超声波清洗机设计.docx

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超声波清洗机设计

摘要

超声波清洗是属于物理力清洗，并且其本身是绿色清洗，如在清洗液中添加适宜的清洗剂，则属于组合清洗，更具明显的清洗效果。

超声波清洗是功率超声中应用最为广泛的一种，超声波清洗作为现代一种重要的清洗方式，与现代科技发展及先进制造工艺密切相关。

超声波清洗在各种化学、物理及机械的清洗中是高效的的一种清洗方法，随着科学技术的高速发展，超声波清洗技术已被广泛应用于机械、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各领域。

超声波可以对工件施加非常大的能量，对有些表面形状复杂的精密零部件来说，提高零部件清洁水平不仅可以降低设备的振动和噪声，还可以提高使用寿命和可靠性。

此次设计的超声波清洗机主要应用于精密零件的清洗，例如中小齿轮、轴承的清洗。

利用高能量的超声波可以穿透固体物质而使整个清洗介质振动并产生空化气泡，该清洗方式对待清洗件不存在清洗不到的死角，不仅如此，且清洗洁净度非常高。

关键词：

超声波；换能器；清洗机

Abstract

Belongstophysicalcleaning,ultrasoniccleaningandcleaningitselfisgreen,suchastheappropriatecleaningagentisaddedinthecleaningfluid,belongtocombinationcleaning,cleaningeffectismoreobvious.Ultrasoniccleaningisoneofthemostwidelyusedinultrasonicpower,ultrasoniccleaning,asakindofimportantmoderncleaningmethod,iscloselyrelatedtothedevelopmentofmodernscienceandtechnologyandadvancedmanufacturingtechnology.Ultrasoniccleaninginallkindsofchemical,physicalandmechanicalcleaningisoneoftheefficientcleaningmethod,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,ultrasoniccleaningtechnologyhasbeenwidelyusedinmachinery,optics,electronics,textile,lightindustry,chemicalindustry,shipbuilding,aerospace,atomicenergy,andmedicaltreatmentinvariousfields.Ultrasoundcanapplyforverybigenergy,forsomecomplexshapesurfaceprecisioncomponents,andimprovethelevelofpartscleaningcannotonlyreducethevibrationandnoiseofdevice,alsocanimprovetheservicelifeandreliability.Thedesignoftheultrasoniccleaningmachineismainlyusedinprecisionpartscleaning,suchassmallgears,bearingscleaning.Usinghigh-energyultrasoundcanpenetratesolidmatterandmaketheoverallvibrationandcavitationbubblecleaningmedia,thecleaningmethodtocleancorner,thereisnocleaningnotonlythat,andwashingcleanlinessisveryhigh.

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主控制器的设计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要算超声波清洗了，超声波清洗与现代科技技术发展以及先进制造工艺密切相关。

应用的领域有：

对滤芯、金属的清洗，超声波清洗技术在磷化处理中的应用等。

现在的主要产品有：

铜材清洗机、KWD-15144ST、多钩同步全自动清洗机、铝型材清洗机、KWD-10124ST精密电子零件超声波清洗机、树脂镜片全自动清洗机、全自动超声波清洗机、十五槽光学镜片清洗机、SH300-13L触摸智能超声波清洗机、H150-6L墨盒打印头超声波清洗机、五金件除油除锈超声波清洗机、S健康超声家电、化学搅拌混匀超声波清洗机、商用超声波清洗机、医疗超声波清洗机、大功率超声波清洗机等等。

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，使用可编程控制器（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，而换能器将超声频电能转换成机械高频振动并通过清洗槽壁向盛在槽中的清洗液来辐射超声波。

超声波在清洗液中连续的，疏密相间的向前辐射，从而使液体流动而产生直径为50-500

m的数以万计的微小气泡，存在于液体中的微气泡，此微气泡就被称为空化核，在声波的作用下振动，在超声波纵向传播的负压区这些气泡得以形成、生长，而在正压区，当声强或声压达到一定值时，气泡就会迅速增长，然后瞬间闭合。

在气泡闭合时，就会产生冲击波，并且在气泡周围产生上千个大气压的压力以及局部高温，这种现象被称为超声空化。

在超声清洗的过程中是通过破坏不溶性污物，并且使他们分散并扩散在清洗液中，当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面时，固体粒子及脱离，油被乳化，从而达到清洗件净化的目的。

