BRPI0518539B1 - Method for monitoring a flap between a vibratory body and a reference, and system for applying ultrasonic energy to a work part - Google Patents

Description

“MÉTODO PARA MONITORAR UMA FOLGA ENTRE UM CORPO VIBRATÓRIO E UMA REFERÊNCIA, E, SISTEMA PARA APLICAR ENERGIA ULTRA-SÔNICA A UMA PEÇA DE TRABALHO” CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção diz respeito a um método e um sistema para determinar uma folga entre um corpo vibratório e um ponto fixo e, mais particularmente, a um sistema e método que chega a uma determinação como essa com base na freqüência ressonante do corpo vibratório.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Em soldagem ultra-sônica (algumas vezes referidas como "soldagem acústica" ou "soldagem sônica"), duas partes a ser unidas (tipicamente partes termoplásticas) são colocadas próximas a uma ferramenta denominada "trombeta" ultra-sônica para distribuição de energia vibratória. Essas partes (ou "peças de trabalho") ficam restritas entre a trombeta e uma bigorna. A trombeta vibra, tipicamente a 20.000 Hz a 40.000 Hz, transferindo energia, tipicamente na forma de calor de atrito, sob pressão, às partes. Por causa do calor do atrito e pressão, uma parte de pelo menos uma das partes amolece ou funde-se, unindo assim as partes.

Durante o processo de soldagem, um sinal de corrente alternada (CA) é suprido a uma pilha da trombeta que inclui um conversor, reforçador e trombeta. O conversor (também referido como um "transdutor") recebe um sinal CA e responde a ele comprimindo e expandido a uma freqüência igual à do sinal CA. Portanto, ondas acústicas deslocam-se através Λ do conversor até o reforçador. A medida que a frente de onda acústica propaga-se através do reforçador, ele é amplificado e é recebido pela trombeta. Finalmente, a frente de onda propaga-se através da trombeta, e é transmitida às peças de trabalho, soldando-as assim, conforme previamente descrito.

Um outro tipo de soldagem ultra-sônica é "soldagem ultra- sônica contínua". Este tipo de soldagem ultra-sônica é tipicamente usado para selar tecidos e filmes, ou outras peças de trabalho de "membrana", que podem ser alimentadas por meio do aparelho de soldagem de uma maneira no geral contínua. Em soldagem contínua, a trombeta ultra-sônica fica tipicamente estacionária e a parte a ser soldada move-se por baixo dela. Um tipo de soldagem ultra-sônica usa uma trombeta de barra fixa rotacionalmente e uma bigorna rotativa. A peça de trabalho é alimentada entre a trombeta de barra e a bigorna. A trombeta tipicamente estende-se longitudinalmente em direção à peça de trabalho e as vibrações deslocam-se axialmente ao longo da trombeta para a peça de trabalho. Em um outro tipo de soldagem ultra-sônica contínua, a trombeta é um tipo rotativo, que é cilíndrica e gira em tomo de um eixo longitudinal. A vibração de entrada é na direção axial da trombeta e a vibração de saída é na direção radial da trombeta. A trombeta é colocada próxima de uma bigorna, que tipicamente é também capaz de girar para que a peça de trabalho a ser soldada passe entre as superfícies cilíndricas a uma velocidade linear, que é substancialmente igual à velocidade tangencial das superfícies cilíndricas. Este tipo de sistema de soldagem ultra-sônica está descrito na patente U.S. 5.976.316 aqui incorporada na sua íntegra pela referência.

Em cada uma das técnicas de soldagem ultra-sônica supradescritas, as peças de trabalho a ser unidas ficam dispostas entre a trombeta e a bigorna durante o processo de soldagem. Uma maneira de soldar é fixando uma folga entre a trombeta e a bigorna. A folga entre a trombeta e a bigorna cria uma força de aperto que mantém as peças de trabalho no lugar enquanto elas estão sendo unidas. Por questão de condução de uma operação de soldagem uniforme e confiável, é desejável manter uma folga constante entre a trombeta e a bigorna.

Durante a operação, um ou mais componentes da pilha de trombeta, incluindo a trombeta propriamente dita, em geral passam por uma elevação de temperatura. Assim, a pilha da trombeta em geral é submetida a Λ expansão térmica. A medida que a pilha da trombeta expande-se, a folga entre a trombeta e a bigorna é reduzida - um resultado desfavorável da meta supramencionada de levar a uma operação de soldagem uniforme e confiável.

Como o exposto sugere, os esquemas de soldagem ultra-sônica atualmente existentes apresentam um inconveniente em que a folga entre a pilha da trombeta e a bigorna fica mais estreita durante sucessivas operações de soldagem.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Contra este pano de fundo, a presente invenção foi desenvolvida. De acordo com uma modalidade, um método para monitorar uma folga entre um corpo vibratório e uma referência, em que uma parte do corpo vibratório é fixa a uma dada distância da referência por meio de um sistema de montagem rígido, inclui receber uma freqüência ressonante do corpo vibratório. Uma quantidade que permanece em relação conhecida com uma mudança aproximada no comprimento da folga é determinada, com base na freqüência ressonante.

De acordo com uma outra modalidade, um sistema para aplicar energia ultra-sônica a uma peça de trabalho inclui uma pilha da trombeta e um sistema de montagem no qual a pilha da trombeta é montada. Uma fonte de energia é acoplada na pilha da trombeta. Um controlador é configurado para receber uma freqüência ressonante da pilha da trombeta e determinar uma quantidade que permanece em relação conhecida com uma mudança na folga entre a pilha da trombeta e a bigorna.

De acordo também com uma outra modalidade, um sistema para aplicar energia ultra-sônica a uma peça de trabalho inclui uma pilha da trombeta e um sistema de montagem no qual a pilha da trombeta é montada. O sistema inclui adicionalmente uma fonte de energia acoplada na pilha da trombeta e uma bigorna com uma superfície para suportar a peça de trabalho. O sistema também inclui um dispositivo para determinar uma quantidade que permanece em relação conhecida a uma mudança na folga entre a pilha da trombeta e a bigorna.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS A figura 1 representa uma modalidade de uma pilha da trombeta de soldagem ultra-sônica simples acoplada a uma fonte de energia. A figura 2 representa uma modalidade de um sistema de montagem acoplado a uma pilha da trombeta de soldagem ultra-sônica da figura 1. A figura 3 representa uma modalidade de um sistema para determinar o comprimento de uma folga entre uma trombeta e uma bigorna. A figura 4A representa uma modalidade exemplar de uma tabela que pode ser usada como uma parte de uma unidade de determinação de folga. A figura 4B representa uma modalidade exemplar de um método de determinação de um comprimento de folga. A figura 5 A representa uma modalidade de uma trombeta de soldagem ultra-sônica rotativa simples para uso em uma operação de soldagem ultra-sônica contínua. A figura 5B representa uma modalidade exemplar de um método de determinação de um comprimento de folga. A figura 6 representa uma modalidade exemplar de um sistema para manter uma folga substancialmente constante entre uma trombeta de soldagem e uma bigorna. A figura 7 representa uma modalidade exemplar de um sistema para ajustar uma folga entre uma trombeta e uma bigorna em um sistema de soldagem ultra-sônica. A figura 8A representa uma modalidade exemplar de um sistema para manter uma folga substancialmente constante entre uma trombeta e uma bigorna em um sistema de soldagem ultra-sônica. A figura 8B representa uma modalidade exemplar de um sistema para manter uma folga substancialmente constante entre uma trombeta e uma bigorna em um sistema de soldagem ultra-sônica. A figura 9A representa uma modalidade exemplar de uma unidade de determinação de força. A figura 9B representa uma outra modalidade exemplar de uma unidade de determinação de força. A figura 10 representa uma modalidade exemplar de um sistema para ajustar uma folga entre uma trombeta e uma bigorna em um sistema de soldagem ultra-sônica. A figura 11A representa a superfície de uma trombeta acionada por um sinal acústico que propaga ao longo do eixo longitudinal da trombeta. A figura 11B representa a superfície de uma trombeta acionada por um sinal acústico de menor magnitude que o da figura 11A à medida que o sinal propaga ao longo do eixo longitudinal da trombeta. A figura 12A representa uma modalidade exemplar de um sistema para controlar a folga entre uma trombeta e uma bigorna. A figura 12B representa uma outra modalidade exemplar de um sistema para controlar a folga entre uma trombeta e uma bigorna. A figura 13 representa uma modalidade exemplar de um método para combinar as operações de um ajustador e um módulo de determinação de amplitude. A figura 14 representa uma outra modalidade exemplar de um método para combinar as operações de um ajustador e um módulo de determinação de amplitude.

