Устройство для ультразвуковой сварки

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sn 4 В 23 К 20/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3813202/25-27 (22) 19. 11.84 (46) 07.05.86. Бюл. № 17 (72) Е. Е. Онегин, Я. Н. Мистейко, А. И. Беляков, С. И. Шуньков, В. А. Шеткин и Л. Г. Драгилев (53) 621.791.037 (088.8) (56) Патент США № 4340166, кл. 228 — 179, 1982. (54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРА

ЗВУКОВОЙ СВАРКИ, содержащее станину, механизм вертикальных перемещений с приводом, сварочную головку с инструментом, размещенную в клеммном зажиме на корпусе с возможностью качания, упор ограничения ее перемещения, неподвижную и подвижную губки зажима проволоки, катушку для проволоки, предметный столик и систему управления, первый выход которой подключен к приводу вертикальных перемещений, второй — к сварочной головке, а первый вход соединен с внешней схемой запуска устройства, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения производительности сварки, оно снабжено установленными на корпусе двумя Г-образны„„SU„„1228997 А t ми кронштейнами, рычагом, упругим элементом и двумя преобразователями, один из которых размещен на Г-образном кронштейне с возможностью взаимодействия с подвижной губкой, а другой — — со свободным концом рычага, установленного на клеммном зажиме и подпружиненного к уиорм ограничения перемещения сварочной головки, ири этом клеммный зажим смонтирован на корпусе с помощью упругого элемента, жестко закрепленного на нем так, что ось качания сварочной головки и рабочая поверхность инструмента лежат в одной плоскости. а система управления дополнительно снабжена третьим и четвертым выходами и вторым входом, причем третий выход подключен к первому преобразователю, а четвертый выход и второй вход — к второму преобразователюю.

2. Устройство ио и. 1, отличающееся тем, что преобразователи выполнены в виде иластинчатых пьезоэлементов.

3. Устройство по и. 1, отли«ающеес.i тем, что длина рычага, установленного на клеммном зажиме, равна i=i./4, где i. - длина волны продольных колебаний сварочной головки.

1228997

Изобретение относится к области сварки при производстве электронных приборов, в частности к оборудованию для присоединеНИЯ I>POBO>IO×HI.IÕ ВЫВОДОВ РВЗЛИЧНЫХ П01Упроводниковых приборов и интегральных схем.

Цель изобретения — упрощение конструкции и иовы|пение производительности сварки.

Поставленная цель достигается за счет уменьшения подвижной массы установки и быстродействия срабатывания пьезоэлементов.

Нз фиг. 1 и 2 приведено устройство, общий вид; на фиг. 3 -- вид А на фиг. 2; на фиг. 4 вид Б на фиг. 2; на фиг. 5 структурная схема системы управления. 15

Устройство для ультразвуковой сварки (УЗ) содержит станину 1, механизм вертикальных перемещений с приводом ?, корпус

3 сварочной головки, сварочную головку 4 с инструментом 5, закрепленную в клеммном зажиме 6, неподвижную г>оку 7, под- 20

Вижн> ю гх оку 8, llpужинх 9, катх шкх 10 для проволоки, предметныи столик 11, упор 12 ограничения перемещения сварочной головки, рычаг 13, систему 14 управления, первый преобразователь 15, Г-образный кронштейн 16, второй преобразователь 17 и его Г-образный кронштейн 18, пружину

19, втулку 20, упругий элемент 21, гайку 22, причем первый выход системы 14 управления подклк)чеll к приво Iv 2 вертикал|я|ых перемещений сварочной головки 4, второй-к сварочной головке 4, трстий выход к первому преобразователю 15, четвертый и второй выход — к второму преобразователю 17, а первый вход соединен с внешней схемой, запуска устройства.

> ||ругий элех|ент 21 (фиг. 3) нредс1 аВ- 35 ляет собой пружиннук> проволоку диаметром

0,5 — -0,8 мм в зависимосTH от конструктивного исполнения, условий нагружения и акхстических характеристик устройства.

Зазор 1., равный 0,01 -0,03 мм (зависит от диаметра привариваемой проволоки, 40 зазор 0,01 0,03 мм соответствует диаметрам

0.025 0,05 мм) между преобразователем 17 (фиг. 1 и 2) и рычагом 13 усганавливастся в исходном |юложении путем псреме!Ilcния Г-образного крон|нтейна 18 относительно

45 корпуса 3 (например, прокладками, нс Iioказаны).

