Самонастраивающаяся система управления ультразвуковой сваркой Советский патент 1983 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к самонаст раивающимся системам и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для сварки пластических масс, а также в медицине, в частности, для проведения внутриглазных операций. Известно устройство для ультра. звуковой сварки и резания металлов содержащее ультразвуковой генератор с системой стабилизации частоты и амплитуды колебаний, ультразвуковой возбудитель вибраций, концентратор вибраций, заканчивающийся специальным волноводным инструментом l . Недостаток известного устройства отсутствие в нем системы автоматического регулирования мощности коле баний, что ограничивает его примене ние в тех случаях, когда требуется обеспечить заданный температурный режим в зоне сварки при отсутствии возможности прямого .контроля темпер туры. Наиболее близкой к предлагаемой .является самонастраивающаяся систем управления для ультразвуковой сварк и резания, содержащая последователь но соединенные электромеханический возбудитель вибраций, экспоненциаль ный концентратор вибраций, датчик вибраций, усилитель с управляемым усилением и ультразвуковой генерато второй вход усилителя с управляемым усилением соединен с выходом сравни вающего элемента 2 . К недостаткам известной йистемы относятся невозможность автоматичес кой регулировки заданной температур в зоне сварки и недостаточная точность поддержания уровня мощности к лебаний при изменении акустической нагрузки, создаваемой изменением свойств свариваемых материалов. Цель изобретения- - расширение функциональных возможностей и повышение точности системы. Поставленная цель достигается те что система содержит последовательн соединенные дифференцирующее звено, триггер, ключ, счетчик импульсов, преоб)азователь кода в напряжение, модулятор длительности импульсов, коммутатор, усилитель, детектор и усилитель с ограничением, подключен ный выходом к второму входу ключа, выход дифференцирующего звена подключен к второму входу счетчика импульсов , а вход - к выходу модулято ра длительности импульсов и к входу сравнивающего элемента, коммутатор подключен вторым вводом к выходу ультразвукового генератора, третьим входом - к второму выходу электроме ханического возбудителя вибраций, а BTOpfcOM выходом - к входу электромех нического возбудителя вибраций, при чем экспоненциальный концентратор выполнен с витыми.канавками, связанными перемычкой подобно сверлу. На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемой системы; на фиг.2 блок-схема ультразвукового генератора; на фиг.З - блок-схема модулятора длительности импульсов; на фиг.4 - . диаграммы напряжений на выходе блоков системы; на фиг.5 - графики зависимости температуры от длительности воздействия колебаний на свариваемый материал для различных (четырех) величин усилия прижатия концентратора к материалу; на фиг.б экспоненциальный концентратор вибра|ЦИй и графики распределения ультразвуковых колебаний по его длине. Система (Фиг.1) содержит сравнивающий элемент 1, электромеханический возбудитель 2 вибраций (ЭВВ), экспоненциальный концентратор 3 вибраций (ЭКВ), датчик 4 вибраций, усилитель 5-с управляемым усилением, ультразвуковой генератор (УЗГ) б, дифференцирующее звено 7, триггер 8, ключ 9, счетчик 10 импульсов, преобразователь 1 кода в напряжение, модулятор 12 длительности импульсов (МДИ), коммутатор 13, усилит /1ь 14, детектор 15, усилитель 16 с ограничением. Ультразвуковой генератор 6 включает стабилизатор 17 частоты и амплитуды, задающий генератор 18, усилитель 19с регулируемым усилением и усилитель 20 мощности. Модулятор 12 длительностей импульсов содержит задатчик 21 периода воздействия вибраций, сравнивающее устройство 22, сумматор . 23,- релейный элемент 24, генератор 25 пилообраз- ных импульсов. Экспоненциальный концентратор 3 вибраций имеет канавки, связанные перемычкой подобно сверлу, что обеспечивает наряду с усилением вибраций, создаваемых возбудителем 2 вибраций, преобразование продольных колебаний в комплексные с.существенным преобладанием крутильной составляющей или чисто крутильные, которые позволяют полностью устранить кавитационные явления в жидкой или полужидкой среде, что принципиально важно при использовании устройства в медицине,.и повысить эффективность сварки. Датчик 4 вибраций установлен в узловой точке экспоненциального концентратора 3 (фиг.б) иизмеряет амплитуду продольной составляющей комплекснь к колебаний последнего. Система работает следующим образом. На второй вход сравнивающего элемента 1 подается задающее воздействие, равное длительности .рабочегоцикла сварки т (фиг.4), при этом выодным сигналом сравнивающего элемента 1 через усилитель 5 включается УЗГ б в режиме возбуждения колебаний малой мсадности. Эти колебания ( ) проходят через коммутатор 13 в периоды, задаваемые ИДИ 12, и воздействуют на ЭВВ 2., В результате свободный конец ЭКВ 3 совершает колебания малой амплитуды (2-5 мкм)

Э,случае отсутствия нагрузки на ЭКВ 3 волновое распределение колеба- 0 НИИ по его длине соответствует графику а (фиг.6). При прижатии к свариваемому материалу свободного конца ЭКВЗ происходит перераспределение ультразвуковых колебаний по длине 15 ЭКВ 3, при этом распределение их узлов и пучностей соответствует, например, графику б (фиг. 6). Смещение узловых точек приводит к появлению на выходе датчика 4 сигнала, пропор- 20 ционального, например, амплитуде Aj . колебаний в точке установки датчика 4 на ЭКВ 3. Этот сигнал, поступая на первый вход усилителя.5, вызывает CTyneHjiaToe увеличение коэффициента 25 усиления, что обеспечивает увеличение мощности колебаний УЗГ .6 до уровня порядка 25-40 мкм.