DESCRIÇÃO DETALHADA Várias modalidades da presente invenção serão descritas com detalhes com referência aos desenhos, em que números de referência iguais representam partes e conjuntos iguais nas diversas vistas. Referência a várias modalidades não limitam o escopo da invenção, que é limitada somente pelo escopo das reivindicações anexas. Adicionalmente, qualquer exemplo apresentado nesta especificação é para ser limitante, e meramente apresenta algumas das muitas possíveis modalidades para a invenção reivindicada. A figura 1 representa um exemplo de uma pilha da trombeta simples 100 que é acoplada a uma fonte CA de energia elétrica 102. Conforme pode-se ver pela figura 1, a pilha da trombeta 100 inclui um conversor 104, um reforçador 106 e uma trombeta de soldagem ultra-sônica 108. Durante operação, a fonte CA supre energia elétrica ao conversor 104, que responde a ela comprimindo e expandindo a uma freqüência igual à do sinal CA. Portanto, ondas acústicas deslocam-se pelo conversor 104 até o Λ reforçador 106. A medida que a frente de ondas propaga através do reforçador 106, ela é amplificada e é recebida pela trombeta de soldagem 108. (Em algumas modalidades, a trombeta 108 é projetada para atingir um ganho, eliminando-se a necessidade de um reforçador 106). Finalmente, a frente de ondas propaga através da trombeta 108, mediante o que ela transmitida às peças de trabalho (não representadas na figura 1) que são posicionadas entre a trombeta de soldagem 108 e uma bigorna 110. Outros exemplos de pilhas das trombetas são conhecidos na tecnologia, e funcionam com os seguintes sistemas, esquemas e métodos aqui revelados. A trombeta 108 é separada da bigorna 110 por uma distância rotulada "Folga" na figura 1. O processo de transmitir energia de atrito às peças de trabalho faz com que vários elementos da pilha da trombeta 100 aumentem a temperatura. À medida que os elementos da pilha da trombeta 100 aumentam de temperatura, eles apresentam expansão térmica, significando que a folga entre a trombeta 108 e a bigorna 110 provavelmente muda de dimensão, dependendo da maneira particular na qual a pilha da trombeta 100 é montada. A figura 2 representa um esquema de montagem exemplar simplificado para a pilha da trombeta 100 da figura 1. O esquema de montagem faz uso de uma armação rígida no geral tripartite 200. A armação 200 inclui uma primeira parte 202 sobre a qual a bigorna 110 é montada, e uma segunda parte 206 que é unida a um ponto nodal da pilha da trombeta 100. Por exemplo, a segunda parte 206 da armação está representada na figura 2 sendo acoplada no ponto médio 208 do reforçador 106. Uma terceira parte 204 da armação 200 estende-se entre a primeira e segunda partes 202 e 206. O sistema de montagem 200 mantém uma distância substancialmente fixa entre uma superfície de suporte da peça de trabalho 210 da bigorna 110 e uma parte da pilha da trombeta 100. Neste caso, o sistema de montagem 200 mantém uma distância substancialmente fixa entre a superfície superior 210 da bigorna 110 e o ponto médio/ponto nodal 208 do reforçador 106. Portanto, caso a pilha da trombeta 100 expanda-se durante operação, a pilha da trombeta 100 expande-se para fora do ponto médio 208 do reforçador 106, ao longo do eixo longitudinal da pilha 100, indicado pelas setas rotuladas "Expansão" na figura 2. Deve-se entender que uma variedade de outros sistemas de montagem podem também manter uma distância substancialmente fixa entre a superfície superior 210 da bigorna 110 e uma parte da pilha da trombeta 100, e tais outros sistemas de montagem estão de acordo com o escopo do presente pedido.

Dado o arranjo de montagem da figura 2, expansão térmica do conversor 104 e da parte superior do reforçador 106 não produz efeito no comprimento da folga (em virtude da posição desses elementos em relação ao ponto 208 no qual a armação 200 une-se à pilha 100, esses elementos são livres para expandir-se para cima, isto é, para fora da bigorna 110). Por outro lado, o comprimento da folga é afetado pela expansão da parte inferior do reforçador 106 e pela expansão da trombeta 108 - à medida que esses elementos expandem, eles expandem em direção à bigorna 110, e a folga contrai.

De acordo com uma modalidade, o conversor 104 e o reforçador 106 são mantidos a uma temperatura substancialmente constante. Por exemplo, o conversor 104 e o reforçador 106 podem ser resfriados por um sistema de resfriamento, tal como por um ou mais ventiladores que circulam ar relativamente frio nas superfícies do conversor 104 e do reforçador 106, de maneira a manter substancialmente suas temperaturas, e assim suprimir substancialmente sua expansão térmica. Portanto, de acordo com uma modalidade como essa, qualquer mudança no comprimento da pilha da trombeta 100 pode ser considerada substancialmente atribuída à expansão da trombeta de soldagem 108.

Além disso, de acordo com algumas modalidades, a trombeta 108 é resfriada por meio de um sistema de resfriamento, de maneira a suprimir ou reduzir sua propensão a aquecimento durante operação. Em geral, um esquema como esse não elimina totalmente a expansão térmica da trombeta 108, significando que ela apresenta ainda um certo grau de expansão térmica, que deve ser levado em conta se o comprimento da folga tiver que ser mantido substancialmente constante.

Sabe-se que o comprimento de um dado corpo é inversamente proporcional à dada freqüência ressonante do corpo. Posto de uma outra maneira, à medida que o corpo cresce de comprimento, ele apresenta uma freqüência ressonante menor. Portanto, à medida que a pilha da trombeta 100 cresce de comprimento, como ocorre, por exemplo, em virtude da expansão térmica, ela apresenta uma menor freqüência ressonante. Especificamente, o comprimento de um corpo, l, está relacionado com sua freqüência ressonante, f pela seguinte equação: onde E representa o módulo de elasticidade do objeto, e onde p representa a densidade do objeto. Se o objeto for composto (por exemplo, se for constituído de múltiplas partes ou tiver várias seções feitas de diferentes materiais, etc.), E e p podem ser valores atribuídos representando o comportamento dos materiais em suas várias partes (por exemplo, podem ser · uma média ponderada, etc.).

De acordo com algumas modalidades, a fonte de energia 102 detecta a freqüência ressonante,/, da pilha da trombeta 100 a fim de gerar um sinal CA de mesma freqüência. Por exemplo, a fonte de energia 102 pode distribuir um sinal senoidal que apresenta uma tensão pico a pico particular (ou tensão média quadrática) à pilha da trombeta 100. Mantendo ainda a tensão pico a pico (ou RMS) do sinal senoidal constante, a fonte de energia 102 ajusta a freqüência do sinal e procura a freqüência na qual a menor corrente é extraída pela pilha da trombeta 100 - esta freqüência é a freqüência ressonante da pilha da trombeta 100. Dessa maneira, para tais modalidades, a freqüência ressonante da pilha 100 pode ser obtida da fonte de energia 102. De acordo com outras modalidades, a freqüência ressonante da pilha 100 pode ser detectada pela observação da pilha 100 com um detector.

