CH629689A5 - Ultrasonic oscillator and ultrasonic machine tool using this oscillator - Google Patents

Description

La présente invention a pour objet un oscillateur ultrasonique, et plus particulièrement un oscillateur utilisé pour entraîner le système vibrant d'une machine utilisant une onde ultrasonique.

Dans les machines-outils ultrasoniques et les soudeuses ultrasoni-ques, un vibreur est relié à une trompe de sonotrode amplifiant efficacement l'amplitude vibratoire pour permettre que soient utilisées efficacement les ondes ultrasoniques. De plus, dans un tel système vibrant, on utilise un oscillateur vibrant à asservissement dans lequel une fréquence d'oscillation est agencée de façon à suivre automatiquement une fréquence de résonance du système vibrant pour piloter ce dernier.

Dans un tel oscillateur vibrant à asservissement, l'asservissement est réglé de façon très large, l'amplitude étant alors limitée au moyen d'un circuit limiteur d'amplitude. Cependant, avec une telle disposition, lorsque la charge est élevée, elle a souvent pour effet que l'oscillation cesse du fait que la valeur de l'asservissement diminue.

Dans une telle construction, un filtre passe-bande est utilisé pour éviter qu'une oscillation se produise à partir des harmoniques supérieures de l'oscillateur. Ce filtre présente l'inconvénient que sa capacité de suivre une fréquence diminue lorsqu'on affine la sélectivité de fréquence et qu'une oscillation se produit en raison de la haute fréquence du vibreur lorsque la sélectivité de fréquence diminue. De tels inconvénients apparaissent particulièrement dans le cas où l'oscillateur est réglé de façon à osciller avec un asservissement très faible.

En outre, dans une telle construction, le réglage de la fréquence est très difficile du fait que la fréquence de résonance du filtre passe-bande est utilisée en commun avec la fréquence de résonance du système vibrant.

En outre, cette construction présente l'inconvénient que l'oscillation ne se produit pas immédiatement après l'enclenchement de la source d'énergie du fait qu'une charge existe déjà lors de cet enclenchement.

De plus, dans l'oscillateur vibrant à asservissement combiné avec une machine-outil ultrasonique, il se produit un défaut, en ce sens qu'une fréquence vibrante naturelle de l'outil, lors d'un changement d'outil, doit être réglée de façon à correspondre à la fréquence de résonance du système vibrant.

Dans une machine-outil ultrasonique comprenant un oscillateur vibrant à asservissement, un vibreur est logé dans un boîtier en résine synthétique en même temps qu'une trompe de sonotrode portant un outil tel qu'une meule, un burin ou autre, fixé à son extrémité d'attaque au moyen d'une vis ou autre. Dans une telle machine-outil, du fait que des températures élevées sont dégagées par le vibreur et par l'outil pendant le travail, un courant supérieur à une valeur déterminée ne peut pas être envoyé au vibreur. Il en résulte que la machine-outil ne peut pas augmenter sa puissance et que la durée de travail en continu est limitée du fait de ces hautes températures.

En conséquence, un des buts de la présente invention est d'éliminer les différents inconvénients que présentent les oscillateurs vibrants à asservissement mentionnés ci-dessus.

Un autre but de l'invention est de fournir un oscillateur ultrasonique qui puisse être entraîné positivement par la fréquence de résonance d'une charge et qui ait une aptitude excellente à suivre la fréquence de résonance.

Un autre but de l'invention est de fournir un oscillateur ultrasonique dans lequel l'oscillation soit stable et son début sûr.

Un autre but de l'invention est de fournir un oscillateur ultrasonique dans lequel l'oscillation ne cesse pas sous de fortes charges et dont le circuit ne comporte aucun élément ayant une caractéristique de résonance, à l'exception de la charge.

Un autre but de l'invention est de fournir un oscillateur ultrasonique dans lequel, lorsqu'il est combiné avec une machine-outil ultrasonique, le circuit puisse être actionné aisément, même si la fréquence de résonance change lors du changement d'outil.

Un autre but de l'invention est de fournir une machine-outil ultrasonique qui puisse augmenter sa puissance et qui puisse fonctionner pendant de longues périodes.

