收的数据，对数字电阻以及模拟开关实现了正确的控制，验证了上位机与下位机通讯的可靠。

32输出信号调节图3数字电阻 100档电压波形Fig.3 100 Steps Waveform ： ：： i ： 卿 t - 二 二 簦 l 图 几 LlU， /峰时峰值 2.52V 平均1 直1 ： 、.15V 。

周期 15.28ts 频率65.79kHz图4数字电阻5O档电压波形Fig.4 50 Steps Waveform(下转第 l9页)No.1Jan.2013 机 械 设 计 与制造在未夹紧时，弹性套定位面与缸套间配合间隙如下：△-。124.o4-(124-0.083)--0.123，A l124-(124-0.043)-0.043，△ 122.035-(122-0 .071)-0.106，A 122-(122-0.036)0.036。

弹性套允许最大变形△D-及薄壁处厚度h：ADm(0.003～0.002)D ，取中间值故有 △D-lo.305，ADm-0.3，h-0.02Dr2.44。

在夹紧时，弹性套产生的变形量：△D △ ，故 0.182，A--0.194，m2h/DrO.039产生的夹紧力矩： 2x5xl03mAslDr，218.278Nm，MT2x5xl03mAs2D 225.225N。I1。

6夹具的特点液塑夹具克服了传统夹具夹紧变形的缺点，通过挤压液性塑料使弹性套的膨胀来定心定位，能够较好地保证工件中心与珩磨头中心-致，提高了缸套珩磨的质量，而且液性塑料本身无腐蚀作用，因此长久不失性能，夹具、珩磨头安装调整方便简单，减轻了工人劳动强度，提高了工效。