. 1 Изобретение относитс к приборостроению и может быть использовано в ультразвуковой обработке материалов при создании высокостаби ьных генераторов дл возбуждени ультразвуковых преобразователей дл технологических целей электронной техИзвестно устройство, состо щее и генератора тока, перестраиваемой ин дуктивности, трансформатора тока, управл ющего каскада и блока эталон ного напр жени . В устройстве с целью повышени равномерности .амплиту но-частотной характеристики (АЧХ) м ханических колебаний преобразовател в полосе частот источник питани вьшолнен в виде генератора то .ка l. Недостатком данного устройства вл етс низка стабильность АЧХ ме ханических колебаний при изменении режимов эксплуатации. Известен ультразвуковой генерато с частотной модул цией, состо щий из источника питани , разв зывающих резисторов задающего генератора качакнцейс частоты, реле вр.емени, усилител мощности и преобразовател . Отличительной особенностью ген paтора вл етс то, что скорость пр качки частоты в области резонансной частоты ультразвукового преобразовани замедл етс в несколько раз по сравнению со скоростью качани на краю диапазона качани 2j. Недостатком данного генератора вл етс низкий КПД, так как тол1эко часть времени устройство работает на резонансной частоте преобразовател . Кроме того, при импульсной работе устройства система автоматической прокачки частоты не реагиру ет на быстрое изменение параметров преобразовател . Известно устройство с применение шумовых генераторов дл возбз жденн ультразвуковых преобразователей f3j Недостатком данного устройства вл етс низкий КПД. Наиболее близким к изобретению техническим решением вл етс ультр звуковой генератор, содержащий задающий генератор синусоидальной фор мы, частотный модул тор, усилитель мощности, фазовый детектор с двум входами, усилители-ограничители и ультразвуковой преобразователь с датчиком механических колебаний 4. 5 Недостатком известного ультразвукового генератора вл етс то, что при импульсной работе преобразовател , например при микросварке с длительностью процесса 0,001-0,04 с, система автоматической подстройки частоты из-за большой инерционности не успевает за столь малые времена вывести новую частоту генератора на изменившуюс резонансную частоту преобразовател . В результате этого качество ультразвуковой обработки ухудшаетс . Целью изобретени вл етс расширение области применени путем снижени его инерционности. Поставленна цель достигаетс тем, что в ультразвуковой генератор , содержащий задающий генератор синусоидальной формы, частотный модул тор , усилитель мощности, фазовый детектор с двзлм входами, усилители-ограничители и ультразвуковой преобразователь с датчиком механических колебаний, введены задающий генератор прецизионного белого шума, предусилитель, полосовой фильтр, фазоинвертор с противофазными выходами и кольцевой балансный модул тор с трем входами, при этом выход генератора прецизионного белого шума соединен через предусилитель и полосовой 4ильтр с выходом фазоинвертора , противофазные выходы которого :оединены с двум входами кольцевого балансного модул тора, третий вход которого соединен с выходом генератора синусоидального напр жени , причем один вход фазового детектора через усилитель- ограничитель соединен с да1тчиком механических , колебаний, а второй вход фазового детектора через второй усилитель-ограничитель соединен с выходом задающего генератора синусоидальной формы. На чертеже показана функциональна электрическа схема ультразвукового генератора. Устройство содержит последовательно соединенные задающий генератор прецизионного белого шума 1, предусилитель 2, полосовой фильтр 3 и фазоинвертор 4, два противофазных выхода которого соединены со входами кольцевого балансового модул тора 5, выход которого соединен с усилителем мощности 6, нагруженным ультразвуковой колебательной системой , включающей ультразвуковой преобразователь 7, концентратор 8, технологический инструмент 9, датчик механических колебаний 10, технологическую среду (например, свариваемые детали) 11, усилители-огра ничители 12 и 13, причем усилительограничитель 12 соединен с одним входом фазового детектора 14 а дру гой его вход через другой усилитель ограничитель 13 соединен с датчиком механических колебаний, а выход фазового детектора 14 соединен через частотный модул тор 15 с задающим генератором синусоидального напр жени 16, выход которого соеди нен с третьим входом кольцевого балансового модул тора 5. Задающий генератор шума 1 на полупроводниковом элементе выдает шумовое напр жение в пределах единиц микровольт. Это напр жение усиливае с предусилителем 2 до вехЬнчины приблизительно 1В. Полосовой фильтр 3 служит дл получени полосы часто от нул до нескольких килогерц. Кол цевой балансный модул тор на полупр водниковых элементах 5 служит дл с шивани и трансформации полосы част шумового напр жени низкой частоты в высокочастотную область. Устройство работает следук цим образом. Сигнал с выхода задающего генератора прецизионного белого шума 1 через предусилитель 2 и полосовой фильтр 3 подаетс на вход фазоинвертора 4. Задающий генератор 1 име ет равномерную спектральную плотность шума в широком диапазоне частот . Это усиленное напр жение шума поступает на полосовой фильтр 3, где из него вырезаетс узка