CN105563808B - 超声波焊接机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供超声波焊接机控制系统，该系统包括信号采集电路，用于采集换能器的物理信号；控制电路，接收信号采集电路输出的物理信号，控制电路对物理信号进行分析处理；驱动电路，接收控制电路输出的指令信号；开关电源电路，驱动电路根据指令信号驱动开关电源电路；谐振匹配电路，接收开关电源电路输出的高频电压信号和控制电路输出的控制信号，谐振匹配电路根据控制信号对高频电压信号进行匹配处理；换能器接收谐振匹配电路输出的匹配信号，换能器用于将匹配信号转换为机械能。本发明的超声波焊接机控制系统实现了在多种频率下换能器的使用，降低了厂家的成本，能够提高测控的灵敏度。

Description

超声波焊接机控制系统

技术领域

本发明涉及智能化测控领域，尤其是涉及一种多频率超声波焊接机的控制系统。

背景技术

超声波塑焊是利用超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，这种高频振动，通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，因此会产生局部高温，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，便会融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。超声波焊接因其快捷、环保、清洁等优势已被很多行业广泛使用。

超声波设备电源，不同于其他类型的交流电源，其输出的正弦波电压频率必须和换能器模具自身的谐振频率完全同步，否则会使换能器设备及超声波电源自身损坏。又由于换能器模具在受到外界的压力时频率也会随压力大小随之改变，这就迫切要求测控系统有更加敏感的测控装置。

现有技术一般采用自激震荡放大式工作电路，但是放大式电路的缺点是工作效率低，放大管发热严重，自激震荡电路的频率不能外控，难以实现频率自动跟踪，也经常出现停震等现象（即所谓的死波现象）。

市场上也有一些应用锁相环技术解决了频率跟踪问题，但是这些技术都仅仅是解决了某种设备的单一问题，其实还有很多问题需要解决，只是这些问题没有被重视而已，比如换能器模具空载识别、模具压力大小检测、换能器和模具机械的频率匹配问题等等，而这些数据的识别和测控，往往和设备节能和系统是否稳定有关，其实小问题也大有文章。更为值得关注的是市场上的超声波设备不能实现一机多用，比如用户需要更换多种频率超声波换能器时，为此用户不得不买齐所需产品规格种类，在增加购买费用的同时也给生产维护带来额外的开销。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种多频率的超声波焊接机控制系统。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的超声波焊接机控制系统包括信号采集电路，用于采集换能器的物理信号；控制电路，接收信号采集电路输出的物理信号，控制电路对物理信号进行分析处理；驱动电路，接收控制电路输出的指令信号；开关电源电路，驱动电路根据指令信号驱动开关电源电路；谐振匹配电路，接收开关电源电路输出的高频电压信号和控制电路输出的控制信号，谐振匹配电路根据控制信号对高频电压信号进行匹配处理；换能器接收谐振匹配电路输出的匹配信号，换能器用于将所述匹配信号转换为机械能。

由上述方案可见，本发明的超声波焊接机控制系统能够将不同频率的换能器模具在单片机的测控下，通过切换谐振电容的通断开关，完成谐振回路的匹配，让每一种频率的换能器模具都能在完全谐振的情况下正常工作，做到一机多用，为用户节省投入成本。

一个优选的方案是，物理信号包括电流信号、电压信号和/或相位信号。

由上可知，信号采集电路包括负载的电压信号和负载的电流信号，其中电流信号是通过电流环采集负载的电流；电压信号是通过电阻分压或者电容分压的方式获取的负载的电压信号。

一个优选的方案是，控制系统还包括显示电路，显示电路显示换能器的信息。

由上可知，本发明的超声波焊接机控制系统的显示电路，能够动态显示换能器在线焊接的频率、显示和运行焊接时间、压力时间、模具风冷时间，还可以显示焊接产品的数量、超声波振幅大小以及状态告警等内容。

一个优选的方案是，控制电路包括PWM发生器， PWM发生器向驱动电路输出第一PWM信号以及第二PWM信号。

一个优选的方案是，驱动电路包括第一变压器以及第二变压器，PWM发生器输出第一PWM信号至第一变压器，PWM发生器输出第二PWM信号至第二变压器；第一变压器输出第一方波信号，第二变压器输出第二方波信号，第一方波信号的幅度与第二方波信号的幅度相同，第一方波信号的相位与第二方波信号的相位相反。

由上可知，控制电路的PWM发生器及附属电路输出两路PWM信号，这两路信号分别送到第一驱动变压器和第二驱动变压器的原边，由第一驱动变压器和第二驱动变压器的副边输出两路大小相等、相位相反的方波信号，这两路信号分别驱动功率半桥开关电源电路的上臂场效应管和下臂场效应管。

一个优选的方案是，开关电源电路包括第三变压器、第一电容、第二电容、第三电容、第一场效应管和第二场效应管，第一场效应管的源极和第二场效应管的漏极连接，第一电容的第一端与第一场效应管的源极连接，第一电容的第二端与第三变压器的原边连接，第二电容的第一端与第三电容的第一端连接，第一场效应管的漏极和第二电容的第二端分别接电源端，第二电容的第一端接第三变压器的副边，第二场效应管的源极和第三电容的第二端接地。

