Устройство для получения механических колебаний ультразвуковой частоты Советский патент 1990 года по МПК B06B1/00 

г

сд

со

tsD

оо to

Изобретение относится к ультразвуковой технике и предназначено для работы в различных областях народного хозяйства, использующих технологические процессы с применением ультразвука.

Целью изобретения является повышение КПД устройства и качества технологической обработки за счет устранения низкочастотных паразитных колебаний электромеханического преобразователя.

, 1 изображена блок-схема

устройства для получения механических Фиктивно,

И , а выход элемента И 6 подключ к входу делителя 12 частоты.

Устройство работает следующим разом.

Преобразователь 3, преобразующ электрические колебания ультразву вой частоты в механические колеба вместе с концентратором и инструм to - представляет собой резонансну

колебательную систему. Вследствие . этого он имеет частоту собственны колебаний (резонансную частоту), которой его возбуждение наиболее

колебаний ультразвуковой частоты; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства. . Устройство содержит задающий генератор 1, усилитель 2 мощности, электромеханический преобразователь 3 первый , второй 5 и третий 6 элементы И, выпрямитель 7, управляемый -ключ 8, интеграторы 9 и 10, делители 11 и 12 частоты, формирователя 13-15 импульсов, инвертор 16, ограничитель 17, дифференциальный усилитель 18 и устройства 19 и 20 сравнения.

Выход задающего генератора 1 соединен с первыми входами логических элементов И и 6, выход элемента И подключен к входу усилителя 2 мощности, выход которого соединен с входом преобразователя 3 а также с входами выпрямителя 7 и ограничителя 17, выход выпрямителя через ключ 8, интегратор Э и устройство 19 сравнения подключен к управляющему входу усилителя 2, выход ограничителя сое - динен с первым входом элемента И 5, выход которого подключен к входу делителя 11 частоты, вход формирователя 13 соеди нен с энергетическим входом усилителя 2 мощности и подключен к питающей сети, выход формирователя 13 соединен с входами формирователей Н и 15, выход формирователя соединен с входом инвертора 16, управляющим входом ключа 8 и вторыми входами элементов И 5 и 6, выход формирователя 15 п одключен к управ-, ляющим входам делителей 11 и 12 частоты, входы которых подключены к противофазн ым входам дифференциального усилителя 18, выход которого

20

25

30

35

40

45

50

Для осуществления автоматическ поддержания оптимального режима п частоте и уровню возбуждения изме электрические параметры электромех ческого преобразователя во время периодических отклонений от источ возбуждения - усилителя 2 мощност и по результатам замеров во время раметров кривой ЭДС свободных зат хающих колебаний устанавливают ча и уровень возбуждения. Отключение усилителя 2 мощности от преобразо ля 3 производят запиранием активн элементов усилителя мощности прек щением подачи на них управляющих с налов от задающего генератора 1. Д устранения влияния на результаты и мерений паразитной модуляции выхо нопо напряжения усилителя. 2 с част той, кратной частоте сети, питающе через энергетический вход усилите ля 2, введена синхронизация пауз сетевым напряжением при помощи фор рователя 13.

Задающий генератор 1 вырабатыва прямоугольные импульсы ультразвуко частоты, которые поступают через э мент И 4 на основной вход усилител 2 мощности. После усиления и выдел ния основной гармоники с выхода ус лителя 2 напряжение поступает на в электромеханического преобразовате ля 3.

Сигнал, поступающий с выхода ин вертора 16 на второй вход элемента И , обеспечивает периодическое пр рывание поступления прямоугольных пульсов от задающего генератора 1 вход усилителя 2 мощности, в резул тате чего в выходном напряжении ус

соедИнен через интегратор 10 и устрой-55 лит.еля формируется пауза. Длительство 20 сравнения с входом задающего генератора 1, выход инвертора 1б подключен к второму входу элемента

ность паузы определяется длительно тью прямоугольного импульса на вых формирователя И (фиг. 2в). Запуск

Фиктивно,

72324

И , а выход элемента И 6 подключен к входу делителя 12 частоты.

Устройство работает следующим об- разом.

Преобразователь 3, преобразующий электрические колебания ультразвуковой частоты в механические колебания, вместе с концентратором и инструмен- to - представляет собой резонансную

колебательную систему. Вследствие . этого он имеет частоту собственных колебаний (резонансную частоту), на которой его возбуждение наиболее эфФиктивно,

Для осуществления автоматического поддержания оптимального режима по частоте и уровню возбуждения измеряют электрические параметры электромеханического преобразователя во время его периодических отклонений от источника возбуждения - усилителя 2 мощности и по результатам замеров во время параметров кривой ЭДС свободных затухающих колебаний устанавливают частоту и уровень возбуждения. Отключение усилителя 2 мощности от преобразователя 3 производят запиранием активных элементов усилителя мощности прекращением подачи на них управляющих сигналов от задающего генератора 1. Для устранения влияния на результаты измерений паразитной модуляции выход- нопо напряжения усилителя. 2 с частотой, кратной частоте сети, питающей через энергетический вход усилителя 2, введена синхронизация пауз с сетевым напряжением при помощи формирователя 13.

