Устройство для ультразвуковой сварки

(21) 3 (22) 1 (46) 0 (72) Е А. И. и Л Г Ю ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 813202/25-279.11.847.05.86. Бюл.17(54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ, содержащее станину,механизм вертикальных перемещений с приводом, сварочную головку с инструментом,размещенную в клеммном зажиме на корпусес возможностью качания, упор ограничения ее перемещения, неподвижную и подвижную губки зажима проволоки, катушкудля проволоки, предметный столик и системууправления, первый выход которой подключен к приводу вертикальных перемещений,второй - к сварочной головке, а первыйвход соединен с внешней схемой запускаустройства, отличающееся тем, что, с цельюупрощения конструкции и повышения производительности сварки, оно снабжено установленными на корпусе двумя Г-образны,801228997 А 1 ми кронштеинами, рычагом, упругим элементом и двумя преобразователями, один из которых размегцен на Г-образном кронштейне с возможностью взаимодействия с подвижной губкой, а другой -- со свободным концом рычага, установленного на клеммном зажиме и подпружиненного к упор ограничения перемещения сварочной головки, при этом клеммный зажим смонтирован на корпусе с помогцью упругого элемента, жестко закрепленного на нем так, что ось качания сварочной головки и рабочая поверхность инструмента лежат в одной плоскости.а система управления дополнительно снабжена третьим и четвертым выходамп и вторым входом, причем третий выход подключен к первому преобразователю, а четвертый выход и второй вход - к второму преобра- Ж зовател ю.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что преобразователи выполнены в виде плас- в тинчатых пьезоэлементов.3. Устройство по п. 1, отличающеес тем, что длина рычага, установленного на клеммном зажиме, равна 1=л/4, где г, длина волны продольных колебаний сварочной головки.Изобретение относится к области сваркипри производстве электронных приборов, вчастности к оборудованию для присоединения прОВОлочнь)х ВыВОдОВ различных полупроводниковых приборов и интегральныхсхем.Цель изобретения - упрощение конструкции и повьпцение производительностисварки.Поставленная цель достигается за счетуменьшения подвижной массы установки и Обыстродействия срабатывания пьезоэлементов.Нз фиг. 1 и 2 приведено устройство, оощий вид; на фиг. 3вид А ца фиг. 2; нафиг. 4 вид Б на фиг. 2; нз фиг. 5структурная схема системь управления. 15Устройство для ультразвуковой сварки(УЗ) содержит станицу 1, механизм вертикальных перемещений с приводом 2, корпус3 сварочной головки, сварочную головку 4с инструментом 5, закрепленную в клеммном зажиме 6, неподвижную губку 7, цодВижцую Гмоку 8, пружин 9, катушк 10 дл 5проволоки, предметцыи столик 11, упор 12ограничения перемещения сварочной голов.ки, рычаг 13, систему 14 управления, первый преобразователь 15, Г-образный кронштейн 16, второй преобразователь 17 иего Г-образный кронштейн 18, пружину1 Э, втулку 20, упругий элемент 21, гайку 22,причем первый выход системы 14 управления подклкчец к приводу 2 вертикальныхпеременеций сварочной головки 4, второй к сварочной головке 4, третиЙ выходк первому преобразователю 15, четвертый ивторой выход - к второму преобразователю 17, а первый вход соединен с внешнейсхемой, запуска устройства,УцруГий элемент 21 (фиГ. 3) предсГЗВляет собой цружцццук проволоку диаметром0,5 - -0,8 мм в зависимости от конструктивного исполнения, условий нзгружеция и акустических характеристик устройства.Зазор 1., равный 0,01 -0,03 мм (зависитот диаметра привариваемой проволоки, 4 Озазор О,О 0,03 мм соответствует диаметрам0.025 0,05 мм) между преобразователем 17(фиг. 1 и 2) ц рычагом 3 усганавливастсяв исходном вложении путем перемещения Г-образного крогпцтейца 18 относительно45корпуса 3 (например, прокладками, цс показаны).Г-образные кронштейны 6 и 18 выполнены с выступами В предназначенными дляограничения изгиба пьезоэлемецтов (прсооразователей) 15 и 17 (максимально допустимый рабочий изгиб 0,3 мм) во избежание ихполомки при пуско-наладочных работах. Механизм вертикальных церемепений 2 выполнен в виде каретки с приводом ца шаговом двигателе.