Ультразвуковой генератор Советский патент 1986 года по МПК B23K20/10 

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано в ультразвуковой обработке материалор при создании высокостабильных генераторов возбуждения ультразвуковых преобразователей для технологических целей электронной техники и является усовершенствованием ультразвукового генератора по авт. св. № 1094705.

Целью изобретения является повьше- ние акустической мощности и улучшение качества сварки за счет повьш1е- ния стабильности механических колебаний.

На чертеже приведена функциональная электрическая схема ультразвукового устройства.

Устройство содержит задакнций генератор 1 прецизионного белого шума, предусилитель 2, полосовой фильтр 3, фазоинвертор 4, балансовый модулятор 5, усилитель мощности 6, ультразвуко- кой преобразователь 7, концентратор

Сигнал с выхода задаюп1его генер тора 1 прецизионного белого шума амплитудой до единиц милливольт ус ливается широкополосным предусилит лем 2 до величины 1,5-2 В. Затем ч рез полосовой фильтр 3, который сл жит для получения полосы частот о нуля до нескольких килогерц, подае ся на вход фазоинвертора 4. Задающ генератор 1 имеет равномерную спек ральную плотность шума в широком д пазоне частот, ширина полос; пропу кания фильтра 3 больше в 5-6 раз п лосы пропускания ультразвукового п образователя 7 на уровне 0,707 ампл туды его механических колебаний. О раничение полосы взято для повьшген 20 КПД устройства. Напряжение шума, раниченное полосовым фильтром 3, ч рез фазоинвертор 4 подается на бал совый модулятор 5, на третий вход

8, технологический инструмент 9, дат- „ °Р° ° подается напряжение высокой

чик 10 механических колебаний, усилители-ограничители 11 и 12, фазовый детектор 13, частотный модулятор 14, задающий генератор 15 синусоидального напряжения, предварительный усилитель

16моночастоты, оконечный усилитель

17моночастоты, согласующий узел 18. Основные блоки устройства работают

в следующей связи между ними: последовательно соединенные задающий генератор прецизионного белого шума, предусилитель 2, полосовой фильтр 3 и фазоинвертор 4, два противофазных выхода которого соединены с входами кольцевого балансового модулятора 5, выход которого соединен с усилителем 6 мощности, нагруженным ультразвуко- И)М преобразователем 7, усилитель- ограничитель 12 соединен с одним входом фазового детектора 13, а другой его вход через другой усилитель-ограг ничитель 11 соединен с датчиком 10 механических колебаний, а выход фазового детектора 13 соединен через частотный модулятор 14 с задающим генератором 15 синусоидального напряжения, выход которого соединен с третьим входом кольцевого балансового модулятора 5 и предварительным усилителем 16 моночастотного тракта, выход которого соединен с усилителем

17мощности, через согласующий узел

18- с ультразвуковым преобразователем 7.

частоты генератора 15 синусоидальн формы. Одновременно напряжение выс кой частоты генератора 15, частота которого равна резонансной частоте ультразвукового преобразователя 7,

30 поступает на предварительный усили тель 16 моночастотного канала, уси ливается оконечным каскадом усилит ля 17 мощности и через согласующий узел 18 подается на ультразвуковой

35 преобразователь 7. В результате пр образования и фильтрации на выходе кольцевого модулятора 5 получают уд военную полосу частот шумового нап жения, трансформированную в высокую

40 область частот, при зтом серединна частота полосы шума соответствует частоте генератора 15. Усиленное н ряжение шума высокой частоты через усилитель 6 мощности подается для возбуждения ультразвукового преобр зователя 7 колебательной системы. процессе работы за счет обратной с зи (блоки 10, 12 - 15) происходит отслеживание серединной частоты пол сы шумового напряжения, подаваемог на резонансную частоту ультразвуковой колебательной .системы. В качес ве умножителя спектров взят кольцевой модулятор 3, при помощи которог низкочастотная полоса шума, вьщелен

55 ная фильтром 3 из всего спектра ген ратора 1, транспортируется в област высокой частоты, равной резонансной частоте преобразователя 7,

45

50

5

10

32436

Устройство работает следую1цим образом.

Сигнал с выхода задаюп1его генератора 1 прецизионного белого шума амплитудой до единиц милливольт усиливается широкополосным предусилите- лем 2 до величины 1,5-2 В. Затем через полосовой фильтр 3, который служит для получения полосы частот от нуля до нескольких килогерц, подается на вход фазоинвертора 4. Задающий генератор 1 имеет равномерную спектральную плотность шума в широком диапазоне частот, ширина полос; пропускания фильтра 3 больше в 5-6 раз полосы пропускания ультразвукового преобразователя 7 на уровне 0,707 амплитуды его механических колебаний. Ограничение полосы взято для повьшгения 20 КПД устройства. Напряжение шума, ограниченное полосовым фильтром 3, через фазоинвертор 4 подается на балансовый модулятор 5, на третий вход ко15

°Р° ° подается напряжение высокой

частоты генератора 15 синусоидальной формы. Одновременно напряжение высокой частоты генератора 15, частота которого равна резонансной частоте ультразвукового преобразователя 7,

поступает на предварительный усилитель 16 моночастотного канала, усиливается оконечным каскадом усилителя 17 мощности и через согласующий узел 18 подается на ультразвуковой

