Способ управления процессом ультразвуковой сварки и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 961900 Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(511 М. Кл.з В 23 К 20/10 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийР 3) УДК 621. 791. .16.0371088.8) Дата опубликования описания 300982(72) Авторы изобретения И.В. Петушко, Г.С. Поль-Мари и Ю.В. ХолоповВсесоюзный научно-исследовательский проектно- .технологический институт токов высокой частотыим. В.П. Вологдина(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 15 Изобретение относится к ультразвуковой технике и предназначено для работы в различных Ультразвуковых технологических процессах и ус 5 тановках, преимущественно для ультразвуковой сварки материаловИзвестен способ управления процессом ультразвуковой сварки, заключающийся в формировании огибающей кривой амплитуды импульса механических колебаний в Форме прямоугольника путем включения и выключения через заданный интервал. времениультразвукового генератора 1.Недостатком способа является низкое качество сварных соединений,обусловленное невозможностью управления формой кривой. сварочного импульса, что отрицательно сказываетсяна повторяемости характера измененийамплитуды механических колебанийсварочного йнструмента являющейсяосновным параметром процесса ультразвуковой сварки. 25Кроме того, недостатком являетсятакже низкий КПД, вызванный большойподводимой акустической мощностью,имеющей постоянную величину в течение всего времени сварки. 30 Устройство для осуществления этого способа. содержит реле времени, ультразвуковой генератор с акустической системой на выходе и цепь автоматической подстройки частоты. Недостатком известного устройства является низкое качество сварных соединений, обусловленное отсутствием цепи автоматического регулирования амплитуды механических колебаний, а также низкое качество сварных соединений и низкая производительность, вызванные отсутствием цепи автоматического регулирования времени сварки в зависимости от толщины свариваемых материалов.Наиболее близким к предлагаемому является способ управления процессом ультразвуковой сварки, основанный на формировании сварочного импульса с требуемой огибающей амплитуды механических колебаний 2.Недостатком известного способа является низкое, качество сварных соединений, ббусловленное узким диапазоном изменения амплитуды огибающей кривой, что ограничивается амплитудно-частотной характеристикой акустической системы.Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее управляемый ультразвуковой генератор с акустической системой на выходе, блок управления, схему автоматической подстройки частоты, цепь автоматической подстройки амплитуды, включающую последовательно соединенные схему выделения огибающей амплитуды импульса, схему сравнения, усилитель рассогласования и управляющий элемент 3.Недостатком устройства является ниэкОе качество сварки и малая производительность.Цель изобретения - повышение качества сварки и производительности.Поставленная цель достигается тем что в способе, основанном на формировании сварочного импульса с требуемой огибающей амплитуды механических колебаний, сварочный импульс в процессе его формирования разбивают на дискретные по времени и амплитуде участки и стабилизируют амплитуду каждого дискретного участка, длительность сварочного импульса изменяют путем изменения длительности всех дискретных участков огибающей амплитуды сварочного импульса, при этом длительность дискретных участков выбирают из условияТ 1 Т ЪЫ(2 ГЮ 1 где Т - длительность ультразвукового сварочного импульса;длительность дискретногоучастка импульса;Г - частота колебаний акустической системы;6 - добротность акустическойсистемы в режиме холостогохода.Кроме того, поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее управляемый ультразвуковой генератор с акустической системой на выходе, блок управления, схему автоматической подстройки частоты и цепь автоматической подстройки амплитуды, включающую последовательно соединенные схему выделения огибающий амплитуды импульса, схему сравнения, усилитель рассогласования 1 и управляющий элемент, введены постГЬдовательно включенные схема блокировки, генератор тактовых импульсов, регистр сдвига и аналоговый коммутатор с подключенными к его другим входам выходами задатчиков, при этом выход аналогового коммутатора подключен к второму входу схемы сравнения, вход схемы блокировки подключен к выходу по следнего разряда регистра сдвига, а второй вход схемы блокировки сое" динен с его входом, выход же блокауправления соединен с генераторомтактовых импульсов,Кроме того, в устройство введенблок измерения толщины свариваемых5 деталей, выход которого соединен свходом блока управления.На фиг. 1 а-ж, показана формакривых импульсов колебаний; нафиг. 