Устройство работает следукпцим образом. 55Перед началом работы устанавливаются(подбираются) необходимые режимы первойи второй сварок, исходя из конкретныхтребований. Режимы первой и второй свзрок независимы и регулируются: длительность сварки 5- - 50 мс, мощность 0,04 - 4 Вт, нагружецие 0,2- - 2 Н (ориентировочно для приварки золотой проволоки диаметром 40 мкм длительность первой и второй сварки по О мс, мощность по 0,5 Вт, цагруженис соответственно 0,8 Н и 1,2 Н). Затем ззцрзвляюз проволоку, сматываемую с катуцки 10 (фиг. 3) в инструмент 5 (фиг. 1), и в наладочном ,)ежиме образукт шарик (электроискровым способом или с помощью газовой горелки, не показано) на кончике проволоки, выступакнцем из инструмента 5. ,51 зцое устройство может быть использовано как в полуавтоматических установках, так и в полностью автоматических, принцип действия при этом не изменяется.После нажатия кнопки Пуск (внешний запуск, не показано) сигнал поступает на вход 1 системы 14 управления, по команде с Выхода 1 (фиг. 1) привод механизма вертикальных перемещений 2 опускает корпус 3 сварочной головки, а вместе с ним и сварочную гонвку 4 в зону первой сварки. Одновременно с командой на привод 2 верика ьных перемещений с выхода 1 системы 14 управлеция подается напряжение (1. ца преобразователь 5 (фиг.и 4), последний изгибается и, преодолевая усилие пружины 9 (фиг. 4), открывает губку 8, позволяя при движении сварочной головки 4 (фиг 1 и 2) с инструментом 5 вниз привариваемой проволочке свободно сматываться с катушки 10 (фиг. 3).В момент контакта инструмента 5 (фиг. 1 и 2) посредством выступающего из него на конце цривариваемой проволоки шарика микросхемы (не показаны) сварочная головка 4 начинает поворачиваться вокруг горизонГальной оси упругого элемента 21 (фиг. 3), цри этом рычаг 13 (фиг. 1 и 2) открывается от упора 12 ограничения перемещения, выстирает зазор 1 и вступает в контакт с вторым преобразователем 7. Преобразователь 17 воспринимает усилие этого касания и ца его электродах появляется напряжениекоторое поступает ца вход 11 системы 14 управления (фиг, 1). Система 14 управления фиксирует касание, переводит преобразователь 17 в режим нагружения путем огклкчеция входа 11 и прекращает коммуГанию обмоток напвого двигателя механизма 2 Вертикальных перемещений ца выходе 1, з через выход И на преобразовате ь 17 подает напряжение 1 ь под дейст. вием когорого последний изгибается в обрзтцом цаправлеции, оказывая силовое давлецис ца рычаг 13 и посредством сварочной головки 4 с инструментом 5 - на привариваемук проволоку (шарик). Усилие наГружеция (давления) определяется величиной подзвзс мого напряжения на преобразователь и имеет линей нчо зависимость. Одновременно с этим через выход 11 системы 4 управления (фиг. 1) с определенной задержкой (задержка имеет регулировку5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 и величина ее подбирается в зависимости от конкретных условий сварки и материалов) подает возбуждающее напряжение на сварочную головку для производства сварки (длительность и мощность сварочного импульса в соответствии с установленными значениями перед началом работы на блоке ультразвукового генератора (УЗГ) 33 (фиг. 5),По окончании первой сварки система 14 управленияя (фиг. 1) с выхода 1 подает сигнал на коммутацию обмотки шагового двигателя механизма 2 вертикальных перемещений таким образом, чтобы обеспечить подъем сварочной головки 4 с инструментом 5 и одновременно переводит преобразователь 17 в режим касания путем закрытия выхода 4 и соединения преобразователя с входом 11. Затем для образования перемычки петли предметный столик 11 перемещают к месту второй сварки (в полуавтоматических установках это перемещение выполняется вручную с помощью манипулятора пантографного типа, не показан) и производят внешний пуск системы 14 управления. Через выход 1 системы 14 управления начинается коммутация обмоток шагового двигателя 2 