Mediante obtenção da freqüência ressonante da pilha da trombeta 100, o comprimento geral da pilha 100 pode ser obtido relacionando, de uma maneira similar aos princípios físicos supramencionados, a freqüência ressonante com o comprimento da pilha da trombeta. Dado que o conversor 104 e o reforçador 106 são resfriados, de maneira a suprimir substancialmente os efeitos da expansão térmica neles, o comprimento da pilha da trombeta 100 pode ser relacionado com o comprimento da folga. Por exemplo, de acordo com o esquema da figura 2, o comprimento da folga e o comprimento da trombeta 108, /, são relacionados com a seguinte equação: comprimento da folga ~D — l, onde D é um valor aproximadamente constante que representa o comprimento entre o topo da trombeta 108 e a superfície de suporte da peça de trabalho 210 da bigorna 110. A figura 3 representa um sistema para determinar o comprimento da folga entre uma trombeta de soldagem 108 e a superfície de suporte da peça de trabalho 210 da bigorna 110. O sistema da figura 3 inclui uma fonte de alimentação ultra-sônica 300 (por exemplo, uma fonte de alimentação elétrica que distribui um sinal CA ao conversor, que, por sua vez, traduz o sinal em uma onda acústica) que distribui um sinal acústico a uma trombeta (e reforçador) 302. O fonte de alimentação ultra-sônica 300 é controlada por um circuito controlador, tal como por um processador em comunicação de dados com um dispositivo de memória que armazena suporte lógico inalterável/suporte lógico que controla a operação da fonte de alimentação ultra-sônica 300. Altemativamente, o circuito controlador pode ser concebido com um circuito de controle a base de hardware. De qualquer maneira, o controlador da fonte de alimentação ultra-sônica 300 identifica a freqüência ressonante da pilha da trombeta e comanda o conjunto de circuitos de geração de sinal de fonte de alimentação nela para cooperar com o conversor para produzir um sinal acústico de mesma freqüência. O controlador na fonte de alimentação 300 pode fazer interface com uma unidade de determinação de folga 304. A unidade de determinação de folga 304 recebe a freqüência ressonante da pilha da trombeta e gera uma quantidade que permanece em relação conhecida com o comprimento da folga. De acordo com uma modalidade, a unidade de determinação de folga 304 é um módulo de suporte lógico que executa em um processador acoplado a uma unidade de memória. A unidade de determinação de folga 304 pode executar no mesmo processador no qual o suporte lógico inalterado que controla a fonte de alimentação ultra-sônica 300 executa. Altemativamente, ela pode executar em um processador diferente que está em comunicação de dados com ela. De qualquer maneira, o suporte lógico/suporte lógico inalterado executado pela unidade de determinação de folga 304 pode funcionar de acordo com os esquemas (a seguir) discutidos com referência às figuras 4A-5B.

De acordo com uma modalidade alternativa, a unidade de determinação de folga 304 pode receber a ffeqüência ressonante da pilha da trombeta de uma fonte sem ser o fonte de alimentação ultra-sônica 300. Por exemplo, o sistema pode incluir um detector 306 que observa a pilha da trombeta, mede a sua ffeqüência ressonante, e comunica a ffeqüência ressonante à unidade de determinação de folga 304. Na discussão seguinte, considera-se que a ffeqüência ressonante se origina da fonte de alimentação ultra-sônica 300, apenas a título de exemplo. A figura 4A representa um esquema pelo qual a unidade de determinação de folga 304 pode operar. A unidade de determinação de folga 304 pode incluir uma tabela 400 armazenada em um dispositivo de memória. A tabela 400 é organizada de acordo com a ffeqüência ressonante, e relaciona um comprimento de folga G com uma ffeqüência ressonante, f Assim, mediante recebimento de uma ffeqüência ressonante, f a unidade de determinação de folga 304 usa a ffeqüência ressonante para acessar a tabela 400 e determinar um comprimento de folga G correspondente à ffeqüência ressonante, f Por exemplo, considerando que a unidade de determinação de folga 304 recebe uma ffeqüência de f2 como uma entrada, a unidade 304 responde acessando a tabela 400 para identificar uma fileira correspondente à ffeqüência f2. Mediante identificação da fileira, o comprimento da folga que é alimentado nela, G2, é retomado. Opcionalmente, a tabela 400 pode ser acessada para determinar o comprimento da pilha da trombeta 100, L, ou determinar qualquer outra quantidade que permanece em relação conhecida com o comprimento da folga. Considerando-se que a unidade de determinação de folga 304 recebe um valor fx como uma entrada, e considerando-se que fx cai entre sucessivas entradas da tabela (isto é,f<fx< f+j), então a unidade de determinação de folga 304 pode acessar a tabela 400 para obter valores de comprimento de folga Gt e Gi+i, e pode interpolar nos dois valores para chegar a um comprimento de folga correspondente à freqüência ressonante,/^.

As várias entradas na tabela 400 podem ser povoadas ex ante por um processo heurístico, em que o comprimento da pilha da trombeta 100 e o comprimento da folga são registrados para cada freqüência, f na tabela 400. Altemativamente, as várias entradas na tabela 400 podem ser povoadas por cálculo teórico, de uma maneira similar à supradescrita. A figura 4B representa um outro esquema pelo qual a unidade de determinação de folga 304 pode operar, computação teórica. Por exemplo, a unidade de determinação de folga 304 pode começar sua operação recebendo a freqüência ressonante da pilha da trombeta 100, f conforme mostrado na operação 402. Em seguida, a unidade 304 responde calculando o comprimento da trombeta 108, L, com base na freqüência ressonante, tal como pelo uso de uma equação baseada nos princípios físicos relevantes da equação mostrada na operação 404. Finalmente, conforme mostrado na operação 406, a unidade 304 pode relacionar o comprimento, L, determinado na operação 404, com um comprimento de folga, com base em conhecimento das restrições geométricas particulares que surgem do esquema de montagem empregado. Por exemplo, no contexto do esquema de montagem da figura 2, o comprimento de folga pode ser encontrado como: Comprimento da Folga = D - L onde D representa a distância entre o topo da trombeta 108 e a superfície de suporte da peça de trabalho 210 da bigorna 110, e L representa o comprimento da trombeta. A figura 5A representa um exemplo de uma trombeta de soldagem 500 que é usada para soldagem ultra-sônica contínua. A trombeta 500 inclui um eixo longitudinal 502 em tomo do qual a trombeta 500 pode girar. A trombeta 500 é limitada por um sistema de montagem (não representado na figura 5A), para que uma folga seja mantida entre a trombeta e a bigorna 504. A pilha da trombeta pode ser montada em qualquer ponto nodal no sistema. O eixo longitudinal 502 da trombeta é substancialmente paralelo à superfície de suporte da peça de trabalho 506 da bigorna 504. O princípio supramencionado de determinação do comprimento da folga entre uma trombeta e uma bigorna com base na ffeqüência ressonante da pilha da trombeta é aplicável à trombeta 500 da Λ figura 5. A medida que materiais expandem-se termicamente, eles o fazem em proporções iguais em todas as direções. Portanto, a técnica seguinte, representada na figura 5B, pode ser usada para determinar o comprimento da folga entre a trombeta e a bigorna.

Inicialmente, conforme mostrado na operação 508, a ffeqüência ressonante da pilha da trombeta é recebida. Em seguida, o comprimento da trombeta 502, L, é determinado com base na ffeqüência, de maneira similar à supradescrita (operação 510). Como antes, a pilha da trombeta da figura 5A é resfriada para que o conversor (não representado na figura 5A) e o reforçador (não representado na figura 5A) permaneçam a temperaturas substancialmente constantes durante operação, suprimindo assim sua expansão térmica e os efeitos da ffeqüência ressonante do sistema.

Uma vez que a trombeta 500 expande-se proporcionalmente em todas as dimensões, a razão entre seu comprimento, L, e seu raio, B, permanece constante. Portanto, depois do cálculo do comprimento da trombeta 502, pode-se chegar ao seu raio pela multiplicação do comprimento pela razão supramencionada, B, mostrada na operação 512. Finalmente, o comprimento da folga pode ser determinado subtraindo-se o raio da distância, D, entre o eixo longitudinal da trombeta 500 e a superfície de suporte da peça de trabalho 506 da bigorna 504, conforme mostrado na operação 514.

Deve-se notar que os resultados do método descrito com relação à figura 5B podem ser armazenados em uma tabela, descrita com referência à figura 4A. Assim, o comprimento da folga, ou qualquer valor que permanece em relação conhecida com ela, pode ser obtido em virtude de se acessar uma tabela como essa, com base na freqüência ressonante da pilha da trombeta. A figura 6 representa um sistema de controle para manter uma folga substancialmente constante entre uma trombeta e uma bigorna, com base em observação da freqüência ressonante da pilha da trombeta. O sistema inclui uma pilha da trombeta 600 e uma fonte de alimentação 602 acoplada a ela. De acordo com uma modalidade, a fonte de alimentação 602 determina a freqüência ressonante da pilha da trombeta 600 da maneira descrita anteriormente.

