Ультразвуковое излучающее устройство Советский патент 1983 года по МПК B06B1/06 

Изобретение относятся к электронной технике и может быть использовано, в частности, в качестве высокостабильных источников питания в прецизионных установках для ультразвуковой обработки материалов.

Известен пьезоэлектрический преобразователь , содержащий переходной слой, рабочий и согласующий пьезоэлементы и демпфер, при этом для регулирования формы АЧХ механических колебаний вспомогательный пьезоэлемент шунтирован параллельно соединенными индуктивностью и активным резистором 11

Недостатком устройства является малая степень регулирования формы АЧХ сложной ультразвуковой колебательной системы УЗКС , состоящей из пьезокерамических преобразователей, пассивной накладки и активной накладки, включающей переходной стержень, концентратор и деформирующий инструмент, большой эквивалентно колеблющейся массы активной накладки.

Известно ультразвуковое излучгиощее устройство, содержащее пьезопреобразователь, регулируемую индуктив,ность, генератор электри 1еского напряжения, управляющий каскад, трансформатор тока и блок эталонного на- , пряжения. Это устройство имеет расширенный диапазон частот, в пределах которого обеспечиваются ультразвуковые колебания постоянной амплитуды за счет регулирования величины электрического напряжения генератора. При этом в качес- е пара10метра, по которому косвенно судят о величине механических колебаний, выступает электрический ток 2.

Однако для сложных ультразвуковых колебательных систем (преобра15зователь, согласующий элемент, концентратор и деформирукнций инструмент) строгого соответствия между АЧХ потребляемого тока и АЧХ механических колебаний концентратора

20 (инструмента) не существует. В связи с этим эффективность частотной настройки потребляемого тока существенно снижается.