полоса пропускани , нижн частота которого близка к нулю. Ширина полосы пропускани фильтра 3 выбираетс из услови в 5-10 раз больше, чем полоса пропускани ультразвуковой колебательной системы на уровне 0,707 амплитуды ее механических колебаний . Напр жение шума подаетс на балансный модул тор 5, на третий вход которого подаетс напр жение высокой частоты генератора сийусоидальной формы 16. В результате преобразовани и фильтрации на вы-ходе кольцевого модул тора получают удвоенную полосу частот шумового напр жени , трансформированную в высокую область частот, при этом серединна частота полосы шума соответствует частоте генератора 16. Усиленное напр жение шума высокой частоты через усилитель мощности 6 подаетс дл возбуждени ультразвукового преобразовател 7 колебательной системы. В процессе работы за счет обратной св зи (блоки 10, 12-16) происходит отслеживание серединной частоты полосы шумового напр жени , подаваемого на преобразователь 7, на резонансную частоту ультразвуковой колебательной системьи Если полоса частоты шумового напр жени огf (g .а израничена частотами ц.и менение частоты генератора синусоидального сигнала составл ет ве.пичину от fgцдо fcg, спектр прризведени этих напр жений после кольцевого модул тора 5 состоит из двух полос, границы которых определ ютс нера венствами Ым ен fcH - fwe f fcB - fu,H. Обща ширина спектра произведени не меньше суммы ширины спектров сомножителей и не более удвоенной суммы. Таким образом, в качестве умножител спектров вз т кольцевой модул тор 5, при помощи которого низкочастотна полоса шума, вьщеленна фильтром 3 из всего спектра генератора 1, транспортируетс в область высокой частоты, равной резонансной частоте преобразовател . Если низша частота. ц фильтра 3 очень мала , на выходе модул тора получаем шумовой сигнал с полосой пропускани приблизительно в два раза больт .е. uf - 2(f liI8 ® исходна полоса частот после фильтра . Подавление исходньп-: напр жений шумового и синусоидального генераторов производ тс за счет симметрировани плеч кольцевого модул тора. В процессе ультразвуковой обработки материалов в зависимости от времени воздействи ультразвука резко измен етс входной механический импеданс технологической среды, который , трансформиру сь через технологический инструмент и волноводно-излучающую механическую колебательную системуJ приводит к изменению входного электрического импеданса . Это приводит к рассогласованию генератора и преобразовател . Наибольшие изменени у величины и характера входного электрического импеданса имеют место при импульсном воздействии ультразвуковом 0,015-0,5 на технологическую среду. При столь коротком«импульсе воздействи в известном устройстве система АПЧ не успевает отслеживать частоту генератора на резко изме н ющуюс резонансную частоту преобразовател . Если учесть, что при импульсном нагружении технологического инструмента преобр1азовател импеданс нагрузки и резонансна частота измен ют с на различную величину при каждом воздействии ультразвуковом на технологическую среду, то из-за того, что преобразователь возбуждаетс на блуждающейс (перестраиваемой) частоте, стабильность механических колебаний, вводимых в технологическую среду, очень низка . В данном устройстве ультразвуков преобразователь одновременно возбуж даетс одинаковым напр жением спект ра частот. Поэтому импульсное измен ние резонансной частоты преобразова л не вли ет на стабильность выходной амплитуды механических колебани В данном случае в пределах ширины п лосы возбуждающего напр жени всегд имеетс частота, соответствующа из мен ющейс в процессе ультразвуково обработки резонансной частоте преоб разовател . Переходные процессы вывода генер тора на скачкообразно изменившуюс резонансную частоту преобразовател в устройстве отсутствуют, поэтому стабильность выходной амплитуды механических колебаний при изменении импеданса нагрузки технологической среды значительно вьиае, чем в известном устройстве. Полоса частот возбуждающего преобразователь напр жени выбрана узкой дл повьш1ени КПД устройства. В устройстве, кроме импульсного изменени резонансных частот ультра звукового преобразовател происход т и медленные изменени его резонансной частоты, например, при нагреве преобразовател , изменении потребл емой электрической мощности старении пьезострикционного материала преобразовател и т.д. Дл того, чтобы срединна частота полосы частот шумового напр жени генератора в этих услови х совпадала с резонансной частотой преобразовател существуют блоки 10, 12-16. Такое двойное повьш1ение стабильности механических колебаний (при импульсных и плавных изменени х резонансной частоты преобразовател ) позвол ет существенно увеличить качество ультразвуковой обработки материалов, например , при микросварке, долблении, сверлении и т.д. Таким образом, в устройстве производитс двойна стабилизаци амплитуды механических колебаний технологического инструмента. В первом случае структурна электрическа схема ультразвукового устройства дл обработки разомкнута и обратные св зи не используютс . Во втором же случае электрическа структурна схема ультразвукового устройства-дл обработки материалов замкнута, т.