Устройство для управления процессом ультразвуковой сварки Советский патент 1992 года по МПК B23K20/10 

г:

11...Г

Ј

г

ф-&

11...Г

HSHSh

I

,.- ,. J

VI

О N

ю о о

Изобретение относится к ультразвуковой сварке и может быть использовано в установках ультразвуковой микросварки при монтаже выводов полупроводниковых приборов и микросхем.

Известно устройство для управления процессом ультразвуковой сварки, содержащее ультразвуковой генератор, ультразвуковой преобразователь, датчики обратной связи и специализированный аналоговый вычислитель с устройством управления на основе жесткой логики. Однако такое устройство не обладает требуемой надежностью, гибкостью и точностью управления, так как все функции управления решены исключительно аппаратным путем, а обработка сигналов обратной связи ведется аналоговыми средствами, которые уступают по стабильности характеристик цифровым.

Ближайшим прототипом к изобретению является устройство управления процессом ультразвуковой сварки, содержащее ультразвуковой генератор, состоящий из генератора и цифроаналогового преобразователя управления амплитудой ультразвукового генератора, ультразвуковой преобразователь с датчиком обратной связи (тока) во входной цепи преобразователя, амплитудного детектора, аналого-цифрового преобразователя и контроллера, содержащего устройство памяти, центральное процессорное устройство и буфер связи с ультразвуковым генератором.

Недостатком этого устройства является низкая точность управления процессом сварки, которая обусловлена как низкой точностью преобразования амплитуды сигнала обратной связи в цифровой код, так и зависимостью сигнала обратной связи (тока через ультразвуковой преобразователь) от выходного сопротивления ультразвукового генератора, что делает адаптивное управление процессом неточным, а при переводе ультразвукового генератора в режим стабилизации тока через ультразвуковой преобразователь и вообще невозможным,

Целью изобретения является повышение точности устройства для управления процессом ультразвуковой сварки.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для управления; на фиг. 2 - эпюра сигнала на выходе амплитудного детектора; на фиг. 3 - функциональная схема амплитудного детектора.

Устройство для управления процессом ультразвуковой сварки (фиг, 1) содержит соединенные последовательно ультразвуковой генератор 1, ультразвуковой преобразователь 2, датчик 3 обратной связи

(тока) и аналоговый коммутатор 4, соединенные также последовательно цифроаналого- вый арифметический делитель 5, фильтр б верхних частот , амплитудный детектор 7 и

аналого-цифровой преобразователь 8, элемент 9 задержки и контроллер 10. При этом первый выход контроллера 10 подключен к входу управления амплитудой ультразвукового генератора 1, второй выход - к входу

0 управления режимом выхода ультразвукового генератора 1 и входу управления аналогового коммутатора 4, связанного выходом с вторым входом цифроаналогового арифметического делителя 5, третий вы5 ход контроллера 10 соединен с вторым входом амплитудного детектора 7 и входом элемента 9 задержки, выход которого подключен к входу управления аналого-цифрового преобразователя 8, связанного

0 выходом с входом контроллера 10.

Устройство для управления процессом сварки работает следующим образом.

Команда на сварку поступает на вход/выход устройства управления процес5 сом сварки (вход/выход контроллера 10 на фиг. 1) от управляющей системы более высокого иерархического уровня, например от центрального процессора сварочной машины. В этой команде содержится инструкция,

0 в которой указаны режим выхода ультразвукового генератора 1 (стабилизация выходного тока или напряжения), значение амплитуды тока или напряжения на выходе ультразвукового генератора 1 во время

5 сварки, количество энергии, которую необходимо ввести в зону сварки, длительность процесса сварки и другие параметры, необходимость которых предопределяется выбранным для управления процессом сварки

0 алгоритмом.

