CN1511015A - 超声波成型设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波成型设备，其包括：一安装构件(10)；一超声焊极(14)，其被弹性地安装在安装构件(10)上；一工具(16)，其被固定到超声焊极(14)上，用于执行成型加工；以及一控制元件(12)，用于向超声焊极(14)提供能量，并对其进行控制。该设备被设计成：在从拉伸压缩模式和扭转模式中选出的某种模式下，由超声焊极(14)和加工工具(16)构成的组件具有一超声谐振频率fo，该频率fo可在一下限值fomin与一上限值fomax之间变化；且在一频率区间内，设备自身不具有任何其它的谐振频率，该区间是由一个小于fomin的频率fpmin以及一个大于fomax的频率fpmax界定而成的。

Description

超声波成型设备

技术领域

本发明涉及一种超声波成型设备，这种设备包括：

·一安装构件；

·一超声焊极(sonotrode)，其被弹性地安装在所述的安装构件上；

·一加工工具，其被固定到超声焊极上，用于执行成型工作；以及

·一控制单元，用于向超声焊极提供能量，并对其进行控制。

“成型”一词的含义是指：通过机械地去除物质或熔融物质、改变某一物体结构的任何机械加工。

背景技术

例如在专利文件WO 89/01763中就公开了一种此类设备。该设备用于从牙齿上去除牙垢，其是利用一刮擦器来进行工作的，该刮擦器被一个小幅度的运动驱动，该运动的频率为超声频率，刮擦器可粉碎牙垢，因而可将其从牙齿上去除掉。控制单元是放大器型的电路，其与超声焊极相连接，控制单元构成了一个振荡器，其频率是由设备的特性限定的。该频率会发生变化—尤其是会随着温度而变化，而当设备进行工作时，温度是会由于焦耳效应而升高的。

采用放大器类型的电路能实现令人满意的工作条件。但是，其价格相对较贵，且考虑到所能允许的空间体积，所采用的工作功率越大，其价格也越高。

发明内容

本发明的一个目的是使所使用的控制单元得到简化，其被设置成在换能器接线端之间施加一个信号，该信号不会作为设备特性的函数而发生改变。因而，该单元不再需要设置伺服系统，这将导致结构的简化和体积的缩小。

由于设备是按照如下的方案进行设计的，所以可实现上述的目的，该方案包括：

·在从拉伸压缩模式和扭转模式中选出的某种模式下，由超声焊极和加工工具构成的组件具有一超声谐振频率fo，该频率fo可在一下限值fomin与一上限值fomax之间变化；以及

·在一频率区间内，其自身不具有任何其它的谐振频率，该区间是由一个小于fomin的频率fpmin以及一个大于fomax的频率fpmax界定而成的。

这种类型的控制单元可产生出一正弦信号，该信号的频率受一拟随机信号的调制，从而可施加一通带电信号，该信号包括在一最小频率femin和一最大频率femax之间，频率femin被包含在区间fpmin-fomin中，而频率femax则被包含在区间fomax-fpmax中。

其中的“拟随机信号”是指随机信号或伪随机信号，这些信号例如可借助于移位寄存器、通过一计算机程序来产生。固有频率fo应当被看作是一个频率能谱，该频率能谱的最大值在数值fo上。频谱的宽度基本上是超声焊极结构以及工作条件的函数。在相关的意义上，采用在所考虑的区间内除fo之外不存在任何其它谐振频率的设计。在实践中，将在所考虑频率fo上的能级与在区间fpmin-fpmax内其余频率上能级的比值设定为4-1就已足以获得可接受的工作条件。

对于具有上述特征的设备，超声焊极是由对应于其瞬态固有频率的信号分量进行驱动的。事实上，由于区间范围fomin-fpmax被包含在区间femin-femax中，所以在设备的整个工作范围内都能进行维护。另外，由于在包含区间femin-femax的区间范围fpmin-fpmax内再无其它谐振频率，所以不会出现设备开始在某一漂移频率上发生振荡的可能性，其中，在漂移频率上发生振荡将会带来效率降低的问题，并会造成发热，而发热甚至会阻碍工作继续进行下去。

在本发明的设备中，控制单元可包括一电源电路和一对电源电路进行驱动的控制电路，电源电路是由一E型放大器构成的，而超声焊极则包括一压电换能器。更确切来讲，电源电路包括一功率晶体管和一变压器，变压器的初级线圈与晶体管相连接，次极线圈则与压电换能器相连接。

这样的设计将是有用的：根据应用条件而改变加工工具所能获得的功率。通过采用一种控制单元，能很容易地实现这样的设计，其中的控制单元使得数值femin和/或femax是可变的。已经发现：区间范围femin-femax越大，所针对频率fo能获得的功率减小得就越多。更确切来讲，所能获得的功率与带宽的变化成反比。