2 - блок-схема предлагаемого10 устроистваУстройство состоит из управляемого ультразвукового генератора 1 сакустической системой 2 на выходе,схемы 3 автоматической подстройкичастоты, и цепи автоматической подстройки амплитуды, содержащей включенные последовательно схему 4 выделения огибающей амплитуды импульса,схему 5 сравнения, усилитель б рассогласования, управляющий элемент 7,последовательно включенные генератор8 тактовых импульсов, регистр 9 сдви-.га, аналоговый коммутатор 10, ккоммутирующим входам которого подключены задатчики 11, а его выходподключен ко второму входу схемы5 сравнения, и схему 12 блокировки,через которую цепь внешнего запускаустройства подсоединена к генератору8 тактовых импульсов и входам регистЗО ра 9 сдвига, выход последнего разряда которого подключен к схеме 12блокировки. Выход блока 13 измерениятолщины материалов 14 подключен через блок 15 управления к генератору35 8 тактовых импульсов.Способ осуществляют следующим образом.На схему 5 сравнения подают импульс (фиг. 16), состоящий из о-го4 О количества дискретных импульсовсо стабилизированной амплитудой(фиг, 1 б), В момент поступления первого дискретного импульса на схему5 сравнения, сигнала со схемы 4 вы 4 деления огибающей амплитуды импульса нет, поэтому разностный сигнал самплитудой, равной амплитуде первогоэлементарного импульса, поступаетна усилитель б рассогласования иуправляющий элемент 7 и воздействуетна генератор 1, обеспечивая заданную электрическую мощность, подводимую к акустической системе 2.В акустической системе 2 возбуждаются механические колебания с амплитудой механических колебаний, пропорциональной амплитуде первогодискретного импульса акустическойсистемы 2. На выходе схемы 4 выделения огибающей появляется сигнал,бО пропорциональный амплитуде механических колебаний акустической системы 2, который поступает на первыйвход схемы 5 сравнения. Пока на втором входе схемы 5 сравнения действует первый дискретный импульс,50 55 любые отклонения сигнала, поступающего со схемы 4 выделения огибаю.щей вызванные, например изменением акустического сопротивления технологической нагрузки (свариваемых материалов), вызывают пропорциональные изменения разностного сигнала, получаемого на выходе схемы 5 сравнения, что, в свою очередь, изменяет выходную мощность генератора 1: а следовательно, и величину ампли туды механических колебаний акустической.системы 2.Например, при уменьшении амплитуды механических колебаний акустической системы 2 цепь автоматической 15 подстройкиамплитуды механических колебаний мощность, подводимая к акустической системе 2 уменьшается.Таким образом, в течение всего времени пока действует первый дискретный импульс амплитуда механических колебаний акустической системы 2 пропорциональна величине этого импульса, т.е. стабилизирована. В момент поступления второго дискрет ного импульса (на фиг. 1 б его амплитуда меньше амплитуды первого элементарного импульса) на второй вход схемы 5 сравнения, на первом входе . этой схемы находится еще сигнал, соответствующий амплитуде механических колебаний, заданной первым дискретным импульсом, и поэтому разностный сигнал на входе схемы 5 сравнения воздействует через усилитель 6 рассогласования и управляющий элемент 7 таким образом, что приводит амплитуду механических колебаний акустической системы 2 в соответствие с уровнем нового дискретного импульса, в данном случае уменьшает ее. 40Так как на второй вход схемы 5 сравнения подают поочередно дискретные импульсы, с стабилизированной амплитудой на различных заданных уровнях, то очевидно и амплитуда 45 механических колебаний акустической системы 2 пропорционально изменяется в соответствии с этими изменениями. На второй вход схемы 5 сравнения задают практически любые комбинации различных по величине дискретных импульсов, тем самым формируя любой характер огибающей кривой амплитуды импульса механических колебаний акустической системы 2, не зависимо от частотной характеристики акустической системы 2. Схема 3 автоматической подстройки частоты и амплитуды обеспечивает осуществление способа на частоте механического40 резонанса акустической системы 2 рри любой величине амплитуды механических колебаний, что обеспечива-ет высокий КПД способа. Л так как формирование огибающеЯ кривой импульса механических колебаний не за висит от характера амплитудно-частотной характеристики акустической системы 2, то способиспользуют с преобразователями, имеющими низкую добротность, с различными инструментами и в технологических процессах, оказывающих значительное воздействие на акустическую систему, т.е. имеющих низкое акустическое сопротивление. Воэможность регулирования практически любой формы огибающих кривых импульса повышает качество сварных соединений и расширяет область применения способа. В .предлагаемом способе можно легко и быстро изменить длительность импульса ультразвуковых механических колебаний, для чего эту длительность изменяют путем одновременного и соответственного изменения длительности дискретных импульсов.