Acoplado na pilha da trombeta fica um ajustador de posição 606. O ajustador de posição 606 ajusta a pilha da trombeta 600, tanto a favor como contra a bigorna, pelo controle de um sinal de entrada. Um relacionamento conhecido existe entre o sinal de entrada distribuído ao ajustador 606 e sua resposta a ele. O ajustador de posição 606 fica em comunicação de dados com um gerador de sinal de controle 606. O gerador de sinal de controle 604 recebe a freqüência ressonante da pilha da trombeta como uma entrada e gera um sinal de controle que é distribuído ao ajustador de posição 606. O gerador de sinal de controle 604 produz um sinal de controle que mantém uma folga substancialmente constante entre a bigorna e a trombeta, dada a freqüência ressonante da pilha da trombeta 600 e o relacionamento entre a resposta do ajustador de posição 606 e seu sinal de entrada. O gerador de sinal de controle 604 pode ser concebido como um circuito controlador, tal como um processador, em comunicação de dados com um dispositivo de memória que armazena suporte lógico inalterável/suporte lógico de acordo com os princípios supramencionados. Ele pode altemativamente ser concebido como um ASIC que produz o sinal de controle supramencionado de maneira a manter uma folga substancialmente constante. Na parte seguinte da revelação, é revelada uma modalidade particular de um ajustador de posição. Não é necessário usar o ajustador de posição revelado a seguir para a prática da invenção. Também, a parte anterior da especificação foi direcionada para métodos particulares de determinação do comprimento de uma trombeta ou o comprimento de uma folga, com base na ffeqüência ressonante da pilha da trombeta. De acordo com outras modalidades, pode-se chegar a tais determinações pela medição da temperatura da pilha da trombeta, ou de seus vários componentes. A figura 7 representa uma modalidade exemplar de um sistema para ajustar a folga entre uma trombeta e uma bigorna. O sistema nela inclui uma trombeta 700 orientada acima de uma superfície de suporte da peça de trabalho 702 de uma bigorna 704. A trombeta 700 é acoplada rigidamente a uma armação 706. A armação 706 inclui um corrediço 708 que encaixa um receptor 710, para que a armação 706 e a trombeta 700 possam transladar verticalmente. A armação 706 também inclui uma chapa de recebimento de força 712 que é acoplada na armação 706 por um par de elementos 714. Uma força é aplicada na chapa de recebimento de força 712 por um aplicador de força (não representado na figura 7). A força impele a trombeta 700 em direção à bigorna 704. A direção da força está indicada pela seta 713. A força tem o efeito de fazer com que a superfície de contato 716 apóie em um batente deformável elástico 718. A força exercida no batente deformável elástico 718 faz com que o batente 718 se deforme, e apresente assim uma deflexão para baixo (isto é, uma deflexão na direção da bigorna 704). Em geral, quanto maior a força aplicada na chapa 712, tanto maior a deflexão para baixo apresentada pelo batente 718. Quanto maior a deflexão apresentada pelo batente 718, tanto menor a folga entre a trombeta 700 e a bigorna 704.

Para manter uma folga constante entre a trombeta 700 e a bigorna 704, o esquema seguinte pode ser empregado. Enquanto a trombeta 700 está na sua temperatura não elevada, uma força inicial é aplicada na chapa 712 para fazer com que a folga entre a trombeta 700 e a bigorna 704 seja estabelecida em um comprimento "ideal". À medida que a trombeta 700 expande-se termicamente durante a operação, a folga fica menor. Para contrabalançar este efeito, a força aplicada na chapa 712 é reduzida, fazendo com que o batente 718 apresente uma menor deflexão, significando que a trombeta 700 e a armação são transladadas para cima (isto é, para fora da bigorna). Assim, a folga entre a trombeta 700 e a bigorna 704 pode ser mantida substancialmente constante pela aplicação controlada de força na chapa 712. Para garantir a funcionalidade deste esquema, a força inicial aplicada na chapa 712 deve ser de magnitude suficiente para fazer com que o batente 718 apresente uma deflexão pelo menos tão grande na extensão quanto a expansão térmica que se espera contrabalançar. O batente deformável 714 é elástico, e preferivelmente tem um módulo de elasticidade relativamente alto. Pela seleção de um material que tem um módulo de elasticidade relativamente alto, uma circunstância é configurada em que a força necessária para defletir o batente 714 é relativamente grande, comparada com a força do processo (isto é, a força exercida pela trombeta na peça de trabalho). Um arranjo como esse permite facilidade de projeto de controle. De acordo com uma modalidade, o batente 714 pode ser feito de aço ou de um outro material adequado. De acordo com uma modalidade, a força exercida no batente 714 não faz com que o material nele saia de sua faixa elástica (isto é, o batente 714 retomará para sua forma original mediante retirada da força). Adicionalmente, de acordo com uma modalidade, o batente 714 apresenta uma deflexão que é proporcional à força aplicada a ele, isto é, existe um relacionamento linear entre a força aplicada ao batente 714 e a extensão da deflexão apresentada por ele. A figura 8A representa um exemplo de um sistema de controle para uso com o sistema de ajuste exemplar da figura 7. (As várias unidades 804-810 da figura 8A, discutidas a seguir, podem ser concebidas como módulos de suporte lógico armazenados em uma mídia legível por computador e executados por um processador, ou podem ser concebidas como hardware dedicado, tal como um ou mais circuitos integrados específicos da aplicação, ou como um arranjo de porta programável no campo. Adicionalmente, as unidades 804-810 podem ser combinadas ou divididas como uma questão de escolha de projeto). Conforme pode-se ver na figura 8A, o sistema inclui uma trombeta 800 que é acoplada a uma fonte de energia ultra-sônica 802. A unidade de determinação de folga 804 determina a folga entre a trombeta 800 e uma bigorna (não representada na figura 8). De acordo com uma modalidade, a unidade de determinação de folga 804 obtém a freqüência ressonante da pilha da trombeta da fonte de alimentação 802, e determina a folga a partir dela. De acordo com uma outra modalidade, a unidade de determinação de folga 804 detecta a freqüência ressonante da trombeta 800 pela sua observação. De acordo ainda com uma outra modalidade, a unidade de determinação de folga 804 chega ao comprimento da folga pela medição da temperatura da trombeta, inferindo o comprimento da trombeta a partir dela, e chegando ao comprimento da folga com base no comprimento da trombeta. O comprimento da folga que chega na unidade de determinação de folga é suprido a uma unidade de determinação de força 806. A unidade de determinação de força 806 determina a força a ser exercida na armação (por exemplo, a chapa 712 na figura 7) a fim de manter a folga em um comprimento substancialmente constante. A força que chega na unidade de determinação de folga 806 é suprida a um gerador de sinal de controle 808. O gerador de sinal de controle 808 desenvolve um sinal de controle, e comunica esse sinal de controle a um aplicador de força 810. O aplicador de força 810 apresenta um relacionamento conhecido entre o sinal de controle recebido e a força que ele exerce. Assim, o gerador de sinal de controle 808 desenvolve o sinal de controle sob luz desse relacionamento. A figura 8B representa modalidades exemplares da unidade de determinação de folga 804 e unidade de determinação de força 806. (Conforme foi o caso com as unidades na figura 8A, as várias unidades da figura 8B, discutidas a seguir, podem ser concebidas como módulos de suporte lógico armazenados em uma mídia legível por computador e executada por um processador, ou ode ser concebida como hardware dedicado, tal como um ou mais circuitos integrados específicos da aplicação, ou como um arranjo de portas programável no campo. Adicionalmente, as unidades da figura 8B podem ser combinadas ou divididas como uma questão de escolha de projeto). Conforme pode-se ver pela figura 8B, a unidade de determinação de folga 804 inclui uma unidade de determinação de comprimento 812 e uma unidade de obtenção da folga 814. A unidade de determinação de comprimento 812 recebe a freqüência ressonante da pilha da trombeta e aplica um dos métodos descritos com referência à figura 4A e 4B para encontrar o comprimento da componente. Em seguida, o comprimento da componente é recebido pela unidade de obtenção da folga 814. A unidade de obtenção da folga 814 chega no comprimento de folga em virtude do conhecimento do comprimento da trombeta e da geometria particular imposta pelo esquema de montagem (por exemplo, o comprimento da folga pode ser igual à diferença entre o comprimento do topo da trombeta até a superfície de suporte da peça de trabalho e o comprimento da trombeta, Folga = D - L).