Selon un aspect de l'invention, un oscillateur ultrasonique comprend un détecteur de phase apte à détecter une différence de phase entre une tension de charge et des valeurs variables indiquant un état fonctionnel de la charge comportant une caractéristique de résonance et un oscillateur de commande de tension agencé de façon à commander une fréquence d'oscillation par un courant continu correspondant à ladite différence de phase.

Suivant un autre aspect de l'invention, une machine-outil ultrasonique utilisant cet oscillateur comporte un boîtier qui enferme un vibreur et qui présente une pluralité de passages d'air ménagés dans ledit boîtier et un moteur de petite dimension situé au-dessus du vibreur, dans le boîtier, et qui comporte un ventilateur monté sur l'arbre rotatif dudit moteur.

Les buts et caractères de l'invention apparaîtront de la description qui suit, et qui se réfère au dessin annexé.

La fig. 1 est un schéma bloc illustrant une forme d'exécution d'un oscillateur ultrasonique suivant l'invention.

La fig. 2 est un circuit schématique représentant un circuit comparateur de phase.

Les fig. 3a à 3d illustrent des formes d'ondes et représentent le fonctionnement du circuit comparateur de phase.

La fig. 4 est un circuit schématique représentant un amplificateur à amplification variable, et la fig. 5 est une vue, avec coupe partielle, d'un support de vibreur et d'outil d'une machine-outil ultrasonique suivant l'invention.

La fig. 1 représente un oscillateur ultrasonique et un vibreur 1 relié à une sonotrode 2 constituant un système vibrant. Sur une partie de ce système vibrant, par exemple sur le vibreur 1, est accolé un détecteur de vibration 3 dont une sortie (tension de commande) est proportionnelle à la fréquence de vibration. La sortie est rectifiée dans un circuit de détection 6 et est ensuite comparée à une tension de référence. La différence de tension obtenue est appliquée, par l'intermédiaire d'un amplificateur 7 et d'un circuit à constante de temps 8, à un amplificateur 17 à amplification variable pour réaliser une sorte d'asservissement négatif rectifié. Une telle construction est

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en substance similaire à celle des oscillateurs vibrants à asservissement bien connus.

La sortie du détecteur de vibration 3 est appliquée à un circuit de détection de point zéro 11 de façon qu'une onde rectangulaire soit obtenue. La sortie de l'onde rectangulaire est appliquée à un circuit comparateur de phase 13 en même temps qu'une tension de commande du vibreur 1 dont la phase est réglée dans un circuit de réglage de phase 12 de façon que soit obtenu un courant continu correspondant au signal de différence. Le courant obtenu est amplifié par un amplificateur de courant continu 14 et est utilisé pour commander la fréquence d'oscillation d'un oscillateur de contrôle de tension 15. La sortie de l'onde rectangulaire de l'oscillateur 15 est formée en une onde sinusoïdale par un circuit de formation d'onde 16 et est ensuite appliquée à un amplificateur 17 à amplification variable, qui l'amplifie. La sortie est en outre amplifiée par un amplificateur de puissance 10 de façon à être utilisable comme tension de pilotage du vibreur 1.

Comme circuit comparateur de phase 13, on peut utiliser tout circuit de type discriminateur, de type détecteur à double équilibrage, de type guillotine à double équilibrage, de type digital ou autre. Le circuit décrit ici est du type à double équilibrage. Comme le montre la fig. 2, une onde sinusoïdale qui est la sortie du circuit de réglage de phase 12 est appliquée à une borne tt qui fournit un signal aux bases de transistors Q, et Q2 de façon à commander l'équilibrage d'un courant de polarisation Iq des transistors Q[ et Q2, et une onde rectangulaire, qui est la sortie du circuit détecteur de point zéro 11, est appliquée à une borne t2 de façon à actionner un circuit de commutation constitué par des transistors Q3, Q4, Qs et Q6. Si le signal d'onde sinusoïdale vient en relation de phase, comme représenté aux fig. 3b, 3c et 3d, par rapport au signal d'onde rectangulaire de la fig. 3a, la tension Vd du signal de différence (une valeur moyenne de l'onde de sortie de forme) a une valeur maximale positive pour une différence de phase de 0°, comme représenté à la fig. 3b, nulle pour une différence de phase de 90°, comme représenté à la fig. 3c, et a une valeur maximale négative pour une différence de phase de 180°, comme représenté à la fig. 3d.

