CN112172160A - 一种超声波焊接监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种超声波焊接监测装置，直线运动导轨上安装工具头固定架，工具头固定架下侧安装超声波工具头，超声波工具头连接超声波换能器，超声波换能器连接超声波发生器，超声波发生器连接上位机；直线运动导轨连接驱动电机，驱动电机通过运动控制模块连接上位机；工件装夹及摄像系统的基体顶部设有用于装夹工件的工件夹槽，工件夹槽下侧设有钢化玻璃板，位于钢化玻璃板下方设有光源，基座上位于中心孔内安装高频摄像机，高频摄像机通过图像采集模块连接上位机。本发明用高频摄像机拍摄工件在高频超声作用下焊接工件界面实时的物态图形变化，方便进行调整元件参数，使后续元件封装更好；把工件槽、摄像机与光源设计为一体的结构，元件的封装密封性更强。
Description
技术领域
本发明涉及微纳制造技术领域，特别涉及聚合物封装技术。
背景技术
目前聚合物封接方法主要有胶黏接、溶剂键合、热压封接、激光封接、微波封接和超声波精密封接等。上述方法对于焊接的效果以及焊接的程度不能及时观察，一般需要在焊接结束通过放大镜或者显微镜进行观察焊接的效果。
目前仍未对聚合物超在声波热熔过程中的封接界面的物态变化进行视觉方面的监控，在视觉监控与处理方面还没有有效可行的方式方法，难以建立焊接效果与视觉检测方面的关联，很难实现流程控制方面对界面熔合度的精确控制。
超声波封接技术在界面熔接行为的精确控制方面并无有效技术手段，因此在微器件领域的应用尚难以满足精密封接的精度要求，难以实现高密封性、低形变的界面封接。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声波焊接监测装置，对界面熔合的行为进行观测，用以精确控制超声波封接过程，实现高密封性、低形变的界面封接。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种超声波焊接监测装置，直线运动导轨上安装工具头固定架，工具头固定架下侧安装超声波工具头，超声波工具头连接超声波换能器，超声波换能器连接超声波发生器，超声波发生器连接上位机；直线运动导轨连接驱动电机，驱动电机通过运动控制模块连接上位机；超声波工具头正下方设有工件装夹及摄像系统，工件装夹及摄像系统的基座上部安装设有中心孔的基体，基体顶部设有用于装夹工件的工件夹槽，工件夹槽下侧设有钢化玻璃板，基体的中心孔内侧位于钢化玻璃板下方设有光源，基座上位于中心孔内安装高频摄像机，高频摄像机通过图像采集模块连接上位机，超声波工具头将振动施加至工件，在超声能量的作用下工件实现界面熔合，通过高频摄像头对封接界面物态变化进行实时拍摄，记录整个封接过程中的封接界面物态的动态图像变化。
所述基座下部设有用于安装传感器的传感器槽。
所述超声波换能器通过功率调节器连接超声波发生器。
所述工具头固定架上位于超声波工具头的一侧安装位移传感器，位移传感器通过图像采集模块连接上位机。
所述超声波发生器为工作频率为60kHz变压变频数字化智能超声波发生器。
本发明的超声波焊接监测装置，通过设置工件装夹及摄像系统，对超声波精密封接试验台建立实时观测并记录焊接状态，同步拍摄超声波封接过程中零件界面物态变化，应用于聚合物微器件超声波精密封接方法中的过程控制，以焊接界面的检测到的图形与预设图形误差作为流程控制的反馈参量，提高了界面熔合效果的可控性；用高频摄像机拍摄工件在高频超声作用下焊接工件界面实时的物态图形变化，方便进行调整元件参数，使后续元件封装更好；把工件槽、摄像机与光源设计为一体的结构，并且设计成对称性使受压力均衡，元件的封装密封性更强。
附图说明
图1是本发明超声波焊接监测装置原理图。
图2是本发明超声波焊接监测装置的工件装夹及摄像系统结构图；
图3是本发明超声波焊接原理图；
图4是本发明超声波焊接监测流程图。
图中：1、驱动电机，2、直线运动导轨，3、超声波换能器，4、超声波工具头，5、位移传感器，6、钢化玻璃板，7、工件夹槽，8、光源，9、基座，10、高频摄像机，11、图像采集模块，12、功率调节器，13、超声波发生器，14、运动控制模块，15、上位机，16、中心孔，17、增压机构，18、变幅杆，19、工具头固定架，20、传感器槽。
具体实施方式
本发明将封接界面的图像与预设图像数据误差作为输出对象，在试验台侧面安置了整体的工件装夹及摄像系统，其中高频摄像机10位于工件装夹及摄像系统的基座9上，用于记录超声波封接过程中封接零件的物态图像微变化。