Depois de chegar no comprimento da folga, este valor é provido à unidade de determinação de folga 806. A unidade de determinação de folga 806 chega à força a ser aplicada na armação a fim de manter a folga substancialmente constante. A força que chega é uma função, entre outras coisas, do comprimento do batente, Lbatente, do módulo de elasticidade do batente, E, da área seccional transversal do batente, A, da diferença entre o comprimento da folga inicial e do comprimento da folga que chega pela unidade de determinação de folga 804, Δ, e a deflexão do sistema montado. A figura 9A representa um esquema pelo qual a unidade de determinação de força 806 pode operar. A unidade de determinação de força 806 pode incluir uma tabela 900 armazenada em um dispositivo de memória. A tabela 900 é organizada de acordo com um comprimento de folga ressonante, G, e relaciona a força F com um comprimento de folga, G. Assim, mediante recebimento de um comprimento de folga, G, a unidade de determinação de força 806 usa o comprimento da folga para acessar a tabela 900 e determinar uma força F correspondente a um comprimento de folga, G. Por exemplo, considerando que a unidade de determinação de folga 806 recebe um comprimento de folga de G2 como uma entrada, a unidade 806 responde acessando a tabela 900 para identificar uma fileira correspondente ao comprimento de folga G2. Mediante identificação da fileira, a força que entra nela, F2, é retomada. Opcionalmente, a tabela 900 pode ser acessada para determinara o sinal de controle, C, a ser entregue ao aplicador de força 810, ou para determinar qualquer outra quantidade que permanece em relação conhecida com a força a ser exercida na armação. Considerando que a unidade de determinação de força 806 recebe um valor Gx como uma entrada, e considerando que Gx cai entre sucessivas entrada da tabela (isto é, Gi<Gx<Gi+i), então a unidade de determinação de força 806 pode acessar a tabela 900 para obter valores de força F, e Fi+i, e pode interpolar nos dois valores para surgir uma força correspondente ao comprimento da folga, Gx.

As várias entradas na tabela 900 podem ser povoadas ex ante por um processo heurístico, em que a força a ser aplicada na armação e o sinal de controle correspondente a ela são determinados experimentalmente para cada comprimento de folga, G, na tabela 900. Altemativamente, as várias entradas na tabela 900 podem ser povoadas por cálculo teórico, de uma maneira similar à descrita a seguir com referência à figura 9B. A figura 9B representa um outro esquema pelo qual a unidade de determinação de força 806 pode operar, computação teórica. Por exemplo, a unidade de determinação de força 806 pode começar sua operação recebendo o comprimento de folga calculado pela unidade de determinação de folga 804, CG, mostrado na operação 902. Em seguida, a unidade 806 responde calculando a diferença entre a folga inicial, IG, e a folga calculada, CG, mostrada na operação 904. Esta diferença, Δ, refere-se à quantidade pela qual a deflexão do batente tem que ser reduzida a fim de retomar a folga para seu comprimento inicial. Assim, na operação 906, a nova força a ser aplicada na armação, Fnova, pode ser derivada resolvendo para Fnova na equação mostrada nela. A figura 10 representa uma outra modalidade exemplar de um sistema para ajustar a folga entre uma trombeta e uma bigorna. O sistema de soldagem 1010 tem um sistema de soldagem 1030 fixado na superfície de suporte 1017 e uma bigorna 1021 fixada na superfície de suporte 1018. O sistema de soldagem 1030 inclui trombeta 1032, que é suportada pelo suporte de trombeta 1020 e é móvel em relação à superfície 1017, um batente fixo 1055 tendo chapa de suporte 1056, que são fixos em relação à superfície 1017, e uma bexiga pneumática expansível 1061. A bexiga 1061 é usada para aplicar a força para mover o suporte da trombeta 1020 e a trombeta 1032 em direção à bigorna 1021; a Λ força é controlada ajustando-se a pressão de ar na bexiga 1061. A medida que a superfície 1025 faz contato com o batente fixo 1055, a chapa de suporte 1056 deflete ligeiramente pela força aplicada.

Em um exemplo específico, a força mínima admissível para soldar um produto desejado é 600 libras (cerca de 272 quilos), que é gerada por uma pressão de ar de 30 psig (cerca de 207 kPa) na bexiga 161. A folga fixa desejada é 0,0020 polegada (cerca de 0,05 mm).

Em operação com uma trombeta de titânio, foi determinado que a temperatura aumentará da temperatura ambiente em um máximo de 50 °F (cerca de 27,7°C), que aumentará o comprimento de trombeta em 0,0010 polegada (cerca de 0,025 mm). Em decorrência disto, a folga entre a trombeta 132 e a bigorna 121 é reduzida para 0,0010 polegada (cerca de 0,025 mm), se não for feita nenhuma compensação. A deflexão da chapa de suporte 156 é conhecida como 0,0010 polegada (cerca de 0,025 mm) por 675 libra-força (cerca de 306 kg-força). Portanto, a força aplicada com uma trombeta à temperatura ambiente tem que ser pelo menos 1.125 libras (cerca de 510 kg), ou 60 psig (cerca de 414 kPa). À medida que a trombeta opera e aumenta de comprimento, a pressão de ar aplicada é reduzida de 60 psig (cerca de 414 kPa) para 30 psig (cerca de 207 kPa) para manter a folga entre a trombeta e a bigorna constante.

Um aparelho de soldagem, em geral configurado para controlar a distância entre a bigorna e a trombeta utilizando um conjunto de batente deformável, inclui uma bigorna com um batente fixo, uma trombeta e um aplicador de força montado de maneira a poder aplicar força para pressionar a trombeta contra o batente fixo de maneira tal que deformação elástica do batente fixo proporcione controle fino da folga entre a trombeta e a bigorna. O aparelho pode incluir um sistema de detecção para monitorar uma propriedade específica da trombeta e controlar a força aplicada na trombeta de maneira a manter a folga entre a trombeta e a bigorna em um valor fixo a despeito de mudanças na propriedade específica. A propriedade monitorada poderia ser, por exemplo, temperatura, comprimento ou freqüência de vibração da trombeta. O uso de um batente deformável, mas ainda fixo, para compensar o aumento de comprimento da trombeta, por causa da expansão térmica, pode ser usado com uma bigorna rotativa, bigorna estacionária, trombeta rotativa, trombeta estacionária ou qualquer combinação destas.

Em uso, as peças de trabalho a ser unidas seriam posicionadas entre a trombeta e a bigorna, energia seria aplicada na trombeta e a trombeta seria energizada, e uma força seria aplicada na trombeta para impelir a trombeta contra o batente fixo de maneira tal que deformação elástica do batente fixo proporcione controle fino da folga entre a trombeta e a bigorna.

Para empregar os métodos supradiscutidos, pode-se determinar dados para um sistema, e em seguida ajustá-los a equações que podem ser usadas no sistema de controle para uma unidade particular. Os requerente usaram o seguinte método para o sistema supradescrito, mas este método pode ser aplicado a outros sistemas de diferentes configurações. As equações podem ser derivadas usando princípios de engenharia ou usando dados medidos de um sistema individual.

As equações 2-5 foram os melhores ajustes a sistemas lineares de duas variáveis. A inclinação e intercepto das equações foram determinados empiricamente a partir de dados medidos de melhor ajuste do sistema. A medição do relacionamento entre as variáveis pode similarmente produzir a inclinação e intercepto de qualquer sistema particular. É preferível que os sistemas comportem linearmente nas regiões operacionais, mas, se os sistemas forem não lineares, pode-se utilizar uma equação de segunda ordem, ou de ordem superior.

Os requerentes desenvolveram e usaram o método descrito a seguir para controle de uma folga durante soldagem ultra-sônica.

