Устройство для сварки давлением

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК еЯОа) 145986451) 4 В 23 К 11/24 ОБРЕТЕНИЯ САНИЕ СКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ(57) Изобретение относится к машиностроению, а именно к оборудованиюдля сварки давлением, и может бытьиспользовано для сборки полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Цель изобретения - повышениекачества сварных соединений за счетстабилизации сварочной нагрузки, Устройство содержит механизм вертикальных перемещений сварочной головки сшаговым приводом (ШП) и блоком управления (БУ) 9, датчик 7 сварочной.нагрузки, усилитель 8, тактовый гене-ратор 10, АЦП 11, буферное оперативИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ П 1 НТ СССР ное запоминающее устройство, элемент задержки, КЗ-триггер, стробируемый вычитатель, два формирователя, два программатора и две схемы сравнения чисел . После подачи пускового сигнала на вход БУ 9 запускается ШП 6, который взаимодействует с механизмом 5 вертикальных перемещений сварочной головки.,Сварочная головка 1 перемещается вниз в позицию сварки. Сигнал с выхода датчика сварочной нагрузки 7 усиливается усилителем 8 и преобразуется в цифровой код с помощью АЦП 11. В момент достижения сварочной нагрузкой оптимального значения формирователь 17 формирует на БУ.9 сиг" нал, который останавливает ШП 6 на 9 время образования сварочного соединения, после чего ШП 6 возвращает сва-. рочную головку 1 в исходное положение. Сварочная нагрузка стабилизируется в момент времени перед касанием ф сварочного инструмента детали. При этом исключается влияние температурного дрейфа и остаточных напряженийЭаай на датчик нагрузки, 5 ил.ЩИзобретение относится к машиностроению а именно к оборудованиюдля сварки давлением, и может бытьиспользовано для сборки полупроводЪи 5ковых приборов и интегральных микросхем.Целью изобретения является повышение качества сварных соединений засчет стабилизации сварочной нагрузки. 10На фиг.приведена структурнаясхема устройства на фиг. 2 - струкурная схема блока управления, нафиг.3 - функциональная схема буферного 1оперативного запоминающего устройства емкостью М-слов с организациейпервым вошел - первым вышел на фиг, 4 -функциональная схема стробируемого вычитателя; на фиг. 5 - временнаядиаграмма сигнала датчика усилия нагружения при сварке,Устройство для сварки давлением(фиг. 1) включает сварочную головку1 состоящую из корпуса 2 и подпружиненного рычага 3 со сварочным инструментом 4, механизм 5 вертикальныхперемещений сварочной головки с шаговым приводом б,.датчик 7 сварочнойнагрузки, выполненный в виде кремние,вой мембраны, на которую напыпены 30пленочные тенэорезисторы, соединенные в двуплечий мост, закрепленный наподпружиненном рычаге 3, усилитель8, входом подключенный к датчику 7сварочной нагрузки, блок 9 управления шаговым приводом с пусковым сигналом на первом входе, выходом подключенный к шаговому приводу 6, тактовый генератор 10, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11, буферное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 12 емкостью Б-слов, работающее по принципу первым вошел -первым вышел, элемент 13 задержки,КЗ-триггер 14, стробируемый вычитатель 15, первый 16 и второй 17 Формироватепь, первый 18 и второй 19программатор и первую 20 и вторую21 схемы сравнения, причем АЦП 11аналоговым входом подключен к выходуусилителя 8, тактовым входом - квыходу тактового генератора 10, выходом готовности - к входу элемента13 задержки и тактовому входу буферного.ОЗУ 12,а информационнымвходом -к информационному входу буферногоОЗУ 12 и первому входу стробируемоговычитатепя 15, второй вход которого соединен с выходом буферного ОЗУ 12, тактовый вход - с выходом эпемента 12 задержки, а выход - с первыми входом первой схемы 20 сравнения и первым входом второй схемы 21 сравнения, вторые входы которых подключены к выходу первого 18 и второго 19 программаторов соответственно, выход первой схемы 20 сравнения че" рез первый формирователь 16 подклю". чен к К-входу КЯ-триггера 14, а выход второй схемы 21 сравнения через второй формирователь 17. - к второму входу блока 9 управления шаговым приводом и Б-входу КБ-триггера 14, выход котарого соединен с входом разрешения записи буферного ОЗУ 12,Блок 9 управления шаговым приводом (Фиг. 2) содержит два Формиро,вателя 22 и 23, элемент 24 задержки, два КБ-триггера 25 и 26, управляемый генератор 27, реверсивный счетчик 28 импульсов, коммутатор 29 фаз и два элемента 2 ИЗО и 31.