功率超聲與機電一體化的研究應用

　　摘要: 對超聲的特性、超聲空化的奇特作用及其在機電一體化技術中的特殊應用進行了揭示; 根據生物材料加工的實際需要, 將超聲技術與機電一體化進行有機結合, 并利用CAN 現(xiàn)場總線網絡, 實現(xiàn)整個超聲加工、生產系統(tǒng)的計算機過程控制。通過安裝調試和實際應用, 證明該方案設計合理、運行穩(wěn)定可靠。
　　關 鍵 詞: 功率超聲; 超聲空化; 機電一體化; CAN 總線
　　1 引言
　　現(xiàn)代聲學是一門滲透性很強的科學, 與較多的學科或技術相互交叉、相互聯(lián)系, 形成了許許多多的分支, 超聲就是其中之一。功率超聲與機電一體化的研究, 近年來吸引了科技界的廣泛關注, 形成新的熱點。在對功率超聲與機電一體化相結合的原理、方法予以研究, 并利用CAN 總線技術, 實現(xiàn)超聲加工、生產系統(tǒng)的計算機過程控制。
　　2 奇特的功率超聲超聲的工作頻率通常高于幾十kHz, 甚至幾百MHz 以上。功率超聲的應用, 就是用功率密度較大( 幾W/cm2 到幾百W/ cm2 甚至更大) 的超聲能量對物質作用, 以改變或加速改變物質的一些物理、化學和生物特性或狀態(tài)[1] 。大功率超聲的產生有多種方法, 通常利用換能器組通過聚焦、增幅等方法獲得高聲強的超聲。
　　超聲波在傳播過程中與介質相互作用時, 會產生一系列奇特的機械效應、熱效應、波動效應和空化效應等, 這些效應在某些條件下會發(fā)生非常劇烈的能量交換。例如, 超聲波與生物體作用時, 在分子水平產生的生物學效應, 包括分裂各種單糖、多糖和核酸, 使淀粉轉變?yōu)楹��? 使氨基酸脫氨和分裂氮氫鍵, 還能改變維生素、酶、激素的活性及功能等。功率超聲的主要特性如下。
　　211 超聲波的束射性人耳可感受的聲音通常是球面波, 即以聲源為中心呈球面向四周擴散, 周圍均能聽到聲音。由于超聲波頻率高, 束射性相對較強。超聲波的束射性, 對其用于醫(yī)療和測距有重要意義。例如, 在對某目標進行超聲處理時, 應使聲波輻射垂直對準靶目標。以超聲波振源輻射出的聲場中心處束射性最強, 愈向外側愈弱。所以, 在超聲波處理操作時, 要根據具體需要, 控制目標各部位得到的超聲波劑量。
　　212 超聲波的透射、反射、折射與聚集現(xiàn)象與可見光一樣, 超聲波具有波動特性。定向傳播時, 在兩種不同媒質的分界面上, 會出現(xiàn)類似于光線一樣的透射、反射和折射現(xiàn)象。超聲波的聚集現(xiàn)象和光線的聚集現(xiàn)象是一樣的。利用超聲波聚集裝置可以將超聲波束會聚到一點, 使超聲波的聲強提高幾倍甚至幾千倍, 可用于超聲波切割、鉆孔、打磨等。我國當前在高能聚焦超聲(HIFU) 用于治療癌癥方面的研究和臨床應用處于世界領先地位。
　　213 超聲波的吸收與衰減聲波在媒質中傳播時, 媒質要吸收掉一部分能量, 隨著傳播路程的增加, 聲強會逐漸減弱。各種不同頻率的聲波在媒質中傳播時被吸收程度不同。頻率越高, 媒質對其吸收越快, 傳播距離越短。同一聲波在不同媒質中傳播時, 被吸收的程度也不同。聲波在空氣中傳播的距離最短, 在水中則可傳播較遠的距離, 而在金屬中則能傳播得更遠。
　　圖1 空化氣泡的產生214 超聲波的空化效應21411 聲空化核的形成氣泡穩(wěn)定地存在于液體中即為空化核。通常, 液體中的氣泡難以長時間穩(wěn)定地存在。但是, 若液體中含有帶氣隙的固體粒子, 當空隙內的氣體團表面的負壓力和熱力平衡時, 便會呈現(xiàn)穩(wěn)定的氣泡。這種氣泡在超聲波作用下, 在聲壓超過空化閾值時便會形成空化核。圖1 為超聲空化作用下氣泡的產生。
　　21412 超聲空化現(xiàn)象的實質當超聲能量在液態(tài)混合物中傳播時, 液體中那些持續(xù)暴露在超聲場中的氣泡, 可能經歷如下某些復雜過程:
　　( 1) 進行周期性尺寸變化( Size Oscillations) ; ( 2) 在聲波稀疏期迅速膨脹, 并猛然崩塌; ( 3) 慢慢被溶解消失; ( 4) 因液體對流或浮力作用而逃逸到液面�？栈瘹馀萁洑v過程的數(shù)值描述如圖2 所示。