Контроллер 10 принимает команду на сварку и устанавливает на своем втором выходе сигнал, поступающий на вход ультразвукового генератора 1 и включающий

5 необходимый для сварки режим выхода (стабилизация тока или напряжения). Этот же сигнал поступает на вход управления аналоговым коммутатором 4, включая в нем режим трансляции на выход напряжения с

0 выхода ультразвукового генератора 1, если включен режим стабилизации тока, или сигнала с выхода датчика 3 тока, если включен режим стабилизации напряжения. Таким образом, через аналоговый коммутатор 4 на

5 второй вход цифроаналогового арифметического делителя 5 поступает или напряжение с выхода ультразвукового генератора 1, или сигнал с выхода датчика 3 тока. На первом выходе контроллера 10 по команде на сварку появляется цифровой сигнал, значение кода которого (например, в диапазоне от ООн до FFH) соответствует значению амплитуды стабилизированной величины (тока или напряжения). В результате действия этого сигнала на вход управления амплитудой ультразвукового генератора 1 амплитуда тока или напряжения на выходе указанного генератора 1 возрастает до заданного командой Сварка значения. Напряжение высокочастотного сигнала на выходе ультразвукового генератора 1 прикладывается к ультразвуковому преобразователю 2, возбуждая в нем механические колебания и ток во входной цепи указанного преобразователя 2, который улавливается датчиком 3 тока и преобразуется им в сигнал напряжения, поступающий на вход автоподстройки частоты ультразвукового генератора 1 на резонансную частоту (66 + 6,6 кГц) ультразвукового преобразователя 2. Благодаря действию автоподстройки ультразвуковой генератор 1 постоянно настроен на частоту резонанса ультразвукового преобразователя 2, и импеданс входной цепи ультразвукового преобразователя имеет только активную составляющую R. По мере образования соединения возрастает усилие сопротивления перемещению инструмента ультразвукового преобразователя 2 и резонансное сопротивление R его входной цепи. Таким образом, изменения R отражают характер протекания процесса сварки. Если ультразвуковой генератор 1 работает в режиме стабилизации напряжения (U const), то указанные изменения R приводят к изменению тока I во входной цепи ультразвукового преобразователя 2 по закону I U/R, а следовательно, по этому же закону изменяется и сигнал на выходе датчика 3 тока. Этот сигнал через аналоговый коммутатор 4 поступает на второй вход циф- роаналогового арифметического делителя 5. Указанный делитель 5 осуществляет операцию деления аналогового сигнала, дейст- вующего на его втором входе и пропорционального I, на цифровой сигнал, действующий на первом входе, значение кода которого пропорционально U. Таким образом, амплитуда Y сигнала переменного тока на выходе цифроаналогового арифметического делителя 5 пропорциональна 1/R Y 1/R,(1)

т. е. не зависит от изменений выходного напряжения ультразвукового генератора 1, а определяется исключительно параметрами ультразвукового преобразователя 2 и ситуацией в зоне сварки.

При работе ультразвукового генератора 1 в режиме стабилизации тока во входной цепи ультразвукового преобразователя 2 (1

const) изменяется напряжение U выходного сигнала ультразвукового генератора 1 по закону U I-R. Этот сигнал через аналоговый коммутатор 4 поступает на второй

вход цифроаналогового арифметического делителя 5. Следовательно, амплитуда Y сигнала переменного тока на выходе указанного делителя 5 в этом случае пропорциональна R

Y R ,(2)

т. е. не зависит от изменений тока возбуждения ультразвукового преобразователя 2.