L'oscillateur de contrôle de la tension 15 produisant l'oscillation de l'onde sinusoïdale ou de l'onde rectangulaire présente en outre une borne d'entrée pour un signal de courant continu, grâce à quoi la fréquence d'oscillation peut varier en fonction d'une augmentation ou d'une diminution de ce signal de courant continu. L'oscillateur 15 pourra être réalisé par tout circuit tel qu'un déclencheur de Schmidt, un émetteur relié à un multivibrateur, un circuit utilisant la caractéristique de résistance variable d'un transistor à effet de champ, ou un circuit utilisant un varactor ou autre.

L'amplificateur à amplification variable 17 qui agit pour maintenir l'amplitude constante, quelle que soit la charge, est constitué, comme représenté à la fig. 4, de telle façon qu'un transistor à effet de champ (FET) Q7 soit relié à une entrée d'un amplificateur AM,,

alors qu'un signal d'entrée de relativement faible tension est appliqué entre le collecteur et l'émetteur du transistor FET et qu'une tension appliquée à une grille est obtenue à partir d'un amplificateur fonctionnel AM2 sous forme de différence de tension entre une sortie de détection provenant d'un circuit détecteur 6 et la tension de référence. Ce circuit est du type dit à atténuation variable, qui utilise la caractéristique de résistance variable du FET. En considérant que ce circuit a une largeur de contrôle étendue pour un signal aussi large que possible, les résistance R, et R2 qui doivent être reliées au collecteur du FET Q7 seront de préférence telles que R, = 47 kfi et R2 = 2,2 kß.

A la fig. 1, la tension de commande, qui est une entrée du circuit comparateur de phase 13, passe à travers le circuit de réglage de phase 12. La raison en est que les phases entre la tension appliquée et la sortie du détecteur de vibration 3 sont égales entre elles si le vibreur 1 est commandé à sa fréquence naturelle de vibration, chacun des signaux d'entrée étant nécessaire pour son alimentation, ayant une différence de phase de 90° l'un par rapport à l'autre, cette différence de 90° étant référée (comme étant au centre de la plage de commande) dans le circuit comparateur de phase 13. Cependant, dans la pratique, du fait que le signal est émis par l'entrée de l'amplificateur de puissance 10, un retard de phase se produit entre l'amplificateur de puissance 10 et un transformateur de sortie. Ce retard de phase devient 90°, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de prévoir des moyens additionnels de réglage de phase. La détection de la vibration du vibreur 1 peut être effectuée par une résistance détectant le courant envoyé au vibreur de façon à détecter le courant qui y passe, en lieu et place d'un élément de mesure électrique de contrainte. Dans ce cas, du fait que le signal est soumis à l'influence d'une admission amortie du vibreur 1, le circuit est nécessaire pour obtenir que l'impédance équivalente du vibreur soit la seule composante de résistance pure à la résonance, par exemple en reliant en parallèle au vibreur une inductance qui résonne avec l'admission amortie à la fréquence de résonance.