; Наиболее близким к предлагаемому

25 по технической сущности является ультразвуковое излучающее устройство, содержащее последовательно соединенные генератор модуляционного сигнала, задакнций генератор с часто30тной модуляцией и усилитель, а также преобразователь, сумматор и цепь обратной связи, включающую фазовый детектор, усилители и ограничители, коммутаторы и интегратор З. Это устройство служит для согласо вания по величине частотных спектров ;генератора и широкополосного преобразователя. Однако широкополосные преобразователи не всегда имеют допустимую равномерность АЧХ механичес ких колебаний в полосе пропускания. В связи с этим требуется проводить дополнительные меры для выравнивания АЧХ механических колебаний. Перечисленные недостатки известных устройств не дают возможности обеспечить высокое качество микросварки. Цель изобретения - повышение качества микросварки путем повышения стабильности ультразвукового устройс ва. . . Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены преобразователь напряжение - сопротивление, перестраиваемая индуктивность, два пиковых детектора, детектор мини мума, три схемы сравнения, источник постоянного напряжения и датчик коле баний, расположенный на рабочем конце преобразователя, причем выход дат чика колебаний соединен с входами двух пиковых детекторов и детектора минимума, выход первого пикового детектора и первый выход детектора минимума сс1единены с входами первой схемы сравнения, выход второго пикового детектора и второй выход детект ра минимума соединены с входами второй схемы сравнения, выходы первой и второй схем сравнения соединены с входами сумматора, выход которого соединен с первым входом третьей схе мы сравнения, к второму входу которой подсоединен источник постоянного напряжения,выход третьей схемы сравнения соединен с первым входом преобразователя напряжение - сопротивление, второй вход которого подсоеди нен к усилителю, а выход через перестраиваемую индуктивность подсоедине к преобразователю. На фиг, 1 представлена полная схе ма предлагаемого устройства на фиг. 2 - упрощенная эквивалентная электрическая схема замещения УЗКСД на фиг; 3 - АЧХ механических колеба. НИИ сварочного инструмента УЗКС. Ультразвуковой генератор состоит из задакнцего генератора 1 с частотной модуляцией, генератора 2 модуляционного сигнала, усилителя 3 мощнос ти, имеющего низкое выходное сопроти ление, цепи обратной связи и нагрузки. На выходе усилителя 3 включены последовательно соединенные преобразователь напряжение - сопротивление 4, перестраиваемая индуктивность 5 и пьезокерамический составной преобразователь 6 с концентратором 7 и деформирующим инструментом 8, создакйшм давление на свариваемые детали 9. В области пучности механических колебаний торца концентратора закреплен пьезодатчик 10 механических колебаний, соединенный с входом блока 11 управления. Кроме того, на фиг. 1 показаны входящие в блок 11 управления отдельные схемы: пиковые детекторы 12 и 13, измеряющие максимум амплитуды механических колебаний на частотах соответственно f, и f,|, детектор минимума 14, измеряют-щй минимум амплитуды механических колебаний на частоте fj,) первая 15 и вторая 16 схемы сравнения- сумматор 17, источник 18 эталонного напряжения и третья схема 19 сравнения, выход которой соединен с управлякхцим входом преобразователя 4 напряжение - сопротивление. Ультразвуковое устройство работает следующим образом. Напряжение генератора 1 с частотной модуляцией, усиленное усилителем 3, подается на пьезокерамический составной преобразователь 6 через преобразователь напряжение - сопротивление 4 и перестраиваемую индуктивность 5 , Электрическое напряжение преобразуется в механические колебания, которые усиливаются концентратором 7, и вводится в зону микросварки 9 с помощью деформирующего инструмента 8. Частотная зависимость амплитуды механических колебаний снимается с датчика 10 и для системы электромеханически связанных контуров в области ее резонансных частот связи f( , f|| и f,|| имеет М-образный вид (фиг. 3, поз. 21). При этом в самом общем случае амплитуды механических колебаний на частотах связи f С ОДНОЙ стороны, и на частоте связи f,,, с другой стороны, не равны между собой. Это различие в амплитудах зависит от режимов эксплуатации - вылета рабочей части деформирующего инструмента, потребляемой преобразо|вателем мощности, изменения режимов работы выходных каскгщов (т.е. изменение внутреннего выходного сопротивления RP генератора; фиг. 2) и т.д. Значительное различие; в амплитудах механических колебаний на частотах связи ведет к изменению выходных механических параметров инструмента 8 при работе задающего генератора на фиксированной частоте f2. f. Для повышения равномерности АЧХ механических колебаний широкополосной системы электромеханически связанных контуров , регулируется сопротивление Rp преобразователя 4 напряжение - сопротивление, включенное в цепь электрическог контура. Величина регулировки этого сопротивления должна охватывать пределы от 0,1 ,где Z i минимум входного импеданса преобразователя 6.Автоматическое изменение последовательного сопротивления К„ преобразователя 4 напряжение - сопротивление позволяет регулировать добротность электромеханически связанных контуров. При этом происходит регули Jювaниe только амплитуды механичес ких колебаний на частотах связи f и f ,ц . . Опишем более подробно работу этого устройства. Для анализа равномерности АЧХ механических колебаний в области рас фиренной полосы служат три детектора фри схемы сравнения, сумматор 17 и источник 18 эталонного напряжения.Два пиковых детектора 12 и 13 при прокачке частоты служат для запоминания максимапьного значения амплитуды механических колебаний соответственно на частотах связи f и „(фиг. 3, поз.2 а .детектор минимума 14 служит для запоминания минимального значения ам плитуды механических колебаний по частоте ц(фиг. 3, поз. 21). Выход первого пикового детектора 12 для определения максимума амплитуды на частоте f | , а также выход де тектора минимума 14 для определения амплитуды механических колебаний на частоте fm соединены с входами первой схемы 15 сравнения. В данной схеме происходит сравнение электрических напряжений, пропорциональных амплитудам механических колебаний на-частотах f| и ,„. Выходное напряжение первой схемы 15 сравнения пропорциональное разности амплитуд на частотах f, и f|t , подается затем на вход сумматора 17. Для определения разности амплитуд механических колебаний на частотах связи f|, и f,,, используется второй пи ковый детектор 13 и детектор 14 минимума. В этом случае напряжение с выхода детектора минимума 14, пропор ционсшьное амплитуде механических ко лебаний на частоте связи fц, подается на один из входов второй cxeNbJ 16 сравнения. Напряжение с выхода второ го пикового детектора 13, пропорциональное амплитуде механических колебаний на частоте связи ГщСфиг. 3, поз. 21), подается на другой вход второй схемы 16 сравнения. В результате сравнения напряжений, поступающих на входы второй схемы 16 сравне ния, на ее выходе вырабатывается напряжение, равное разности этих напряжений, т.е. пропорциональное разности амплитуд механических колеба1ний на частотах f и ,(. Таким образом, на выходе первой схемы 15 сравнения присутствует напряжение, пропорциональное разности амплитуд механических колебаний на частотах fj и fц , а на выходе вто рой схемы 16 сравнения присутствует напряжение, пропорциональное разности механических колебаний на частотах ffl ч (11В дальнейшем выходные напряжения первой и второй схекы сравнения подаются на сумматор 17, где они складываются, а затем суммарное напряжение подается на первый вход третьей схемы 21 сравнения. Таким образом устраняется возможный перекос АЧХ механических колебаний на частотах связи f| и „,(фиг. 2, no3.2i). На другой вход третьей схемы 21 сравнения подается напряжение эталонного источника 18 напряжения, пропорциональное уста:новленной оператором величине допусггимой неравномерности АЧХ механических колебаний, т.е. допустимой разности амплитуд механических колебаний на частотах f, и f или fi, и f |м. Выходное напряжение третьей схемы 21сравнения равно разности напряжений, поступивших на ее вход, т.е. пропорционально разности между реальной неравномерностью АЧХ механических колебаний и допустимой неравномерностью АЧХ механических колебаний, установленных априорно оператором. Выходное напряжение третьей схемы 21 сравнения подается на управляющий вход преобразователя 4 напряжение - сопротивление. При этом автоматически изменяется величина добротности электрического контура, вследствие чего изменяется величина пиков амплитуды механических колебаний на частотах связи f, и ,„. Происходит безусловно изменение амплитуды механических колебаний и на частоте связи fp. На фиг. 3 позицией 20 представлена АЧХ механических колебаний колебательной системы без перестраиваемой индуктивности 7, позицией 21 нескорректированная АЧХ механических колебаний колебательной системы при наличии индуктивности 7, т.е. при образовании системы электромеханически связанных контуров, а позицией 22представлена скорректированная АЧХ механических колебаний системл электромеханически ;связанных контуров при помощи преобразователя 6 напряжение сопротивление. Формула изобретения Ультразвуковое излучающее устройство, содержащее последовательно соединенные генератор модуляционного сигнала, задающий генератор с