По истечении длительности прямоугольного импульса воздействия „ вибраций уровень выходного сигнала № 12 понижается, чем обеспечи- вается отключение в коммутаторе 13 второго входа от второго выхода и подключение третьего входа коммутатора к первому выходу. С этого момента начинается период измерения затухания свободных колебаний механической системы, состоящей из ЭВВ 2, ЭКВ 3 и свариваемого материала. Затухание свободных колебаний 40 U,j характеризуется числом их периодов . Цепь для измерения числа периодов состоит из последовательно соединенных блоков 14, 15, 16j 9, 10 и 11. Управление-подачей импульсов на 45 счетчик 10 осуществляется ключом 9, разрешение на включение которого и на включение счетчика 10 формируется дифференцирующим звеном 7 и триггером 8. В режиме измерения свободных Q колебаний роль датчика этих колебаний выполняет ЭВВ 2. При этом электрический сигнал U2 с второго выхода ЭВВ 2 поступает на третий вход коммутатора и передается им на первый „ выход. Сигнал ufj поступает на вход цепи измерения числа периодов свободных колебаний, в которой он усиливается, .детектируется (U|5 ) преобразуется в прямоугольные импульсы (и,б )/ которые через ключ 9 посту- 60

пают на первый вход счетчика 10. Счетчик 10 подсчитывает количество прямоугольных импульсов в двоичнодесятичном коде, а преобразователь 11 переводит этот код в аналоговое напряжение U|j . Количество периодов свободных колебаний зависит от физико-механических свойств свариваемого ь атериала и от .величины прижатия ЭКВ 3 к материалу. С увеличением усилия прижатия количество периодов свободных колебаний уменьшается и длительность затухания становится меньше периода измерения, згшаваемого МДИ 12 в данном такте. Для стабилизации интенсивности тепловыделения в зоне контакта при вариации усилия прижатия зонда следующий такт работы генератора 25 корректируется (увеличивается или уменьшается в зависимости от изменения величины прижатия величина последуквдего полупериода воздействия мощных ультразвуковых колебаний). Это обеспечивается тем, что с уменьшением числа импулввов в счетчике 10 при увеличении усилия прижатия увеличивается выходнхэй сигнал на выходе сравнивающего устройства 22, поэтому уменьшаются длительность срабатывания релейного элемента 24 и, следовательно, период воздействия УЗГ 6 на ЭВВ 2.

Указанные процессы возбуждения ультразвуковых мощных колебаний и из.мерения затухания свободных колебаний повторяются и корректируются в йаждом такте работы МДИ 12. ,

Количество требуемлх тактов устанавливается от требуемой температуры спая и усилия прижатия ЭКВ 3 к свариваемому материалу.

Требуемая продолжительность Т ра- боты системы сравнивается в сравнивающем устройстве 1 с действительным количеством тактов работы системы. При равенстве требуемого и действительного количеств тактов выходной сигнал сравнивающего элемента 1 обнуляется, что вызывает обнуление выходного сигнала усилителя 5 и приводит к выключению УЗГ 6 и к окончанию

процесса сварки.

I - -

Таким образом, автоматическое управление длительностью возбуждения вибраций обеспечивает достижение заданной температуры спая без непосред ственного ее контроля, а регулировка в каждом такте длительности возбуждения вибраций увеличивает точность достижения заданной температуры спая т.е. повышается точность работы предлагаемой системы.

САМОНАСТРАИВАККЦДЯСЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УЛЬТРАЭВУКСШОЙ СВАРКОЙ, содержащая последовательно соединенные электромеханический возбудитель вибраций, экспоненциальный концентратор вибраций, датчик вибраций, усилитель с управляемьил усилением и ультразвуковой генератор, второй вход усилителя с управляемым усилением соединен с выходом сравниваюцего элемента, о тлич:аювдаяс я .тем, что, с целью расширения функционгшьных возможнсютей и повышения точности-, она содеЕякит последовательно соединенные дифференцирующее звено, триггер, ключ, счетчик импульсов , преобразователь кода в напряжение, модулятор длительности импульсов, коммутатор, усилитель, детектор и усилитель с ограничением, подключенный выходсм к второму входу ключа, выход дифференцирующего звена подключен к второму входу счетчика импульсов, а вход - к выходу мсздулятора, коммутатор подключен вторым входом к выходу у.5ьтразвукового генератора, третьим входом - к второму &) выходу электромеханического возбудителя у ибраций, а вторым выходом к входу электромеханического возбу-«дителя вибраций, причем экспоненциальный концентратор вибраций выполнен с, витыми канавками, связанными 1 перемычкой подобно сверлу. 00 со со

ifcHM

rf

//

yi/Vv - Л(и

. АА/ГД АллАи ЛллАА

L

(риг. 4

l

. Ч--сриг.6 а Г