Первым и вторым входами блока 9 управления (фиг.1-3) соответственно являются вход Формирователя 28,вход формирователя 23.Выход форми-рователя 22 подключен к Б-входу триггера 26 и первому входу элемента 2 И 31 выход Которого подключен к 8- входу триггера 25, выход которого подключен к управляющему входу генератора 27, выходом подключенного к второму (счетному) входу коммутато-. ра 29 фаз и второму (счетному) входу счетчика 28 выход "Заем" которого подключен к первому входу элемента 2 И 31, выход которого подключен к К-входу триггера 25,. Выход формирователя 23 подключен к второму входу элемента 2 И 31, входу элемента 24 задержки и К-входу триггера 26, выход которого подключен к первым входам счетчика 28 и коммутатора 29 Фаз, выход которого является выходом блока 9 управления. Выход элемента 24 задержки подключен к второму входу элемента 2 И 30.Буферное ОЗУ 12 емкостью,й-слов, работающее по принципу первым вошел- первым вышел (Фиг. 3) выполнено в виде М последовательно соединенных параллельных регистров Р 1, Р 2,;, РБ, причем информационный вход регистра Р г 1 является информационным входом буферного ОЗУ 12, а выход регистра РгЫ - выходом буферного ОЗУ 12, при этом тактовые входы и входы разрешения записи всех регистров объ"единены и являются тактовым входом ивходом разрешения записи буферного ОЗУ 12 соответственно,Устройство работает следующим об,разом.До подачи пускового сигнала на блок 9 управления сварочная головка1 находится в исходном состоянии, после включения питания КЯ-триггер 14 устанавливается в состояние логической "1" сигналом, по времени действия превышающим величину ЛТ = ЙЖ, где М - объем буферного ОЗУ 12; Д период тактового генератора 10, поэ" тому КЯ-триггер разрешает запись инФормации в буферное ОЗУ 12.После подачи пускового сигнала навход блока 9 управления запускается шаговый привод б, который взаимодействует с механизмом 5 вертикальных перемещений, и сварочная, головка 1 начинает перемещение вниз в позициюсварки, при.этом сигнал с выхода датчика 7 сварочной нагрузки, который до касания сварочного инструмента 4 со свариваемыми деталями, т.е. до воздействия на подпружиненный рычаг 3сварочной нагрузки, определяемый температурным дрейфом датчикасварочной нагрузки, наличием остаточных деформаций в подпружиненном рычаге 3 после предыдущей сварки, дребезгом сварочной головки 1 и так далее, поступает на вход усилителя 8, усиливается и проходит на аналоговый вход. АЦП 11, который через промежутки .времени дзапускается тактовым генератором 10, преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой код и формирует сигнал готовности АЦ-преобразования, поступающий с выхода готовности АЦП 11 на тактовый вход буфер,ного ОЗУ 12 и вход схемы 13 задержки, которая передает сигналы готовности АЦП 11 на тактовый вход стробируемо. го вычитателя 15 с задержкой, определяемой временем установления результата вычитания на выходе стробируемого вычитателя и равной 150- 200 нс. Одновременно сигнал с цифро.- вого выхода АЦП 11 поступает на первый вход стробируемого вычитателя 15 и информационный вход буферного ОЗУ 12 при этом информация продвигается по буферному ОЗУ 12 при каждом появлении сигнала готовности АЦП 11 на тактовом входе буферного ОЗУ 12 и спустя время (ИЬй) становится его выходной информацией, которая поступает на второй вход стробируемого вычитателя 15, Стробируемый вычитатель 15 осуществляет операцию вы-.читания цифрового кода с выхода АЦП11 от цифрового кода с выхода буферного ОЗУ 12, поэтому на выходе стробируемого вычитателя 15 формируетсяцифровой код, равный разности текущего значения цифрового кода с выходаАЦП 11 от цифрового кода с выходаАЦП 11, задержанного на время, ИЖ .Учитывая, что остаточные напряжения .