超聲波塑料焊接過(guò)程聲學(xué)系統(tǒng)電參數(shù)的檢測(cè)

　　摘　要: 在超聲波塑料焊接過(guò)程中, 針對(duì)聲學(xué)系統(tǒng)的輸入電信號(hào)受到焊接過(guò)程負(fù)載變化的直接影響,研制了一種超聲波電信號(hào)測(cè)試系統(tǒng),可以對(duì)超聲波塑料焊接過(guò)程中功率、電壓電流有效值、相位差及頻率信號(hào)等進(jìn)行快速準(zhǔn)確的在線檢測(cè),而且可對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)紀(jì)錄、分析處理. 測(cè)試結(jié)果表明,超聲波電信號(hào)能夠有效地反映焊接過(guò)程的變化,為實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程質(zhì)量控制提供了可能. 該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于功率超聲的其他領(lǐng)域.

　　目前,超聲波塑料焊接質(zhì)量控制得到了焊接工作者的普遍重視,而其質(zhì)量控制的前提是焊接過(guò)程質(zhì)量信息的提取與檢測(cè). 超聲波焊接設(shè)備的核心部分是聲學(xué)系統(tǒng),它可以將輸入的高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)化為同頻的機(jī)械振動(dòng),作用在焊接工件上. 塑料在焊接過(guò)程中要經(jīng)歷受熱軟化、熔融、潤(rùn)濕鋪展等一系列變化過(guò)程,情況十分復(fù)雜. 焊件在焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的機(jī)械狀態(tài)的變化,必然反映在聲學(xué)系統(tǒng)機(jī)電轉(zhuǎn)換器件電信號(hào)的變化上. 由此可見(jiàn),研究超聲波塑料焊接過(guò)程中輸入電信號(hào)的變化,對(duì)焊接過(guò)程質(zhì)量信息的提取具有十分重要的意義[1 ] .

　　為研究超聲波塑料焊接過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化,必須對(duì)輸入超聲波換能器的各種電參數(shù)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測(cè)量. 目前,市場(chǎng)中尚沒(méi)有專用的大功率超聲波電信號(hào)檢測(cè)設(shè)備,對(duì)大功率超聲設(shè)備電信號(hào)的檢測(cè)多采用記憶示波器,或用其他工頻電信號(hào)檢測(cè)設(shè)備來(lái)代替[2 ] . 超聲波塑料焊接換能器不僅輸入電功率較大(由幾百瓦到幾千瓦) ,焊接時(shí)間很短僅為1 s 左右,而且負(fù)載變化情況十分復(fù)雜(不是純阻性) ,使其信號(hào)波形常常具有一定程度的畸變. 這使得目前常用的檢測(cè)設(shè)備難以滿足超聲焊接電信號(hào)檢測(cè)的需要. 為此本文研制了一套多功能超聲波電信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng),可對(duì)輸入超聲波換能器的電壓電流有效值、功率、相位差及頻率進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測(cè)量,并可隨時(shí)紀(jì)錄分析測(cè)量結(jié)果,繪制出測(cè)量曲線.

1 　檢測(cè)系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)主要由電壓有效值、電流有效值、功率、相位差、頻率等測(cè)量模塊組成,原理框圖如圖

1 所示.

圖1 　測(cè)試系統(tǒng)總體原理框圖

　焊接過(guò)程中輸入聲學(xué)系統(tǒng)的電信號(hào)變化快,而且頻率變化范圍較寬. 為提高測(cè)量速度與精度,首先在器件的選擇上采取措施,選用響應(yīng)速度快的芯片,并在組件及芯片的外圍電路濾波環(huán)節(jié)上,控制其時(shí)間常數(shù)不超過(guò)0. 2 ms ,以保證系統(tǒng)總的響應(yīng)時(shí)間在2 ms 以內(nèi),滿足檢測(cè)快速變化電信號(hào)的需求. 為保證系統(tǒng)寬頻帶幅頻特性的要求,選用高精度、高穩(wěn)定性的RCK型電阻,其寄生電感電容極小. 運(yùn)算放大器組件選用開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為105以上,閉環(huán)放大倍數(shù)不超過(guò)10 的組件.這樣在0～20 kHz ±3 kHz ,可以取得平坦的幅頻曲線. 下面分別對(duì)各功能模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明.

