電腦智能超聲波焊接機，自動追頻，數(shù)字電路設計

自動追頻超聲波焊接機，智能型超聲波焊接機，電腦型超聲波焊接機

    〔摘要〕　本文對自動追頻超聲波焊接機，智能型超聲波焊接機，電腦型超聲波焊接機焊接過程進行了分析,發(fā)現(xiàn)在焊接接頭經(jīng)歷熔化開始、鋪展、熔融層形成、熔融物擠出及接頭凝固不同階段中,壓力的作用也不盡相同。傳統(tǒng)焊機的壓力不變模式使得焊接工藝很難優(yōu)化。為此本文利用VEP312 壓力控制型電氣比例閥在能量模式控制的超聲焊接機基礎上,首次實現(xiàn)了壓力在焊接過程中的可變調節(jié),使得焊機能夠優(yōu)化焊接壓力,從而為接頭質量優(yōu)化奠定了硬件基礎。

　自動追頻超聲波塑焊機，智能型超聲波熔接機，電腦型超聲波焊機

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恒波牌自動追頻超聲波焊接機，智能型超聲波焊接機，電腦型超聲波焊接機特點：

a.頻率自動調節(jié)，自動適應超聲波模具頻率，電腦時刻掃面超聲波振動狀態(tài)，自動校正機器的工作參數(shù)，使超聲波焊接始終穩(wěn)定可靠；

b.超聲波振幅0%--100%無級可調，適應焊接不同的產(chǎn)品類型；

c.超聲波頻率顯示

d.脫模功能，有些產(chǎn)品焊接后會粘附在上模工作面上，脫模功能可以解決；

e.多重保護功能，頻率保護；電流保護；相位保護；斷線開路保護；為你的焊機保駕護航。

              智能型超聲波發(fā)生器，數(shù)字電路超聲波發(fā)生器，最新引進瑞士技術，國內(nèi)領先。

    1 　引言

　   塑料及其復合材料工業(yè)的迅猛發(fā)展,使得人們對于結構及功能材料的使用有了新的概念。單純的塑料制品已經(jīng)在人們的日常生活中占有很重要的地位,而且在國防工業(yè)和尖端科學技術部門也被廣泛應用。塑料/ 金屬復合型材料的興起,如鋁塑復合管、鋼筋骨架塑料復合管等等,作為功能和結構材料已有取代金屬材料的趨勢。近些年樹脂基纖維復合材料的開發(fā)與應用一直是材料科學領域的熱點。因為熱塑性的數(shù)值基復合材料具有韌性好、易于加工、高溫性能好、阻燃性好、壽命長以及可重復使用等一系列優(yōu)點?？梢姛崴苄运芰霞捌鋸秃喜牧系膽萌找鎻V泛,因而需要快速而可靠的連接方法。工程上比較常用的熱塑性塑料和復合材料的連接方法主要有機械連接、粘接以及加熱連接等等。由于加熱連接沒有引入孔洞(機械連接) 或異物(粘接) 而得到人們重視。加熱連接的方法主要包括熱氣焊、熱板焊、摩擦焊、超聲波焊等等,其中超聲波焊接是塑料焊接方法中應用最廣泛的一種[1 ] 。塑料超聲波焊接以其焊接時間短、效率高、易于實現(xiàn)自動化、焊接質量高等優(yōu)點,成為熱塑性塑料和復合材料的理想連接手段。對于智能型超聲波焊接機，電腦型超聲波焊接機超聲波塑料焊接的質量控制,傳統(tǒng)的焊機一般采用時間、能量或行程控制模式,但不管那種方式,在焊接過程中焊接壓力均是不變的,而且保持壓力等于焊接壓力。這種控制方式是很難優(yōu)化焊接質量的。本文通過對焊接過程的研究分析,首次提出了一種新的過程控制方法,即焊接過程的變壓力柔性控制,從而更加有效地保證焊接質量的穩(wěn)定性。