При такой регулировке длительности форма огибающей кривой импульса полностью сохраняется (фиг. 1 ж). Необходимость в этом возникает, например при ультразвуковой сварке с изменяющейся вдоль точечного шва толщиной материалов. Сохранение формы огибающей кривой при регулировке длительности импульса повышает КПД способа, так как сохраняется оптимальная форма ультразвукового импульса при любой длительности импульса и повышается производительность способа за счет возможности уменьшения временного воздействия ультразвуковых колебаний.Согласно приведенной формуле 1 верхний предел ограничивается значением Т 2 , так как воздействие неквантованным ультразвуковым импульсом с постоянной амплитудой приводит к лишним затратам энергии и снижению качества технологического процесса. Нижний предел ограничивается пределом Ц 2 Г 91 Х , так как при меньших значениях г заданная форма ультразвукового импульса механических колебаний искажается за счет инерционности акустической системы. Постоянная времени резонансной цепи, которой в данном случае и является механическая колебательная система, определяется известной из электротехники 1 Ц формулой- "мех.мехгде (. , В - электрические аналоги механическихсвойств колебательной системы. Поскольку механическая добротность 0 определяется как ц, ф мех.мегде Я - угловая частота, тоС =Я%,Так как переходной процесс в резонансных цепях практически завершается за 3 г то и минимальная длитель ность; определяется из выраженияС= ЭЦ (Щ,гдеЯ = ЙЕ;Выбор меньшей величины Г , чем3(2 а д/Р в технологических процессах,где режим работы колебательной системы близок к режиму холостого хода,приводит к необоснованному завышению числа квантующихся импульсови увеличению подводимой энергии колебательной системы, поскольку колебательная система не может в силуукаэанной инерционностиобеспечитьизменение амплитуды механическихколебаний в соответствии с задаваемой формой огибающей.Устройство для осуществления способа работает следующим образом.Через схему 12 блокировки к генератору 8 тактовых импульсов подаютзапускающий импульс, после которогогенератор 8 начинает генерироватьтактовые импульсы (фиг. 1 а), а в 30регистр 9 сдвига через входы прямойустановки записывается число 1(единица) на выходе разряда 2" и 0(нуль) на остальные входы регистра.Единица записанная в регистр сдвига 9 (выход 2) воздействует нааналоговый коммутатор 10, который,в свою очередь, подключает первыйзадатчик 11 (на фиг. 2 - верхний)ко второму входу схемы 5 сравнения. 40Так как на первом входе схемы 5сравнения сигнала со схемы 4 выделения огибающей амплитуды импульса выделения нет, то разностный сигнал,величина которого равна величине 45опорного сигнала, получаемого спервого эадатчика 11 (фиг. 1 в),поступает с выхода схемы 5 сравнениячерез усилитель б рассогласования,и управляющий элемент 7 к генератору 1.В акустиЧеской системе 2 возбуждаютсямеханические колебания, амплитуда которых пропорциональна величинесигнала, поступающего на второйвхоД Схемы 5 сравнения. Ультразвуковые колебания с такой амплитудойвоздействуют на детали 14 только втечение времени квантования, определяемого генератором 8 тактовыхимпульсов, т.е. только до поступле)ния в регистр следующего тактовогоимпульса С приходом следующего тактового импульса "Единица" из первого разряда регистра 9 переписываетсяВО второй и подсОединяет к втОрОму входу схемы 5 сравнения с помощью аналогового коммутатора 10 следующий эадатчик (фиг. 1 г), таким образом теперь уже на выходе схемы 5 сравнения формируется сигнал от разности сигнала, поступающего со схемы выделения огибающей и сигнала с выхода коммутатора 10.Этот разностный сигнал через усилитель б рассогласования и управляющий элемент 7 изменяет выходную мощность генератора 1 таким образом,что амплитуда механических колабаний; акустической системы 2 пропорциональна уже величине сигнала второго задатчика 11. С приходом каждого тактового импульса на вход регистра 9 сдвига единичный сигнал на выходе этого регистра перемещается из разряда в разряд, подключая с помощью коммутатора 10 поочередно каждый из задатчиков .11 к второму входу схемы 5 сравнения (фиг. 1 в-е) для примера показаны графики для 4-х задатчиков. Как только единичный сигнал в регистре 9 перемещается в последний разряд 2 , выход которого соединен через схему 12 блокировки с генератором 8 тактовых импульсов, генерация этих импульсов прекращается, а на второй вход схемы 5 сравнения сигнал с выхода коммутатора 10 не поступает, так как ни на одном из выходов разрядов регистра 9 сдвига нет единичного сигнала. Поскольку величина опорного сигнала с выхода коммутатора равна О, то и вся цепь автоматической подстройки амплитуды срабатывает таким образом, что механические колебания акустической системы 2 снижаются до "0". Весь процесс воздействия ультразвуковыми колебаниямина детали 14 представляет собой последовательное воздействие ультразвуковыми импульсами. с длительностью о , равной периоду генерации тактовых импульсов генератора 8 со стабилизированной на различ- . ных заданных уровнях амплитудой механических колебаний акустической системы 2 (фиг. 16).