Ультразвуковой генератор

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СО@4АЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (5ц 4 В 23 К 20/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТОЕННЫИ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (6!) 1094705 (21) 3851043/25-27 (22) 03,01,85 (46) 23.05.86. Бюл. 11 19 (71) Институт электроники АН БССР (72) В.М.Колешко, С.С.Кривоносов и А.В.Гулай (53) 621. 791. 16 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

11 1094705, кл. В 23 К 20/10, 1984. (54)(57) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР по авт. св. У 1094705, о т л и ч а ю„„SU,» 12 24 6 А2 шийся тем, что, с целью повышения акустической мощности и улучшеI ния качества сварки за счет повышения стабильности механических колебаний, в него введен дополнительный мо" ночастотный канал обратной связи, выполненный s виде последовательно соединенных предусилителя, усилителя мощности и согласующего узла, при этом вход нредусилителя соединен с выходом задающего генератора синусондального напряжения, а выход согласующего узла подключен к ультразвуковому преобразователю.

1232436

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано в ультразвуковой обработке материалов при создании высокостабильных генераторов возбуждения ультразвуковых S преобразователей для технологических целей электронной техники и является усовершенствованием ультразвукового генератора по авт. св. Р 1094705.

Целью изобретения является повыше- lo ние акустической мощности и улучшение качества сварки за счет повышения стабильности механических колебаний.

На чертеже приведена функциональ- 15 ная электрическая схема ультразвукового устройства.

Устройство содержит задающий генератор прецизионного "белого" шума, предусилитель 2, полосовой фильтр 3, фаэоинвертор 4, балансовый модулятор

5, усилитель мощности 6, ультразвукокой преобразователь 7, концентратор

8, технологический инструмент 9, дат- чик 10 механических колебаний, усилители-ограничители 11 и 12, фазовыйдетектор 13 частотный модулятор 14, задающий генератор 15 синусоидального напряжения, предварительный усилитель

16 моночастоты, оконечный усилитель

17 моночастоты, согласующий узел 18

Основные блоки устройства работают в следующей связи между ними: последовательно соединенные задающий генератор 1 прецизионного белого" шума, предусилитель 2, полосовой фильтр 3 и фазоиивертор 4, два противофазных выхода которого соединены с входами кольцевого балансового модулятора 5, выход которого соединен.с усилителем

6 мощности, нагруженным ультразвуковым преобразователем 7, усилительограничитель 12 соединен с одним входом фазового детектора 13, а другой его вход через другой усилитель-огра-, ничитель 11 соединен с датчиком 10 механических колебаний, а выход фазоsoro 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

17 мощности, через согласующий узел

18 — с ультразвуковым преобразователем 7.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с выхода задающего генератора 1 прецизионного "белого" шума амплитудой до единиц милливольт усиливается широкополосным предусилителем 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 диапаэоне частот, ширина полос:r 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 повышения

КПД устройства. Напряжение шума, ограниченное полосовым фильтром 3, через фазоинвертор 4 подается на балансовый модулятор 5, на третий вход которого подается напряжение высокой частоты генератора !5 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 пре-. образования и фильтрации на выходе кольцевого модулятора 5 получают удвоенную полосу частот шумового напряжения, трансформированную в высокую область частот, при этом 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 свя-, зи (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 5, при помощи которого низкочастотная полоса шума, вьщеленная фильтром 3 из всего спектра генератора l транспортируется в область высокой частоты, равной резонансной частоте преобразователя 7.

3 1232

В предлагаемом устройстве ультразвуковой преобразователь 7 одновременно возбуждается сигналом широкого спектра частот и моночастотным сигналом. Импеданс ультразвукового преобразователя 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- 15 менения импеданса технологической среды не оказывают влияния на стабильность (постоянную величину) выходной акустической мощности, отдаваемой в зону сварки. 20

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- 25 кую по величине активную нагрузку.

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

436

Согласование резонансной частоты ультразвукового преобразователя 7 и частоты генератора 15 производится за счет отрицательной обратной связи

35 по внешней фазе. Для этого выходные напряжения датчика 10 механических колебаний и напряжение генератора 15 синусоидальной формы подаются через соответствующие усилители-ограничите40 ли II и !2 на входы фазового детектора 13.

На резонансной частоте преобразователя фаза этих напряжений равна л 45

Ю „-«2 При этом выходное напряжение фазового детектора 13 равно нулевому значению и на частотный модулятор 14 не подается постоянное напряжение, которое изменяло бы частоту 50 задающего генератора 15 синусоидальной формы. Если резонансная частота ультразвукового преобразователя 7 изменится в ту или другую сторону, то на выходе фазового детектора 13 появляется постоянное напряжение, пропорциональное величине ухода резо-нансной частоты, а знак напряжения 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

О оси частот на величину, равную измеii нению 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

1ОО Вт, канала широкого спектра частот 50 Вт, предусмотрена плавная регулировка мощности по питающему напряжению оконечного каскада усилителя мощности, выполненного 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 генератор 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 роволоки Аl диаметром 0,5 мкм к Al u

Ni. Режимы сварки следуклцие: давление 30-40 Н; время сварки 1-2 с, амплитуда механических колебаний 5,2 мкм, причем изменение ее при увеличении давления и изменении времени сварки

1232436

Составитель В.Катин

Редактор Л.Гратилло Техред И.Попович Корректор С.Черни

Заказ 2729/15 Тираж 1001 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 не наблюдается. По сравнению с известным КПД возрос в 3-5 раэ. Потребляемая мощность ультразвукового устройства снизилась от 300 до 100 Вт.

При сравнении качества сварки оказалось, что прочность соединений Al - Al и особенно Al — Ni при использовании предлагаемого устройства выросла на 10-127, а воспроизводимость увеличилась на 40Х.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает более стабильными выходными параметрами, что позволяет увеличить качество ультразвуковой обработки.