Lors du fonctionnement du dispositif oscillateur décrit ci-dessus, le vibreur 1 vibre lorsqu'une tension de commande lui est appliquée. Cette vibration est détectée par le détecteur de vibration 3. Le signal détecté est envoyé au circuit détecteur 6 et au circuit de détection de point zéro 11 et est converti en une onde rectangulaire dans ce circuit de détection de point zéro 11. Le signal d'onde rectangulaire est envoyé au circuit comparateur de phase 13 en même temps que le courant de commande. Les phases de ces deux signaux sont comparées dans le circuit 13 et, par conséquent, un courant continu est produit en fonction de la différence de ces phases. Cette opération est représentée aux fig. 3a à 3d. Lorsque la différence de phase est de 90°, une tension Vd représentant le signal de différence devient nulle et forme le centre de la plage de commande, cette tension augmentant avec la différence de phase en avant et en arrière. La tension Vd est amplifiée par l'amplificateur de courant continu 14 et est envoyée à l'oscillateur de commande de la tension 15. A cet oscillateur 15, la fréquence de sortie se transforme en une valeur définie par l'entrée de courant continu pour devenir une sortie rectangulaire de sa fréquence. La sortie rectangulaire est ondulatoire dans le circuit de formation d'onde 16 et devient un signal d'entrée de l'amplificateur à amplification variable 17. Le signal d'entrée (signal de courant alternatif) varie suivant la tension de grille du transistor FET Q7 dans le circuit atténuateur variable constitué par les résistances R! et R2 du côté entrée de l'amplificateur AMj et du FET Q7. Le signal est amplifié par l'amplificateur AMt et par l'amplificateur de puissance 10 et est appliqué au vibreur 1. De ce fait, le vibreur 1 vibre à sa fréquence propre de vibration. La sortie de détection du circuit détecteur 6 est envoyée dans l'amplificateur fonctionnel AM2 de façon à calculer la différence entre elle et la tension de référence réglée par la résistance variable VR, la tension de différence obtenue devenant une tension de grille. Ainsi, du fait que l'amplificateur fonctionnel AM2 est relié à la borne positive et que le pôle positif de la tension de référence est appliqué à la borne négative à travers la résistance R3, si l'entrée de détection n'existe pas, la sortie de l'amplificateur fonctionnel AM2 devient négative, et la partie excédant la tension Zener d'une diode Zener D est éliminée, de telle sorte que le transistor FET Q7 devient non conducteur du fait que la tension négative est appliquée à sa grille, et que le signal de courant alternatif devient une sortie suivant le degré d'amplification de l'amplificateur AM !.

Si la sortie du détecteur de vibration 3 devient grande, la demi-onde négative est appliquée à l'entrée négative de l'amplificateur fonctionnel AM2 à travers la résistance R4. Du fait que l'entrée est une valeur ajoutant la tension de référence positive et le courant de détection négatif, la sortie de l'amplificateur fonctionnel AM2 devient proche du potentiel de masse lorsque l'entrée de détection n'existe pas, de sorte que la résistance, valeur du FET Q7, diminue ainsi, réduisant le degré d'amplification de l'amplificateur à amplification variable 17. En conséquence, si la tension de référence est réglée convenablement, le vibreur 1 vibre toujours à une amplitude correspondant à la tension de référence, quelle que soit la charge.

Le dispositif oscillant ultrasonique mentionné ci-dessus permet d'éliminer complètement les défauts des oscillateurs vibrants à

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asservissement connus, de façon que puissent être atteints les objectifs de la présente invention. Cependant, pour obtenir un haut rendement en incorporant l'oscillateur dans une machine-outil ultrasonique, il est nécessaire d'en améliorer la partie qui reçoit le vibreur, la trompe de la sonotrode et cette dernière (outil). Ainsi, comme mentionné précédemment, du fait que le vibreur et l'outil dégagent de hautes températures pendant l'usinage, la machine-outil ne peut pas admettre qu'un courant supérieur à celui de la valeur de consigne soit envoyé au vibreur et, de surcroît, sa durée d'emploi est limitée.

Conformément à la présente invention, il a été tenté d'éliminer ces inconvénients grâce à la construction représentée à la fig. 5.

En se référant à cette figure, on voit des éléments logés dans un boîtier cylindrique 20. Ce dernier présente des passages d'entrée 22a et 22b pour l'air et des passages de sortie 23a et 23b qui traversent la paroi périphérique extérieure du boîtier cylindrique et qui sont légèrement inclinés dans la direction du flux d'air. Bien que quatre passages d'air aient été représentés à la fig. 5, leur nombre pourra être augmenté ou réduit selon la nécessité. Un moteur de petite dimension 24 est disposé sur une partie supérieure du boîtier 20 et un ventilateur 26 est monté à l'extrémité de l'arbre 5 du moteur. Un vibreur 27 est logé dans le boîtier 20 et est entièrement relié à une trompe de sonotrode 28 au moyen d'une tige filetée ou autre, cette trompe s'étendant sous la face inférieure du boîtier 20. Son extrémité libre porte un outil de pierre à meule, un découpoir ou autre. Les chiffres de référence 30 et 31 de la fig. 5 indiquent les fils d'alimentation du moteur 24 et du vibreur 27.

