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超聲波塑料焊接過程聲學系統電參數的檢測

 二維碼 3490
發表時間:2017-03-25 19:55網址:http://www.thisweekendsmovies.com/h-nd-258.html

  摘 要: 在超聲波塑料焊接過程中, 針對聲學系統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,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,為實現焊接過程質量控制提供了可能. 該系統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,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生的機械狀態的變化,必然反映在聲學系統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變化,必須對輸入超聲波換能器的各種電參數進行在線實時測量. 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,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

  該系統主要由電壓有效值、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.

超聲波塑料焊接過程聲學系統電參數的檢測


圖1  測試系統總體原理框圖

 焊接過程中輸入聲學系統的電信號變化快,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節上,控制其時間常數不超過0. 2 ms ,以保證系統總的響應時間在2 ms 以內,滿足檢測快速變化電信號的需求. 為保證系統寬頻帶幅頻特性的要求,選用高精度、高穩定性的RCK型電阻,其寄生電感電容極小. 運算放大器組件選用開環放大倍數為105以上,閉環放大倍數不超過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. 輸入電壓經過信號提取,有效值交直流轉換,再經比例調節分兩路輸出:一路供給測試儀前面板的3 位半數字表頭,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據采集分析.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. 這些方法雖然隔離性好,但對于20 kHz 的電信號卻會產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生器的信號源內阻,對超聲波發生器工作狀態無影響.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,產生的最大誤差約為1 %. 波形因數為1~2 時,不產生附加誤差.

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.

超聲波塑料焊接過程聲學系統電參數的檢測



 輸出相位差Φ = ±K·Ud , K為比例系數(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,在一定信號周期內對晶振脈沖信號進行計數,可以實現在1 ms 內,頻率為20 kHz 時,誤差不超過2 Hz. 頻率測量結果以16 位二進制數輸出,輸入到計算機I/ O 卡中,經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  靜態標定結果

采用標準測試設備,對測試系統進行了靜態標定. 輸入信號采用標準正弦波形信號源,由數字表頭讀出測量值. 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.

超聲波塑料焊接過程聲學系統電參數的檢測

超聲波塑料焊接過程聲學系統電參數的檢測

超聲波塑料焊接過程聲學系統電參數的檢測

超聲波塑料焊接過程聲學系統電參數的檢測

超聲波塑料焊接過程聲學系統電參數的檢測

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工作頻率的變化范圍不超過80 Hz ,聲學系統工作于良好諧振狀態. 而相位差檢測結果表明,電流超前電壓30°~50°,即聲學系統工作于容性負載狀態. 由于焊接過程中要求振幅基本恒定,因此聲學系統輸入功率與電壓均隨負載阻力的大小變化而有所改變,呈現相似的變化規律. 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,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的變化,通過聲學系統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,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,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,超聲波聲學系統輸入電信號的變化與焊接過程焊接工件熔化狀態具有一定的對應關系,這為超聲波塑料焊接過程監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。


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