有利地是，超声焊极工作在拉压模式下，其频率高于20kHz。

为了使设备便于握持，其安装构件被制成套筒的形式，超声焊极被安装在该套筒内。

为了确保超声焊极具有优化的工况，超声焊极具有一惯性质量和一头部。超声焊极通过两弹性元件安装在套筒上，其中一个弹性元件与惯性质量相配合，而另一个弹性元件与头部相配合，加工工具被刚性地安装到头部上。在头部与惯性质量之间设置了压电换能器。

尤其是：如果加工工具是刮板状的，则上述的设备可通过执行刮擦而实现成型，其尤其是被用于从牙齿上去除牙石。

附图说明

从下文参照附图所作的描述，可领会到本发明其它的特征和优点，在附图中：

-图1表示了根据本发明的设备中的各个部件；以及

-图2是该设备控制单元的原理图。

具体实施方式

图1所示设备用于从牙齿上去除牙上的酒石，即牙垢。其基本上包括：一安装构件，该构件是由一套筒10构成的，容纳在后者的内部；一控制单元12，下文将参照图2对其作详细描述；一超声焊极14；以及一个由刮擦器16构成的工具，其利用螺纹旋接刚性地固定到超声焊极14上，并被设置在套筒10的外面。控制单元12借助于从套筒10一端引出的电缆18、由图中未示出的一个电源进行供电。

套筒10基本上是由一段圆筒管构成的，其轴线为A-A线，其是用不锈钢或合成材料制成的。其一端10a被一环形帽20部分地封塞着，控制单元12被设置在套筒10内，电缆18从其中的环形帽20中穿过。另一端10b具有一个孔洞，超声焊极14上带着刮擦器16的那一端与该孔洞相接合。套筒10可被制成一整体件，或者也可以是由一些环体构成的，这些环体相互配合，并通过螺纹旋接或焊接的方法固定到一起。采用环体的形式将便于对控制单元12和超声焊极14的定位。

套筒10在紧邻其端部10b的部位处安装有一个控制圈22和一按钮24，控制圈用于调节刮擦器16所能获得的功率，按钮24可在纵向上移动，并能控制设备的打开和关断。

控制圈22上设置有一个环形的多极磁体26，其可控制一个磁力敏感接触器28，该接触器被固定在套筒10内，并通过导线30与控制单元12进行电路连接，控制圈22和接触器28被设置成使控制单元12能识别出控制圈22的转动方向。

按钮24对一开关32进行控制，该开关也被安装在套筒10上，并通过导线34与控制单元12相连接，用于对促使刮擦器16移动的超声焊极14的通电和断电进行控制。

超声焊极14具有一惯性质量36、一头部38以及插置在头部38与惯性质量36之间的压电换能器40。超声焊极14利用两个O型圈42弹性地安装在套筒10内，O型圈是用弹性材料制成的，它们被接合到环槽44中，其中一条环槽44被制在头部38中，而另一环槽则被制在惯性质量36中，O型圈抵接着套筒10。

惯性质量36被选定为：在便于用手正确握持的可接受限度内，其应尽可能地重，从而由压电换能器所产生的运动就主要是施加在刮擦器16上，而设备的其余部分则基本上保持不动。在头部38的方向上，惯性质量延伸出一杆棒36a，换能器40被接合到该杆棒36a上，杆棒的端部上设置有一段内螺纹36b。

头部38的形状总体上为套管状，其包括一环体38a，且旋接到杆棒36a上，并顶接着换能器40，在该环体中制有环槽44。从环体38a延伸出一段管体38b，其正中穿制有一条通道38c，管体38b上与环体相反的那一端设置有一段螺纹38d，刮擦器16就固定在该螺纹段38d上。

孔道38c具有调节头部谐振频率的功能。孔道38c的直径以及管体38b的壁厚是根据经验而选定的，且作为设备中各个活动部件的总体形状的函数。事实上，改变孔洞的直径将会以不同的方式改变拉压模式、扭转模式或弯曲模式下的谐振频率。因而，通过对孔道38c的直径、以及管体38b的壁厚进行改动，就可以使这些谐振频率发生偏移。

头部38最好是用例如，钛的轻质金属制成，从而使其惯性尽可能地小，同时还使其内部摩擦达到最小。

头部38的形状被选择成可使刮擦器16的运动范围尽可能地宽。在上文提到的第WO89/01763号专利申请中公开了有关这一方面的设计。因而，在下文将不对此作更为详细的描述。

