Способ автоматического управления акустическим режимом ультразвуковой сварки

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ оо 961902 Союз СоаетскихСоциалистическихРес публик(22) Заявлено 230481 (21) 3277425/25-27с присоединением заявки Ио(23) ПриоритетОпубликовано 300982. Бюллетень Но 36 И 1 М. Кп. В 23 К 20/10 ГосударстМииый комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 300982 1):- Щф"Фаад,Ростовский-на-Дону ордена Трудового Красного Знамениинститут сельскохозяйственного машиностроения(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИМ РЖИМОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИИзобретение относится к автоматическому управлению технологическими режимами при ультразвуковых методах обработки и сварки, различных изделий в машиностроении и радиоэлектронике и может быть использовано в медицине при проведении внутриглазных операций, связанных с рассечением патологических структур стекловидного тела и коагуляции сетчатки для восстановления зрительной функции глаза.Известен способ ультразвуковой сварки, при котором создают акустический контакт между инструментом и соединяемыми деталями, прикладыва-. ют усилие нормального давления, возбуждают импульсные ультразвуковые сварочныеколебания 11.Недостатком известного способа является низкое качество сварки, что объясняется отсутствием автоматического контроля и управления . режимом сварки при действии различных возмущений.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ автоматического управления акустическим режимом ультразвуковой сварки, основанный на определении добротности колебательной системы,создании плотного акустическогоконтакта между инструментом и соединяемыми элементами путем приложения усилия нормального давления,возбуждении периодических, регулируемых по длительности импульсныхультразвуковых сварочных колебанийи управлении энергией колебанийв зависимости от изменения нагрузкуколебательной системы и ее доброт-.".ности 12.Недостатком известного способаявляется низкое качество сварки,определяемой отсутствием стабилизации теплового излучения при сварке.Цель изобретения - повышение качества сварки за счет стабилизацииинтенсивности теплового излучения.и обеспечения заданной энергиив зоне сварки при действии различных возмущений, а также автоматизация контроля акустического контактаинструмента и соединяемых элементов.25 Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу, основанному на определении добротности колебательной системы, создании плотного акустического контакта между 30 инструментом и соединяемыми элемен 961902тами путем приложения усилия нормального давления, возбуждении периодических, регулируемых по длительности импульсных ультразвуковых сварочных колебаний и управлении энергией колебаний в зависимости от изменения нагрузки колебательной системыи ее добротности,. после каждого импульса возбуждения ультразвуковыхсварочных колебаний измеряют декремент затухания колебательной системы 10по числу циклов ее свободных колебаний и по измеренной величине декремента затухания регулируют длительность последующего импульса возбуждения ультразвуковыхсварочных колебаний,1(роме того, перед возбуждениемультразвуковых сварочных колебанийформируют комплексные маломощныеультразвуковые колебания, определяютперераспределение узлов и пучностейпродольных составляющих ультразвуковых колебательных смешений на волноводной части инструмента, и повеличине перераспределения узлов ипучностей определяют качество акустического контакта, после чегоформируют ультразвуковые сварочныеколебаний с заданной энергией.На фиг. 1 представлена блок-схемаустройства, реализующего данный,способ; на фиг. 2 - диаграммы напряжений на выходе функциональных звеньевустройства.