Ультразвуковой генератор

СОЮЗ СОВЕТСКИХИ,ИОНПМеаиРЕСПУБЛИН 9) (1112 10 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОсудАРстВенный комитет сссРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(7 1) Институт электроники АН Белорусской ССР(53) 621. 791. 16. 037 (088, 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР Кф 466916, кл. В 06 В 1/06, 1973.2 Авторское свидетельство СССР У 391913, кл. В 23 К 20/10, 1972.3. Авторское свидетельство СССР У 502728, кл, В 23 К 20/10, 1974.4. Байдек С.А, и Вяткин А,Л. Генератор для ультразвукового станка с автоподстройкой частоты. Сб. Ультразвуковая техника. Вып, 2, 1968, с. 1-7 (прототип).(54)(57) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий задающий генератор синусоидальной формы, частотный модулятор, усилитель мощности, фазовый детектор с двумя входами, усилители-ограничители и ультразвуковой преобразователь с датчиком механических колебаний, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения путем снижения его инерционности, в него введены задающий генератор прецизионного белого шума, hредусилитель, полосовой фильтр, фазоинвертор с противофазными выходами и кольцевой балансный модулятор с. тремя входами, при этом выход генератора прецизионного белого шума соединен через предусилитель и поло- совой фильтр с выходом фазоинвертора, противофазные выходы которого соединены с двумя входами кольцевого балансного модулятора, третий вход которого соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, причем один вход фазового детектора через усилитель-ограничитель соединен с датчиком механических колебаний, а второй вход фазового детектора через второй усилитель-ограничитель соединен с выходом задаю- щего генератора синусоидальной фор- мыеИзобретение относится к приборостроению и может быть использованов ультразвуковой обработке материалов при создании высокостабильныхгенераторов для возбуждения ультразвуковых преобразователей для технологических целей электронной тех-ники,Известно устройство, состоящее изгенератора тока, перестраиваемой индуктивности, трансформатора тока,управляющего каскада и блока эталонного напряжения. В устройстве с целью повышения равномерности .амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ме" 15ханических колебаний преобразователя в полосе частот источник питания выполнен в виде генератора то.ка 11,Недостатком данного устройства 20является низкая стабильность АЧХ механических колебаний при изменениирежимов эксплуатации.Известен ультразвуковой генераторс частотной модуляцией, состоящийиз источника питания, развязывающихрезисторов задающего генераторакачающейся частоты, реле времени,усилителя мощности и преобразователя. Отличительной особенностью гене- ЗОратора является то, что скорость прокачки частоты в области резонанснойчастоты ультразвукового преобразования замедляется в несколько разпо сравнению со скоростью качанияна краю диапазона качания 121.35Недостатком данного генератораявляется низкий КПД, так как толькочасть времени устройство работаетна резонансной частоте преобраэова"теля. Кроме того, при импульснойработе устройства система автоматической прокачки частоты не реагирует на быстрое изменение параметровпреобразователя.Известно устройство с применениемшумовых генераторов для возбужценияультразвуковых преобразователей 3 1,Недостатком данного устройстваявляется низкий КПД.Наиболее близким к изобретениютехническим решением является ультразвуковой генератор, содержащий задающий генератор синусоидальной формы, частотный модулятор, усилительмощности, фазовый детектор с двумявходами, усилители-ограничителии ультразвуковой преобразователь сдатчиком механических колебаний 4,Недостатком известного ультразвукового генератора является то, чтопри импульсной работе преобразова"теля, например при микросварке сдлительностью процесса 0,001-0,04 с,система автоматической подстройки частоты из-за большой инерционностине успевает за столь малые временавывести новую частоту генератора наизменившуюся резонансную частотупреобразователя, В результате этогокачество ультразвуковой обработкиухудшается,Целью изобретения является расширение области применения путемснижения его инерционности,Поставленная цель достигаетсятем, что в ультразвуковой генератор, содержащий задающий генераторсинудальной формы, частотный модулятор, усилитель мощности, фазовый детектор с двумя входами, усилители-ограничители и ультразвуковой преобразователь с датчиком механических колебаний, введены задающий.