Таким образом, как следует из выражений (1) и (2) амплитуда Y сигнала на выходе цифроаналогового арифметического делителя 5 не зависит от изменений стабилизируемой величины, значение которой задается значением кода цифрового сигнала на первом выходе контроллера 10, входе управления амплитудой ультразвукового генератора 1, первом входе цифроаналогового арифметического делителя 5. Изменения амплитуды Y определяются изменениями

резонансного сопротивления R входной цепи ультразвукового преобразователя 2. А так как динамический диапазон R в ходе сварки не превышает 12 Э Б, то оказывается возможным применить аналого-цифровые

преобразователи умеренной (не более 8) разрядности и получить требуемую точность управления при изменении амплитуды стабилизируемой величины сигнала на выходе ультразвукового генератора 1 вдиапазоне до 48 дБ. С выхода цифроаналогового арифметического делителя 5 сигнал попадает на вход фильтра 6 верхних частот. На выход фильтра 6 верхних частот попадает только переменная составляющая входного сигнала. Благодаря этому полностью исключается влияние на точность управления процессом сварки температурного дрейфа напряжения покоя выходного каскада ультразвукового генератора 1, температурного дрейфа аналогового коммутатора 4 и цифроаналогового арифметического делителя 5. Выходной сигнал фильтра б верхних частот детектируется управляемым амплитудным детектором 7, на вход управления

которого поступают управляющие импульсы с третьего выхода контроллера 10. Периодичность Ат (фиг. 2), с которой поступают эти импульсы ,зависит от требуемой динамической точности управления процессом

сварки и при добротности ультразвукового преобразователя 2, равной 100, составляет 100-250 мкс. Значение и характер изменения сигнала на выходе амплитудного детектора 7 (фиг. 2) определяются характером

изменения амплитуды входного сигнала (несет информацию о ходе процесса сварки) и постоянной времени тф детектора 7 (определяет значение пульсаций д ). Наличие пульсаций д выходного сигнала амплитуд- ного детектора 7 является принципиальным ограничением на точность последующего аналого-цифрового преобразователя, которое осуществляется аналого-цифровым преобразователем 8 (фиг. 1), а следовательно, и на точность управления процессом сварки. Чем меньше д , тем выше точность управления. Для уменьшения пульсаций д нужно увеличивать постоянную времени Гф, но при этом падает динамическая точность из- за запаздывания управления на величину щ При приемлемой с точки зрения динамики постоянной времени Гф, равной Гф 100- 150 мкс, значение д составляет 3-6% от значения амплитуды А (фиг. 2), что неудов- летворительно с точки зрения точности аналого-цифрового преобразования и общей точности управления. Это противоречие решается следующим образом. До прихода на вход амплитудного детектора 7 (фиг. 1) с третьего вывода контроллера 10 команды на снятие отсчета постоянная времени Гф этого детектора 7 имеет малое значение, и выходной сигнал детектора 7 хорошо отслеживает быстрые изменения амплитуды входного сигнала. С приходом команды на снятие отсчета (моменты времени ti, ts на фиг. 2) значение постоянной времени фильтра амплитудного детектора 7 увеличивается в 10-20 раз, во столько же раз уменьшается при этом и значение пульсаций д . Через интервал времени г (фиг. 2), необходимый для фиксации амплитудным детектором 7 максимального значения амплитуды входного сигнала ( мкс), команда на снятие отсчета появляется на выходе элемента 9 задержки и поступает на вход управления аналого-цифрового преобразователя 8. Аналого-цифровой преобразователь 8 за время Т преобразует аналоговый сигнал с выхода амплитудного детектора 7 в цифровой выходной сигнал данных, который поступает на вход контроллера 10. После считывания данных аналого-цифрового преобразователя 8 контроллер 10 снимает сигнал Отсчет со своего третьего выхода, включая тем самым малую постоянную времени фильтра амплитудного детектора 7, устанавливая аналого- цифровой преобразователь 8 в исходное состояние, и занимается обработкой полученных данных по заложенной в нем программе. Через время A t процедура получения данных обратной связи периодически повторяется. Определив по заложенным в управляющей программе критериям момент окончания сварки, контроллер 10 устанавливает на своем первом выходе цифровой сигнал, значение кода которого соответствует отсутствию сигнала переменной частоты на выходе ультразвукового генератора 1, сигнал возбуждения ультразвукового преобразователя 2 исчезает и, через 0,1-0,5 мс процесс сварки прекращается. О прекращении сварки и результатах ее выполнения контроллер 10 сообщает управляющей системе более высокого иерархического уровня посредством обмена с ней информацией через вход/выход.