　　圖2 超聲空化引起氣泡的形成、成長和崩潰過程21413 強大的空化作用超聲空化引發(fā)的/ 聚變效應0 僅僅局限在微小空間( 單泡半徑Ro< 0101mm) 和瞬間, 雖對生物組織可能引發(fā)一系列的生物、物理、化學反應,甚至造成組織的細胞損傷或破壞, 但這些作用都可以有效控制, 而且無擴散、無污染、高效、安全,因此被生命科技界廣泛看好。
　　3 機電一體化超聲處理機
　　超聲反應釜主體內的結構Mechatronics 是根據英文單詞Mechanics( 機械學) 或Mechanism( 機構或機械裝置) 的前半部分和Electronics( 電子學) 的后半部分構成, 構成/ 機電一體化0專用名詞[2] 。
　　機電一體化在工業(yè)產品的制造工程中, 是機械工程、電子技術與智能計算機控制的協(xié)同集成, 是機械、微電子、自動控制、傳感器、電力電子及軟件技術等有機結合而建起來的一門新的學科形式[ 3] 。
　　隨著上述各種技術的發(fā)展和新型材料及基礎元器件的出現(xiàn), 以機械為主體的各種工業(yè)產品和民用產品,已從機械化向自動化和智能化方向發(fā)展。數(shù)控機床、機器人、智能化量具量儀、柔性制造系統(tǒng)( FMS) 、集成制造系統(tǒng)、全自動照相機、新型醫(yī)療設備( 如CT 機)等, 體現(xiàn)了機電一體化產品的廣泛應用[4] 。作為實用范例, 介紹一套基于功率超聲和機電一體化技術, 自行研制成功的生物材料超聲處理機。
　　311 機電一體化超聲處理機基于功率超聲和機電一體化技術設計制造的生物材料處理機的主體機構如圖3 所示。主要由安裝在反應罐上的超聲波發(fā)生器、溫度控制器、攪拌機、管道和閥門開關組成。與其配套的設備還有控制柜、CAN 總線控制網絡、工控機等。
　　該系統(tǒng)主要應用于生物材料加工, 如中藥的生產工藝。實踐證明, 中藥有效成分的低溫超聲萃取與幾種傳統(tǒng)的提取工藝相比, 具有提取時間短, 提取率高, 有利于中藥標準化、現(xiàn)代化建設。
　　312 超聲處理系統(tǒng)的相關技術
　　( 1) 傳感技術 根據工藝流程, 需要檢測的對象有溫度、壓力、流量、液位等。選用幾種合適的傳感器和設計相應信號變換電路, 使各物理量變換成適合A/ D要求的電信號。
　　( 2) 信息處理 傳感器來的信息經過變換、數(shù)據處理、決策和輸出, 為控制器發(fā)布命令提供依據。信息的處理是依靠工控機進行的, 其實時性和準確性, 將直接影響系統(tǒng)運行的質量。
　　( 3) 自動監(jiān)控 包括高精度液位控制、流量控制、壓力的控制、溫度控制和超聲波工作參數(shù)控制等。該部分涉及到校正、補償、再現(xiàn)和仿真等經典控制理論和現(xiàn)代控制理論。
　　( 4) 伺服驅動技術 包括執(zhí)行機構的一些技術問題。伺服( Servo) 的意思是/ 伺候服侍0, 就是在控制指令的指揮下, 控制驅動元件, 使機械運動部件按照指令要求進行運動。伺服部分包括電子開關、固態(tài)繼電器、閥門、馬達等直接控制操作的部件和設備。
　　( 5) 機械結構設計 是一門歷史悠久的應用技術, 是各工業(yè)技術領域的基礎, 它已經形成一套完整的理論和實踐規(guī)范。本課題是基于專利ZL ) 20032011456216 進行設計生產的。
　　( 6) 接口 這套系統(tǒng)中, 工控機、機械部件、檢測器件、驅動部分等主要組成部分之間需要互相傳遞信息, 但它們之間由于存在諸如工作速度不一致、輸入輸出有模擬與數(shù)字量的差別、阻抗不匹配等因素, 需要在各個部分之間設置接口電路, 實現(xiàn)信號的緩沖、轉換等功能。
　　( 7) 系統(tǒng)集成技術 從總體目標出發(fā), 用系統(tǒng)的觀點和方法, 將總體分解成若干個功能單元, 找出能完成各個功能的技術方案, 再把功能單元與技術方案組進行分析、評價、優(yōu)選和綜合[5] 。經過反復調試和優(yōu)化, 以確定最后的設計。