вертикальных перемещений, последний опускает сварочную головку 4 с инструментом 5 в зону второй сварки для ее выполнения внахлест. Последовательность и принцип работы устройства от момента касания до выполнения второй сварки аналогичны, как и при выполнении первой сварки,По окончании второй сварки система 14 управления с выхода 1 начинает коммутацию обмоток шагового двигателя механизма 2 вертикальных перемещений таким образом, чтобы обеспечить подъем сварочной головки 4, и одновременно переводит преобразователь 17 в режим касания. На высоте подъема 1 мм (величина зависит от диаметра проволоки и регулируется программатором, фиг. 5) система 14 управления прекращает подачу. на преобразователь 15 (фиг. 1, 2 и 4), последний возвращается в исходное состояние, и подвижная губка 8 (фиг. 4) под действием пружины 9 производит фксацию проволоки (зажим), при дальнейшем подъеме сварочной головки 4 (фиг. 1 и 2) проволочка обрывается у места второй сварки, при этом с инструмента 5 выступает хвост, равный 1 мм, который необходим для последующего образования шарика. При достижении сварочной головки 4 исходного положения производится оплавление хвоста с образованием шарика (с помощью электроискрового разряда или газовой горелки). На этом цикл образования перемычки закончен, и устройство готово к выполнению очередной перемычки. Процесс выполнения всех последующих перемычек на микросхеме аналогичен.Система 14 управления (фиг. 5) содержит три аналоговых ключа 23 - 25, формирователь 26 отрицательного импульса, четыре КЯ-триггера 27 - 30, Р-триггер 31, элемент задержки 32, ультразвуковой генератор 33, два источника 34 и 35 напряжения, два элемента ИЛИ 36 и 37, управляемый генератор 38, элемент И 39 и элемент И - НЕ 40 реверсивный счетчик 41 импульсов, коммутатор 42 фаз, программатор 43 и комцаратор 44. Входами системы 14 управления (фиг. 1 и 5) соответственно являются: первым - параллельно соединенные второй вход первого элемента ИЛИ 36 (фиг. 5), К-вход второго триггера 28, Я-вход четвертого триггера 30, вторым - вход первого аналогового ключа 23. Выход первого элемента ИЛИ 36 подключен к 8-входу третьего триггера 29, выход которого подключен к управляю 1 цему входу генератора 38, выход которого связан со счетным входом счетчика 41 и вторым входом коммутатора 42 фаз, выходы которого являются первым выходом системы 14 управления (фиг. 1 и 5). Выход второго триггера 28 (фиг. 5) подключен к первому входу коммутатора 42 фаз, второму входу элемента И 39 и к первому входу счетчика 41, информационные выходы которого подключены к входам А компаратора 44, выход которого подключен к второму входу элемента И НЕ 40, выход которого подключен к К-входу четвертого триггера 30; выход которого подключен к управляющему входу аналогового ключа 25, выход которого является третьим выходом системы 14 управления (фиг. 1 и 5). Выход первого аналогового ключа 23 (фиг. 5) подключен к входу формирователя 26 отрицательного импульса, выход которого связан с параллельно соединенными входами элемента 32 задержки, первым входом второго элемента ИЛИ 37 и Я-входом первого триггера 27, второй выход которого соединен с управляющим входом первого аналогового ключа 23, а первый выход - с управляющим входом второго аналогового ключа 24, выход которого является четвертым выходом системы 14 управления (фиг. 1 и 5). Выход элемента 32 задержки (фиг. 5) соединен с управляющим входом УЗ-генератора 33, первый выход которого является вторым выходом системы 14 управления (фиг. 1 и 5), а второй вь 1 ход подключен к параллельно соединенным К-входу первого триггера 27 (фиг. 5), первому входу первого элемента ИЛИ 36, 8-входу второго триггера 28 и счетному входу триггера 31, выход которого подключен к собственному Р-входу и к первому входу элемента И 39, выход которого подключен к первому входу элемента И - НЕ 40. Выход заема счетчика 41 подключен к второму входу второго элемента ИЛИ 37, выход которого соединен с К-входом третьего триггера 29. Выходы программатора 43 соединены с входами В компаратора 44.