преобразователь 7. В результате преобразования и фильтрации на выходе кольцевого модулятора 5 получают удвоенную полосу частот шумового напряжения, трансформированную в высокую

область частот, при зтом серединная частота полосы шума соответствует частоте генератора 15. Усиленное напряжение шума высокой частоты через усилитель 6 мощности подается для возбуждения ультразвукового преобразователя 7 колебательной системы. В процессе работы за счет обратной связи (блоки 10, 12 - 15) происходит отслеживание серединной частоты полосы шумового напряжения, подаваемого на резонансную частоту ультразвуковой колебательной .системы. В качестве умножителя спектров взят кольцевой модулятор 3, при помощи которого низкочастотная полоса шума, вьщеленная фильтром 3 из всего спектра генератора 1, транспортируется в область высокой частоты, равной резонансной частоте преобразователя 7,

В предлагаемом устройстве ультразвуковой преобразователь 7 одновременно возбуждается сигналом широкого спектра частот .и моночастотным сигналом. Импеданс ультразвукового преоб- разователя 7 всегда носит активный характер, так как при возбуждении его моночастотным напряжением он работает на резонансной частоте и поэтому является активной нагрузкой также для сигнала широкого спектра частот и в связи с этим не оказывает на него влияния, сигнал широкого спектра служит для накачки мощности. Поэтому импульсное и другие виды из- менения импеданса технологической среды не оказывают влияния на стабильность (постоянную величину) выходной акустической мощности, отдаваемой в зону сварки.

КПД предлагаемого устройства превосходит в 3-4 раза КПД известного в связи с тем, что оконечные каскады усилителя мощности канала широкого спектра частот работают на постоян- ную по величине активную нагрузку.

Таким образом, в устройстве произ .водится двойная стабилизация мощности (амплитуды механических колебаний) технологического инструмента.

Согласование резонансной частоты ультразвукового преобразователя 7 и частоты генератора 15 производится за счет отрицательной обратной связи по внешней фазе. Для этого выходные напряжения датчика 10 механических колебаний и напряжение генератора 15 синусоидальной формы подаются через соответствующие усилители-ограничители II и I2 на входы фазового детектора 13.

На резонансной частоте преобразователя фаза этих напряжений равна

7

f 10 этом выходное напряжение фазового детектора I3 равно нулевому значению и на частотный модулятор 14 не подается постоянное напряжение, которое изменяло бы частоту задающего генератора 15 синусоидальной формы. Если резонансная частота ультразвукового преобразователя 7 изменится в ту или другую сторону, то на выходе фазового детектора I3 по- является постоянное напряжение, пропорциональное величине ухода резо- сансной частоты, а знак напряжения

з О 5 0

5

о

5

соответствует знаку ухода частоты ультразвукового преобразователя 7. Выходное напряжение фазового детектора 13 изменяет частоту задающего генератора 15 до тех пор, пока выходное напряжение фазового детектора 13 не станет равно нулю. Изменение частоты генератора 15 одновременно сдвигает полосу шумового напряжения по оси частот на величину, равную изменению частоты преобразователя 7, и частоту сигнала моночастотного возбуждения преобразователя 7.

Таким образом, центральная (серединная) Частота полосы спектра всегда строго приведена (синхронизирована) с частотой моночастотного канала возбуждения и частотой ультразвукового преобразователя.

Это условие гарантирует то, что при всех резких изменениях условий работы ультразвукового преобразователя мощность, отдаваемая в зону обработки, не зависит от изменения импеданса технологической среды.

Мощность моночастотного канала 100 Вт, канала широкого спектра частот 50 Вт, предусмотрена плавная регулировка мощности по питающему напряжению оконечного каскада усилителя мощности, вьшолненного на полупроводниковых приборах КТ 812 А, в пределах 20 В, а также ступенчатая.- 60-200 В. Для регулировки длительности воздействия ультразвуковых колебаний на обрабатываемую среду предусмотрен таймер, выполненный на интегральных микросхемах серии К 155, время регулировки устанавливается ступенчато от 0,5 - до 10 с и плавно в пределах 1 с. Полосовой фильтр выполнен на микросхемах К140УД8, задающий геиера- тор 1 шума собран на полупроводниковых элементах.

Качество ультразвуковой обработки оценивается при использовании предлагаемого устройства для ультразвуковой сварки сильноточных полупроводниковых приборов.

При проведении эксперимента оценивается стабильность механических колебаний инструмента при сварке проволоки А1 диаметром 0,5 мкм к А1 и Ni. Режимы сварки следующие: давление 30-40 Н; время сварки 1-2 с, амплитуда механических колебаний 5,2 мкм, причем изменение ее при увеличеюш давления и изменении времени сварки

S1232436

не наблюдается. По сравнению с из- пользовании предлагаемого устройства

вестным КПД возрос в раз. Потреб-выросла на 10-12%, а воспроизводиляемая мощность ультразвукового уст-мость увеличилась на 40Х. ройства снизилась от 300 до 100 Вт. 5 Таким образом, предлагаемое устройство обладает более стабильными

При сравнении качества сварки ока-выходными параметрами, что позволяет

залось, что прочность соединений увеличить качество ультразвуковой

А1 - А1 и особенно А1 - Ni при ис-обработки.