Dans la machine-outil ultrasonique présentant les dispositions susmentionnées, le ventilateur 26 étant entraîné par le moteur 24 pendant la marche de la machine, un effet de refroidissement est produit du fait que de l'air est forcé à traverser les passages d'entrée 22a et 22b, puis est évacué par les passages de sortie 23a et 23b et par les jours que présente l'extrémité inférieure du boîtier, ce qui refroidit le vibreur 27. De ce fait, la chaleur n'est pas amenée à l'outil 29 et ce dernier n'atteint pas des températures élevées. En conséquence, cette construction a pour effet que la puissance de la machine-outil peut être augmentée par augmentation du courant alimentant le vibreur 27; en même temps, l'utilisation peut s'étendre sur une longue période.

5 Dans la forme d'exécution décrite ci-dessus, l'invention se rapporte au cas de l'entraînement d'un vibreur ultrasonique. Cependant, l'invention n'est pas limitée à ce vibreur et pourra, par exemple, être utilisée comme source de puissance d'un four à induction. De tels fours à induction sont constitués de façon que le métal à fondre soit io placé dans le four, de telle manière qu'une boucle d'induction traversée par un courant à haute fréquence fasse fondre ce métal grâce au courant induit dans ce dernier. Dans ce cas, quoique l'amélioration de la puissance soit obtenue en montant une capacité en parallèle avec la boucle, du fait que l'inductance de celle-ci varie 15 avant et après la fusion du métal, il est difficile de maintenir en permanence une puissance élevée. Dans ce cas, si des moyens de détection de la variation de l'inductance de la boucle sont prévus et si cette variation d'inductance est comparée quant à sa phase avec la tension appliquée, le four peut toujours fonctionner à la fréquence 20 optimale de la boucle.

Le dispositif oscillateur ultrasonique suivant l'invention présente encore les particularités suivantes:

Du fait que la caractéristique de la résistance variable d'un transistor FET est utilisée pour la variation de l'amplification, la 25 contrainte est faible, même si un amplificateur à amplification variable est utilisé.

La polarisation de la grille du FET, c'est-à-dire la comparaison avec la tension de référence, peut être réalisée simplement par un amplificateur fonctionnel de l'étape précédente.

30 Du fait qu'une atténuation variable est réalisée par la variation de résistance qui se produit à partir de la tension de grille du FET, la plage de commande peut être élargie suivant le choix de la valeur de la résistance et la contrainte peut être réduite.

Du fait que les composants du circuit peuvent être aisément 35 réalisés sous forme de circuits intégrés, la fabrication peut être très bon marché.

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2 feuilles dessins

Claims (4)

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1. Oscillateur ultrasonique, caractérisé par le fait qu'il comprend un détecteur de phase (3) destiné à détecter une différence de phase entre une tension de charge et des valeurs variables indiquant un état fonctionnel de charge comportant une caractéristique de résonance, et un oscillateur de commande de tension(15) destiné à commander une fréquence oscillante par un courant continu correspondant à ladite différence de phase.

2. Oscillateur ultrasonique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens permettant de comparer une valeur de référence avec une grandeur desdites valeurs indiquant ledit état fonctionnel de charge pour obtenir un signal de la différence régnant entre elles, et un amplificateur à amplification variable (17) agencé de façon à amplifier la sortie dudit oscillateur de commande de la tension (15), grâce à quoi ledit signal de différence est utilisé comme signal de commande de l'amplificateur à amplification variable (17).

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REVENDICATIONS

3. Oscillateur ultrasonique suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit amplificateur à amplification variable (17) utilise un transistor à effet de champ à caractéristique de résistance variable due à ladite amplification variable.

4. Machine-outil ultrasonique utilisant l'oscillateur ultrasonique suivant la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend un vibreur (27) monté dans un boîtier (20), une pluralité de passages d'air (22a, 22b; 23a, 23b) ménagés dans ledit boîtier (20), un moteur de petite dimension (24) disposé au-dessus dudit vibreur dans le boîtier et un ventilateur (26) porté par l'arbre rotatif (25) dudit moteur (24).