Таким образом, устройство позволяет увеличить точность управления процессом сварки при работе ультразвукового генератора в широком динамическом диапазоне выходных сигналов как в режиме стабилизации выходного напряжения, так и в режиме стабилизации тока.

Управляемый амплитудный детектор 7 (фиг. 3) состоит из выпрямителя 11, вход которого является входом амплитудного детектора, подключенного между его выходом и шиной нулевого потенциала, и включенных параллельно конденсатора С, сопротивления нагрузки RH и цепочки из последовательно включенных резистора R и ключа 12, вход управления которым является входом управления амплитудным детектором, причем выход выпрямителя 11 связан с выходом амплитудного детектора.

При разомкнутом ключе 12 постоянная времени г ф определяется выражением

Гф RH С .

При замыкании ключа 12 постоянная времени Гф амплитудного детектора уменьшается и определяется выражением

Гф Р„СКн+р.

Контроллер 10 может быть выполнен на основе однокристальной микроЭВМ КР 1816 ВЕ48, в управляющей программе которой заложен алгоритм работы устройства управления процессом сварки.

Формула изобретения 1. Устройство для управления процессом ультразвуковой сварки, содержащее последовательно соединенные ультразвуковой генератор, ультразвуковой преобразователь и датчик тока, выходом подключенный к входу автоподстройки частоты ультразвукового генератора, а также амплитудный детектор, выходом подключенный к входу аналого- цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом контроллера, первый выход которого подключен к входу управления амплитудой выходного сигнала ультразвукового генератора, а второй выход - к входу управления режимом ультразвукового генератора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены аналоговый коммутатор, элемент задержки и последовательно соединенные арифметический делитель и фильтр верхних частот, выход которого соединен с первым входом амплитудного детектора, второй вход которого подключен к третьему выходу контроллера и через элемент задержки - к входу аналого-цифрового преобразователя, первый вход аналогового коммутатора соединен с выходом ультразвукового генератора, второй вход - с выходом датчика тока,

0

5

третий вход - с вторым выходом контроллера, а выход - с первым входом арифметического делителя, второй вход которого соединен с первым выходом контроллера.

2. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что амплитудный детектор содержит выпрямитель и включенные параллельно между выходом выпрямителя и шиной нулевого потенциала конденсатор, резистор нагрузки и цепочку из последовательно соединенных резистора и аналогового ключа, управляющий вход которого является первым входом амплитудного детектора, его вторым входом и выходом - вход и выход выпрямителя.

Изобретение относится к ультразвуковой сварке и может быть использовано в установках монтажа выводов полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сущность изобретения: устройство для управления процессом сварки содержит ультразвуковой генератор (УЗГ) 1, ультразвуковой преобразователь (УЗП) 2, датчик 3 тока (ДТ), аналоговый коммутатор (АК) 4, арифметический делитель (АД) 5, фильтр 6 верхних частот (ФВЧ), амплитудный детектор (Д) 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, элемент 9 задержки (ЭЗ) и контроллер (К) 10. С помощью АК 4, АД 5, ФВЧ 6, ЭЗ 9 и управляемого Д 7 организована подготовка данных обратной связи с выходом УЗГ 1 или ДТ 3 для К 10, позволяющая уменьшить влияние на динамическую и статическую точность АЦП 8 как высокочастотных, так и низкочастотных помех в широком динамическом диапазоне выходных сигналов УЗГ 1 и ДТ 3 и при любом режиме работы УЗГ 1, что и позволяет увеличить точность управления процессом сварки. 1 з. п. ф-лы, 3 ил. (/) С

tj t2t3

Фиг. 2