в подпружиненном рычаге 3 и температурный дрейф датчика усилия нагруже"ния 7 в промежуток времени, непосредственно предшествовавший касаниюсварочного инструмента со свариваемыми деталями, изменяются неэначи -тельно вследствие инерционности тепловых и механических характеристик,происходящих в пропружиненном рычаге,а величина Я й мала (порядка 1 мс), 25 сигналы на обоих входах стробируемого вычитателя 15 равны, на его выходе фррмируется нулевой цифровой код,который поступает на первые входы,первой 20 и второй 21 схем сравнения. ЗО Код на выходе программатора 18, выходкоторого подключен к второму входупервой схемы 20 сравнения, являетсякритерием касания сварочного инструмента 4 со .свариваемыми деталями и 35определяет величину изменения нагрузки 1 Рная(дТ) за период времениМТ= ИдС после касания сварочного инструмента 4 со свариваемыми деталями(фиг5). Код на выходе программа-, 4 О тора 19, выход которого подключен квторому входу второй схемы 2 1 сравнения, определяет оптимальную величину сварочной нагрузки.С момента касания сварочного ин струмента 4 со свариваемыми деталямидатчик 7 сварочной нагрузки начинаетвоспринимать возрастающую по мереопускания сварочной головки 1 сварочную нагрузку на подпружиненном рычаге 3, поэтому разность текущего изадержанного на время Мй сигналовдатчика сварочной нагрузки также возрастает, а в момент, времени Т цифровой код на выходе стробируемого вычитателя 15 превышает код, установленный на выходе программатора 18,соответствующий нагрузке на подпружиненном рычаге ЗдР,(ЬТ) (фиг. 5).При этом срабатывает схема 20 сравмиронатель 23 и запускает его, формирователь 23 вырабатывает отрицательный импульс, который, поступив на К-нход триггера 26, устанавливает на его выходе сигнал логического "0", который поступает на первый вход счетчика 28 и коммутатора 29 фаз. Этот же отрицательный импульс с формирователя 23 поступает на второй вход элемента 2 И 31, а через элемент 2 И 31 на К-вход триггера 25 и устанавливает на выходе триггера 25 сигнал логического "О", который останавливает работу генератора 27 и соответственно счетчика 28 и коммутатора 29 фаз, Этот же отрицательный импульс, задержавшись на время сварки 5-80 мс определяемое элементом 24 згдержж, поступает на второй вход элемента 2 И 3, с его выхода - на 8-вход триггера 25 и устанавливает на выходе триггера 25 сигнал логической "1", который с выхода триггера 25 поступает на управляющий вход генератора 27, который возобновляет свою работу и соответственно работу счетчика 28 и коммутатора 29 фаз. Причем коммутатор 29 фаз ксммутирует свои выходы в последовательности 4-3-2-1-4(сварочная головка 1 идет вверх), счетчик 28 работает в режиме вычитания и с приходом каждого импульса на счетный вход счетчика 28 код состояния счетчика 28 уменьшается до нуля, поспе чего на выходе "Заем" счетчика 28 вы" рабатынается отрицательный импульс, который через первый вход элемента 2 И 3 поступает на К-вход триггера 25 и устанавливает на выходе триггера 25 сигнал логического "0", тем самым останавливая работу генератора 27 и соответственно счетчика 28 и коммутатора 29 фаз (сварочная головка в исходном состоянии).Блок 9 управления шаговым приводом работает следующим образом (фиг. 2).На первый вход блока управления шаговым приводом поступает сигнал внешнего триггера 26, а через схему 2 И 30 на выходе триггера 25 - состояние сигнала логической "1". Сигнал логической "1" с выхода триггера. 25 поступает на управляющий вход генератора 27, который начинает генери-. ровать импульсы для работы коммутатора 29 фаз и счетчика 28 импульсов. Коммутатор 29 фаз может коммутиройать свои выходы в последовательности 51459864нения и запуска формирователя 16,который устанавливает по К-входу триггер 14 в состояние логического "0",который поступает на вход разрешения с выхода АЦП 11. Таким образом,5на выходе буферного ОЗУ 12 остаетсяинформация, соответствующая сигналус датчика усилия нагружения Ро,произведенная в момент времени Т =Т - Ы (фиг. 5). При дальнейшемувеличении нагрузки на подпружиненномрычаге 3 стробируемый,вычитатель 15постоянно вычитает цифровой код, соответствующий величине Р , поступаю Бщий на его второй вход с выхода буферного ОЗУ 12 из кода текущего измерения, поступающего на его первыйвход непосредственно с выхода АЦП11 а в момент времени Т 8 значение 2 Оцифрового кода на,выходе стробируемого нычитателя 15 превьппает значение цифрового кода, соответствующего оптимально сварочной нагрузкидР (дТ), установленного на выходе 25программатора 19, что вызывает срабатывание схемы 21 сравнения, которая запускает формирователь 17. Импульс с выхода формирователя 17 по -суупает на второй вход блока 9 уп- ЗО. ранления, который сигналом с выходаостанавливает шагоный привод 6 навремя, необходимое для образованиясварного соединения, фиксируя приэтом оптимальную сварочную нагруз,ку. Импульс с формирона.