Г-образные кронштейны !6 и 18 выполнены с выступами В предназначенными для ограничения изгиба пьезоэлементов (прсооразователей) 15 и 17 (максимально допустимый рабочий изгиб 0,3 мм) во избежание их поломки при пуско-наладочных работах. Механизм Вертикальных переме|цений 2 выполнен в виде каретки с приводом на шаговом двигателе.

Устройство работает следукпцим образом.

Перед началом работы устанавливаются (подбираются) необходимые режимы первой и второй сварок, исходя из конкретных требований. Режимы первой и второй свзрок независимы и регулируются: длительность сварки 5- — 50 мс, мощность 0,04 — 4 Вт, нагружение 0,2- — 2 Н (ориентировочно для приварки золотой проволоки диаметром

40 мкм длительность первой и второй сварKH по О мс, мощность по 0,5 Вт, нагруженис соответственно 0,8Н и 1,2 H). Затем

:33IIp3I3ëFIo I проволоку, сматываемую с катуп|ки 10 (фиг. 3) в инструмент 5 (фиг. 1), и в наладочном режиме образук>т шарик (элсктроискровым способом или с помощью газовой горелки, не показано) на кончике проволоки, выступак>щем из инструмента 5., IàHIIîå устройство может быть использовано как в полуавтоматических установках, так и l3 полностью автоматических, принцип действия при этом не изменяется.

После нажатия кнопки «Пуск» (внешний за|.уск, не показано) сигнал поступает на вхо | 1 системы 14 управления, по команде с Выхода 1 (фиг. 1) привод механизма верт:|кальных перемещений 2 опускает корпус 3 сварочной головки, а вместе с ним и сварочную головку 4 в зону первой сварки.

Одновременно с командой на привод 2 вер|ика IhHhlx перемещений с выхода III системы 14 управления подается напряжение U. на преобразователь !5 (фиг. и 4), последний изгибается и, преодолевая усилие пружины 9 (фиг. 4), открывает губку 8, позволяя при движении сварочной головки 4 (фиг. 1 и 2) с инструментом 5 вниз привариваемой llpoI)oclî÷êå свободно сматываться с катушки 10 (фиг. 3).

В момент контакта инструмента 5 (фиг. 1 и 2) посредством выступающего из него на конце привариваемой проволоки шарика микросхемы (не показаны) сварочная головка

4 начинает поворачиваться вокруг горизонгальной оси упругого элемента 21 (фиг. 3), при этом рычаг 13 (фиг. 1 и 2) открывается от упора 12 ограничения перемещения, выбираег зазор 1 и вступает в контакт с Вторым преобразователем !7. Преобразователь 17 воспринимает усилие этого касания и на его электродах появляется напряжение которое поступает на вход 11 системы

14 унравлсния (фиг. 1). Система 14 управicIlH>I фиксирует камлание, переводит преобразователь 17 в режим нагружения путем отклк)чения входа 11 и прекращает коммуг;IIIHlo обмоток шап>вого двигателя механизма 2 вертикальных перемещений на выходе 1, и через выход IV на преобразовате.|ь 7 подает напряжение Iiri, под действием кс>горого последний изгибается в обратном направлении, оказывая силовое давленис IIa рычаг 13 и посредством сварочной головки 4 с инструментом 5 — на привариваемук> проволоку (шарик). Усилие нагружения (давления) определяется величиной подавас мого напряжения на преобразователь и имеет линей нхчо зависимость.

ОдновремеHllo с этим через выход II системы 14 управления (фиг. 1) с определенной задержкой (задержка имеет регулировку

1228997

1О !

55 и величина ее подбирается в зависимости от конкретных условий сварки и материалов) подает возбуждающее напряжение на сварочную головку для производства сварки (длительность и мощность сварочного импульса в соответствии с установленными значениями перед началом работы на блоке ультразвукового генератора (УЗГ) 33 (фиг. 5).

По окончании первой сварки система 14 управленияя (фиг. 1) с выхода I подает сигнал на коммутацию обмотки шагового двигателя механизма 2 вертикальных перемещений таким образом, чтобы обеспечить подъем сварочной головки 4 с инструментом

5 и одновременно переводит преобразователь 17 в режим касания путем закрытия выхода 4 и соединения преобразователя с входом I I. Затем для образования перемычки «петли» предметный столик 11 перемещают к месту второй сварки (в полуавтоматических установках это перемещение выполняется вручную с помощью манипулятора пантографного типа, не показан) и производят внешний пуск системы 14 управления. Через выход системы 14 управления начинается коммутация обмоток шагового двигателя 2 вертикальных перемещений, последний опускает сварочную головку 4 с инструментом 5 в зону второй сварки для ее выполнения «внахлест». Последовательность и принцип работы устройства от момента касания до выполнения второй сварки аналогичны, как и при выполнении первой сварки.