　　4 機電一體化超聲處理機的過程控制
　　411 超聲處理機系統(tǒng)的監(jiān)測與控制超聲技術與機電一體化有機結合, 形成了一套完整的系統(tǒng)。為了敘述的簡化, 這里主要介紹超聲、攪拌、溫控等部分的檢測與控制。從工藝控制角度, 設備可以分為五個部分:
　　( 1) 機械本體部分 整個機電一體化超聲系統(tǒng)中的機械部分, 是由超聲反應釜、三相攪拌機和加熱設備組成。
　　它們構成整個系統(tǒng)的主體部分。
　　( 2) 檢測部分 設備工作過程的一些現(xiàn)場參數(shù)需要實時采集, 為控制器提供原始數(shù)據。檢測部分利用各種不同類型的傳感器, 將系統(tǒng)工作過程中的各種信息收集起來及時送往控制中心。
　　( 3) 控制器 工控機和組態(tài)軟件( 組態(tài)王) 相結合。控制器是整個機電一體化系統(tǒng)的/ 頭腦0。控制器根據控制程序對匯集起來的信息進行處理, 并把處理結果轉換為控制信號通過輸出接口送到執(zhí)行機構, 同時還控制現(xiàn)場的信息輸入。
　　( 4) 執(zhí)行部分 一個由研華公司出品的模塊( adam25000) 再加一些接口電路。電子裝置與機械部分之間安裝了繼電器和電氣開關, 控制各種能量轉換設備的運轉。
　　( 5) 供電 機電一體化系統(tǒng)中各部分所需的能源, 都是由動力裝置提供的。該機電一體化超聲系統(tǒng)使用三相和單項電源供電, 分別提供給加熱、超聲、機械攪拌等設備。
　　412 控制板的設計在設計控制板過程中, 考慮到固態(tài)繼電器的開關特性, 并利用其特性來實現(xiàn)控制板的控制功能。首先, 通過實驗來測試EK P/ N 611492 固態(tài)繼電器的控制特性。測試得知: 驅動EK P/ N 611492 固態(tài)繼電器最低可以用215V 的電壓。
　　由于控制EK P/ N 611492 固態(tài)繼電器的驅動電壓約為45V, 為了限制其輸入端電流, 在輸入端加接1k8 左 的可變電阻。
　　光電耦合應用電路由于計算機、通訊卡和控制模塊是弱電設備, 而攪拌機、加熱設備和超聲發(fā)生器等生產現(xiàn)場設備是強電設備, 必須采取隔離措施。為此, 在電路中加一個光電耦合芯片TCP2521。為了更好使用TCP2521, 按圖4 對其工作特性進行了測試。
　　根據測試數(shù)據, 并按照算式I 1 = V1/ R1、I 2= V2/R2、V3= 5- V2 得到數(shù)據表。并按照TTL 電平, 參考圖4, 經過實驗和計算, 選用了比較合適的電路參數(shù)。
　　固態(tài)繼電器的輸出端連接到強電設備( 超聲發(fā)生器、攪拌機、加熱設備) , 整個機電一體化超聲處理機系統(tǒng)。L1、L2、L3 是發(fā)光二極管, 當超聲發(fā)生器工作的時候L1 亮, 攪拌機工作的時候L2 亮, 加熱設備工作的時候L3 亮。整個機電一體化超聲系統(tǒng)的工作流程如圖6 所示。
　　主機和ADAM 模塊之間采用了CAN 總線聯(lián)結, 為了簡練未詳細畫出。圖中箭頭表示閉環(huán)控制的信息流程。
　　5 安裝調試與應用
　　該設計方案經過了實際制造, 安裝調試, 并實際應用于多味中藥的有效成分提取實驗。實踐證明[ 7, 8] , 與常規(guī)幾種傳統(tǒng)工藝相比, 超聲提取的功效高約3 倍、提取率提高15%~ 30% , 符合GMP 技術規(guī)范, 對于中藥生產的標準化和現(xiàn)代化建設具有明顯的實際意義。
　　6 結束語
　　機電一體化超聲技術是一種技術性強、跨學科的綜合技術。本文根據生物材料加工的實際需要, 將功率超聲與機電一體化進行有機結合, 并利用CAN 現(xiàn)場總線網絡, 實現(xiàn)整個超聲加工、生產系統(tǒng)的計算機過程控制。通過安裝調試和實際應用, 證明該方案設計合理、運行穩(wěn)定可靠, 具有顯著的科學意義和推廣應用價值。
　　參考文獻:
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