超聲波塑料焊接過程聲學系統(tǒng)電參數(shù)的檢測

　　摘　要: 在超聲波塑料焊接過程中, 針對聲學系統(tǒng)的輸入電信號受到焊接過程負載變化的直接影響,研制了一種超聲波電信號測試系統(tǒng),可以對超聲波塑料焊接過程中功率、電壓電流有效值、相位差及頻率信號等進行快速準確的在線檢測,而且可對測量結果進行實時紀錄、分析處理. 測試結果表明,超聲波電信號能夠有效地反映焊接過程的變化,為實現(xiàn)焊接過程質量控制提供了可能. 該系統(tǒng)還可以應用于功率超聲的其他領域.

　　目前,超聲波塑料焊接質量控制得到了焊接工作者的普遍重視,而其質量控制的前提是焊接過程質量信息的提取與檢測. 超聲波焊接設備的核心部分是聲學系統(tǒng),它可以將輸入的高頻電信號轉化為同頻的機械振動,作用在焊接工件上. 塑料在焊接過程中要經(jīng)歷受熱軟化、熔融、潤濕鋪展等一系列變化過程,情況十分復雜. 焊件在焊接過程中所產(chǎn)生的機械狀態(tài)的變化,必然反映在聲學系統(tǒng)機電轉換器件電信號的變化上. 由此可見,研究超聲波塑料焊接過程中輸入電信號的變化,對焊接過程質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程的動態(tài)變化,必須對輸入超聲波換能器的各種電參數(shù)進行在線實時測量. 目前,市場中尚沒有專用的大功率超聲波電信號檢測設備,對大功率超聲設備電信號的檢測多采用記憶示波器,或用其他工頻電信號檢測設備來代替[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) ,焊接時間很短僅為1 s 左右,而且負載變化情況十分復雜(不是純阻性) ,使其信號波形常常具有一定程度的畸變. 這使得目前常用的檢測設備難以滿足超聲焊接電信號檢測的需要. 為此本文研制了一套多功能超聲波電信號檢測系統(tǒng),可對輸入超聲波換能器的電壓電流有效值、功率、相位差及頻率進行在線實時測量,并可隨時紀錄分析測量結果,繪制出測量曲線.

1 　檢測系統(tǒng)

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

1 所示.

圖1 　測試系統(tǒng)總體原理框圖

　焊接過程中輸入聲學系統(tǒng)的電信號變化快,而且頻率變化范圍較寬. 為提高測量速度與精度,首先在器件的選擇上采取措施,選用響應速度快的芯片,并在組件及芯片的外圍電路濾波環(huán)節(jié)上,控制其時間常數(shù)不超過0. 2 ms ,以保證系統(tǒng)總的響應時間在2 ms 以內(nèi),滿足檢測快速變化電信號的需求. 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. 運算放大器組件選用開環(huán)放大倍數(shù)為105以上,閉環(huán)放大倍數(shù)不超過10 的組件.這樣在0～20 kHz ±3 kHz ,可以取得平坦的幅頻曲線. 下面分別對各功能模塊進行簡要說明.

1. 1 　電壓有效值Vrms 的測量

本文研制的測試設備可測量有效值0 ～1 000 V , 頻率20 kHz ±3 kHz 并帶有畸變的正弦電壓信號. 輸入電壓經(jīng)過信號提取,有效值交直流轉換,再經(jīng)比例調節(jié)分兩路輸出:一路供給測試儀前面板的3 位半數(shù)字表頭,直接顯示0～1 000 V電壓有效值;另一路通過測試儀后面板輸出0～10 V 模擬電壓信號供計算機進行數(shù)據(jù)采集分析.電壓信號的提取一般可通過電壓互感器、霍爾元件傳感器或光電轉換器件來實現(xiàn). 這些方法雖然隔離性好,但對于20 kHz 的電信號卻會產(chǎn)生不同程度的波形畸變,還會帶來附加的相移,使功率測量及相角測量精度難以保證. 本文采用比例放大器對電壓信號進行處理,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得到衰減,對后續(xù)電路起到保護作用,而且由于放大器的輸入阻抗遠遠大于超聲波發(fā)生器的信號源內(nèi)阻,對超聲波發(fā)生器工作狀態(tài)無影響.電壓有效值測量采用AD637 ,它是目前國際

上轉換精度較高及頻帶較寬的交直流有效值轉換器,且轉換與波形無關,是真有效值轉換器件[3 ] .當其電源采±15 V ,輸入電壓為0～ ±7 V 時,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,不產(chǎn)生附加誤差.