По окончании второй сварки система 14 управления с выхода 1 начинает коммутацию обмоток шагового двигателя механизма 2 вертикальных перемещений таким образом, чтобы обеспечить подъем сварочной головки 4, и одновременно переводит преобразователь 17 в режим касания. На высоте подъема 1 мм (величина зависит от диаметра проволоки и регулируется программатором, фиг. 5) система 14 управления прекращает подачу !. на преобразователь 15 (фиг. 1, 2 и 4), последний возвращается в исходное состояние, и подвижная губка 8 (фиг. 4) под действием пружины 9 производит фксацию проволоки (зажим), при дальнейшем подъеме сварочной головки

4 (фиг. 1 и 2) проволочка обрывается у места второй сварки, при этом с инструмента 5 выступает «хвост», равный 1 мм, который необходим для последующего образования шарика. При достижении сварочной головки 4 исходного положения производится оплавление «хвоста» с образованием шарика (с помощью электроискрового разряда или газовой горелки) . На этом цикл образования перемычки закончен, и устройство готово к выполнению очередной перемычки. Процесс выполнения всех последующих перемычек на микросхеме аналогичен.

Система 14 управления (фиг. 5) содержит три аналоговых ключа 23 — 25, формирователь 26 отрицательного импульса, четыре

RS-триггера 27 — 30, D-триггер 31, элемент задержки 32, ультразвуковой генератор 33, два источника 34 и 35 напряжения, два элемента ИЛИ 36 и 37, управляемый генератор 38, элемент И 39 и элемент И вЂ” НЕ 40 реверсивный счетчик 41 импульсов, коммутатор 42 фаз, программатор 43 и комцаратор

44. Входами системы 14 управления (фиг. 1 и 5) соответственно являются: первым — параллелbíо соединенные второй вход первого элемента ИЛИ 36 (фиг. 5), R-вход второго триггера 28, S-вход четвертого триггера 30, вторым — вход первого аналогового ключа 23. Выход первого элемента ИЛИ 36 подключен к S-входу третьего триггера 29, выход которого подключен к управляющему входу генератора 38, выход которого связан со счетным входом счетчика 41 и вторым входом коммутатора 42 фаз, выходы которого являются первым выходом системы 14 управления (фиг. 1 и 5). Выход второго триггера 28 (фиг. 5) подключен к первому входу коммутатора 42 фаз, второму входу элемента И 39 и к первому входу счетчика

41, информационные выходы которого подключены к входам А компаратора 44, выход которого подключен к второму входу элемента И HE 40, выход которого подключен к

R-входу четвертого триггера 30; выход которого подключен к управляющему входу аналогового ключа 25, выход которого является третьим выходом системы 14 управления (фиг. 1 и 5). Выход первого аналогового ключа 23 (фиг. 5) подключен к входу формирователя 26 отрицательного импульса, выход которого связан с параллельно соединенными входами элемента 32 задержки, первым входом второго элемента ИЛИ 37 и S-входом первого триггера 27, второй выход которого соединен с управляющим входом первого аналогового ключа 23, а первый выход — с управляющим входом второго аналогового ключа 24, выход которого является четвертым выходом системы

14 управления (фиг. 1 и 5). Выход элемента 32 задержки (фиг. 5) соединен с управляющим входом УЗ-генератора 33, первый выход которого является вторым выходом системы 14 управления (фиг. 1 и 5), а второй выход подключен к параллельно соединенным R-входу первого триггера 27 (фиг. 5), первому входу первого элемента

ИЛИ 36, S-входу второго триггера 28 и счетному входу триггера 31. выход которого подключен к собственному D-входу и к первому входу элемента И 39, выход которого подключен к первому входу элемента И вЂ” HE

40. Выход заема счетчика 41 подключен к второму входу второго элемента ИЛИ 37, выход которого соединен с R-входом третьего триггера 29. Выходы программатора 43 соединены с входами В компаратора 44.

Выход первого источника 34 напряжения подключен к входу второго аналогового ключа 24, а выход второго источника 35

1228997 напряжения подключен к входу третьего аналогового ключа 25.

Система управления работает следующим образом.

На первый вход системы управления поступает импульс внешнего запуска, который через первый элемент ИЛИ 36 (фиг. 5) устанавливает на выходе третьего триггера

29 состояние логической «1», которая поступает на управляющий вход генератора 38, который, в свою очередь, начинает генерировать импульсы для работы коммутатора

42 фаз и источника 41 импульсов.