这个过程被称之为“空化”效应的过程。

即空化作用就是超声波以每秒两万次以上的减压力和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，在液体中真空核群泡的现象的产生，而在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，从而以此剥离被清洗物表面的污垢，最终达到精密洗净目的。

空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物并且使污物分散在溶液中。

蒸汽型空化对污垢层的直接进行反复冲击，一方面是通过破坏污物与清洗件表面的吸附，另一方面是通过引起污物层的疲劳破坏而脱离。

因为气体型气泡的振动可以对固体表面进行擦洗，污层一旦有缝可钻，气泡还能“钻入”裂缝作振动，从而迫使污垢脱落。

正因为空化作用，使得两种液体在界面处迅速分散而乳化，所以当固体粒子被油污裹着而附在清洗件表面时，油被乳化，从而使固体粒子自行脱落。

超声在清洗液中传播时会产生正负交变的声压，冲击清洗件，同时由于非线形效应会产生微声流和声流，所有这些作用都能够破坏污物，削弱或除去边界污层，增加扩散、搅拌作用，并且不仅可以加速可溶性污物的溶解，而且能够强化化学清洗剂的清洗作用。

图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，从而来减少对人体的伤害。

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超声波清洗机的结构和参数设定

2.2.1超声波清洗机结构设计

如图1所示，超声波清洗机主要由三部分组成，分别为超声波发生器、超声换能器和清洗槽。

超声波发生器将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。

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，如下图中虚线所示，将1、2两端连接在一起，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，可以近似的按线性电路来处理。

（2）、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的有源区。

（2）、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。

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。

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，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路在输出功率增加15%以上；2）超声波发生器装置工作电压220VAC±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系统的核心部件，超声波清洗机设备是利用超声换能器的作用即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，从而达到清洗效果。

用于超声清洗的换能器有两种类型．一是磁致伸缩换能器，另一种是压电换能器，磁致伸缩换能器这种换能器的电声效率比较低、制造工艺复杂、价格昂贵，因此目前很少采用。

目前我国主要采用的换能器类型是压电换能器，因为这种换能器原材料价格便宜、且电声转换效率高，并且便于制造成不同的结构，以适应不同的清洗要求。

压电换能器又有很多种比如喇叭形、圆柱形等。

喇叭形换能器辐射的面积较广，所以经过对比最后确定选用100

喇叭形夹心压电陶瓷换能器作为此次的换能器，喇叭形换能器结构如图10所示。

图10喇叭形换能器结构示意图

4.2超声换能器的设计

超声波要达到清洗效果其超声波电功率密度就得达到0.3

以上,超声波的功率密度越高，空化效果越强、清洗效果越好并且速度越快。

但对于表面光洁度甚高的、精密的物件，采用长时间的高功率密度清洗会对物件表面产生“空化”腐蚀,故取1

而此次设计的超声波清洗机的内槽的尺寸是

，故得总功率为:

=

。

而又考虑到换能器不发生干涉的最小距离是30mm，故选择功率为100w换能器，故需要的换能器的个数是

=

个。

将8个置于清洗槽底部和12个左侧面。

第5章箱体的设计

5.1清洗槽的设计

清洗槽由内槽和外壳组成，采用不锈钢材料制成，因为不锈钢不生锈、强度高、抗一般化学腐蚀。

内槽的外表面（一般在槽底外表）粘结超声换能器，超声波横纵交加时可增强清洗效果、提高清洗效率，因此，此清洗机换能器就采用了粘结在槽底部和一个左侧面，槽内盛清洗液，此次超声波清洗机的清洗液采用高压净水，必要时再人工加入清洗剂。

与换能器粘结的槽底部厚度不宜太厚，一般取1.5-3mm，以减少声能损失，此此设计取2mm。

槽的内壁，尤其是粘有换能器的辐射板要平整抛光，不能有伤痕，否则易产生空化腐蚀，缩短使用寿命。

为避免被清洗工件直接与槽壁板接触而影响清洗效果，一般用镂空吊篮（网篮）或支架将清洗件悬吊在清洗液中，结构上要使超声波受阻小而清洗液易于流动