Выход первого источника 34 напряжения подключен к входу второго аналогового ключа 24, а выход второго источника 35напряжения подключен к входу третьего аналогового ключа 25.Система управления работает следующим образом.На первый вход системы управления поступает импульс внешнего запуска, который через первый элемент ИЛИ 36 (фиг. 5) устанавливает на выходе третьего триггера 29 состояние логической 1, которая поступает на управляющий вход генератора 38, которь 1 й, в свою очередь, начинает генерировать импульсы для работы коммутатора 42 фаз и источника 41 импульсов.Коммутатор 42 фаз может коммутировать свои выходы в последовательностив 2 в 3 в 1 в , либо в последовательности 4 - 3 - 2 - 1 - 4 - , в зависимости от состояния на первом входе коммутатора 42 фаз. В данном случае на первом входе коммутатора 42 фаз будет состояние логического О, поступающее с выхода второго триггера 28, установленного в состояние логического О импульсом внешнего запуска, и коммутатор 42 фаз будет коммутировать свои выходы в последовательности 1 - -2 - 3 в 4 1 Этот же логический О, поступая на первый вход счетчика 41, устанавливает в счетчике 41 режим суммирования и с приходом каждого импульса с генератора 38 на счетный вход счетчика 41 выходной код счетчика 41 увеличивается на единицу. Тот же импульс внешнего запуска с первого входа системы 14 управления устанавливает четвертый триггер 30 в состояние логической единицы, которая, поступив на управляющий вход третьего аналогового ключа 25, разрешает прохождение напряжения с второго источника 35 напряжения через третий аналоговый ключ 25 на третий выход системы 14 управления. При поступлении напряжения на второй вход системы 14 управления оно, пройдя через первый открытый аналоговый ключ 23, запустит формирователь 26, который выработает отрицательный импульс, который, поступив на 8-вход первого триггера 27, устанавливает на первом выходе первого триггера 27 состояние логической единицы, а на втором выходе состояние логического нуля, которое соответственно, поступив на управлякцций вход первого аналогового ключа 23, закрывает его, и на управляющий вход второго аналогового ключа 24, открывает его и тем самым разрешает прохождение напряжения с первого источника 34 напряжения через второй аналоговый ключ 24 на четвертый выход системы 14 управления. Этот же отрицательный импульс с выхода формирователя 26, поступая через первый вход второго элемента ИЛИ 3 на К-вход третьего триггера 29, перебрасывает третий триггер 29 в состояние логического нуля, останавливая тем самым работу генератора 38, а следовательно, и работу счетчика 4 и коммутатора 42 фаз. Кроме того, тот же отрицательный импульс с выхода формирователя 26, пройдя через5 0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 элемент 38 задержки, поступает на управляющий вход УЗ-генератора 33, что вызывает появление УЗ-колебаний на первом выходе УЗ-генератора 33 и соответственно на втором выходе системы 14 управления (фиг. 1 и 5). По истечении времени, определяемого устройством самого УЗ-генератора 33 (фиг. 5), на первом выходе УЗ-генератора и соответственно на втором выходе системы 14 управления, прекращается процесс возбуждения УЗ-колебаний. УЗ-генератор 33 (фиг. 5) переключается для работы во втором режиме (т.е. с другими параметрами возбуждения УЗ-колебаний и другим временем их продолжительности, установленными перед началом работы), а на втором выходе УЗ-генератора 33 вырабатывается отрицательный импульс, который, поступив на К-вход первого триггера 27, устанавливает тем самым на первом выходе первого триггера 27 состояние логического О, а на втором выходе - состояние логической 1, что соответственно приводит к открываник) первого аналогового ключа 23 и закрыванию второго аналогового ключа 24, тем самым давая возможность поступлению напряжения с второго входа системы 14 управления через первый аналоговый ключ 23 на формирователь 26 (фиг. 5) и соответственно снимая напряжение на четвертом выходе системы 14 управления, которое