генератор прецизионного белого шума,предусилитель, паласовой фильтр,фаэоинвертор с противофазными выходами и кольцевой балансный модулятор с тремя входами, при этом выходгенератора прецизионного белого шумасоединен через предусилитель и полосавой фильтр с выходом фазоинвертора, противофазные выходы которогосоединены с двумя входами кольцевого балансного модулятора, третийвход которого соединен с выходом ге"нератора синусоидального напряжения, причем один вход фазового детектора через усилитель-ограничитель соединен с датчиком механических,колебаний, а второй вход фазового детектора через второй усилитель-ограничитель соединен с выходом задающего генератора синусоидальной Формы. На чертеже показана функциональная электрическая схема ультразвукового генератора.Устройство содержит последовательно соединенные задающий генератор прецизионного белого шума 1, пред- усилитель 2, паласовой фильтр 3 и Фазоинвертор 4, два противофазных выхода которого соединены со входами кольцевого балансового модулятора 5, выход которого соединен с усилителем мощности 6, нагруженнымЭ 1094 ультразвуковой колебательной системой, включающей ультразвуковой преобразователь 7, концентратор 8, технологический инструмент 9, датчик механических колебаний 10, тех" нологическую среду (например, свариваемые детали) 11, усилители-ограничители 12 и 13, причем усилитель- ограничитель 12 соединен с одним входом Фазового детектора 14 а дру гой его вход через другой усилитель- ограничитель 13 соединен с датчиком механических колебаний, а выход фазового детектора 14 соединен через частотный модулятор 15 с задаю.", 15 щим генератором синусоидального напряжения 16, выход которого соединен с третьим входом кольцевого балансового модулятора 5.Задающий генератор шума 1 на по лупроводниковом элементе выдает шумовое напряжение в пределах единиц микровольт. Это напряжение усиливается предусилителем 2 до величины приблизительно 1 В. Полосовой фильтр 25 3 служит для получения полосы частот от нуля до нескольких килогерц. Коль цевой балансный модулятор на полупро" водниковых элементах 5 служит для смешивания и трансформации полосы частот 30 шумового напряжения низкой частоты в высокочастотную область. Устройство работает следующим образом.Сигнал с выхода задающего генератора прецизионного белого шума 1 через предусилитель 2 и полосовой фильтр 3 подается на вход фазоинвертора 4. Задающий генератор 1 имеет равномерную спектральную плотность шума в широком диапазоне частот. Это усиленное напряжение шума поступает на полосовой фильтр 3, где из него вырезается узкая поло са пропускания, нижняя частота которого близка к нулю. Ширина полосы пропускания фильтра 3 выбирается из условия в 5-10 раз больше, чем полоса пропускания ультразвуковой колебательной системы на уровне 0,707 амплитуды ее механических колебаний. Напряжение шума подается на балансный модулятор 5, на третий вход которого подается напряженке55 высокой частоты генератора сийусоидальной формы 16. В результате преобразования и Фильтрации на выходе кольцевого модулятора получают 705.удвоенную полосу частот шумового напряжения, трансформированную в высокую область частот, при этом серединная частота полосы шума соответствует частоте генератора 16. Усиленное напряжение шума высокой частоты через усилитель мощности 6 подается для возбуждения ультразвукового преобразователя 7 колебательной системы. В процессе работы за счет обратной связи (блоки 10, 12-16) происходит отслеживание серединной частоты полосы шумового напряжения, подаваемого на преобразователь 7, на резонансную частоту ультразвуковой колебательной системы. Если полоса частоты шумового напряжения ограничена частотами Г и Г , а изцн цвменение частоты генератора синусоидального сигнала составляет величину от Гда Г В, спектр произведения этих напряжений после кольцевого модулятора 5 состоит из двух полос, границы которых определяются нера" венствамисв сн + ивсв " ьнОбщая ширина спектра произведения не меньше суммы ширины спектров сомножителей и не более удвоенной суммы. Таким образом, в качестве умножителя спектров взят кольцевой модулятор 5, при помощи которого низ" кочастотная полоса шума, выделенная фильтром 3 из всего спектра генератора 1, транспортируется в область высокой частоты, равной резонансной частоте преобразователя. Если низшая частота. Г фильтра 3 очень машнла, на выходе модулятора получаем шумовой сигнал с полосой пропускания приблизительно в два раза больше, т.