Задающий генератор 1 вырабатывает прямоугольные импульсы ультразвуковой частоты, которые поступают через элемент И 4 на основной вход усилителя 2 мощности. После усиления и выделения основной гармоники с выхода уси- . лителя 2 напряжение поступает на вход электромеханического преобразователя 3.

Сигнал, поступающий с выхода инвертора 16 на второй вход элемента И , обеспечивает периодическое прерывание поступления прямоугольных импульсов от задающего генератора 1 на вход усилителя 2 мощности, в результате чего в выходном напряжении усилит.еля формируется пауза. Длительность паузы определяется длительностью прямоугольного импульса на выходе формирователя И (фиг. 2в). Запуск

последнего осуществляется фронтом выходного импульса формирователя 13, вырабатывающего последовательность пилообразных импульсов (фиг. 26) и запускаемого в свою очередь напряжением сети (фиг. 2а). Частота следования импульсов формирователя 13 в зависимости от способа запуска и фазности сети может отличаться от частоты сети в целое число раз (на фиг. 26 частота импульсов в два раза выше частоты сети).

Во время паузы в работе усилителя 2 на его выходных зажимах, связанных непосредственно с входными- зажимами электромеханического преобразователя 3, действует ЭДС, вызванная свободными затухающими колебаниями последнего (фиг. 2г). Причина вознийно вения ЭДС определяется, в зависимости от типа преобразователя, обратным магнитострикционным или прямым пьезоэлектрическим эффектами. При этом период действующей во время паузы ЭДС определяет частоту собственных колебаний (частоту механического резонанса) электромеханического преобразователя, а амплитуда ЭДС затухающих колебаний однозначно связана с амплитудой его вынужденных колебаний, предшествующих введению паузы. Автоподстройка частоты задающего генератора 1 к частоте механического резонанса преобразователя 3 осуществляется путем формирования во время паузы импульса, длительность которого равна длительности целого количества периодов ЭДС свободных колебаний. С этой целью напряжение с выхода усилителя 2 подается через ограничитель 17 амплитуды и элемент. И 5 на основной вход делителя 11 частоты. На второй вход элемента И 5 поступают импульсы с выхода формирователя 14 (фиг. 2в). На вход делителя 11 проходит ограниченный сигнал в течение паузы в работе усилителя (фиг. 2д), На управляющи вход делителя 11 подаются импульсы за держки счета (фиг, 2е), которые запрещают счет входных импульсов на время, в течение которого длятся переходные процессы на выходе усилителя 2 после введения паузы. Длительность импульсов за держки определяется параметрами формирователя 15 импульсов и устанавливается равной 1-4 периодам основной частоты. Запуск формирователя 15 осуществляется теми

1597232

0

же фронтами, что и запуск формирователя 14, в момент времени t, (фиг. 2). После окончания импульса .запрета (момент времени t) первый же положительный фронт (момент t) переводит выход делителя в состояние 1. Отсчитав заданное количество импульсов, счетчик перебрасывается в состояние О (момент tj). В следующую паузу (момент t) процессы повторяются. При этом на выходе делителя 11 форма напряжения представляет собой периодическую поелвдова, тельность импульсов одинаковой амплитуды, длительность которых равна длительности целого числа периодов свободных затухающих колебаний преобразователя 3. Среднее значение на0 пряжения, действующего на выходе делителя 11, равно

тт UiijitK

«ер- и - значение напряжения логической единицы;

t - длительность импульса, равного целому числу периодов п свободных затухающих коле-- баний преобразователя 3;

5

0

Тп При

период повторения пауз, кратный периоду сети Т.. постоянных величинах и,/,,и Т

35

0

5

I п

напряжение, и , J, пропорционально длительности периода свободных затухающих колебаний (интервалу tj- . Для формирования опорного напряжения прямоугольные импульсы управления с выхода задающего генератора 1 через элемент И 6 поступают в течение пауз на вход .делителя 12 (фиг. 2з), управляемого от формирователя 15 параллельно делителю-11. На выходе делителя 12 формируются импульсы, среднее зна- котор.ых пропорционально длительности периода импульсов управления

TI - и.- „ «

f2cp

0 где t, - длительность интервала tj на фиг. 2и, равного целому числу периодов п импульсов управления на выходе задающего генератора 1. еНапряжения U,, и U , при помощи

дифференциальногуэ усилителя 18 вычитаются. Интегратор 10 осуществляет вьщаление среднего значения разности

Ц

U 4

10 Ср f(Cp

г т (tp- ty ) .