поступает с первого источника 34 напряжения через второй аналоговый ключ 24. Этот же импульс с второго выхода УЗ-генератора 33, поступив через первый элемент ИЛИ 36 на 8-вход третьего триггера 29, устанавливает на его выходе состояние логической 1, которая, поступив на управляющий вход генератора 38, разрешает его работу, генератор 38 начинает генерировать импульсы, которые поступают на счетные входы счетчика 41 и коммутатора 42 фаз, причем теперь коммутатор 42 коммутирует свои выходы в последовательности 4 в -3 2 - 1 - 4, а счетчик 41 работает в режиме вычитания, с приходом каждого импульса уменьшая выходной код на единицу, так как тот же импульс с второго выхода УЗ-генератора 33, поступив на Б-вход второго триггера 28, устанавливает на его выходе состояние логической 1, которая поступает на первые входы счетчика 41 и коммутатора 42 фаз. Кроме того, тот же импульс со второго выхода УЗ-генератора 33, поступив на счетный вход Р-триггера 31, устанавливает на его выходе состояние логического О. По мере работы счетчика 41 импульсов код на его выходе уменьшается до нуля, после чего на выходе заема счетчика 41 вырабатывается отрицательный импульс, который, поступив через второй элемент ИЛИ 37 на К-вход третьего триггера 29, устанавливает на его выходе состояние логического О, тем самым остановив работу генератора 38 и соответственно счетчика 41 и коммутатора фаз 42. Ра 12289977бота системы 14 управления (фиг. 1) после прихода второго импульса внешнего запуска на первый вход системы 14 управления полностью аналогична описанному за исключением следующего. После прихода импульса с второго выхода УЗ-генератора 33, триггер 31 устанавливается теперь в состояние логической 1, которая поступает на первый вход элемента И 39, на втором входе которого также присутствует логическая единица с выхода второго триггера 28 и, следовательно, на выходе элемента И 39 также логическая 1, По мере работы счетчика 41 код на его выходе и соответственно код на входах А компаратора 44 сравняется с кодом, набранным на программаторе 43, после чего на выходе компаратора 44 появляется логическая 1, которая через элемент И - НЕ 40 поступает на К-вход четвертого триггера 30 и устанавливает на его выходе состояние логического О, которое, поступив на управляющий вход третьего аналогового ключа 25, закрывает его, прекратив тем самым поступление напряжения с второго источника 25 напряжения через третий аналоговый ключ 25 на третий выход системы управления.Таким образом, применение двух преобразователей, консольно закрепленных в Г-образных кронштейнах, одного - в качестве привода зажимных губок, второго фиксируЮщего, касание сварочного инструмента и осуществляющего его нагружения, а также жесткая без люфта подвеска сварочной головки на упругом элементе, позволяют производить безинерционное нагружение с большой скоростью без возникновения при касании инструментом объекта сварки вредных колебаний, что в конечном счете позволяет повысить производительность в два и более раза.Конструкция устройства значительно проще известной, в ней упрощена конструкция 10 подвеса сварочной головки, исключены электромеханический датчик касания, пружинно- рычажная система дополнительного нагру.жения с приводом. Уменьшена подвижная масса, что так же, как и в быстродействие срабатывания преобразователей, спо собствуют повышению производительности,Выполнение устройства таким образом,что ось качания сварочной головки (ось упругого элемента, жестко закрепленного на клеммном зажиме) и рабочая поверхность инструмента лежат в одной плоскости, ис ключает вредные перемещения ползанияинструмента на сварке, что может иметь место особенно при разварке толстых проволочек, когда после фиксации момента касания делается несколько дополнительных шагов и уже потом останов перемещения сварочной головки.Длина рычага, установленного на клеммном зажиме с Г= - обеспечивает наи= ябольший коэффициент полезного действия ультразвуковой системы.го комитет ий и откры аушская на жго род, ул. 113035,Филиал П