Primeiro, para um sistema ultra-sônico rotativo supradescrito, os parâmetros seguintes foram determinados: (1) Diâmetro da trombeta = 6,880" (174,75 mm) (2) Temp. ambiente = 65 °F (18,3°C) (3) Freqüência à temperatura ambiente = 19.986 kHz (4) Pressão na qual a folga é estabelecida em 72,5 psig (499,9 kPa) (5) Ponto de ajuste da folga para o processo = 2 mils (0,005 cm) As propriedades do material da trombeta são também conhecidas, (6) Coeficiente de expansão térmica, a, «Titânio = 5,4x10'6 (-17,20°C)/2,54cm/2,54cm «Alumínio= 5,4xl0'5 (-17,20°C)/2,54cm/2,54cm Quando o sistema é energizado e está operando, a trombeta aumentará de temperatura. Assim, a seguir, determina-se qual seria a temperatura, Tfmai, na qual não restaria folga (isto é, folga de 2,0 mil vai a zero, por exemplo, contato entre a trombeta e a bigorna) durante a soldagem contínua. Esta temperatura é encontrada resolvendo-se a equação 1: (2* TG*\ O-3 ) (Equação 1) Tfinal = ——----- \ υ a ) Na equação 1, Tfinai é a temperatura na qual a Folga some, IG é a folga inicial (em mils) (0,003 cm) estabelecida e medida quando o sistema é configurado e está fora de operação, D é o diâmetro externo da trombeta rotativa, eaéo coeficiente de expansão térmica do material da trombeta. A solução da equação 1 usando as entradas anteriores para uma trombeta de alumínio dá uma temperatura de 172,7 °F (78,2°C), onde a folga irá para zero com base no aquecimento da trombeta durante a operação. Assim, se a trombeta aquecer até 172,67°F (78,2°C), então não restará folga. Conseqüentemente, existe um limite superior para a temperatura. O limite superior para qualquer dado sistema pode ser encontrado usando a equação 1 para um sistema rotativo. Versados na técnica percebem também que uma equação similar pode também ser derivada para outras geometrias, e uma temperatura operacional superior para evitar o desaparecimento da folga podem ser determinadas.

Como é difícil medir a temperatura em um estado ressonante dinâmico de uma trombeta, os requerentes desenvolveram o uso de um substituto que dá uma medição da temperatura indireta, mas precisa. Em vez de medir diretamente a temperatura, a freqüência da trombeta é determinada medindo-se a freqüência da trombeta durante operação e em seguida determinando a temperatura usando a equação 2 seguinte: (Equação 2) \mn = -0,0017*Tfínai + 20,096 Na equação 2, λ^η é a freqüência mínima na qual a trombeta pode ser operada antes de a folga chegar a zero, e os coeficientes das equações lineares foram determinados empiricamente por experimento. Resolvendo-se a equação 2 para os parâmetros de entrada, a folga irá para zero quando a freqüência da trombeta cair para menos que 19.802 Hertz. Uma vez que a freqüência da trombeta é um parâmetro que pode ser medido facilmente usando equipamento padrão normalmente usado pelos versados na técnica, pode-se determinar usando as equações 1 e 2 a freqüência operacional mínima de um sistema rotativo que impedirá a folga de fechar, que pode resultar em danos do produto e também danos na trombeta e/ou bigorna por causa do contato.

Usando as equações 1 e 2, pode-se ter a capacidade de relacionar a folga com a temperatura, e a temperatura com a freqüência. Conseqüentemente, pode-se relacionar a folga com a freqüência. Durante operação normal, quando o material está na folga (ou abertura entre as partes), é difícil medir a folga, mas, usando os princípios citados, a freqüência pode ser usada para determinar a folga. O relacionamento entre a freqüência da trombeta e a folga entre a trombeta e a bigorna pode ser determinada usando a equação 3 (que pode ser resolvida tanto para a folga em função da freqüência como vice-versa) seguinte: (Equação 3) λ= 0,0965 * Folga + 19,7925 Na equação 3, λ é a freqüência da trombeta e a Folga é medida em mils (1 mil = 0,003 cm). A resolução da equação 3 para uma folga de 1 mil dá uma freqüência de 19.889 Hertz. Note que existe agora uma maneira de determinar a mudança da folga em função da freqüência. Usando a informação assim determinada pelas equações 1-3, a força aplicada no arranjo trombeta/bigoma pode ser controlada de forma a manter a folga operacional constante à medida que a temperatura e freqüência da trombeta mudam durante a operação do conjunto de soldagem.

Para controlar a folga e mantê-la em um valor operacional constante, a pressão aplicada no sistema é controlada, compensando assim a expansão térmica da trombeta à medida que ela aquece durante operação. Referindo-se novamente ao exemplo anterior, quando a folga é reduzida para 1 mil, é necessário reduzir a pressão exercida no sistema para que o sistema possa manter ou voltar para o ajuste de folga original de 2 mils (0,005cm). Conseqüentemente, para compensar a expansão térmica, a pressão é reduzida para fazer a folga voltar para 2 mils (0,005cm).

Para reduzir devidamente a pressão, é necessário primeiramente determinar o relacionamento entre a pressão e freqüência, mostrado pela equação 4 seguinte: (Equação 4) Pcompensação = -367,3404*λ+ 7412,7731-Ρροη10 de ajuste onde Pcompensação é a redução de pressão (em libras por polegada quadrada no manômetro) (6,9 kPa) no sistema, λ é a freqüência determinada pela equação 3, e Pponto de ajuste é a pressão no ponto de ajuste da folga inicial.

Por exemplo, usando os parâmetros citados, pode-se determinar a redução de pressão necessária para mover de volta para uma folga inicial de 2 mils (0,005 cm) quando a trombeta expande 1 mil (0,003 cm) por causa da expansão térmica.

Exemplo: Qual é a compensação de pressão necessária se a folga mudar para 1 mil (0,003 cm)?

Primeiro, calcular a freqüência para a folga a 1 mil (0,003 cm) pela equação (3) (esse valor é 19,889 kHz) previamente determinado. Em seguida, substituindo os valores na equação 4 dá: Pcompensação = -367,3404 (19,889) + 7412,7731 - 72,5 = 106,7399 - 72,5 Ρcompensação = 34,24 psig (236,1 kPa) (redução na pressão operacional) Depois que a pressão tiver sido determinada, para compensar a expansão térmica, pode-se verificar qual é a folga nesta compensação de pressão. Esta folga deve ser grosseiramente igual à folga inicial mais a mudança de folga por causa da expansão térmica. Para verificar, primeiramente o relacionamento entre a Pressão e a Folga é determinado pela equação 5 seguinte: (Equação 5) Pcompensação = 35,461*(Folga @ Compensação de Pressão) + 142,205 Por exemplo, a uma compensação de pressão de 34,24 psig (236,1 kPa) (da equação 4), pode-se re-arranjar a equação 5 e resolver para a Folga: Folga@Compensação de Pressão = (34,24-142,205)/-35,461=3,045 mils) (0,008 cm) Assim, pode-se validar o modelo em virtude de a Folga Inicial ter sido estabelecida em 2,0 mils (0,005 cm) e a mudança de folga ser 1 mil (0,003cm). Portanto, para compensar uma expansão de 1 mil (0,003 cm)por causa do aquecimento da trombeta durante operação, a folga seria aberta em 1 mil (0,003cm), restaurando assim a folga original de 2,0 mil (0,005 cm).

Assim, usando as equações (ou derivando seus equivalentes para trombetas lineares ou de outras geometrias) discutidas anteriormente para determinar os parâmetros operacionais, pode-se determinar os limites operacionais para um processo de soldagem ultra-sônica rotativo. Por exemplo, o limite da temperatura operacional é encontrado usando a equação 1 e o valor de ponto de ajuste da Folga (visado). O limite de freqüência operacional da trombeta ultra-sônica é encontrado usando a equação 2 e usando o valor de limite de temperatura da equação 1. A freqüência na mudança de folga é encontrada usando a equação 3 e usando o valor da folga como entrada. A temperatura na mudança de folga é encontrada usando a equação 2, mas usando o valor de freqüência determinado pela equação 3. A Compensação de Pressão para mudança de Folga é encontrada usando a equação 4, mas usando o valor de Freqüência da equação 3. A folga na Compensação de Pressão (à Temperatura Ambiente) é encontrada usando a equação 5, mas usando o valor de Compensação de Pressão da equação 4.

