CN110212878A - 一种基于有源电感的超声波焊接系统及焊接电源匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于有源电感的超声波焊接系统及焊接电源匹配方法。焊接系统包括：超声波发生器、有源电感、换能器和焊接工具头，所述换能器和所述有源电感并联连接，且所述换能器和所述有源电感均与所述超声波发生器连接，所述换能器与所述焊接工具头连接。本发明采用有源电感，与换能器组成阻抗匹配电路，通过改变有源电感中的电阻值或电容值，改变换能器的阻抗状态，使得换能器在超声波发生器的激励下工作在谐振状态。
Description
技术领域
本发明涉及换能器的谐振匹配领域，特别是涉及一种基于有源电感的超声波焊接系统及焊接电源匹配方法。
背景技术
换能器的谐振匹配是超声波系统的必要前提，由于换能器是一种能够等效为R、L、C组合的非线性元件，其谐振匹配状态受到本身换能器加工工艺、外部匹配网络以及工作过程中温度等多因素的影响，因此，现有的换能器在超声波发生器的激励下不能工作在谐振状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有源电感的超声波焊接系统及焊接电源匹配方法，能够使得换能器在超声波发生器的激励下工作在谐振状态。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于有源电感的超声波焊接系统，包括：超声波发生器、有源电感、换能器和焊接工具头，所述换能器和所述有源电感并联连接，且所述换能器和所述有源电感均与所述超声波发生器连接，所述换能器与所述焊接工具头连接。
可选的，所述有源电感包括阻抗和运算放大器，所述阻抗包括第一阻抗、第二阻抗、第三阻抗、第四阻抗和第五阻抗，所述运算放大器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一阻抗的第二端与所述第二阻抗的第一端连接，所述第二阻抗的第二端与所述第三阻抗的第一端连接，所述第三阻抗的第二端与所述第四阻抗的第一端连接，所述第四阻抗的第二端与所述第五阻抗的第一端连接，所述第五阻抗的第二端接地；所述第一阻抗的第一端和所述第五阻抗的第二端分别与所述换能器的两端连接；所述第一运算放大器的反向端与所述第一阻抗的第一端连接，所述第一运算放大器的同相端分别与所述第二阻抗的第二端和所述第三阻抗的第一端连接，所述第一运算放大器的输出端分别与所述第三阻抗的第二端和所述第四阻抗的第一端连接；所述第二运算放大器的反向端分别与所述第二阻抗的第二端和所述第三阻抗的第一端连接，所述第二运算放大器的同相端分别与所述第四阻抗的第二端和所述第五阻抗的第一端连接，所述第二运算放大器的输出端分别与所述第一阻抗的第二端和所述第二阻抗的第一端连接。
可选的，所述阻抗包括电容或电阻的至少一种。
可选的，所述超声波发生器为输出频率在15kHz-40kHz内可调的交流电信号的发生器。
一种基于有源电感的超声波焊接系统的焊接电源匹配方法，其特征在于，包括：
获取换能器的谐振频率；
通过所述谐振频率计算等效电感值；
根据所述等效电感值选定有源电感的阻抗值；
根据所述有源电感的阻抗值设计有源电感电路。
可选的，所述测量换能器的谐振频率，具体包括：
通过阻抗分析仪测量换能器的谐振频率。
可选的，所述通过所述谐振频率计算等效电感值，具体包括：
通过所述谐振频率采用公式计算等效电感值；
其中，fs为谐振频率，Cs为静态电容，LE为等效电感值。
可选的，所述根据所述等效电感值选定有源电感的阻抗值，具体包括：
根据所述等效电感值采用公式LE＝Z1Z2Z3Z5/Z4，选定有源电感的阻抗值；
其中，LE为等效电感值，Z1、Z2、Z3、Z4和Z5分别为有源电感的阻抗值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
由于铁芯和线圈组成的无源电感，通常体积上较为庞大，同时其电感值不便于精确控制，用无源电感作为换能器及工具头系统的匹配电路，往往还需要串联或者并联增加多个电容，才能使匹配系统达到较好的匹配效果，因此，不利于集成。而本发明中有源电感主要由电容、电阻和运算放大器组成，电容和电阻的可选参数非常多，很容易得到需要达到的等效电感值，从而与换能器及工具头系统进行匹配，因此能够使得换能器在超声波发生器的激励下工作在谐振状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于有源电感的超声波焊接系统组成结构图；
图2为本发明基于有源电感的超声波焊接系统的焊接电源匹配方法流程图；
图3为本发明有源电感电路图；