Таким образом, выставляя выходные напряжения задатчиков 11 от "0" до максимального значения, ограниченного только мощностными параметрами генератора 1 и акустическойсистемы 2, можно получить практически любую форму ультразвукового импульса, необходимую для данного технологического процесса, что обеспечит повышение качества процесса,расширит область применения устройства и его производительности. Для повышения производительности за счет уменьшения времени на перестройку устройства и автоматического уменьшения длительности импульсаФ л,.воздействия на детали ультразвуковыми колебаниями в предлагаемое устройство введены дополнительная цепьавтоматической подстройки длительности ультразвукового импульса в зависимости от толщины обрабатываемых 5материалов. Если толщина деталей,например при сварке изменяется вдольточечного шва (сварка клинообразныхматериалов), то электрический сигнал на выходе блока 13 измерения 10толщины, воздействуя через блок 15управления на генератор 8 тактовыхимпульсов, изменяет период генерирования в зависимости от толщины материалов 14, что, в свою очередь,изменяет длительность технологического процесса (например фиг, 1 б и ж),Причем форма огибающей кривой; оптимальная для данного материала, останется не изменной.Использование предлагаемого способа и устройства для его осуществления позволяет повысить качествосварки в широком диапазоне изменения технологических нагрузок расширить область применения, способа засчет расширения диапазона измененийамплитуды огибающей кривой ультразвуковых колебаний, повысить качество технологического процесса и производительности устройства за счет 30автоматического регулирования времени технологического процесса в зависимости от толщины детали,35Формула изобретения1. Способ управления процессомультразвуковой сварки, основанныйна формировании сварочного импульса 40с требуемой огибающей амплитуды механических колебаний, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения качества сварки, сварочныйимпульс в процессе его формирования 45 разбивают на дискретные по времени и амплитуде участки и стабилизируют амплитуду каждого дискретного участка, длительность сварочного импульса изменяют путем изменения дли 50тельности всех дискретных участков огибающей амплитуды сварочного импульса, при этом длительность дискретных участков выбирают из усло;,вия5536ТМ,где Т - длительность ультразвуковогосварочного импульса;- длительность дискретногоучастка импульса;частота колебаний акучтической системы;О - добротность акустической системы в режиме холостого хода.2. Устройство для управления процессом ультразвуковой сварки, содержащее управляемый ультразвуковой генератор с акустической системой навыходе, блок управления, схему автоматической подстройки амплитуды,включающую последовательно соединенные схему выделения огибающей амплитуды импульса, схему сравнения, усилитель рассогласования и управляющийэлемент, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения качествасварки и производительности, в неговведены последовательно включенныесхема блокировки, генератор тактовыхимпульсов, регистр сдвига и аналоговый коммутатор с подключенными кего другим входам выходами задатчиков, при этом выход аналоговогокоммутатора подключен к второму входу схемы сравнения, вход схемы блокировки подключен к выходу последнего разряда регистра сдвига, а второйвход схемы блокировки соединен с еговходом, выход же блока управлениясоединен с генератором тактовых импульсов.3. Устройство по п. 2, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что, с цельюповышения производительности засчет уменьшения времени на перестройку, в него введен блок измерениятолщины свариваемых деталей, выходкоторого соединен с входом блокауправления.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Клеткин И.Д., Крючков Н,В.,Деулин ВЛ. Ультразвуковая сваркапри изготовлении одежды. М., "Легкаяиндустрия", 1979, с. 280-284.2. Колешко В.М., Мужиченко О.Г.Влияние формы ультразвукового импульса на качество микросварки."Автоматическая сварка", 9 5, 1976,с. 21-23.3. Рыдэевский А.П., Яковлев И.П.,Головин В.М., Васенко В.И., Трвердов О.К. Ультразвуковая сварка савтоматическим контролем качествасоединения. "Автоматическая сварка",9 2, 1979, с. 60-62 (прототип), 96190 О961900 Составитель В. Катин Техред Э.Палий Корректо уряк Середа акт одписноССР Тираж 1153осударственном иэобретенийМосква, Ж,акаэ 7362/1 4/5 ул, Проектная Патент",Ужг илиал П ВНИИПИ Г по дела 113035,комитета открытий уюская н