Existe ainda um outro esquema pelo qual a folga entre uma trombeta e uma bigorna pode ser controlada. Conforme mencionado anteriormente, no contexto de soldagem ultra-sônica, uma trombeta é acionada por um sinal acústico, em geral no âmbito de 20.000 a 40.000 Hz. A figura 11A representa a superfície 1100 de uma trombeta, quando uma onda acústica propaga ao longo de seu eixo longitudinal. A direção de propagação da onda acústica está representada pela seta 1102. Conforme pode-se ver pela figura 11 A, à medida que uma onda acústica propaga ao longo do eixo longitudinal da trombeta, a superfície 1100 da trombeta é perturbada, e apresenta uma forma de onda estacionária 1104. A forma de onda estacionária 1104 apresenta uma amplitude pico a pico, referida como o "deslocamento" apresentado pela superfície da trombeta. A amplitude pico a pico, ou deslocamento superficial, é função da amplitude do sinal acústico que propaga ao longo da trombeta. Certamente, a amplitude do sinal acústico é função da amplitude do sinal elétrico suprido ao conversor acoplado na trombeta. Assim, o deslocamento apresentado pela superfície 1100 da trombeta é função da amplitude do sinal elétrico distribuído ao conversor. Tipicamente, quanto maior a amplitude do sinal elétrico distribuído ao conversor, tanto maior a amplitude do sinal acústico que propaga ao longo da trombeta; quanto maior a amplitude do sinal acústico, tanto maior o deslocamento apresentado na superfície 1100 da trombeta.

Conforme pode-se ver pela figura 11 A, a folga entre a superfície 1100 da trombeta e a superfície da bigorna 1106 é função do Λ deslocamento. A medida que a trombeta apresenta maior deslocamento superficial, a folga entre a superfície da trombeta e a superfície da bigorna diminui.

Antes de ter continuidade, salienta-se que as figuras 11A e 11B não estão desenhadas em escala, e que alguns recursos nelas, tal como o deslocamento superficial, foram exagerados por questão de ilustração. (Uma trombeta típica pode apresentar um deslocamento superficial de aproximadamente 2-3 mils 0,005-0,008cm), quando operando sob condições normais, por exemplo). A título de discussão, a amplitude do sinal de tensão que estimula o deslocamento superficial mostrado na figura 11A é denominada Amplitude μ A figura 11B representa a superfície da trombeta 1100 da figura 11 A, tal como ela aparece quando estimulada por um sinal de tensão com uma amplitude de Amplitude2 (Amplitude2 é menor que Amplitudei). Conforme pode-se ver pela comparação entre as figuras 11A e 11B, a folga entre a superfície da trombeta 1100 e a bigorna 1106 cresce quando a amplitude do sinal de tensão que estimula a trombeta diminui, em virtude de a superfície da trombeta 1100 não ser tão deslocada em direção à bigorna.

Conforme mencionado anteriormente, durante uma operação de soldagem típica, uma trombeta pode apresentar um deslocamento superficial da ordem de 3 mils (0,008cm), por exemplo, Entretanto, a operação de soldagem pode levar a um produto satisfatório, mesmo se o deslocamento superficial for reduzido, por exemplo, em 33 %. Assim, para o exemplo supramencionado, a operação de soldagem pode ser realizada com a trombeta apresentando um deslocamento de apenas 2 mils (0,005cm). Então, depreende-se que a operação de soldagem pode ser iniciada usando um sinal elétrico de amplitude suficiente para estimular um deslocamento superficial de 3 mils (0,008cm). Durante operação, a trombeta sofre expansão térmica, significando que a folga entre a trombeta e a bigorna diminui à medida que a trombeta expande-se em direção à bigorna. Para contrabalançar este efeito, a amplitude do sinal elétrico que estimula a trombeta pode ser atenuada, de maneira a produzir um deslocamento superficial menor que os 3 mils (0,008cm)originais, mantendo assim uma folga substancialmente constante. Certamente, no contexto de uma operação que exige pelo menos 2 mils (0,005cm)de deslocamento superficial para produzir um produto apropriado, o sinal elétrico não deve ser atenuado a um ponto tal que a superfície da trombeta apresente menos do que os 2 mils (0,005cm)de deslocamento exigidos.

Uma modalidade exemplar de um sistema para controlar a folga entre uma trombeta e uma bigorna está representada na figura 12A. Conforme pode-se ver pela figura 12A, o sistema inclui uma trombeta 1200 (que, por sua vez, inclui o conversor e o reforçador), que é suprida com um sinal elétrico CA de uma fonte de alimentação 1202. A fonte de alimentação 1202 comunica a freqüência ressonante da trombeta 1200 a um módulo de determinação de folga 1204. (Conforme descrito previamente, a fonte de alimentação 1202 detecta a freqüência ressonante da pilha da trombeta e aciona a pilha da trombeta nessa freqüência). O módulo de determinação de folga 1204 determina o comprimento da folga (ou pode determinar a mudança na folga, ou pode determinar qualquer outro valor que permanece em relação conhecida com o comprimento da trombeta), com base na freqüência ressonante, previamente descrito. Em seguida, o comprimento da folga (ou mudança nele) é suprido a um módulo de determinação de amplitude 1206. Em resposta, o módulo de determinação de amplitude identifica a devida amplitude do sinal elétrico a ser distribuído pela fonte de alimentação, a fim de manter a folga substancialmente constante. A amplitude pode ser recuperada de uma tabela de busca, ou pode ser deduzida por cálculo. A amplitude determinada assim é comunicada a um módulo de geração de sinal de controle 1208, que gera um comando ou sinal de comando apropriado para fazer com que a fonte de alimentação 1202 ajuste a amplitude do sinal à selecionada pelo módulo de determinação de amplitude 1206.

Conforme previamente descrito, cada um dos módulos 12041208 pode ser concebido como hardware dedicado, tal como um ou mais ASICs que cooperam mutuamente. Altemativamente, os módulos 1204-1208 podem ser concebidos como suporte lógico/suporte lógico inalterado armazenado em uma memória, e executado por um processador em comunicação com ele. Se concebido como suporte lógico inalterado/suporte lógico, as instruções que constituem os módulos 1204-1208 podem ser executadas pelo mesmo processador, ou podem ser executadas por uma pluralidade de processadores, sendo uma questão de escolha de projeto.

Uma outra modalidade exemplar de um sistema para controlar a folga entre uma trombeta e uma bigorna está representada na figura 12B. O sistema da figura 12B tira vantagem de dois diferentes esquemas pelos quais a folga pode ser ajustada: (1) controlando a posição da trombeta em si; e (2) controlando a quantidade de deslocamento superficial apresentado pela trombeta. Conforme pode-se ver pela figura 12B, o sistema inclui uma trombeta 1210 (que, por sua vez, inclui o conversor e o reforçador), que é suprida com um sinal elétrico CA de uma fonte de alimentação 1212. A fonte de alimentação 1212 comunica a freqüência ressonante da trombeta 1210 a um módulo de determinação de folga 1214. (Conforme descrito previamente, a fonte de alimentação 1212 detecta a freqüência ressonante da pilha da trombeta e aciona a pilha da trombeta nessa freqüência). O módulo de determinação de folga 1214 determina o comprimento da folga (ou pode determinar a mudança na folga, ou pode determinar qualquer outro valor que permanece em relação conhecida com o comprimento da trombeta), com base na freqüência ressonante, da maneira previamente descrita. Em seguida, o comprimento da folga (ou sua mudança) é suprido a um módulo de determinação de amplitude 1216 e a um ajustador 1220. O ajustador 1220 é um sistema que pode alterar a posição da trombeta, tais como os sistemas de ajuste mostrados nas figuras 7 e 10, que ajusta a posição da trombeta variando a deformação de um batente elástico em graus variados. Como foi o caso na modalidade da figura 12A, o módulo de determinação de amplitude 1216 identifica a devida amplitude do sinal elétrico a ser distribuído pela fonte de alimentação, a fim de manter a folga substancialmente constante. Entretanto, a unidade de determinação da amplitude 1216 coopera com o ajustador 1220 para ajustar conjuntamente a posição e/ou ajustar a amplitude do sinal CA distribuído pela fonte de alimentação 1212 a fim de atingir a meta final de substancialmente manter uma folga constante.