由上可知，由场效应管组成的开关管能够组成半桥电路或者全桥电路，连接的电源端为整流高压308V。

一个优选的方案是，谐振匹配电路包括谐振电感和多个电容组，谐振电感的第一端与第三变压器的副边连接，多个电容组之间并联连接，电容组中包括至少一个电容和电容串联连接的开关，电容组的第一端与谐振电感的第二端连接，电容组的第二端接第三变压器的副边。

由上可知，谐振匹配电路的电容组通过开关的接地和断开可以形成不同的容量回路组合，它能够匹配不同频率的换能器模具，其中开关的通断受控于控制电路。

附图说明

图1是本发明超声波焊接机控制系统实施例的系统框图。

图2是本发明超声波焊接机控制系统实施例中驱动电路的电路图。

图3是本发明超声波焊接机控制系统实施例中开关电源电路的电路图。

图4是本发明超声波焊接机控制系统实施例中谐振匹配电路的电路图。

图5是应用本发明超声波焊接机控制系统实施例的方法流程图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，图1为本发明超声波焊接机控制系统实施例的系统框图，本发明的超声波焊接机控制系统包括信号采集电路1、控制电路2、驱动电路3、开关电源电路4、谐振匹配电路5、换能器6以及显示电路7，其中控制电路包括PWM发生器21。信号采集电路1用于采集换能器6的物理信号；控制电路2接收信号采集电路1输出的物理信号，控制电路2对物理信号进行分析处理；驱动电路3接收控制电路输出的指令信号，驱动电路3根据指令信号驱动开关电源电路4；开关电源电路4输出高频电压信号；谐振匹配电路5接收开关电源电路4输出的高频电压信号和控制电路2输出的控制信号，谐振匹配电路5根据控制信号对高频电压信号进行匹配处理；换能器6接收谐振匹配电路5输出的匹配信号，换能器6用于将匹配信号转换为机械能。

信号采集电路1，信号采集电路1采集负载的物理信号，其中物理信号包括电流信号、电压信号和/或相位信号，信号采集电路1通过电流环采集负载的电流信号，通过电阻分压或者电容分压的方式采集获取负载的电压信号。

控制电路2，对信号采集电路1采集的电流信号以及电压信号进行分析和处理，分析的数据包括换能器6的输入电压、换能器6的输出电流、负载的振幅波动大小、负载的电流相位、负载的电压相位以及负载是否在空载等；控制电路2由微处理器以及附属电路组成，控制电路2包括PWM发生器，PWM发生器及附属电路输出两路PWM信号至驱动电路3。

驱动电路3，驱动电路3由第一变压器B1和第二变压器B2组成，下面结合图2对本发明超声波焊接机控制系统实施例中驱动电路3进行说明，控制电路2的PWM发生器21及附属电路输出两路PWM信号，PWM发生器21输出第一PWM信号至第一变压器B1，PWM发生器21输出第二PWM信号至第二变压器B2；第一变压器B1输出第一方波信号，第二变压器B2输出第二方波信号，第一方波信号的幅度与第二方波信号的幅度相同，第一方波信号的相位与第二方波信号的相位相反，第一方波信号驱动功率半桥开关电源电路4的第一场效应管N1，第二方波信号驱动功率半桥开关电源电路4的第二场效应管N2。

开关电源电路4，包括第三变压器B、第一电容C5、第二电容C6、第三电容C7、第一场效应管N1和第二场效应管N2，下面结合图3对本发明超声波焊接机控制系统实施例中开关电源电路4进行说明，图3所示的第一场效应管N1的源极和第二场效应管N2的漏极连接，第一电容C5的第一端与第一场效应管N1的源极连接，第一电容C5的第二端与第三变压器B的原边连接，第二电容C6的第一端与第三电容C7的第一端连接，第一场效应管N1的漏极和第二电容C6的第二端接电源端，第二电容C6的第一端接第三变压器B的副边，第二场效应管N2和第三电容C7的第二端接地。开关电源电路4是能量产生单元，能量通过高频隔离的第三变压器B的副边输出，高频隔离的第三变压器B的副边一端接地，另一端输出高频方波电压，此电压通过谐振电感L1到达谐振匹配电路5。

