CN103597327A - 用于计算超声焊头的振动幅度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定由转换器激励的超声焊头的振动幅度的方法，其中转换器连接到电流发生器并且电流发生器所提供并流经转换器的电流I_E(t)被测量。根据本发明，为了提供用于确定由转换器激励的超声焊头的振动幅度的方法，测量由电流发生器施加于转换器的电压U_E(t)，以及从所测量的电压U_E(t)和所测量的电流I_E(t)计算超声焊头的振动幅度或者包括电流发生器和转换器的电振动系统的与超声焊头的振动幅度相关的场大小。

Description

用于计算超声焊头的振动幅度的方法

本发明涉及一种用于确定由转换器激励的超声焊头的振动幅度的方法。

在超声焊接或超声切割中，配备有焊接或切割表面的超声焊头通常受到超声振动的影响，并且为了焊接或切割操作而向对应工具移动，从而在超声焊头与对应工具之间引导要焊接或切割的材料。

为了使超声焊头振动，其任选地借助于振幅变换器与转换器连接。该转换器将施加于其的交流电压转换成机械振动。可能接在中间的振幅变换器改变振幅，但不改变振动的频率。电流发生器（亦称发生器）连接到转换器并且生成交流电压。为了将可观的能量从超声焊头传送给要处理的工件，需要用与焊接操作相关的固有频率来激励包含转换器、超声焊头和任选的振幅变换器的超声振动单元，以使得在超声振动单元内形成超声驻波。因此，使发生器适应于超声振动系统，以使得其提供所期望的固有频率的交流电压。

通常，所使用的发生器是频率可在窄频带内（例如，19.7kHz至20.3kHz）调整的发生器。

为了调整发生器，于是用不同频率的电压相继地作用于要激励的超声振动单元，并且测量超声焊头的相应振动幅度。致使超声焊头的标称振动幅度的激励频率是工作频率。

为了测量超声焊头的振动幅度，与超声焊头的机械振幅成比例的电信号常常通过测量流入到包括转换器和线圈L_K的并联电路中的电流来推导。

图1中示出了等效电路图。由发生器生成的电压U_E(t)被施加到转换器的输入端处。电压的大小取决于电流发生器（例如其内阻）以及转换器的欧姆电阻、电容性和电感性电阻。

从图1中将得知，转换器包括下列各项的串联电路：电感为L_M的线圈、电容为C_M的电容器、以及欧姆电阻R_M，其中转换器电容C_K与其并联。

其结果是：流入到转换器中的电流I_E(t)被分成生成实际振动的电流I_AM(t)、以及进入转换器电容的电流I_CK(t)。转换器电容C_K依赖于转换器的结构。其可以通过测量来确定。这例如可以通过记录和评估阻抗曲线来实施。

通常，线圈L_K与转换器并联，线圈的大小被确定为使得在所期望的工作频率（例如20KHz）下提供具有转换器电容C_K的谐振电路，该谐振电路补偿电容器C_K的无功电流I_CK(t)。通过该措施，谐振电路充当阻塞电路，因此使得没有电流流经阻塞电路，并且来自发生器的电流I_AE(t)等于经过线圈L_M的电流I_AM(t)。因此，直接测量振幅电流I_AE是可能的，其中在正弦激励的情况下针对固定频率的振幅电流I_AE(t)与超声焊头振动的速度成比例。

因此在谐振情况下，电流I_AE(t)与流入到转换器的电流I_E(t)之差为借助于线圈L_K提供的补偿电流I_CK(t)。

公知的规程所基于的假设是：电流I_E(t)以及电压U_E(t)是正弦形的或者至少部分由基波占优。然而，这仅仅适用于一些操作条件。通常，电流I_E(t)非线性畸变。这尤其是因为超声焊头在操作期间与要处理的材料接触并且这使振动幅度畸变。另外，在接触的时刻，振动配置的固有频率被改变，这同样导致振动幅度的畸变。