В основу оценки температуры в зоне контакта и автоматической стабилизации интенсивности тепловогоизлучения положены особенности затухания свободных колебаний при вязком, сухом (поэиционном) и граничномтрении, а также изменение добротности 40основных взаимосвязанных механических контуров в функции измененияусилий нормального давления при сварке, например при коагуляции сетчаткив области медицины. Вариации усилий 45нормального давления являются одними из основных дестабилизирующихфакторов температуры в зоне контактаи отображаются в функции изменениятаких взаимосвязанных основных величин, как декремент затухания, коэффициент йоглощения, добротностьвзаимосвязанных мехайических контуров Мколичество циклов свободных,колфаний, которые в зависимостиот вида трения носят самый различныйхарактер, изменения,Понятие добротность механического контура в данном случае принята по аналогии к электрическим контурам 60 и определяется отношением полного запаса энергии, накапливаемой в колеблющейся системе за определенный промежуток времени, к энергии, отдаваемой на преодоление потерь и полез ную нагрузку, ВеличиНа, обратная.добротности, есть коэффициент потерь. Добротность связана с временнымкоэффициентом затухания по амплитуде, с логарифмическим декрементомзатухания свободных колебаний и счислом циклов колебаний, амплитудазатухающих свободных колебаний которых составляет геометрическуюили арифметическую прогрессию и зависит от природы сил трения.При проведении, например, коагуляции сетчатки в условиях вязкоготрения коэффициент поглощения взоне контакта не зависит от амплитуды колебаний. В этом случае логарифмический декремент затуханиясвободных колебаний постоянен, апоследовательные амплитуды затухающих колебаний составляют геометрическую прогрессию.При сухом трении коэффициентпоглощения зависит от амплитуды, сле.довательно, логарифмический декремент не постоянен, а последовательные амплитуды затухающих ультразвуковых колебаний не составляют геометрической прогрессии.Однако если сила трения пропорциональна контактному давлению,которое, в свою очередь, пропорционально смещению (позиционное трение), то декремент колебаний ставится постоянным, и следовательно, точно так, как и при вязком трении,последовательные амплитуды в такомслучае составляют геометрическуюпрогрессию.Таким образом, декремент затухания изменяется с изменением добротности механического контура при вариации нагрузки. Изменение во времени количества циклов -свободных колебаний, непосредственно связанныхс добротностью основного контурасистемы, отображают закон измененияусилий нормального давления, чтои положено в основу, автоматическогоуправления и стабилизации интенсивности теплового излучения в зонеконтакта.Предлагаемый способ автоматического управления акустическим режимом ультразвуковой сварки осуществляют следующим образом,Устройство, реализующее способ,обеспечивает два основных режимаавтоматического управления ультразвуковыми колебаниями: при ультразвуковом резании материалов и приих ультразвуковой сварке; при рассечении патологических структурстекловидного тела глаза и при коагуляции сетчатки.Устройство, реализующее данныйспособ (фиг. 1), содержит типовойультразвуковой генератор, состоящийиз задающего генератора 1, амплитудного усилителя 2, усилителя 3 мощности и системы 4 стабилизации резонансной частоты и заданной амплитуды,электронный коммутатор 5, которыйобеспечивает поочередное подключение,пьеэопреобразователя 6 либо к цепивозбуждения ультразвуковых колебаний, либо к цепи регистрации (измерения) числа циклов сйободных колебаний, пьезоэлектрический преобразователь 6 для возбуждения ультразвуковых колебательных смещений рабочейчасти инструмента через экспоненциальный концентратор 7, преобразователь 8 акустической эмиссии, усилитель 9 управления и формированиясигнала управления. Цепь регистрациичисла циклов свободных колебанийвключает в себя сигнальный усилитель10, детектор 11 усилитель-ограничитель 12, электронный ключ 13, управляемый триггер 14, счетчик 15, преобразователь 16 код - напряжение,схема 17 сравнения, усилитель 18,гейератор 19 пилообразного напряжения, пороговый элемент 20, дифферен-.цирующее звено 21, а также блок 22автоматического управления временемвоздействия мощных ультразвуковыхколебаний. Для усиления и одновременногопреобразования продольных колебательных смещений, возбуждаемых преобразователем 6 на рабочей части инструмента, экспоненциальный концентратор, 7 выполнен с витыми канавками,связанными между собой перемычкой,подобно сверлу, которые наряду с усилением ультразвуковыхколебаний преобразовывают продольные колебания вкомплексные колебания с преобладанием крутильной составляющей.Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа применительно кглазной хирургии, поскольку именнопроведение внутриглазных операцийпредъявляет повышенные требования.к надежности и точности управленияакустическим режимом ультразвуковойсварки, например, при коагуляциисетчатки к сосудистой и к склередля восстановления зрительной функции глаза,Включением заданных маломощныхкомплексных ультразвуковых колебаний3-5 мкм исключают молекулярное сцепление и используют их как сигнал,несущий информацию о нагруженностиинструмента и моменте включениякомплексных мощных колебательныхсмещений с амплитудой 35-40 мкм присоздании нагрузки на рабочей частиинструмента, например, при рассечении плотных патологических структурстекловидного тела, производят авто-матически, для чего регистрируют перераспределение узлов и пучностейпродольных и изгибных составляющихколебательных смещений с помощьюпреобразователя 8, установленной наволноводной части инструмента, и5 формируют управляющий сигнал.Для формированиясигнала управленияамплитудой колебаний сигнал преобразователя 8 усиливают усилителем 9управления и с его помощью же форми-10 руют сигнал управления коэффициентомусиления усилителя 2,Мощные ультразвуковые колебанияна рабочей части Инструмента (самплитудой 2 А - 35-40 мкм) разрушают15 плотные структуры стекловидноготела, исключая (уменьшают) тем самымнагрузку на рабочей части инструмента, а следовательно, уменьшаетсяи исчезает управляющий сигнал на20 выходе преобразователя 8, и в системевновь включаются маломощные ультразвуковые колебания (с амплитудой2 р. - 3-5 мкм).Таким образом, момент включения25 мощных ультразвуковых (УЗ) колебаний, время их действия до полногогарантированного рассечения тяжей(снятия нагрузки) определяют автоматически с помощью цепи обратнойсвязи, состоящей из преобразователя8 и усилителя 9 управления и формирования управляющего сигнала.В отличие от режима резания различных материалов (в данном случаерассечения плотных структур стеклоЗ 5 видного тела) в процессе сварки(коагуляции сетчатки) нагрузка нарабочей части инструмента всегдасуществует за счет наличия усилиянормального давления, необходимого40 для создания плотного акустическогоконтакта. В связи с этим в процессекоагуляции сетчатки (сварки) моментвключения мощных УЗ колебаний осуществляют автоматически посредством45 цепи, образованной блоками 8 и 9,аналогично режиму резания рассечения, а время действия мощных колебаний с последующим автоматическимотключением контролируют с помощью50 контура системы, образованной блоками 10-22.Плотный акустический контакт свариваемых поверхностей создают путемприложения усилий нормального давле 55 ния через рабочий инструмент, оснащенный преобразователем 6 возбуждения колебанИй и преобразователем 8регистрации перераспределения узлови пучностей продольной составляющей колебательных движений рабочейчасти инструмента при вариации нагрузки. Причем, в зависимости оттехнологических возможностей, требований и условий проведения сваркисоздание плотного акустического кон 65 такта могут производить и без возбуж 9619025 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 дения на рабочей части инструментамаломощных колебаний с амплитудой3-5 мкм. В таком случае момент включения мощных УЗ колебаний осуществляют вручную или по заданной программе,воздействуя на усилитель 9 управления, который. управляет задатчикомкоэффициента усиления усилителя 2 меняющегося напряжения. Время воздействия мощных УЗ колебаний, определяющее энергию, необходимую для образования надежного соединения, контро-лируют блоком 22 регистрации временвоздействия мощных УЗ колебаний,с помощью которого по истечении заданного времени, автоматически отклю.чают мощные УЗ колебания; воздействуя посредством усилителя 9 управления на усилитель 2 меняющегося напряжения.