Por exemplo, de acordo com uma modalidade, a unidade de determinação de amplitude 1216 e o ajustador 1220 operam de acordo com o método representado na figura 13. Conforme mostrado nela, tanto o módulo 1216 como 1220 recebem o comprimento de folga, ou mudança nele, da unidade de determinação de folga 1214, conforme mostrado na operação 1300. Em seguida (considerando a modalidade na qual o ajustador 1220 compreende um aplicador de força que força a trombeta contra um batente elástico deformável), a unidade de determinação de amplitude 1216 recebe do ajustador 1220 a força aplicada por ele (operação 1302). Em seguida, conforme mostrado na operação 1304, a força é comparada com o limite inferior da força aceitável para a operação de soldagem. Se a força estiver ainda acima do limite, então o ajustador 1220 determina a nova força exigida para aplicação, e ajusta a força de maneira correspondente (operação 1306). Por outro lado, se a força tiver atingido o limite inferior, então a força não deve ser reduzida ainda mais, e o controle passa para a operação 1308, em que é determinado se a amplitude do deslocamento superficial atingiu seu limite inferior. Se não, o controle passa para a operação 1310, mediante a qual o módulo de determinação de amplitude 1216 identifica a devida amplitude do sinal elétrico a ser distribuído pela fonte de alimentação, a fim de manter a folga substancialmente constante. A amplitude determinada assim é comunicada a um módulo de geração de sinal de controle 1218, que gera um comando ou sinal de controle apropriado para fazer com que a fonte de alimentação 1212 ajuste a amplitude do sinal à selecionada pelo módulo de determinação de amplitude 1216. Por outro lado, se a amplitude do deslocamento superficial tiver atingido seu limite inferior, então o controle passa para a operação 1312, e um alarme é gerado para indicar que a folga não pode ser mantida a um comprimento constante sem tanto reduzir a força do processo abaixo de seu limite aceitável como reduzir o deslocamento superficial da trombeta abaixo de seu limite aceitável.

Embora as operações da figura 13 estejam descritas realizadas pelo módulo de determinação de amplitude 1216, as operações podem ser realizadas por qualquer dos módulos representados na figura 12B, ou podem ser realizadas por um outro módulo dedicado para coordenar as operações do módulo de determinação de amplitude 1216 e do ajustador 1220.

Adicionalmente, deve-se notar que, na operação 1302, o ajustador 1220 pode comunicar a posição da trombeta ao módulo que realiza o método da figura 13. Então, na operação 1304, a posição da trombeta pode ser comparada com um limite posicionai que expressa a capacidade de o ajustador 1220 extrair a trombeta da bigorna. Em outras palavras, na operação 1304, é determinado se o ajustador 1220 extraiu a trombeta da bigorna tal como o ajustador 1220 pode fazer.

De acordo com uma outra modalidade, a unidade de determinação de amplitude 1216 e o ajustador 1220 operam de acordo com o método representado na figura 14. Conforme mostrado nela, ambos os módulos 1216 e 1220 recebem o comprimento de folga, ou mudança nele, da unidade de determinação de folga 1214, conforme mostrado na operação 1400. Em seguida (novamente considerando a modalidade na qual o ajustador 1220 compreende um aplicador de força que força a trombeta contra um batente elástico deformável), a unidade de determinação de amplitude 1216 recebe do ajustador 1220 a força aplicada por ele (operação 1402). Em seguida, conforme mostrado na operação 1404, mediante a qual é determinado se a amplitude do deslocamento superficial atingiu seu limite inferior. Se não, o controle passa para a operação 1406, por meio do que o módulo de determinação de amplitude 1216 identifica a devida amplitude do sinal elétrico a ser distribuído pela fonte de alimentação 1212, a fim de manter a folga substancialmente constante. A amplitude determinada assim é comunicada a um módulo de geração de sinal de controle 1218, que gera um comando ou sinal de controle apropriada para fazer com que a fonte de alimentação 1212 ajuste a amplitude do sinal ao selecionado pelo módulo de determinação de amplitude 1216. Por outro lado, se a amplitude do deslocamento superficial apresentado pela trombeta tiver atingido o limite inferior, então a força não deve ser reduzida ainda mais, e o controle passa para a operação 1408, em que é determinado se o valor da força recebida durante a operação 1402 está no limite inferior da força aceitável para a operação de soldagem. Se a força estiver ainda acima do limite, então o ajustador 1220 determina a nova força exigida para aplicação, e ajusta a força de forma correspondente (operação 1410). Por outro lado, se a força tiver atingido o limite inferior, então o controle passa para a operação 1412, e um alarme é gerado para indicar que a folga não pode ser mantida a um comprimento constante sem tanto reduzir a força do processo abaixo de seu limite aceitável como reduzir o deslocamento superficial da trombeta abaixo de seu limite aceitável.

Embora as operações da figura 14 estejam descritas sendo realizadas pelo módulo de determinação de amplitude 1216, as operações podem ser realizadas por qualquer dos módulos representados na figura 12B, ou podem ser realizadas por qualquer outro módulo dedicado para coordenar as operações do módulo de determinação de amplitude 1216 e do ajustador 1220.

Adicionalmente, deve-se notar que, na operação 1402, o ajustador 1220 pode comunicar a posição da trombeta ao módulo que realiza o método da figura 14. Em seguida, na operação 1408, a posição da trombeta pode ser comparada com um limite posicionai que expressa a capacidade de o ajustador 1220 extrair a trombeta da bigorna. Em outras palavras, na operação 1408, é determinado se o ajustador 1220 extraiu a trombeta da bigorna tal como o ajustador 1220 pode fazer.

Mediante leitura e entendimento do processo apresentado para controlar um sistema de soldagem ultra-sônica, versados na técnica percebem que o controle da folga para um sistema pode ser obtido medindo-se a ffeqüência operacional da trombeta, e em seguida ajustando-se a força, por exemplo, pressão, que controla a folga. As equações específicas podem ser derivadas ou determinadas empiricamente para qualquer geometria de trombeta, incluindo trombetas lineares e rotativas.

As várias modalidades supradescritas são providas a título de ilustração apenas, e não devem ser interpretadas para limitar a invenção. Versados na técnica percebem facilmente que várias modificações e mudanças podem ser feitas na presente invenção sem seguir as modalidades e aplicações exemplares aqui ilustradas e descritas, e sem fugir do verdadeiro espírito e escopo da presente invenção, que são apresentadas nas reivindicações seguintes.

REIVINDICAÇÕES

Claims (8)

1. Método para monitorar uma folga entre um corpo vibratório (104-108) e uma referência (110), em que urna parte do corpo vibratório (104108) é fixa a uma dada distância da referência (110) por um sistema de montagem rígido (204), o método caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: prover um corpo vibratório incluindo uma trombeta ultra- sônica; receber uma frequência ressonante do corpo vibratório (104108) conectado a um conversor e um reforçador; resfriar pelo menos o conversor e o reforçador durante operação para manter uma temperatura constante ali, em que a temperatura da trombeta ultra-sônica muda durante operação; determinar uma quantidade que permanece em, relação conhecida a uma mudança aproximada no comprimento da folga com base na frequência ressonante; e ajustar a dada distância fixa entre o corpo vibratório (104-108) e a referência (110) para assim manter um comprimento de folga constante.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o corpo vibratório (104-108) é composto.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de determinar a quantidade que permanece em relação conhecida à mudança aproximada no comprimento da folga compreende: acessar uma tabela para obter um comprimento de folga correspondente à frequência ressonante.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de determinar a quantidade que permanece em relação conhecida à mudança aproximada no comprimento da folga compreende: acessar uma tabela para obter primeira e segunda quantidades correspondentes a frequências montando a frequência ressonante; e interpolar a primeira e segunda quantidades de folga para chegar ao comprimento de folga aproximado.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de determinar a quantidade que permanece em relação conhecida à mudança aproximada no comprimento da folga compreende: calcular o comprimento do corpo vibratório (104-108) em função da frequência ressonante e das características do material do corpo vibratório (104-108).

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as características do material incluem densidade do corpo vibratório (104-108).

7. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as características do material incluem módulo de elasticidade do corpo vibratório (104-108).

8. Sistema (100) para aplicar energia ultra-sônica a uma peça de trabalho, o sistema (100) caracterizado pelo fato de que compreende: uma pilha da trombeta (100); um sistema de montagem no qual a pilha da trombeta (100) é montada; uma fonte de energia (102) acoplada na pilha da trombeta (100); uma bigorna (110) que tem uma superfície para suportar a peça de trabalho; e um controlador (604) configurado para receber uma frequência ressonante da pilha da trombeta (100) e para determinar uma quantidade que permanece em relação conhecida a uma mudança na folga entre a pilha da trombeta (100) e a bigorna (110); e um ajustador de posição (606) acoplado à pilha de trombeta (100) e configurado para receber um sinal de entrada do controlador para ajustar a dada distância entre a pilha de trombeta (100) e a bigorna (110) para assim manter um comprimento de folga constante.