因此，在图1所示的情况下，参数I_AE(t)仅仅大致与电流I_AM(t)一致。基本上，仅对简单的正弦振动才出现一致性。一旦出现谐波或畸变，就会造成偏差。其结果是，尤其是在高频电流I_E(t)中的高次谐波分量的情况下，流入到补偿电路中的电流I_AE(t)不再一定与实际振幅电流I_AM(t)成比例。

作为λ/2导体的超声焊头以及振幅变换部分将非正弦移动变换成同样为转换器中的陶瓷叠层的非正弦的运动，该运动进而被再现为电系统中的相应电流信号。

同正弦波形的偏差不导致关于实际焊接操作本身的任何问题。然而，该偏差歪曲了机械振动幅度的测量。

这些非线性偏差不能由公知的测量方法来描绘。结果，这可能涉及超声振动系统处的显著提高的振动幅度。这可能导致超声振动系统（转换器、任选地为振幅变换部分和超声焊头）损坏甚至损毁。

因此，本发明的任务是提供一种用于确定由转换器激励的超声焊头的振动幅度的方法，该方法尽可能地防止了上述缺点。

根据本发明，该任务通过如下方式来解决：测量由电流发生器施加于转换器的电压U_E(t)、以及由电流发生器提供并流经转换器的电流I_E(t)；以及从其中计算超声焊头的振动幅度或者包括电流发生器和转换器的电振动系统的与振动幅度相关的场大小。

由于振动幅度是从所测量的电流和所测量的电压中计算出的，因此可以消除线圈的并联电路。这不仅导致发生器的简化，而且还使得发生器能够被用于可用不同固有频率来激励的不同超声振动系统。在公知发生器的情况下，仅能对激励频率进行非常有限的调整，这是因为激励频率必须总是大致等于由并联的线圈和转换器电容形成的振荡电路的谐振频率。该限制在根据本发明的方法的情况下取消了，这是因为现在计算超声焊头的振动幅度。最好计算场大小，该场大小与超声焊头的振动幅度成比例。

在优选的实施例中，从所测量的电压U_E(t)中计算经过电容器的电容C_K的电流I_CK(t)，其中电流I_AM(t)的振幅被计算为：

I_AM(t)=I_E(t)-I_CK(t)。从其中计算超声焊头的振动幅度或与振动幅度相关的场大小。

在另一优选实施例中，通过如下方式来计算电流I_CK(t)：首先将所测量的电压U_E(t)对时间求微分，然后将其结果与转换器的电容C_K相乘：

$I_{\mathrm{CK}}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{dU}}_E\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\·C_K$

与超声焊头振动的速度成比例的振幅电流I_AM(t)因此可以通过将所测量的高频电流I_E(t)简单地减去所计算出的电容器电流I_CK(t)来确定。

为了计算所期望的振幅，现在可以在时间上将振幅电流I_AM(t)进行积分。针对正弦输入信号的特定情况，该积分被减少为除以角频率ω。取而代之的是，针对非正弦信号，可以执行积分。积分的结果然后乘以要确定的比例常数C以便计算振动幅度。确定比例常数的操作可以例如通过一次性测量振动幅度并与所计算的值相比较来确定。在一次性确定C以后，然后可以在任何时间通过所述方法单单从两个所测量的电参数中计算出超声振动系统的瞬时振动幅度。借助于该方法，还可以考虑到超声焊头和/振幅变换器的振幅变换属性。

另外的优点、特征和可能的使用将从下面对优选实施例的描述中变得显而易见。

在优选实施例中，超声焊头通过振幅变换器连接到转换器，该转换器的压电元件把由电流发生器提供的交流电压转换成机械振动。数字超声发生器被用作电流发生器。转换器电压U_E(t)和电流I_E(t)二者都是例如借助于模数转换器被连续地、但以时间离散的方式（即，以短间隔）检测的。

通过这种方式测量的电压对时间求微分。电压时间函数的导数的计算还考虑到如下事实：除了基本振动以外，在所测量的电流信号I_E(t)或电压信号U_E(t)中还存在谐波。振幅电流I_AM(t)因此是对其所有频谱分量检测的。