еля 17 поступает также на 8-вход КБ-триггера 14 и ус-танавливает последний в состояниелогической "1". Сигнал логической"1" поступает на вход разрешения записк буферного ОЗУ 12, снова разрешает продвижение измеряемых АЦП 1значений, а через время ЯС разницакодов на входах стробируемого вычитателя 15 снова становится меньше , 4значений, задаваемых программаторами18 и 19 и, следовательно, схемы 20 и21 сравнения устанавливаются н исходное состояние, после чего устройствоготово к следующему циклу работы. 6 ОПо окончании процесса сварки блок9 управления запускает шаговый при- .вод 6 и сварочная головка 1 возвращается в исходное состояние.При поступлении сигнала на второйвход блока 9 управления шаговым приводом 6 (сигнал о достижении нагрузки на снариваемые детали оптимального значения) он подает сигнал на фор 1459864(2) 1-2-3-4-1 либо в последовательности 4-3-2-1-4в зависимости от состояния на первом входе коммутатора 29 фаз. В данном случае на первом входе коммутатора 29 Фаз будет .состояние сигнала логической "1" сигналом внешнего пуска, коммутатор 29 фаз коммутирует свои выходы в последовательности 1-2-3-4-1, а сварочная головка 1 перемещается в позицию сварки. Этот же сигнал логической "1" поступает на первый вход счетчика 28 и устанавливает его в режим суммирования, а с приходом каждого импульса с генератора 27 на счетный вход счетчика 28 код состояния счетчика 28 увеличивается на единицу.БуФерное ОЗУ 12 (фиг, 3) работает следующим образом.При подаче тактового сигнала на тактовый вход буферного ОЗУ 12 в случае, когда на вход разрешения записи подается логическая "1", происхо- дит запись информации, присутствующей в данный момент на информационном входе буферного ОЗУ 12 в его первый регистр Р 1, при этом предьщушее измерение переписывается во второй регистр Рг 2 буферного ОЗУ 12 и так далее, а (1-И+1), где 1 - номер текущего измерения, измерение переписывается в М-й регистр буферного ОЗУ 12 и становится выходной информацией буферного ОЗУ 12. Дальнейшее тактирование буферного ОЗУ приводит кпродвижению его входной информации вправо на каждый тактовый импульс. При подаче на вход разрешения записи сигнала логического "О" продвижение информации в буферном ОЗУ 12 прекращается, а на его выходе присутствует информация, находящаяся в его последнем регистре перед подачей на вход разрешения записи логического ВФОффФСтробируемый вычитатель 15 (фиг.4) состоит из последовательно соединенных вычитателя 32 и параллельного регистра 33, причем первым и вторым входами стробируемого вычитателя 15 являются первый н второй вход вычитателя 32, тактовым входом стробируемого вычитателя 15 является тактовый вход параллельного регистра 33, а выходом стробируемого вычитахепя 15 является выход параллельного регистра 33. Стробируемый вычитатель 15 (фиг,4)работает следующим образом.При подаче цифровых кодов на первый и второй вход вычитателя 32(первый и второй вход стробируемоговычитателя 15) информация на еговыходе, соответствующая реальномузначению разности двух входных чиселпоявляется с задержкой, определяемойвременной задержкой работы вычитателя 32. Поэтому для исключения появления ложной информации на выходестробируемого вычитателя 15 информация с выхода вычитателя 32 переписывается в параллельный регистр 33при поступлении на его тактовый входтактового импульса с задержкой, внесколько раз превышающей временную 20 задержку работы вычитателя 32, по отношению к моменту поступления информации на входы вычитателя 32, Такимобразом, на выходе параллельного ре"гистра 33 всегда присутствует инфор мация, соответствующая реальному зна."чению разности двух чисел.Теоретически работа устройствапоясняется следующим образом.