частотной модуляцией и усилитель, а также сумматор и преобразователь, отлич ающееся тем, что, с целью повышения стабильности, в него введены преобразователь напряжение - сопротивление, перестраиваемая индуктивность, два пиковых детектора, детектор минимума, три схемы сравнения, источник постоянного напряжения и датчик колебаний, расположенный на рабочем конце преобразователя, причем выход датчика колебаний соединен с входами двух пиковых детекторов и детектора минимума, выход первого пикового детектора и первый выход детектора минимума соединены с входами первой схемы сравнения, выход второго пиковбго детектора и второй выход детектора минимума соединены с входами второй схемы сравнения, выходы первой и второй

схем сравнения соединены с входами сумматора, выход которого соединен с первым входом третьей схемы сравнения, к второму входу которой подсоединен источник постоянного напряжения, выход третьей схемы сравнения соединен с первым входом преобразователя напряжение - сопротивление, второй вход которого п9Дсоединен к усилителю, а выход через перестраиваемую индуктивность йодсоединен к преобразователю.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 394113, кл. В Об В 1/06, 1973.

2.Авторское свидетельство СССР № 466916, кл. В 06 В 1/06, 1975.

3.Авторское свидетельство СССР 517328, кл. В 06 В 1/02, 1976

(прототип).

П,

«Л7IC±D-9

Сз