此外，为此目的，可以消除图1中所示的补偿电感L_K，因为不再需要该电感来形成具有转换器电容C_K的阻塞电路。这显著地简化了发生器的结构。此外，在消除补偿电感以后，I_AE(t)=I_E(t)，因为发生器所递送的电流完全流入到转换器中，并且补偿电感不再提供任何附加的电流。

经求导的电压

然后乘以转换器的所测量的电容C_K，从中通过转换器的电容获得电流I_CK(t)。

然后，得出振幅电流I_AM(t)为I_AM(t)=I_E(t)-I_CK(t)。然后，在时间上对振幅电流I_AM(t)进行积分以获得与超声焊头振动的幅度成比例的信号。

与之前所采用的方法不同，在改变操作频率的情况下，对转换器或发生器的改变不再是必需的。因为电容器电流是通过对转换器电压求导并随后用合适的加权因子加权而获得的，因此可以通过修改电容C_K的数值来容易地实现该适应。因此，例如还可以考虑到关于馈线电缆的较大线路长度的影响，其中I_CK(t)的计算是基于相应更大的总电容C_K的。

因此，例如可以想到，超声系统允许输入线路长度，由此电容C_K的数值然后被合适地自动适应，以使得即使在线路长度改变的情况下，仍然可以产生与超声焊头的振动幅度成比例的信号。

Claims (10)

1.一种用于确定由转换器激励的超声焊头的振动幅度的方法，其中所述转换器连接到电流发生器，并且测量由所述电流发生器提供并流经所述转换器的电流I_E(t)，其特征在于，测量由所述电流发生器施加于所述转换器的电压U_E(t)，以及从所测量的电压U_E(t)以及从所测量的电流I_E(t)计算所述超声焊头的振动幅度、或者包括所述电流发生器和所述转换器的电振动系统的与所述超声焊头的振动幅度相关的场大小。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过电容器的电容C_K来计算电流I_CK(t)，其中将振幅电流I_AM(t)计算为I_AM(t)=I_E(t)-I_CK(t)并且从所述振幅电流I_AM(t)计算所述超声焊头的振动幅度或者与所述振动幅度相关的场大小。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所测量的电压U_E(t)对时间求微分

，并且从所述微分

计算所述超声焊头的振动幅度以及与所述振动幅度相关的场大小。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将

乘以所述转换器的电容C_K以计算经过所述转换器的电容的电流I_CK(t)，其中从所述电流I_CK(t)计算所述超声焊头的振动幅度或者与所述振动幅度相关的场大小。

5.如权利要求2至4之一所述的方法，其特征在于，确定所述超声焊头的振动幅度的操作是通过在时间上对所述振幅电流I_AM(t)进行积分来实施的。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述振动幅度是通过在时间上对所述振幅电流I_AM(t)进行积分并且将积分的结果乘以比例常数C来实施的。

7.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在振幅计算中通过校正因子来考虑到所述超声焊头和/或所述振幅变换器的振幅变换属性，其中优选地计算与所述振动幅度成比例的信号并将其乘以要确定的比例常数。

8.如权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，所述计算是以数值方式执行的。

9.如权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，所述发生器借助于长度为L的电缆连接到所述转换器，并且针对所述计算，用电缆校正C_电缆来校正所述转换器的电容C_K，其中C_电缆的值取决于长度L。

10.如权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，执行下列步骤：

i）测量所述转换器的电容C_K；

ii）测量流经所述转换器的电流I_E(t)；

iii）测量施加于所述转换器的电压U_E(t)；

iv）借助于等式

来计算经过所述转换器的电容的电流I_CK；

v）借助于等式I_AM(t)=I_E(t)-I_CK(t)来计算所述电流；

Vi）按照A₀=∫I_AM(t)dt来计算与所述超声焊头的振动幅度成比例的信号A₀；以及

vii）通过等式A_Son=C·A₀来计算所述超声焊头的振动幅度A_Son，其中C是要选择的比例常数。