е. д й = 2(йв - Гь,), чем исходная полоса частот после фильтра. Подавление исходных напряжений шумового и синусоидального генераторов производятся за счет симметрирования плеч кольцевого модулятора.В процессе ультразвуковой обработ.еки материалов в зависимости от времени воздействия ультразвука резко изменяется входной механический импеданс технологической среды, который, трансформируясь через технологический инструмент и волноводно-излучающую механическую колебательную систему приволит к измене)нию входного электрического импеданса. Это приводит к рассогласованию генератора и преобразователя. Наибольшие изменения у величины и ха- рактера входного электрического импеданса имеют место при импульсном воздействии ультразвуковомй 0 015-0,5 на технологическую 4 фсреду. При столь коротком, импульсе воздействия в известном устройстве система АПЧ не успевает отслеживать частоту генератора на резко изме" няющуюся резонансную частоту преобразователя.Если учесть, что при импульсном нагружении технологического инструмента преобразователя импеданс нагрузки и резонансная частота изменяют ся на различную величину при каждом воздействии ультразвуковом на технологическую среду, то из-за того, что преобразователь возбуждается на "блуждающейся" (перестраиваемой) частоте, стабильность механических колебаний, вводимых в технологическую среду, очень низкая. 10152025 В данном устройстве ультразвуковой преобразователь одновременно возбуждается одинаковым напряжением спект 30 ра частот. Поэтому импульсное изменение резонансной частоты преобразователя не влияет на стабильность выходной амплитуды механических колебаний. В данном случае в пределах ширины полосы возбуждающего напряжений всегда35 имеется частота, соответствующая из" меняющейся в процессе ультразвуковой обработки резонансной частоте преобразователя.Переходные процессы вывода генера" тора на скачкообразно изменившуюся резонансную частоту преобразователя в устройстве отсутствуют, поэтому стабильность выходной амплитуды механических колебаний при изменении45 импеданса нагрузки технологической среды значительно выше, чем в известном устройстве.Полоса частот возбокдающего преобразователь напряжения выбрана узкой для повышения КПД устройства.В устройстве, кроме импульсного изменения резонансных частот ультразвукового преобразователя происходят и медленные изменения его резонансной частоты, например, при нагреве преобразователя, изменении потребляемой электрической мощности,старении пьезострикционного материала преобразователя и т.д. Для того, чтобы срединная частота полосы частот шумового напряжения генератора в этих условиях совпадала с резонансной частотой преобразователя существуют блоки 10, 12- 16. Такое двойное повышение стабильности механических колебаний (при импульсных и плавных изменениях резонансной частоты преобразователя) позволяет существенно увеличить качество ультразвуковой обработки материалов, напри" мер, при микросварке, долблении, сверлении и т,д.Таким образом, в устройстве производится двойная стабилизация ампли" туды механических колебаний технологического инструмента. В первом случае структурная электрическая схема ультразвукового устройства для обработки разомкнута и обратные связи не используются.Во втором же случае электрическаяI структурная схема ультразвукового устройства для обработки материалов замкнута, т.е. устройство охвачено общей обратной связью. В качестве параметра, по которому ведется контроль в цепи обратной связи, используется фазовое соотношение между нап. ряжением на преобразователе и током или механическими колебаниями.Согласование резонансной частоты, преобразователя 7 и частоты генератора 16 (т.е. на серединную частоту полосы возбуждения) производится за счет отрицательной обратной связи по внешней фазе. Для этого выходные напряжения датчика механических колебаний и напряжение генератора синусоидальной формы 16 подаются через соответствующие усилители-ограничители 12 и 13 на входы фазового детектора 14. На резонансной частоте преобразователя фаза этих напряжений равнам= "(г . При этом выходное напряжение фазового детектора 14 равно нулевому значению и на частот" ный модулятор 15 не подается постоянное напряжение, которое изменяло бы частоту задающего генератора синусоидальной формы 16. Если же резонансная частота преобразователя изменится в ту или другую сторону, на выходе фазового детектора 14 появляется постоянное напряжение, про- порциональное величине ухода резонансной частоты, а знак напряжения соответствует знаку ухода частоты преобразователя