换能器40是由四个盘体50构成的，这些盘体是用压电材料制成的，其中的压电材料例如是由飞利浦公司(在荷兰的Eindhoven市)出品的、编号为43220200659的材料。这些盘体50的外径为10mm，中心处具有一个直径等于5mm的孔洞，厚度为2mm。在盘体的两平面上涂覆有一导电材料层，导电材料层起到电极的作用。例如在WO89/01763中所描述的那样，这些盘体50一方面通过电接地、另一方面通过一条导线并联到单元12上。通常，压电换能器的工作模式为拉伸—压缩模式，但也可以考虑采用扭转模式。而剪切模式看起来似乎不具有任何的特定应用。

头部38被旋接到惯性质量36上，并对压电盘体50施加预压力，从而，即使当盘体50受到压电效应的压缩时，盘体50之间以及与惯性质量36和头部38之间不存在任何间隙。

刮擦器16包括一个部分16a，这一部分可将刮擦器16固定到头部38的端部38d上，而端部38d上为此目的而设置有一个螺纹孔；刮擦器16还包括一活动部件16b，其可实现成型的功能。制造该刮擦器的材料被选定为具有足够的硬度，从而可敲击沉积在所处理牙齿上的牙垢，但该材料也不能太硬，以防止对牙釉质的损坏。

所有这些超声焊极部件、以及其所带有的刮擦器16的特征限定了固有频率fo。该频率一般大于20kHz，通常为25kHz。该频率可在两数值fomin和fomax之间变动，具体来讲，这两个数值是工作温度以及刮擦器上作用载荷的函数。频率变动的数量级为±1％。

已对具有如下特征的超声焊极进行了测试。钛质惯性质量36的总长度等于30mm，杆棒36a的长度为12.5mm、直径为4.2mm。惯性质量中穿制有一个长度为16mm的轴向孔，在直径最大的部分中，该轴向孔的直径为2mm，而在部分36a中，该孔洞的直径为1mm。头部38也是用钛制成的。环体38a包括一直径等于10mm的圆筒部分，其长度大体上等于3mm。管体38b的直径为4mm，长度大体上等于20mm，壁厚等于0.4mm。端部38d的长度为6mm，在其全长中4.5mm的长度段上制有螺纹。端部上钻有一个直径为1mm的孔洞。所制得的该装置在拉压模式下表现出24.3kHz的谐振频率，杂散的偏移频率为21.2kHz和35.2kHz，这两个频率的振幅分别为频率fo振幅的1/3和1/9。

在下表中列出了从所述的实施例而获得的各个频率：

参数	fo	fomin	fomax	femin	femxa	fpmin	fpmax
								频率[kHz]	24.3	24.05	24.55	21.2-24.05	24.55-35.2	21.2	35.2

因而，很显然：频率femin和femax可进行变动的范围是很宽的，这样就能允许大范围地调节输送给刮擦器16的动力。

图2表示了控制单元12。其包括一用于向超声焊极14供电的电源电路54、以及用于驱动电源电路54的控制电路56。

电源电路54属于E级放大器。其包括一BUZ11型功率晶体管58，其例如是由Infineon Technologies(德国慕尼黑)出品的，并包括一变压器60，该变压器的初级线圈与电源VDD和晶体管58相连接，而次级线圈则与换能器40的接线端相连接。变压器60被设计成：加在换能器40两接线端之间的电压足以应对牙垢清除工作所需的功率。实践已经表明：400V数量级上的有效电压将是足够的。

控制电路56包括接触器28和开关32，并包括一微处理器62，该微处理器例如是由Microchip Chandler(美国亚利桑那州)销售的PIC12 Cxxx型处理器。

微处理器62中设置有一个存储器，该存储器中存有与接触器28和开关32工作状态相关的数据，并存储有工作程序。

微处理器62的任务是检查开关32的状态。当开关32被断开时，将其它的程序置于待机状态。

当开关32被闭合时，微处理器62将在存储器中搜索来自于接触器28的数据，可通过在一个方向上、或另一个方向上转动控制圈22来改动这些数据，转动控制圈可使存储器中的数据内容递增或递减。微处理器62根据这些数据而产生出一个载波信号，其频率femoy接近于超声焊极14的谐振频率fo，并利用一移位寄存器产生出一个伪随机噪声，在MOTOROLA 1974年出版的McMOS手册的E部分中对这种移位寄存器进行了介绍。伪随机噪声的带宽是由最小频率femin和最大频率femax限定，该带宽值越大，存储器的容量就越大。