Для стабилизации интенсивноститеплового излучения в зоне контактапри вариации усилий нормального давления (прижатия), возбуждение мощных УЗ колебаний осуществляют периодически в импульсном режиме с помощью автоматического переключенияэлектронным коммутатором 5 преобразователя б то к цепи возбужденияк выходу усилителя 3 мощности, то квходу сигнального усилителя 10 цепиизмерения регистрации декрементазатухания или числациклов свободныхколебаний, образованной последовательно включенными сигнальным усилителем 10, детектором 11, усилителемограничителем 12, электронным ключом 13, управляемым триггером 14 .со счетным входом, счетчиком 15 в двоично-десятичном коде и преобразователем 16 код - напряжение.Свободные колебания с пьезоэлектрического преобразователя б черезэлектронный коммутатор 5 подают дляусиления на вход сигнального усилителя 10, после чего детектируют .детектором 11, далее усиливают усилителем-ограничителем 12 до ограничения по амплитуде, т.е. преобразовывают их в прямоугольные импульсы одинаковой амплитуды и через управляемый электронный ключ 13 триггером14 подают для считывания на вход счетчика 15. С помощью последнегосчитывают число импульсов, соответствующее числу циклов свободных колебафй, меняющихся с изменением добротности механического контура при вариации нагрузки, а преобразователем код - напряжение 16 формируют управляющий сигнал в аналоговой форме, который изменяется пропорционально числу циклов свободных колебаний, меняющихся с изменением добротности механического контура инструмента при вариации усилий нормального давления на его рабочей части. Управляющий сигнал на выходе бло- ка 16, меняющийся пропорционально числу циклов свободных колебаний, а следовательно, вариации усилий нормального давления, принципиально представляется возможным использовать для стабилизации интенсивности теплового излучения следующими методами управления; управляя величиной амплитуды УЗ колебательных смещений, например, изменяя коэффициент усиления усилителя 2 меняющегося напряжения; изменяя частоту следования прямоугольных импульсов, управляющих периодичностью возбуждения мощных УЗ колебаний, например, изменяя частоту колебаний генератора 19 пилообразноимпульсного напряжения, поддерживая другие параметры постоянными; изменяя длительность импульсов воздействия мощных УЗ колебаний, используя принцип широтноимпульсной модуляции, пример реализации которого показан на фиг, 1.Однако во всех случаях возбуждение мощных УЗ колебаний осуществляют периодически. Причем в один полупериод возбуждают мощные УЗ колебания, а во второй - регистрируют декремент затухания или число циклов свободных колебаний и формируют управляющий сигнал, пропорциональный вариации нагрузки, затем в течение последующего полупериода возбуждения мощных УЗ колебаний всякий раз автоматически корректируют (изменяют) длительность импульса интенсивного ультразвукового воздействия. Частоту переключения из режима возбуждения на режим измерения задают генератором 19 пилообразноимпульсного напряжения, а длительность импульса возбуждения формируют на основе сравнения выходного сигнала блока 16 код - напряжение с аналоговым сигналом задатчика допустимой величины температуры на втором входе схемы 17 сравнения с последующим сложением сумматором 18 полученного разностного сигнала с сигналом пилообразноимпульсного напряжения на выходе генератора 19. Используя принцип широтноимпульсного преобразования, с помощью порогового элемента 20 формируют прямоугольные импульсы переменной длительности, которыми и управляют частотой переключения электронного коммутатора 5, а продифференцированным звеном 21 сигна,лом прямоугольных импульсов управляют сбросовым входом счетчика 15и работой электронного ключа 13посредством триггера 14 счетным входом, обновляя за каждый полупериодпоказание счетчика 15, а следовательно, и выходное напряжение управления на выходе преобразователя 1625 код - напряжение в зависимости отвариации нагрузки.Оптимальную длительность прямоугольных импульсов возбуждениямощных УЗ колебаний задают в видеаналогового напряжения на втором 5входе схемы 17 сравнения, на первыйвход которой подают аналоговое напряжение в виде обратной связи, пропорциональное вариации нагрузки.Таким образом, изменяя делитель 10.прямоугольных импульсов, обеспечи вающих время возбуждения мощных УЗколебаний преобразователем б, пропорционально вариации активной составляющей нагрузки, связанной с 5вариацией усилия нормального давления, стабилизируют интенсивность.