谐振匹配电路5，谐振匹配电路5包括谐振电感L1和多个电容组，下面结合图4对本发明超声波焊接机控制系统实施例中谐振匹配电路5进行说明，图4所示的谐振匹配电路中设置有四组电容组，谐振电感L1的第一端与第三变压器B的副边连接，多个电容组之间并联连接，每个电容组中包括至少一个电容和电容串联连接的开关，电容组的第一端与谐振电感L1的第二端连接，电容组的第二端接第三变压器B的副边。多个电容之间并联或者串联连接分别组成第一等效电容C11、第二等效电容C12、第三等效电容C13以及第四等效电容C14，第一等效电容C11与第一开关K1串联，第二等效电容C12与第二开关K2串联，第三等效电容C13与第三开关K3串联以及第四等效电容C14与第四开关K4串联。在第一组电容组中，第一等效电容C11的第一端与第一开关K1的第一端连接，第一等效电容C11的第二端与谐振电感L1的第二端连接，第一开关K1的第二端接第三变压器B的副边。剩下三组电容组中的等效电容与开关的连接方式、等效电容与谐振电感L1的连接方式以及开关与第三变压器B的连接方式，均与上述的第一电容组中的连接方式相同。其中四组谐振电容组都有与之相对应的频率，根据谐振公式为：

;

计算可得,式中由于L代表谐振电感, L为一定值，每改变一次谐振电容的C值，与之相对应的得到一个谐振频率为f的值，任何一款频率为f的换能器6都能找到与之匹配的谐振电容C。

换能器6，一般超声波换能器有15KHz、20KHz、30KHz、35KHz、40KHz等，这些不同频率的换能器6模具在单片机的测控下，通过切换谐振匹配电路的等效电容C的通断的开关K，完成谐振回路的匹配，让每一种频率的换能器6模具都能在完全谐振的情况下正常工作。

显示电路7，能够动态显示换能器6在线焊接的频率、显示和运行焊接时间、压力时间、模具风冷时间，还可以显示焊接产品的数量、超声波振幅大小以及状态告警等内容。

下面结合图5对本发明的超声波焊接机控制系统的方法流程图进行说明，首先执行步骤S1，信号采集电路1采集换能器6的物理信号，物理信号包括电压信号、电流信号和/或相位信号，然后执行步骤S2，信号采集电路1将电压信号和电流信号发送至控制电路2，接下来执行步骤S3，根据换能器6的电压信号和电流信号判断负载是否有换能器6存在，是则执行步骤S5，继续检测换能器6的电压、电流大小以及相位数据，并将这些数据发送至控制电路2，否则执行步骤S4，超声波焊接机控制系统执行关机命令。执行完步骤S5后执行步骤S6，控制电路2选择谐振匹配电路4的相应的谐振匹配网络与换能器6相匹配，进而锁定匹配的谐振网络，最后执行步骤S7，控制电路2通过调整电流和电压的相位关系，实时的通过数字电路和单片机的配合实现频率自动跟踪。

Claims (5)

1.超声波焊接机控制系统，其特征在于，包括：

信号采集电路，用于采集换能器的物理信号；

控制电路，接收所述信号采集电路输出的所述物理信号，所述控制电路对所述物理信号进行分析处理；

驱动电路，接收所述控制电路输出的指令信号；

开关电源电路, 所述驱动电路根据所述指令信号驱动所述开关电源电路；

谐振匹配电路，接收所述开关电源电路输出的高频电压信号和所述控制电路输出的控制信号，所述谐振匹配电路根据所述控制信号对所述高频电压信号进行匹配处理；

所述换能器接收所述谐振匹配电路输出的匹配信号，所述换能器用于将所述匹配信号转换为机械能；

所述开关电源电路包括第三变压器、第一电容、第二电容、第三电容、第一场效应管和第二场效应管，所述第一场效应管的源极和所述第二场效应管的漏极连接，所述第一电容的第一端与所述第一场效应管的源极连接，所述第一电容的第二端与所述第三变压器的原边连接，所述第二电容的第一端与所述第三电容的第一端连接，所述第一场效应管的漏极和所述第二电容的第二端分别接电源端，所述第二电容的第一端与所述第三变压器的副边连接，所述第二场效应管的源极和所述第三电容的第二端接地；

所述谐振匹配电路包括谐振电感和多个电容组，所述谐振电感的第一端与所述第三变压器的副边连接，多个所述电容组之间并联连接，所述电容组中包括至少一个电容和所述电容串联连接的开关，所述电容组的第一端与所述谐振电感的第二端连接，所述电容组的第二端接所述第三变压器的副边。

2.根据权利要求1所述的超声波焊接机控制系统，其特征在于：

所述物理信号包括电流信号、电压信号和/或相位信号。

3.根据权利要求1所述的超声波焊接机控制系统，其特征在于：

所述控制系统还包括显示电路，所述显示电路显示所述换能器的信息。

4.根据权利要求1所述的超声波焊接机控制系统，其特征在于：

所述控制电路包括PWM发生器，所述PWM发生器向驱动电路输出第一PWM信号以及第二PWM信号。

5.根据权利要求4所述的超声波焊接机控制系统，其特征在于：

所述驱动电路包括第一变压器以及第二变压器，所述PWM发生器输出所述第一PWM信号至所述第一变压器，所述PWM发生器输出所述第二PWM信号至所述第二变压器；

所述第一变压器输出第一方波信号，所述第二变压器输出第二方波信号，所述第一方波信号的幅度与所述第二方波信号的幅度相同，所述第一方波信号的相位与所述第二方波信号的相位相反。