由伪随机噪声调制的信号以脉冲的形式被施加到晶体管58的栅极58a上，该信号的电流被晶体管58放大，电压则被变压器60加大。利用信号中与超声焊极14谐振频谱一致的分量部分对超声焊极进行驱动。因而，由频率femin和femax限定的带宽越窄，所提供的能量就越大。通过改变femin和/或femax，就可以对由超声焊极14输送给刮擦器16的功率进行调节。

采用这样的控制，只要fomin和femax仍然保持在femin-femax间隔内，则不论超声焊极的谐振频率fo如何变化，都可以使微处理器输出的信号保持不变。

因而，就可以对类似于上文所述装置并带有极大简化的控制单元的设备执行维护操作。但必须要采取特定的预防措施。事实上，如果设备在femin-femax区间内具有一个或多个固有频率，其将也会发生振动，这样，能量就纯粹会被耗散浪费掉，此外还会造成设备的发热。可通过对设备中的部件进行调整，从而使设备在由fpmin小于femin和fpmax大于femax限定的区间范围内不存在任何其它的谐振频率来避免这一问题。

为了满足这一要求，希望设备的结构刚性尽可能地高，并通过调整各个部件的尺寸来实现这一目的。

在实际工作中，将各个部件设计成能达到所述的这一刚度，然后利用一可变频的信号来驱动超声焊极，从而找到各个谐振频率。通过对超声焊极的尺寸进行调节而获得一个与设备特性相适应的频率，同时还消除了其它的寄生频率。这尺寸调定过程是通过反复试验来进行的，通过改变超声焊极的惯性或其弹性结构的方法来进行调节，超声焊极的惯性主要是由质量36和头部38产生的，弹性结构则主要是由杆棒48构成的。

实践表明：对于不同的设备，设备中各个组成部件的固有频率具有足够高的精确度，不会出现显著的变化。但在制造过程结束时，最好能进行检查，尤其在某个杂散谐振频率与两频率值fpmin、fpmax之一接近的情况下。

很显然：无需悖离本发明的保护范围，就可对上述的设备作出多种改型。因而，本发明可被应用于执行清理毛刺、切削或蚀刻工作、甚至用于执行超声波微焊接的设备中。在这些应用中，加工工具被改造成与所要执行的成型加工相适配，同时还要考虑到设备任何杂散频率造成的影响。

Claims (10)

1.一种超声波成型设备，其包括：

·一安装构件(10)；

·一超声焊极(14)，其被弹性地安装在所述的安装构件(10)上；

·一工具(16)，其被固定到超声焊极(14)上，用于执行成型加工；以及

·一控制单元(12)，用于向超声焊极(14)提供能量，并对其进行控制，

其特征在于，该设备被设计成：

·在从拉伸压缩模式和扭转模式中选出的某种模式下，由超声焊极(14)和工具(16)构成的组件具有一超声谐振频率fo，该频率fo可在一下限值fomin与一上限值fomax之间变化；以及

·在一频率范围内，其自身不具有任何其它的谐振频率，该范围是由一个小于fomin的频率fpmin以及一个大于fomax的频率fpmax界定而成的，

控制单元(12)属于这样的类型：其可产生出一正弦信号频率，该信号的频率受一拟随机信号的调制，从而可输出一通带电信号，该信号包含在一最小频率femin和一最大频率femax之间，频率femin被包含在区间fpmin-fomin中，而频率femax则被包含在区间fomax-fpmax中。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述控制单元(12)包括一电源电路(54)和一对电源电路(54)进行驱动的控制电路(56)，电源电路是由一E型放大器构成的，所述超声焊极(14)包括一压电换能器(40)。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：所述电源电路(54)包括一功率晶体管(58)和一变压器(60)，变压器的初级线圈与所述晶体管相连接，次极线圈则与所述换能器(40)相连接。

4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于：所述控制线路(12)包括用于改变通带femin-femax的装置(22)，因而可改变提供给工具(16)的能量。

5.根据权利要求2到4之一所述的设备，其特征在于：所述模式为拉伸-压缩模式，且设备频率fo高于20kHz。

6.根据权利要求2到5之一所述的设备，其特征在于：所述安装构件由套筒(10)制成，且所述超声焊极(14)被安装在套筒内。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：所述超声焊极(14)包括一惯性质量(36)和一头部(38)；超声焊极通过两弹性元件(42)安装在所述套筒(10)上，一个弹性元件与惯性质量(36)相配合，另一个弹性元件与头部(38)相配合；所述工具(16)被刚性地安装到所述头部(38)上。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述换能器(14)被设置在所述头部(38)与所述惯性质量(36)之间。

9.根据权利要求1到8之一所述的设备，其特征在于：所述工具的形状是一刮擦器(16)。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：所述刮擦器(16)被用于从牙齿上去除牙石。

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