теплового излучения в зоне контакта.Затем, контролируя время воздействия мощных ультразвуковых колебаний блоком 22 при постоянной ин-тенсивности теплового излучения, определяют (контролируют) оптимальнуютепловую энергию, необходимую дляобразования надежного соединения,Время воздействия интенсивногостабилизированного теплового излучения в зоне контакта регистрируют путем считывания заданного числа прямоугольных импульсов с помощью блока 22 управления временем воздействия.При достижении заданного числа прямоугольных импульсов на втором входеблока 22, соответствующего оптимальной температуре в зоне кЬнтакта,на его выходе появляется сигнал,35отключающий возбуждение мощных ультразвуковых колебаний, посредствомвоздействия через усилитель 9 управления на. управляющий вход усилителя2 меняющегося напряжения, 40Предлагаемый способ позволяетполностью автоматизировать процессуправления акустическим режимом работы ультразвукового генераторадля самых различных технологических 45процессов, косвенно контролироватьи поддерживать оптимальную температуру в зоне контакта без использования каких-либо термочувствительныхэлементов, стабилизировать интенсивность теплового излучения в зонеконтакта при значительной вариацииусилий нормального давления.Указанные воэможности значительнорасширяют область применения способа управления акустическим режимомв самых различных областях народного хозяйства. Наиболее эффективноиспользование способа при ультразву-"ковой сварке элементов в радиомикроэлектронике, вычислительной техникеи, особенно, в медицинской практике.Предлагаемый способ управленияакустическим режимом ультразвуковойсварки с применением. специальногоультразвукового инструмента и уст ройство для его осуществления позволяют проводить внутриглазные операции для категории больных, ранее считавшихся не операбельными, у которых витреальные пленки, тяжи и шварты в стекловидном теле удерживают отслоенную сетчатку и не позволяют репозировать ее на место, а также проводить операцию в условиях офтальмоскопического контроля.Формула изобретения1. Способ автоматического управления акустическим режимом ультразвуковой сварки, основанный на определе-,нии добротности колебательной системы, создании плотного акустическогоконтакта между инструментом и соединяемыми элементами путем приложения усилия нормального давления,возбуждении периодических, регулируемых по длительности импульсныхультразвуковых сварочных колебанийи управлении энергией колебаний взависимости от изменения нагрузкиколебательной системы и ее добротности, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения качествасварки за счет стабилизации интенсивности теплового излучения и обеспечения заданной энергии в зоне сварки при действии разлйчных возмущений,после каждого импульса возбужденияультразвуковых сварочных колебанийизмеряют декремент затухания колебательной системы по числу циклов еесвободных колебаний и по измереннойвеличине декремента затухания регулируют длительность последующего импульса возбуждения ультразвуковыхсварочных колебаний.2. Способ по п. 1, о тл и ч аю щ и й с я тем, что, с целью автоматического контроля акустическогоконтакта инструмента и соединяемыхэлементов, переД возбуждением ультразвуковых сварочных,колебаний, формируют комплексные маломощные ультразвуковые колебания, определяют перераспределение узлов и пучностей продольных составляющих ультразвуковыхколебательных смещений на волноводной части инструмента, и по величине,перераспределения узлов и пучностейопределяют качество акустическогоконтакта, после чего формируютультразвуковые сварочные колебанияс заданной энергией.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Волков С.С., Орлов Ю.Н.,Черняк Б.Я. Сварка пластмасс ультразвуком.И.,"Химия",1974,с,213-214, .2. Авторское свидетельство СССРпо заявке . У 2975814/25-27,кл. В 23 К 20/10, 1980 (прототип).961902 Составитель В, КатРедактор Н. Гришанова Техред Т.фанта Корректор М. Демчик Заказ 7362/1 П "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Фили Тираж 1153 НИИПИ Государственного к по делам изобретений и 13035, Москва, Ж, Рауш