При равенстве частоты управления и частоты собственных колебаний t ; ty и и ((J ср При уходе частоты от резонанса появляется сигнал рассогласования, который воздействует через устройство 20 сравнения на частоту задающего генератора 1 таким разом, чтобы приблизить ее к частоте механического резонанса преобразователя 3. Изменением напряжения U уст ycтaнaвj.1вaeтcя среднее (номинальное) значение частоты управления,,5

Второй канал системы оптимизации

режима возбуждения преобразователя 3 по амплитуде механических колебаний диалогичен используемому в известном устройстве. Отличие заключается в уп- 20 равлении ключом 8, в жесткой привязке момента его открытия к определенной фазе сетевого переменного напря- жения. Канал оптимизации, по амплитуде механических колебаний состоит из25

выпрямителя 7, управляемого ключа 8, интегратора 9, устройства 19 сравнения и управляемого ycилиteля 2 мощности. Управляемый импульсгь ии формирователя 1 ключ 8 пропускает во вре- ЗО мя пауз сигнал с выхода усилителя Z мощности, выпрямленный выпрямителем 7, на вход интегратора 9. Последний выделяет среднее значение этого сигнаяа. Оно .пропорционально амплитуде -зг- механических колебаний преобразователя 3, так как формируется за счет ЭДС его свободных затухающих колебаний, однозначно связанных с вынужден - ными колебаниями. После сравнения в 4Q

устройстве 19с напряжением устаноеки Ьолучается сигнал рассогласования, который воздействует на управляющий вход усилителя 2 мощности, изменяя . его коэффициент усиления, В резуль- 45 тате поддерживается заданный установкой уровень механических колебаний преобразователя 3.

При питании усилителя 2 от сети переменного тока в его выходном на- пряжении присутствуют пульсации с частотой сети или кратной ей. Они

„вносят в работу системы стабилизации амплитуды механических колебаний возмущающее воздействие, которое проявляется в виде паразитных низкочастотных колебаний, В предлагаемом устройстве эта возможность исключена за счет жесткой привязки измерительной

паузы к кривой сетевого переменного напряжения, являющегося источником возмущения.

Эффективность от использования технического решения заключается в повышении КПД всего устройства за счет повышения точности поддержания оптимального режима как по частоте (работа только на резонансной частоте) , так и по амплитуде (работа при заданной амплитуде механических колебаний без -отклонений в большую или меньшую .стор ону) , и качества технологического воздействия за счет точного соответствия амплитуды колебаний требованиям технологического процесса. В особенности это требование должно выполняться при ультразвуковой сварке полимеров.

Ф.ормула изобретения

Устройство для получения механических колебаний ультразвуковой частоты, содержаи(ее электромеханический преобразователь, усилитель мощности, задающий генератор, первый, второй и третий элементы И, ограничитель, .выпрямитель, управляемый ключ, первый и второй интеграторы, делитель ,частоты первое и второе устройства сравнения, в котором выход задающего генератора соединен с первым входом первого элемента И, выход первого элемента Н соединен с входом усилителя мощности, к выходу которого подключены входы электромеханического преобразователя, выпрямителя и ограничителяJ выход выпрямителя Ме- рез управляемый ключ, интегратор и первое устройство сравнения соединен с дополнительным входом усилителя мощности 5 выход ограничителя подютю- чен к первому входу второго элемента И, выход .которого соединен с входом делителя частоты, выход интегратора через второе устройство сравнения соединен с входом задающего генератора, отличающееся тем, что,, с целью повышения КПД устройств и качества технологического воздействия ультразвуковых колебаний, в него введены первый, второй и третий формирователи импульсов, инвертор, втор делитель частоты и дифференциальный усилитель, при этом вход первого формирователя соединен с энергетическим входом усилителя мощности, подключённого к питающей сети, выход первого формирователя соединен с входами второго и третьего формирователей, : выход второго формирователя .подключен через инвертор к второму входу перво- го элемента И, а также к управляющему входу ключа и вторым входам второго и третьего элементов И, выход третьего формирователя соединен с управляю

10

щими входами первого и второго делителей частоты, а выход третьего элемента И подключен к входу второго делителя частоты, выходы первого и второго делителей частоты соединены с протифовазными входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к входу второго интегратора.

Изобретение относится к области ультразвуковой технологии. Целью изобретения является повышение КПД технологической установки и качества ультразвуковой обработки. Цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее задающий генератор 1 ультразвуковой частоты, усилитель 2 мощности, электромеханический преобразователь 3 и систему оптимизации режима возбуждения механических колебаний по амплитуде и частоте, основанную на введении измерительных пауз в работу усилителя 2 мощности, введены узлы, обеспечивающие синхронизацию паузы с сетевым переменным напряжением, питающим усилитель 2 мощности. Это позволяет устранить паразитную низкочастотную огибающую ультразвуковых механических колебаний, снижающую КПД всего устройства и качество технологического воздействия колебаний. 2 ил.

сети