2 　焊接過程分析

　　為了獲得焊接過程的內(nèi)在規(guī)律,智能型超聲波焊接機，電腦型超聲波焊接機利用自行研制的能量模式控制的超聲焊機數(shù)據(jù)采集口對焊接過程的功率變化進行了測量研究。圖1 是一個典型的焊接過程中經(jīng)過濾波后的聲學系統(tǒng)功率輸出曲線。觀測到的這種功率變化規(guī)律與文獻[2 ]焊接階段推理是一致的。如圖2 所示,該文將焊接過程分為四個階段:階段1 ,由于超聲振動所致的界面摩擦使導能筋首先熔化,并在壓力作用下鋪展,隨著熔化進行,熔化率變慢;階段2 ,上下工件開始接觸,熔化率趨于穩(wěn)定,熔融物分布面積逐

圖1 　焊接過程中聲學系統(tǒng)輸出功率變化曲線

圖2 　接頭熔化過程模型

漸增大;階段3 ,該階段的特點是:穩(wěn)態(tài)熔化,界面間的溫度分布趨于均勻,并形成了一定厚度的熔融物。階段4 ,在焊頭振動停止的瞬間,大量的熔融物擠出,接頭在壓力作用下凝固。本文獲得功率曲線反應了上述的階段信息,開始階段導能筋處于固態(tài),阻抗較大,使焊機輸出較大功率。隨著導能筋的熔化,接頭阻抗迅速下降,焊機輸出功率降低,隨著導能筋的逐漸熔化,上下工件接觸面積增大,接頭的聲阻抗迫使焊機輸出更大的功率。

3 　質量控制對焊接壓力的要求

　　研究表明,目前智能型超聲波焊接機，電腦型超聲波焊接機超聲波塑料焊機的主要控制參數(shù)有焊接壓力、焊接時間、輸入功率(焊頭振幅) 、焊頭行程等因素對接頭強度的影響。幾乎所有研究工藝的文獻均表明,焊接壓力對焊接質量有較大的影響。即認為對于一個特定的焊接(包括焊機及工件) 存在一個最佳焊接壓力[3 ] 。當然該規(guī)律是在傳統(tǒng)焊機的壓力不變的模式下獲得的。實際上,這種最佳壓力并不能使接頭性能達到最佳,因為在整個焊接過程中,焊接接頭變化經(jīng)歷熔化開始、鋪展、熔融層形成、熔融物擠出及接頭凝固等幾個階段。而每個階段對壓力的作用要求也不盡相同。在焊接(超聲能量輸出) 階段,焊接壓力過小可能會導致焊頭與工件接觸不好,聲傳遞效率較低;同時壓力過小也會導致界面導能筋熔體的流動變?nèi)?對熔體鋪展不利,從而導致接頭強度下降。若壓力過大會導致熔體的高速流動,一方面導致接頭分子間的橫向排列,另一方面也會由于接頭局部過熱造成內(nèi)部熔體向邊緣的噴濺,形成嚴重缺陷,從而導致接頭質量下降,因而在傳統(tǒng)焊接控制模式中必然會存在一個最佳焊接壓力。盡管不同材料對這種強度———壓力極值特性反應比不同,但這一規(guī)律具有普遍意義?？梢妷毫σ环矫嬗绊懼宇^產(chǎn)熱及熔體流動行為,一方面也影響著接頭冷卻凝固特性。在一次完整的焊接過程中,壓力在超聲停止后仍然保持,以使接頭良好融合凝固。在此階段,接頭表現(xiàn)為壓力下的結晶行為,尤其在凝固的后半階段,這種壓力下結晶特性更為顯著。壓力影響著熔體的過冷度以及結晶度。另一方面壓力又充當凝固焊縫的拘束條件,從而影響著接頭的強度?？梢妷毫宇^強度具有較大的影響,而且這一影響貫穿于焊接過程中的焊接/ 保壓兩個階段。要獲得良好的接頭性能,僅僅控制時間、能量或焊頭行程是不夠的,因此本文提出了變壓力控制技術,即在焊接過程中變化壓力,使得焊機能夠給出最佳的壓力變化曲線,從而用于優(yōu)化焊接過程。

4 　焊機變壓力控制系統(tǒng)