1. 1 　電壓有效值Vrms 的測(cè)量

本文研制的測(cè)試設(shè)備可測(cè)量有效值0 ～1 000 V , 頻率20 kHz ±3 kHz 并帶有畸變的正弦電壓信號(hào). 輸入電壓經(jīng)過(guò)信號(hào)提取,有效值交直流轉(zhuǎn)換,再經(jīng)比例調(diào)節(jié)分兩路輸出:一路供給測(cè)試儀前面板的3 位半數(shù)字表頭,直接顯示0～1 000 V電壓有效值;另一路通過(guò)測(cè)試儀后面板輸出0～10 V 模擬電壓信號(hào)供計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析.電壓信號(hào)的提取一般可通過(guò)電壓互感器、霍爾元件傳感器或光電轉(zhuǎn)換器件來(lái)實(shí)現(xiàn). 這些方法雖然隔離性好,但對(duì)于20 kHz 的電信號(hào)卻會(huì)產(chǎn)生不同程度的波形畸變,還會(huì)帶來(lái)附加的相移,使功率測(cè)量及相角測(cè)量精度難以保證. 本文采用比例放大器對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理,放大器輸入電阻采用5. 1 MΩ ,這一方面可以使輸入的高壓信號(hào)得到衰減,對(duì)后續(xù)電路起到保護(hù)作用,而且由于放大器的輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于超聲波發(fā)生器的信號(hào)源內(nèi)阻,對(duì)超聲波發(fā)生器工作狀態(tài)無(wú)影響.電壓有效值測(cè)量采用AD637 ,它是目前國(guó)際

上轉(zhuǎn)換精度較高及頻帶較寬的交直流有效值轉(zhuǎn)換器,且轉(zhuǎn)換與波形無(wú)關(guān),是真有效值轉(zhuǎn)換器件[3 ] .當(dāng)其電源采±15 V ,輸入電壓為0～ ±7 V 時(shí),在帶寬200 kHz 下,產(chǎn)生的最大誤差約為1 %. 波形因數(shù)為1～2 時(shí),不產(chǎn)生附加誤差.

1. 2 　電流有效值的測(cè)量

本文研制的電流有效值檢測(cè)電路可以對(duì)0～2 A ,20 kHz ±3 kHz ,帶有正弦畸變的電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè). 通過(guò)采用圖1 中串接在超聲波發(fā)生器負(fù)載回路的標(biāo)準(zhǔn)采樣電阻,首先將電流轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號(hào),由于采樣電阻為純阻性器件,

因此不會(huì)帶來(lái)電流波形畸變,也不會(huì)帶來(lái)附加的相移,從而保證了測(cè)量精度. 與電流成正比的電壓信號(hào)經(jīng)有效值交直流轉(zhuǎn)換器AD637 轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào),分兩路輸出到數(shù)字表頭與計(jì)算機(jī),其轉(zhuǎn)換原理與電壓有效值轉(zhuǎn)換相同.

1. 3 　有功功率的測(cè)量

　　有功功率測(cè)量的信號(hào)來(lái)自電壓、電流有效值測(cè)量模塊中經(jīng)衰減后的電壓及I/ V 變換后的信號(hào). 功率測(cè)量模塊的核心是AD534 模擬乘法器及濾波電路, 瞬時(shí)電壓與電流經(jīng)乘法器相乘后濾去高頻分量,即可得到實(shí)際有功功率.

1. 4 　電流電壓相位差的測(cè)量

　超聲波換能器輸入電壓與電流之間相位差的測(cè)量,是通過(guò)過(guò)零比較器將輸入電壓、電流信號(hào)整形為方波,再通過(guò)“異或”邏輯處理合成相位差. 由于電壓電流之間不僅存在相位差,還有相互間超前與滯后的不同,本文還設(shè)計(jì)了鑒別超前滯后關(guān)系的時(shí)序電路. 這部分電路原理框圖如圖2 所示.

　輸出相位差Φ = ±K·Ud , K為比例系數(shù)(單位為(°) / V) , Ud 為檢測(cè)電路輸出電壓, 電流超前于電壓時(shí)為正,反之為負(fù).1. 5 　頻率的測(cè)量頻率測(cè)量模塊采用單片機(jī)8051[4 ] ,利用標(biāo)準(zhǔn)晶振頻率,在一定信號(hào)周期內(nèi)對(duì)晶振脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),可以實(shí)現(xiàn)在1 ms 內(nèi),頻率為20 kHz 時(shí),誤差不超過(guò)2 Hz. 頻率測(cè)量結(jié)果以16 位二進(jìn)制數(shù)輸出,輸入到計(jì)算機(jī)I/ O 卡中,經(jīng)軟件編程轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制的實(shí)際頻率值.