1. 2 　電流有效值的測量

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

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

1. 3 　有功功率的測量

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

1. 4 　電流電壓相位差的測量

　超聲波換能器輸入電壓與電流之間相位差的測量,是通過過零比較器將輸入電壓、電流信號整形為方波,再通過“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,本文還設計了鑒別超前滯后關系的時序電路. 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 為檢測電路輸出電壓, 電流超前于電壓時為正,反之為負.1. 5 　頻率的測量頻率測量模塊采用單片機8051[4 ] ,利用標準晶振頻率,在一定信號周期內(nèi)對晶振脈沖信號進行計數(shù),可以實現(xiàn)在1 ms 內(nèi),頻率為20 kHz 時,誤差不超過2 Hz. 頻率測量結果以16 位二進制數(shù)輸出,輸入到計算機I/ O 卡中,經(jīng)軟件編程轉換成十進制的實際頻率值.

2 　測試結果與分析

2. 1 　靜態(tài)標定結果

采用標準測試設備,對測試系統(tǒng)進行了靜態(tài)標定. 輸入信號采用標準正弦波形信號源,由數(shù)字表頭讀出測量值. 實驗結果表明,電壓、電流有效值測量精度均滿足誤差小于1 % ,相位差誤差小于±1 % ,頻率測量在20 kHz 時,誤差小于2 Hz.

2. 2 　焊接過程在線檢測

利用瑞士Rinco 焊機對聚苯乙烯材料進行焊接過程在線實時測量. 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 ,焊接時間0. 7 s ,保壓時間2 s. 圖3～圖7 為焊接過程超聲波電信號變化曲線.

2. 3 　焊接過程檢測結果分析

　　　由實驗結果可以看出,在整個焊接過程中輸入超聲波焊機聲學系統(tǒng)的電流基本在0. 8～1. 0 A變化,相對于電壓及功率而言,變化幅度不大. 對聚苯乙烯材料來說,焊接過程中聲學系統(tǒng)工作頻率的變化范圍不超過80 Hz ,聲學系統(tǒng)工作于良好諧振狀態(tài). 而相位差檢測結果表明,電流超前電壓30°～50°,即聲學系統(tǒng)工作于容性負載狀態(tài). 由于焊接過程中要求振幅基本恒定,因此聲學系統(tǒng)輸入功率與電壓均隨負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 可以看出從焊接開始至0. 18 s 處功率有上升趨勢,然后略有下降.這是由于焊接時隨著輸入熱量的積累使焊件上的導能筋逐漸熔化,隨著導能筋的熔化鋪展,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. 隨著焊接過程的進行,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,焊接過程負載阻抗的變化,可以及時地反映到輸入電信號上. 這主要是由于聲學系統(tǒng)是機電轉換器件,其輸入端電信號與輸出端機械量之間存在著確定的對應關系,因此,焊件在焊接過程中熔化狀態(tài)的變化,通過聲學系統(tǒng)的機械端可以反映到輸入端電信號的變化上來,這就為超聲波塑料焊接過程控制提供了依據(jù),使超聲波焊接實時控制成為可能.

3 　結論

　　　本文研制的超聲波電信號測試系統(tǒng),有效地解決了大功率超聲波電信號測試所遇到的問題,可以快速準確地對超聲波塑料焊接過程聲學系統(tǒng)的輸入電信號進行測試與紀錄分析,并可作為一種通用的超聲波電信號測試設備,應用于功率超聲其他應用領域的測試. 焊接過程在線測量結果表明,超聲波聲學系統(tǒng)輸入電信號的變化與焊接過程焊接工件熔化狀態(tài)具有一定的對應關系,這為超聲波塑料焊接過程監(jiān)控及質量控制奠定了基礎，購買超聲波塑料焊接機請找深圳恒波超聲波設備公司。