電腦智能超聲波焊接機(jī)，自動追頻，數(shù)字電路設(shè)計

自動追頻超聲波焊接機(jī)，智能型超聲波焊接機(jī)，電腦型超聲波焊接機(jī)

    〔摘要〕　本文對自動追頻超聲波焊接機(jī)，智能型超聲波焊接機(jī)，電腦型超聲波焊接機(jī)焊接過程進(jìn)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(jī)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(jī)基礎(chǔ)上,首次實現(xiàn)了壓力在焊接過程中的可變調(diào)節(jié),使得焊機(jī)能夠優(yōu)化焊接壓力,從而為接頭質(zhì)量優(yōu)化奠定了硬件基礎(chǔ)。

　自動追頻超聲波塑焊機(jī)，智能型超聲波熔接機(jī)，電腦型超聲波焊機(jī)

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恒波牌自動追頻超聲波焊接機(jī)，智能型超聲波焊接機(jī)，電腦型超聲波焊接機(jī)特點(diǎn)：

a.頻率自動調(diào)節(jié)，自動適應(yīng)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(jī)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(diào)，適應(yīng)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(hù)功能，頻率保護(hù)；電流保護(hù)；相位保護(hù)；斷線開路保護(hù)；為你的焊機(jī)保駕護(hù)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(jìn)瑞士技術(shù)，國內(nèi)領(lǐng)先。

    1 　引言

　   塑料及其復(fù)合材料工業(yè)的迅猛發(fā)展,使得人們對于結(jié)構(gòu)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(xué)技術(shù)部門也被廣泛應(yīng)用。塑料/ 金屬復(fù)合型材料的興起,如鋁塑復(fù)合管、鋼筋骨架塑料復(fù)合管等等,作為功能和結(jié)構(gòu)材料已有取代金屬材料的趨勢。近些年樹脂基纖維復(fù)合材料的開發(fā)與應(yīng)用一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。因為熱塑性的數(shù)值基復(fù)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(fù)使用等一系列優(yōu)點(diǎn)?？梢姛崴苄运芰霞捌鋸?fù)合材料的應(yīng)用日益廣泛,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(fù)合材料的連接方法主要有機(jī)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(jī)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(yīng)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(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),成為熱塑性塑料和復(fù)合材料的理想連接手段。對于智能型超聲波焊接機(jī)，電腦型超聲波焊接機(jī)超聲波塑料焊接的質(zhì)量控制,傳統(tǒng)的焊機(jī)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(zhì)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(zhì)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(jī)，電腦型超聲波焊接機(jī)利用自行研制的能量模式控制的超聲焊機(jī)數(shù)據(jù)采集口對焊接過程的功率變化進(jìn)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(xué)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(xiàn)[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(dǎo)能筋首先熔化,并在壓力作用下鋪展,隨著熔化進(jìn)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(xué)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(diǎn)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(yīng)了上述的階段信息,開始階段導(dǎo)能筋處于固態(tài),阻抗較大,使焊機(jī)輸出較大功率。隨著導(dǎo)能筋的熔化,接頭阻抗迅速下降,焊機(jī)輸出功率降低,隨著導(dǎo)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(jī)輸出更大的功率。

3 　質(zhì)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(jī)，電腦型超聲波焊接機(jī)超聲波塑料焊機(jī)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(qiáng)度的影響。幾乎所有研究工藝的文獻(xiàn)均表明,焊接壓力對焊接質(zhì)量有較大的影響。即認(rèn)為對于一個特定的焊接(包括焊機(jī)及工件) 存在一個最佳焊接壓力[3 ] 。當(dāng)然該規(guī)律是在傳統(tǒng)焊機(jī)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(dá)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(dǎo)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(dǎo)致界面導(dǎo)能筋熔體的流動變?nèi)?對熔體鋪展不利,從而導(dǎo)致接頭強(qiáng)度下降。若壓力過大會導(dǎo)致熔體的高速流動,一方面導(dǎo)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(yán)重缺陷,從而導(dǎo)致接頭質(zhì)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(qiáng)度———壓力極值特性反應(yīng)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(jié)晶行為,尤其在凝固的后半階段,這種壓力下結(jié)晶特性更為顯著。壓力影響著熔體的過冷度以及結(jié)晶度。另一方面壓力又充當(dāng)凝固焊縫的拘束條件,從而影響著接頭的強(qiáng)度。可見壓力對接頭強(qiáng)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(shù),即在焊接過程中變化壓力,使得焊機(jī)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(jī)變壓力控制系統(tǒng)

　　研制的智能型超聲波焊接機(jī)，電腦型超聲波焊接機(jī)超聲波塑料焊接機(jī)如圖3 所示,變壓力控制技術(shù)是在能量控制模式焊機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。該焊機(jī)由氣動系統(tǒng)、聲學(xué)系統(tǒng)、超聲波發(fā)生器及微機(jī)控制系統(tǒng)組成。超聲波塑料焊機(jī)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(jī)MCS- 51 的能量模式控制[4 ] 。在能量模式下,設(shè)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(jī)工作不正常、或焊接質(zhì)量難以保證,在時間模式中做不到這一點(diǎn)。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(yù)定時間后結(jié)束,不具備質(zhì)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(bǔ)償能力,因而比傳統(tǒng)焊機(jī)的時間模式更容易保證質(zhì)量。為了保證焊機(jī)的有效控制和功能擴(kuò)展,我們近年對焊機(jī)采用了PC 機(jī)控制[5 ] ,使得控制功能明顯加強(qiáng)。在焊接過程中,計算機(jī)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(xué)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(zhì)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(diào)的能量控制模式的智能型超聲波焊接機(jī)

圖4 　焊接過程能量控制模型

　　　微機(jī)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(jī)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(qiáng)了系統(tǒng)與PC 主機(jī)接口的通用性。整個焊機(jī)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(guān)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?qū)毫Φ霓D(zhuǎn)換快速響應(yīng)。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(yīng)時間小于60ms。這個時間是很短的,是一般焊機(jī)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(yīng)特性完全可滿足智能型超聲波焊接機(jī)，電腦型超聲波焊接機(jī)超聲波焊接的變壓力

控制技術(shù)的要求。

圖5 　智能型超聲波焊接機(jī)，電腦型超聲波焊接機(jī)控制原理框圖

　　對PS 材料(焊縫接觸面積為2154mm ×50. 8mm) 進(jìn)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(jī)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(diào)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(chǔ)上,進(jìn)一步的壓力優(yōu)化曲線的工藝試驗正在進(jìn)行,有關(guān)的實驗結(jié)果將在以后討論。

5 　結(jié)論

   (1) 在智能型超聲波焊接機(jī)，電腦型超聲波焊接機(jī)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(jī)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(zhì)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(diào)節(jié),為實現(xiàn)焊接質(zhì)量的壓力優(yōu)化控制奠定了硬件基礎(chǔ)。

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