　　研制的智能型超聲波焊接機，電腦型超聲波焊接機超聲波塑料焊接機如圖3 所示,變壓力控制技術是在能量控制模式焊機的基礎上進行的。該焊機由氣動系統(tǒng)、聲學系統(tǒng)、超聲波發(fā)生器及微機控制系統(tǒng)組成。超聲波塑料焊機的能量模式控制在我們實驗室研究開發(fā)得較早。在1993 年即已實現(xiàn)了采用單片機MCS- 51 的能量模式控制[4 ] 。在能量模式下,設置了時間窗口,如圖4 所示。焊接時間的過大(超過tmax) 和過小(小于tmin) 均表明焊機工作不正常、或焊接質量難以保證,在時間模式中做不到這一點。因為在時間模式中,無論焊接狀況如何,一次焊接過程都會在預定時間后結束,不具備質量柔性控制。實驗表明,能量模式對電網(wǎng)網(wǎng)壓波動、氣壓波動以及工件參差不齊、裝配不好具有較好的補償能力,因而比傳統(tǒng)焊機的時間模式更容易保證質量。為了保證焊機的有效控制和功能擴展,我們近年對焊機采用了PC 機控制[5 ] ,使得控制功能明顯加強。在焊接過程中,計算機系統(tǒng)利用電流、電壓傳感器,獲得輸入到換能器的電流電壓信號,通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理獲得有效輸入功率,同時獲得聲學系統(tǒng)的輸入能量。將此能量與由試驗獲得的最佳能量相比較,來控制焊接過程,使得焊接過程在最佳能量輸入時刻停止,以保證焊接質量的穩(wěn)定性。同時由壓力傳感器獲得氣缸中的壓力信息,從而實現(xiàn)壓力的優(yōu)化控制。

圖3 　壓力可調的能量控制模式的智能型超聲波焊接機

圖4 　焊接過程能量控制模型

　　　微機控制系統(tǒng)硬件包括傳感器電路、信號提取電路、A/ D、D/ A 電路、I/ O 控制接口電路和工業(yè)PC 機等組成。其中A/ D、D/ A 及I/ O 接口電路采用了HY8071多功能數(shù)據(jù)采集板,既提高了采樣速度,又增強了系統(tǒng)與PC 主機接口的通用性。整個焊機硬件系統(tǒng)如圖5所示。

　　壓力控制的核心是壓力實現(xiàn)系統(tǒng),如何快速實現(xiàn)壓力的變化是本項研究的關鍵。所以選用了日本SMC的VEP312 壓力控制型電器比例閥,同時配以VEA250型電源,該系統(tǒng)能夠對壓力的轉換快速響應。實驗研究表明,在超聲波塑料焊接常用的工藝范圍內(nèi),如焊接壓力由P = 1. 0bar ～ 1. 5bar 之間躍變響應時間小于60ms。這個時間是很短的,是一般焊機最大焊接時間(10s) 的016 %或最大保壓時間(1s) 的6 %?？梢婋姎獗壤y的這種響應特性完全可滿足智能型超聲波焊接機，電腦型超聲波焊接機超聲波焊接的變壓力

控制技術的要求。

圖5 　智能型超聲波焊接機，電腦型超聲波焊接機控制原理框圖

　　對PS 材料(焊縫接觸面積為2154mm ×50. 8mm) 進行了焊接,在450J 輸入能量、焊接壓力為P = 1. 5bar、保壓時間012s 的條件下,保持壓力降低(傳統(tǒng)焊機的保持壓力等于焊接壓力) ,使得焊件周圍的噴濺產(chǎn)物減少,表明壓力的變化改變了界面熔體的流動行為,從而使得焊接接頭的焊接壓力優(yōu)化成為可能。由于VEP312壓力控制型電氣比例閥可以實現(xiàn)壓力的無級調節(jié),因而可以實現(xiàn)焊接全過程的壓力優(yōu)化控制。在上述硬件基礎上,進一步的壓力優(yōu)化曲線的工藝試驗正在進行,有關的實驗結果將在以后討論。

5 　結論

   (1) 在智能型超聲波焊接機，電腦型超聲波焊接機超聲波塑料焊接過程中,接頭界面經(jīng)歷熔化開始、鋪展、熔融層形成、熔融物擠出及接頭凝固等幾個階段。這與本文獲得功率變化規(guī)律是一致的。

   (2) 對焊接過程的分析表明,焊接壓力決定了焊機的輸出功率、影響接頭熔體的流變行為和凝固行為,因而影響著焊接質量。

   (3) 利用VEP312 壓力控制型電器比例閥實現(xiàn)了焊接過程中的壓力無級調節(jié),為實現(xiàn)焊接質量的壓力優(yōu)化控制奠定了硬件基礎。

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