图4为换能器及焊接工具头的等效电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于有源电感的超声波焊接系统及焊接电源匹配方法，能够使得换能器在超声波发生器的激励下工作在谐振状态。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
图1为本发明基于有源电感的超声波焊接系统组成结构图。如图1所示，一种基于有源电感的超声波焊接系统，包括：超声波发生器、有源电感、换能器和焊接工具头，所述换能器和所述有源电感并联连接，且所述换能器和所述有源电感均与所述超声波发生器连接，所述换能器与所述焊接工具头连接。超声波发生器是产生输出频率为15-40kHz方波交流电信号装置；有源电感是与换能器形成谐振匹配的阻抗元件；换能器是将超声波发生器的电能转换成机械振动能的装置；焊接工具头是与换能器机械联接，并利用换能器转换的机械能实施焊接的装置。
图3为本发明有源电感电路图，如图3所示，所述有源电感包括阻抗和运算放大器，所述阻抗包括第一阻抗、第二阻抗、第三阻抗、第四阻抗和第五阻抗，所述运算放大器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一阻抗的第二端与所述第二阻抗的第一端连接，所述第二阻抗的第二端与所述第三阻抗的第一端连接，所述第三阻抗的第二端与所述第四阻抗的第一端连接，所述第四阻抗的第二端与所述第五阻抗的第一端连接，所述第五阻抗的第二端接地；所述第一阻抗的第一端和所述第五阻抗的第二端分别与所述换能器的两端连接；所述第一运算放大器的反向端与所述第一阻抗的第一端连接，所述第一运算放大器的同相端分别与所述第二阻抗的第二端和所述第三阻抗的第一端连接，所述第一运算放大器的输出端分别与所述第三阻抗的第二端和所述第四阻抗的第一端连接；所述第二运算放大器的反向端分别与所述第二阻抗的第二端和所述第三阻抗的第一端连接，所述第二运算放大器的同相端分别与所述第四阻抗的第二端和所述第五阻抗的第一端连接，所述第二运算放大器的输出端分别与所述第一阻抗的第二端和所述第二阻抗的第一端连接。
所述阻抗包括电容或电阻的至少一种。假定5个阻抗元件的阻抗为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5，根据运算放大器的虚短特性和电路原理，可得如下各式：
U1＝U3＝U5 (1)
由(1)～(4)式可计算得出等效阻抗
在具体实施时，选Z2或Z4其中一个元件取电容Z2＝C2、Z4＝R4，其他Z1＝R1、Z3＝R3、Z5＝R5分别取电阻元件时，该电路等效为一个纯电感电路，其等效电感为：
Z＝jωR1R3R5C2/R4 (6)
那么等效电感为：LE＝R1R3R5C2/R4 (7)
本发明不限于上述方案中Z2取电容C2，Z4取电阻R4作为阻抗元件，也可Z2取电阻R2，Z4取电容C4作为阻抗元件，还可采用里奥登电感电路、以及其他多种类型的无损耗有源模拟电感电路，达到匹配目的，其参数的计算方法因电路不同而异。
对于图3具体的电路而言，图3中由5个阻抗元件(电阻或电容)Z1、Z2、Z3、Z4、Z5以及两个预算放大器A1、A2构成，对于Z1～Z5具体是取电阻还是电容，根据实际需要和计算得到。该电路的具体连接是Z1、Z2、Z3、Z4和Z5依次串联，其串联的节点是2、3、4、5四个节点。运算放大器A1的反相端与Z1的节点1相连接，运算放大器A1的同相端连接到节点3，运算放大器A1的输出端连接到节点4。运算放大器A2的反相端连接到节点3，运算放大器A2的同相端连接到节点5，运算放大器A2的输出端连接到节点2。Z5的另一端节点0与地线相连接。该电路即为图1中的有源电感的电路。1节点与图1的A点连接，0节点与图1的B点连接。
所述超声波发生器为输出频率在15kHz-40kHz内可调的交流电信号的一种发生器。所述换能器可采用通过PV70阻抗分析仪测得的换谐振频率fs等于19886.6Hz的换能器，也可采用其他频率值的换能器。
由于铁芯和线圈组成的无源电感，通常体积上较为庞大，同时其电感值不便于精确控制，用无源电感作为换能器及工具头系统的匹配电路，往往还需要串联或者并联增加多个电容，才能使匹配系统达到较好的匹配效果，因此，不利于集成。本发明采用一种由电容电阻以及预算放大器组成有源电感代替由铁芯和线圈组成的无源电感，与换能器组成阻抗匹配电路，因为有源电感主要由电容、电阻和运算放大器组成，电容和电阻的可选参数非常多，很容易得到需要达到的等效电感值，从而与换能器及工具头系统进行匹配，因此能够使得换能器在超声波发生器的激励下工作在谐振状态。
实施例2：
图2为本发明基于有源电感的超声波焊接系统的焊接电源匹配方法流程图。如图2所示，一种基于有源电感的超声波焊接系统的焊接电源匹配方法，包括：