Часть устройства, включающая бу ферное ОЗУ 12 и стробируемый вычитатель 15 с элементом 13 задержки,до момента Т и после Тс + ИдС реализует функцию цифрового нерекурсивного гребенчатого фильтра, имеющего передаточную функцию Н(Е) = -- = 1-г У(Е) и Х 7 Е) (1) 40 где (Е) - образ входного сигиФильтра, снимаемого с выхода АЦП 11;У(Е) - образ выходного сигналафильтра, снимаемого с вы"45 хода стробируемого вычитателя 15,Е - оператор преобразования,В - емкость буферного ОЗУ 12,и амплитудно-частотную характеристику50 (АЧХ) А(И ) = 2 з 1 п оддс аИ 2 Реализация данного фильтра позволяет исключить интегральные ошибки измерения, связанные с температурным дрейфом сигнала датчика 7 сварочной нагрузки и с наличием остаточных напряжений в месте контакта датчика7 сварочной нагрузки с подпружиненным рычагом 3 при частом изменении нагрузки.На время изменения полезного сигнала при касании инструмента 4 сва 5 риваемой поверхности (фиг, 5) от То до Тс данный фильтр отключается сигналом, поступающим на вход раз-. решения записи в буферное ОЗУ 12, Так 10 как этот интервал достаточно мал (порядка 1 мс), то интегральная ошибка, набегаемая эа это время, практически равна нулю. 6в----пс(3) где ы - основная гармоника сигнапсла Х(пйС) с датчика 7 сварочной нагрузки в момент,касания.Соотношение (3) выводится из (2), исходя из условия совпадения максимумов АЧХ Х(дпс ) сигнала, снимаемого с выхода АЦП 11 при касании инструмента 4 свариваемой поверхности,и АЧХ АЬ) фильтра, определяемой из выражения (2), 40 Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить качество сварных соединений путем стабилизацци сварочной нагрузки, стабилизи рует сварочную нагрузку относительно сигнала нагрузки в момент времени, непосредственно предшествовавший касанию сварочного инструмента свариваемой поверхности, чем Полностью ис ключаются интегральные ошибки, связанные с температурным дрейфом сигнала датчика сварочной нагрузки и с влиянием остаточных напряжений на датчик сварочной нагрузки55 Емкость буферного ОЗУ 12 подбирают для конкретной конструкции сварочной головки 1, исходя из анализа сигнала Х(пдй) снимаемого с выхода 11, который определяется скоростью . 20 возрастания нагрузки во время касания инструмента 4 свариваемой поверхности (которая зависит от жесткости подпружиненного рычага 3 и скорости движения привода 6) по формуле 25 Формула изобретения Устройство для сварки давлением,содержащее сварочную головку, состоящую из корпуса и подпружиненного,рычага со сварочным инструментом,механизм вертикальных перемещенийсварочной головки с шаговым приводом,датчик сварочной нагрузки, закрепленный на подпружиненном рычаге, усилитель, входом подключенный к датчикусварочной нагрузки, и блок управпения шаговым приводом с пусковым сигналом на первом входе, выходом подключенный к шаговому приводу, о т -л и ч а ю щ е е с й тем, что, с целью повышения качества сварных соединений путем стабилизации сварочной нагрузки, в него введены тактовый генератор, аналого-цифровой преобразователь, буферное оперативноезапоминающее устройство, элемент задержки, КБ-триггер, стробируемый вычитатель, два формирователя, двапрограмматора и две схемы сравнения,причем аналого-цифровой преобразова-,тель аналоговым входом подключен квыходу усилителя, тактовым входом -к выходу тактового генератора, выхо-дом готовности - к входу элементазадержки и тактовому входу буферногооперативного запоминающего устройства, а информационным выходом " кинформационному входу буферного оперативного запоминающего устройстваи первому входу стробируемого вычи.тателя, второй вход которого соединен с выходом буферного оперативногозапоминающего устройства, тактовыйвход - с выходом элемента задержки,а .выход - с первыми входами первой ивторой схем сравнения, вторые входыкоторых подключены к выходам первогои второго программаторов соответст-.венно, выход первой схемы сравнениячерез первый формирователь подключенк К-входу КБ-триггера, а выход второй схемы сравнения через второй формирователь - к второму вхцду блокауправления шаговым приводом и Бвходу КБ-триггера, выход которого соединен с входом разрешения записи бу-.ферного оперативного запоминающего устройства.14598 б 4 ход апи Ухо г.Зспел1459864 Составитель В.ГрибоваШулла Техред Л.Сердюкова Корректор Л,Па Редак Заказ 397/13 , Тираж 892 Подписное НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб , д, 4/5. ГКНТ СС Производственно-полиграФическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4