от серединной частоты полосы частот возбуждающего напряжения. Выходное напряжение фазового 5 детектора изменяет частоту задающего генератора 16 через частотный модулятор 15 до тех пор, пока выходное напряжение фазового детектора не станет равным нулю. Изменение частоты генератора 16 сдвигает полосу шумового напряжения по оси частот на величину, равную изменению частоты преобразователя 7. Таким образом, центральная (серединная) частота полосы спектра всегда строго привязана (синхронизирована) с частотой резонанса преобразователя, Это условие гарантирует, что при всех резких изменениях условий работы ультразвуковой колебательной системы выходная амплитуда механических колебаний не зависит от изменения резонансной частоты преобразователя, так как возбуждается напряжением полосы частот с равномерной плотностью. Этим и объясняется повышение стабильности выходных механических параметров ультразвуковой колебательной системы.В изготовленном лабораторном образце устройства генератор синусоидального напряжения вырабатывает центральную частоту 66 кГц. В прецизионном генераторе белого шума в качестве задающих источников шума используют резисторы, тепловой шум которых имеет наиболее равномерную спектральную плотность шума, Полосовой фильтр имеет полосу пропускания2,6 кГц. Нижняя частота полосы очень близка к нулю и лежит в пределах 5-15 Гц. На выходе усилителя мощности полоса удваивается и равна 5,2 кГц. Нижняя частота полосы равна 63,4 кГц,45 а верхняя - 68,6 кГц. 10 2 О Качество ультразвуковой обработки оценивают при использовании предлагаемого генератора для ультразвуковой сварки интегральных схем. Сравнение качества микросварки производят . с ультразвуковым генератором синусоидальной формы с автоматической подстройкой частоты по фаэовому соотношению между током и напряжением55 ультразвукового преобразователя.Причем использование АПЧ по фазовому соотношению между электрическим налряженнем и амплитудой механических колебаний преобразователя значительно лучше, чем в известном генераторе. Это связано с тем, что частота максимума, протекающего через преобразователь тока, всегда лежит в пределах 15-100 Гц (при добротности Ц = 100-700) ниже частоты механиМческого резонанса.При проведении эксперимента оценивается стабильность механических колебаний при сварке гибридных интегральных схем. Сваривают проволоку А диаметром 0,6 мм к А и Ац. Режимы сварки: давление 30-40 Н время сварки 1,8 с амплитуды механических колебаний 45 мкм. При сварке резонансная частота преобразователя изменяется на 1,95 кГц. В течение 3 ч непрерывной работы резонансная частота еще изменяется на 2,3 кГц. Суммарное изменейие частоты составляет около 4,2 кГц. При использовании синусоидального генератора без АПЧ . длительная работа невозможна. Если же цепь АПЧ замкнута, то в течение сварки механические колебания уменьшаются на 40-703, т.е. разброс значений колебаний амплитуды составляет 20-303, При использовании данного устройства амплитуда механических колебаний уменьшается при тех же режимах сварки на 30-307. При этом, что особенно важно, разброс уменьшается в 3-4 раза по сравнению с известным устройством. Оставшееся уменьшение механических колебаний обусловлено не изменением резонансной частоты, а уменьшением добротности при защемнении сварочного инструмента и увеличением вносимого импеданса зоны обработки. При использовачии известного синусоидального генератора с АПЧ сварка осуществляется возбуждающим напряжением 35 В, при использовании предлагаемого устройства с разорванной обратной связью АПЧ и без полосового фильтра и балансового модулятора (сварка шумовым напряжением широкого спектра частот) напряжение шума, возбуждающее преобразователь, равно 192 В.Если же использовалось устройство в полной совокупности признаков, то при сварке шумовое напряжение в ограниченной полосе частот равно 30- 42 В.При сравнении качества сварки интегральных схем видно, что проч10 1094705 Составитель ВьКатинРедактор НДжуган Техред А.Ач, Корректор А.Ильин Заказ 3491/7 Тираж 1037 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений.и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 9ность соединений А-А и А 2-Аи при использовании предлагаемого устройства увеличилась на 8-203, а воспроизводимость - на 30-603, при этом выход годных изделий увеличился с 96,5 до 98,2 . Таким образом, предлагаемое устройство обладает более стабильными выходными механическими параметрами, что позволяет увеличить ка честно ультразвуковой обработки.