2 　測(cè)試結(jié)果與分析

2. 1 　靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果

采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備,對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定. 輸入信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)正弦波形信號(hào)源,由數(shù)字表頭讀出測(cè)量值. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,電壓、電流有效值測(cè)量精度均滿足誤差小于1 % ,相位差誤差小于±1 % ,頻率測(cè)量在20 kHz 時(shí),誤差小于2 Hz.

2. 2 　焊接過(guò)程在線檢測(cè)

利用瑞士Rinco 焊機(jī)對(duì)聚苯乙烯材料進(jìn)行焊接過(guò)程在線實(shí)時(shí)測(cè)量. 焊接條件如下: 振幅為20μm , 起振壓力91806 ×104 Pa , 焊接壓力為141709 ×104 Pa ,焊接時(shí)間0. 7 s ,保壓時(shí)間2 s. 圖3～圖7 為焊接過(guò)程超聲波電信號(hào)變化曲線.

2. 3 　焊接過(guò)程檢測(cè)結(jié)果分析

　　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在整個(gè)焊接過(guò)程中輸入超聲波焊機(jī)聲學(xué)系統(tǒng)的電流基本在0. 8～1. 0 A變化,相對(duì)于電壓及功率而言,變化幅度不大. 對(duì)聚苯乙烯材料來(lái)說(shuō),焊接過(guò)程中聲學(xué)系統(tǒng)工作頻率的變化范圍不超過(guò)80 Hz ,聲學(xué)系統(tǒng)工作于良好諧振狀態(tài). 而相位差檢測(cè)結(jié)果表明,電流超前電壓30°～50°,即聲學(xué)系統(tǒng)工作于容性負(fù)載狀態(tài). 由于焊接過(guò)程中要求振幅基本恒定,因此聲學(xué)系統(tǒng)輸入功率與電壓均隨負(fù)載阻力的大小變化而有所改變,呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律. 由圖3 可以看出從焊接開(kāi)始至0. 18 s 處功率有上升趨勢(shì),然后略有下降.這是由于焊接時(shí)隨著輸入熱量的積累使焊件上的導(dǎo)能筋逐漸熔化,隨著導(dǎo)能筋的熔化鋪展,造成焊件間接觸面積逐漸加大,焊件間粘滯阻力變大,從而使得輸入功率不斷增加. 再后,隨著焊件間熔融聚合物不斷增溫,接合面間熔融聚合物粘度變小,流動(dòng)性增大,使焊件間粘滯阻力下降,輸入功率也隨之降. 隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行,熔融聚合物被不斷擠出焊接區(qū),使上下表面間粘滯阻力又逐漸增大,阻抗又一次開(kāi)始上升. 此后隨著上下表面不斷熔化,阻抗又下降. 由此不難看出,焊接過(guò)程負(fù)載阻抗的變化,可以及時(shí)地反映到輸入電信號(hào)上. 這主要是由于聲學(xué)系統(tǒng)是機(jī)電轉(zhuǎn)換器件,其輸入端電信號(hào)與輸出端機(jī)械量之間存在著確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此,焊件在焊接過(guò)程中熔化狀態(tài)的變化,通過(guò)聲學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械端可以反映到輸入端電信號(hào)的變化上來(lái),這就為超聲波塑料焊接過(guò)程控制提供了依據(jù),使超聲波焊接實(shí)時(shí)控制成為可能.

3 　結(jié)論

　　　本文研制的超聲波電信號(hào)測(cè)試系統(tǒng),有效地解決了大功率超聲波電信號(hào)測(cè)試所遇到的問(wèn)題,可以快速準(zhǔn)確地對(duì)超聲波塑料焊接過(guò)程聲學(xué)系統(tǒng)的輸入電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試與紀(jì)錄分析,并可作為一種通用的超聲波電信號(hào)測(cè)試設(shè)備,應(yīng)用于功率超聲其他應(yīng)用領(lǐng)域的測(cè)試. 焊接過(guò)程在線測(cè)量結(jié)果表明,超聲波聲學(xué)系統(tǒng)輸入電信號(hào)的變化與焊接過(guò)程焊接工件熔化狀態(tài)具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,這為超聲波塑料焊接過(guò)程監(jiān)控及質(zhì)量控制奠定了基礎(chǔ)，購(gòu)買超聲波塑料焊接機(jī)請(qǐng)找深圳恒波超聲波設(shè)備公司。