如图1-图3所示，该装置主要由超声模块、实时图像记录模块、高频摄像头、增压机构及上位机15组成。超声模块主要将电能转化为机械能，并通过一定形式将机械能作用到待封接微器件，超声模块由智能超声波发生器13、超声波换能器3及超声波工具头4三部分组成，系统选用了工作频率为60kHz变压变频数字化智能超声波发生器来提供超声波能量，该发生器具有提供恒定振幅的功能，不受负载功率及输入电压的影响。超声波换能器3是关键部件，它把电能转换为超声振动的机械能，其电能来源于超声波发生器13，超声波发生,13功能是把50Hz工频交流电转换为20～60kHz高频交流电；超声波工具头4将超声机械能传递到工件上，且具有对工件施加工作压力的作用。增压机构17的作用是驱动超声波工具头4纵向移动及提供封接预压力，由步进电机1、直线运动导轨2和工具头固定架19组成。在工件装夹及摄像系统的基体顶部夹紧盖位置中心开有工件夹槽11，工件夹槽11下侧放置钢化玻璃板6，可把焊件放在工件夹槽11内，摄像机通过钢化玻璃板6可以拍摄焊接过程，由于设备整体密封无光，在工件夹槽11下方安有光源，在中空圆柱基体的基座9上放置高频摄像机10，在基座9下方设有传感器槽20，可用来检测焊接过程中力的变化情况。在超声焊接试验台的基础上增加一个工件装夹及摄像系统，该系统包含一个摄像机10和一个光源8和一块钢化玻璃6，由于基体完全封闭，故需要光源提供补光作用，此时把工件放在工件夹槽内，并且工件槽下方有高透光度的钢化玻璃，工件落在钢化玻璃上，用高频摄像机拍摄工件在高频超声作用下焊接工件界面实时的物态图形变化，方便进行调整元件参数，使后续元件封装更好。把工件夹槽7、摄像机10与光源8设计为一体的结构，并且设计成对称性使受压力均衡，元件的封装密封性更强。
超声波工具头4将振动施加至微器件上表面，在超声能量的作用下微器件实现界面熔合。通过钢化玻璃板6与高频微距摄像机将封接过程中物态图形放大，高频摄像头10安装于基座9内，对封接界面物态变化进行实时拍摄，记录整个封接过程中的封接界面物态的动态图像变化。摄像记录模块主要是由摄像相机实时记录封接过程，监测封接过程中工件的融合状态，有利于控制封接过程中超声波对封接的影响。
本装置高频摄像头10能够实时观察并控制封接过程，超声波封接原理是由超声波发生器13产生高压、高频信号、通过换能系统，把信号转换为高频机械振动，加于聚合物工件上，通过工件表面及内在分子间的摩擦而使传送到接口的温度升高，当温度达到此工件本身的熔点时，使工件接口迅速熔化，继而填充于接口间的空隙，当振动停止，工件同时在一定的压力下冷却定形，便达成完美的焊接效果。
具体实施流程如图4所示：通过计算机设置封接参数后，超声波工具头4横向移动直到与焊接工件接触后加载超声波，同时打开高频摄像头10，通过微摄像头检测封接过程，实时记录提取图像，对图像经过量化处理，并使用分形几何进行图像纹理特征进行提取并分析，通过上位机15的显示器观察封接过程的图形变化并且与预设图像数据对比，若图像数据与预设数据差距超出范围上位机报警及时调整焊接过程，当焊接达到理想要求封接过程结束。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种超声波焊接监测装置，其特征在于：直线运动导轨(2)上安装工具头固定架(19)，工具头固定架(19)下侧安装超声波工具头(4)，超声波工具头(4)连接超声波换能器(3)，超声波换能器(3)连接超声波发生器(13)，超声波发生器(13)连接上位机(15)；直线运动导轨(2)连接驱动电机(1)，驱动电机(1)通过运动控制模块(14)连接上位机(15)；超声波工具头(4)正下方设有工件装夹及摄像系统，工件装夹及摄像系统的基座(9)上部安装设有中心孔(16)的基体，基体顶部设有用于装夹工件的工件夹槽(7)，工件夹槽(7)下侧设有钢化玻璃板(6)，基体的中心孔(16)内侧位于钢化玻璃板(6)下方设有光源(8)，基座(9)上位于中心孔(16)内安装高频摄像机(10)，高频摄像机(10)通过图像采集模块(11)连接上位机(15)，超声波工具头(4)将振动施加至工件，在超声能量的作用下工件实现界面熔合，通过高频摄像头(10)对封接界面物态变化进行实时拍摄，记录整个封接过程中的封接界面物态的动态图像变化。
2.根据权利要求1所述的一种超声波焊接监测装置，其特征在于：所述基座(9)下部设有用于安装传感器的传感器槽(20)。
3.根据权利要求1所述的一种超声波焊接监测装置，其特征在于：所述超声波换能器(3)通过功率调节器(12)连接超声波发生器(13)。
4.根据权利要求1所述的一种超声波焊接监测装置，其特征在于：所述工具头固定架(19)上位于超声波工具头(4)的一侧安装位移传感器(5)，位移传感器(5)通过图像采集模块(11)连接上位机(15)。
5.根据权利要求1所述的一种超声波焊接监测装置，其特征在于：所述超声波发生器为工作频率为60kHz变压变频数字化智能超声波发生器。
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