步骤201：获取换能器的谐振频率，具体包括：
通过阻抗分析仪测量换能器的谐振频率。
步骤202：通过所述谐振频率计算等效电感值，具体包括：
通过所述谐振频率采用公式计算等效电感值；
其中，fs为谐振频率，Cs为静态电容，LE为等效电感值。
步骤203：根据所述等效电感值选定有源电感的阻抗值，具体包括：
根据所述等效电感值采用公式LE＝Z1Z2Z3Z5/Z4，选定有源电感的阻抗值；
其中，LE为等效电感值，Z1、Z2、Z3、Z4和Z5分别为有源电感的阻抗值。
步骤204：根据所述有源电感的阻抗值设计有源电感电路。
图4为换能器及焊接工具头的等效电路图。如图4所示，换能器及焊接工具头在电气上可等效为电感LD、电阻RD和电容CD串联组成的动态阻抗支路和由静态电容CS构成的静态阻抗支路，采用阻抗分析仪PV70可测得换能器及焊接工具头整体部件的串联谐振频率的具体频率值。要使超声波焊接系统工作在最佳的工作状态，则必须使换能器及焊接工具头整体等效电路工作在串联谐振状态。即只要通过有源电感的匹配使得LE与CS构成的并联支路的工作频率为fs。
根据电路原理，R、L、C并联时的谐振频率为:
可通过式(8)计算出等效电感值LE的值为：
由式(9)计算出LE的值之后，很容易通过公式LE＝Z1Z2Z3Z5/Z4计算有源电感的阻抗值。由此完成了超声波焊接系统的匹配设计，只要超声波发生器发出频率值等于fs的方波去激励有源电感与换能器及焊接工具头系统，即可使超声波焊接系统工作在谐振状态。
表1为采用PV70阻抗分析仪测试得到的某个换能器的包括谐振频率等有关主要参数。如表1所示：
表1 有关主要参数
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于有源电感的超声波焊接系统，其特征在于，包括：超声波发生器、有源电感、换能器和焊接工具头，所述换能器和所述有源电感并联连接，且所述换能器和所述有源电感均与所述超声波发生器连接，所述换能器与所述焊接工具头连接。
2.根据权利要求1所述的基于有源电感的超声波焊接系统，其特征在于，所述有源电感包括阻抗和运算放大器，所述阻抗包括第一阻抗、第二阻抗、第三阻抗、第四阻抗和第五阻抗，所述运算放大器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一阻抗的第二端与所述第二阻抗的第一端连接，所述第二阻抗的第二端与所述第三阻抗的第一端连接，所述第三阻抗的第二端与所述第四阻抗的第一端连接，所述第四阻抗的第二端与所述第五阻抗的第一端连接，所述第五阻抗的第二端接地；所述第一阻抗的第一端和所述第五阻抗的第二端分别与所述换能器的两端连接；所述第一运算放大器的反向端与所述第一阻抗的第一端连接，所述第一运算放大器的同相端分别与所述第二阻抗的第二端和所述第三阻抗的第一端连接，所述第一运算放大器的输出端分别与所述第三阻抗的第二端和所述第四阻抗的第一端连接；所述第二运算放大器的反向端分别与所述第二阻抗的第二端和所述第三阻抗的第一端连接，所述第二运算放大器的同相端分别与所述第四阻抗的第二端和所述第五阻抗的第一端连接，所述第二运算放大器的输出端分别与所述第一阻抗的第二端和所述第二阻抗的第一端连接。
3.根据权利要求2所述的基于有源电感的超声波焊接系统，其特征在于，所述阻抗包括电容或电阻的至少一种。
4.根据权利要求1所述的基于有源电感的超声波焊接系统，其特征在于，所述超声波发生器为输出频率在15kHz-40kHz内可调的交流电信号的发生器。
5.一种应用于权利要求1-4任意一项权利要求所述的基于有源电感的超声波焊接系统的焊接电源匹配方法，其特征在于，包括：
获取换能器的谐振频率；
通过所述谐振频率计算等效电感值；
根据所述等效电感值选定有源电感的阻抗值；
根据所述有源电感的阻抗值设计有源电感电路。
6.根据权利要求5所述的基于有源电感的超声波焊接系统的焊接电源匹配方法，其特征在于，所述测量换能器的谐振频率，具体包括：
通过阻抗分析仪测量换能器的谐振频率。
7.根据权利要求5所述的基于有源电感的超声波焊接系统的焊接电源匹配方法，其特征在于，所述通过所述谐振频率计算等效电感值，具体包括：
通过所述谐振频率采用公式计算等效电感值；
其中，fs为谐振频率，Cs为静态电容，LE为等效电感值。
8.根据权利要求5所述的基于有源电感的超声波焊接系统的焊接电源匹配方法，其特征在于，所述根据所述等效电感值选定有源电感的阻抗值，具体包括：
根据所述等效电感值采用公式LE＝Z1Z2Z3Z5/Z4，选定有源电感的阻抗值；
其中，LE为等效电感值，Z1、Z2、Z3、Z4和Z5分别为有源电感的阻抗值。
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