е. устройство охвачено общей обратной св зью. В качестве параметра, по которому ведетс контроль в цепи обратной св зи, используетс фазовое соотношение между напр жением на преобразователе и током или механическими колебани ми. Согласование резЪнансной частоты ; преобразовател 7 и частоты генератора 16 (т.е. на серединную час-тоту полосы возбуждени ) производитс за счет отрицательной обратной св зи по внешней фазе. Дл этого выходные напр жени датчика механических колебаний и напр жение генератора синусоидальной формы 16 подаютс через соответствующие усилители-ограничители 12 и 13 на входы фазового детектора 14. На резонансной частоте преобразовател фаза этих напр жений равнаср 2; 1г . При этом выходное напр жение фазового детектора 14 равно нулевому значению и на частотный модул тор 15 не подаетс посто нное напр жение, которое измен ло бы частоту задающего генератора синусоидальной формы 16. Если же резонансна частота преобразовател изменитс в ту или другую сторону, на выходе фазового детектора 14 по вл етс посто нное напр жение, пропорциональное величине ухода резонансной частоты, а знак напр жени соответствует знаку ухода частоты преобразовател от серединной часто ты полрсы частот возбуждающего напр жени . Выходное напр жение фазового детектора измен ет частоту задающего генератора 16 через частотньй модул тор 15 до тех пор, пока выход ное напр жение фазового детектора не станет равным нулю. Изменение частоты генератора 16 сдвигает поло су щумового напр жени по оси частот на величину, равную изменению частоты преобразовател 7. Таким об разом, центральна (серединна ) час тота полосы спектра всегда строго прив зана (синхронизирована) с частотой резонанса преобразовател . Это условие гарантирует, что при всех резких изменени х условий работы ультразвуковой колебательной системы выходна амплитуда механических колебаний не зависит от изменени резонансной частоты преоб разовател , так как возбуждаетс напр жением полосы частот с равномерной плотностью. Этим и объ сн етс повьшение стабильности выходны механических параметров ультразвуковой колебательной системы. В изготовленном лабораторном образце устройства генератор синусоидального напр жени вырабатьшает центральную частоту 66 кГц. В прецизионном генераторе белого в качестве задающих источников шума используют резисторы, тепловой шум которых имеет наиболее равномерную спектральную плотность шума. Полосо вой фильтр имеет полосу пропускани 2,6 кГц. Нижн частота полосы очен близка к нулю и лежит в пределах 5-15 Гц. На выходе усилител мощнос ти полоса удваиваетс и равна 5,2 к Нижн частота полосы равна 63,4 кГ а верхн - 68,6 кГц. Качество ультразвуковой обработк оценивают при использовании предлагаемого генератора дл ультразвуковой сварки интегральных схем. Сравнение качества микросварки производ с ультразвуковым генератором синусоидальной формы с автоматической подстройкой частоты по фазовому соо ношению между током и напр жением ультразвукового преобразовател . Причем использование АПЧ по фазо му соотношению между электрическим напр жением и амплитудой механических колебаний преобразовател значительно лучше, чем в известном генераторе . Это св зано с тем, что частота максимума, протекающего через преобразователь тока, всегда лежит в пределах 15-100 Гц (при добротности Q.. 100-700) ниже частоты механического резонанса. При проведении эксперимента оцениваетс стабильность механических колебаний при сварке гибридных интегральных схем. Сваривают проволоку А диаметром 0,6 мм к АВ и Аи. Режимы сварки: давление 30-40 Hj врем сварки 1,8 cf амплитуды механических колебаний мкм. При сварке резонансна частота преобразовател измен етс на 1,95 кГц. В течение 3 ч непрерьтной работы резонансна частота еще измен етс па 2,3 кГц. . Суммарное изменение частоты составл ег около 4,2 кГц. При использовании синусоидального генератора без АПЧ длительна работа невозможна. Если же цепь АПЧ замкнута, то в течение сварки механические колебани уменьшаютс на 40-705S, т.е. разброс значений колебаний амплитуды составл ет 20-30%. При использовании данного устройства амплитуда механических колебаний уменьшаетс при тех же режимах сварки на 30-30%. При этом, что особенно важно, разброс уменьшаетс в 3-4 раза по сравнению с известным устройством. Оставшеес уменьшение механических колебаний обусловлено не изменением резонансной частоты, а уменьшением добротности при защемлении сварочного инструмента и увеличением вносимого импеданса зоны обработки. При использовании известного синусоидального генератора с АПЧ сварка осуществл етс возбуждан цим напр жением 35 В, при использовании предлагаемого устройства с разорванной обратной св зью АПЧ и без полосового фильтра и балансового модул тора (сварка шумовым напр жением широкого спектра частот) напр жение шума, возбуждающее преобразователь, равно 192 В. Если же использовалось устройство в полной совокупности признаков, то при сварке шумовое напр жение в ограниченной полосе частот равно 3042 В. При сравнении качества сварки интегральных схем видно, что проч9 109470510
ность соединений A|-Aj и Ai-Au приТаким образом, предлагаемое устиспользований предлагаемого устрой-ройство обладает более стабильными ства увеличилась на 8-20%, а воспро выходными механическими параметраизводимость - на 30-60%, при этомми, что позвол ет увеличить кавыход годных изделий увеличилс 5 чество ультразвуковой обработс 96,5 до 98,2%.ки.