Коммутатор 42 фаз может коммутировать свои выходы в последовательности ! †2 †3 в 1 †..., либо в последовательности 4 — 3 — 2 — 1 — 4 —..., в зависимости от состояния на первом входе коммутатора

42 фаз. В данном случае на первом входе коммутатора 42 фаз будет состояние логического «О», поступающее с выхода второго триггера 28, установленного в состояние логического «0» импульсом внешнего запуска, и коммутатор 42 фаз будет коммутировать свои выходы в последовательности 1 --2—

3 — 4 — 1.... Этот же логический «О», поступая на первый вход счетчика 41, устанавливает в счетчике 41 режим суммирования и с приходом каждого импульса с генератора 38 на счетный вход счетчика 41 выходной код счетчика 41 увеличивается на единицу. Тот же импульс внешнего запуска с первого входа системы 14 управления устанавливает четвертый триггер 30 в состояние логической единицы, которая, поступив на управляющий вход третьего аналогового ключа 25, разрешает прохождение напряжения с второго источника 35 напряжения через третий аналоговый ключ 25 на третий выход системы

14 управления. При поступлении напряжения на второй вход системы 14 управления оно, пройдя через первый открытый аналоговый ключ 23, запустит формирователь 26, который выработает отрицательный импульс, который, поступив íà S-вход первого триггера 27, устанавливает на первом выходе первого триггера 27 состояние логической единицы, а на втором выходе состояние логического нуля, которое соответственно, поступив на управляк>щий вход первого аналогового ключа 23, закрывает его, и на управляющий вход второго аналогового ключа 24, открывает его и тем самым разрешает прохождение напряжения с первого источника 34 напряжения через второй аналоговый ключ 24 на четвертый выход системы 14 управления. Этот же отрицательный импульс с выхода формирователя 26, поступая через первый вход второго элемента

ИЛИ 37 íà R-вход третьего триггера 29, перебрасывает третий триггер 29 в состояние логического нуля, останавливая тем самым работу генератора 38, а следовательно, и работу счетчика 4! и коммутатора 42 фаз.

Кроме того, тот же отрицательный импульс с выхода формирователя 26, пройдя через

1I0

3G

55 элемент 38 задержки, поступает на управляющий вход УЗ-генератора 33, что вызывает появление УЗ-колебаний на первом выходе УЗ-генератора 33 и соответственно на втором выходе системы 14 управления (фиг. 1 и 5). По истечении времени, определяемого устройством самого УЗ-генератора 33 (фиг. 5), на первом выходе УЗ-генератора и соответственно на втором выходе системы 14 управления, прекращается процесс возбуждения УЗ-колебаний. УЗ-генератор 33 (фиг. 5) переключается для работы во втором режиме (т.е. с другими параметрами возбуждения УЗ-колебаний и другим временем их продолжительности, установленными перед началом работы), а на втором выходе УЗ-генератора 33 вырабатывается отрицательный импульс, который, поступив на К-вход первого триггера 27, устанавливает тем самым на первом выходе первого триггера 27 состояние логического

«О»., а на втором выходе — состояние логической «1», что соответственно приводит к открыванию первого аналогового ключа 23 и закрыванию второго аналогового ключа 24, тем самым давая возможность поступлени1о напряжения с второго входа системы 14 управления через первый аналоговый ключ

23 на формирователь 26 (фиг. 5) и соответственно снимая напряжение на четвертом выходе системы 14 управления, которое поступает с первого источника 34 напряжения через второй аналоговый ключ 24.

Этот же импульс с второго выхода УЗ-генератора 33, поступив через первый элемент ИЛИ 36 íà S-вход третьего триггера

29, устанавливает на его выходе состояние логической «1», которая, поступив на управляющий вход генератора 38, разрешает его работу, генератор 38 начинает генерировать импульсы, которые поступают на счетные входы счетчика 41 и коммутатора 42 фаз, причем теперь коммутатор 42 коммутирует свои выходы в последовательности «4 — -3---2 — 1 — 4...», а счетчик 41 работает в режиме вычитания, с приходом каждого импульса уменьшая выходной код на единицу, так как тот же импульс с второго выхода УЗ-генератора 33, поступив на

S-вход второго триггера 28, устанавливает на его выходе состояние логической «1», которая поступает на первые входы счетчика

41 и коммутатора 42 фаз. Кроме того, тот же импульс со второго выхода УЗ-генератора 33, поступив на счетный вход Р-триггера 31, устанавливает на его выходе состояние логического «О». По мере работы счетчика 41 импульсов код на его выходе уменьшается до нуля, после чего на выходе «заема» счетчика 41 вырабатывается отрицательный импульс, который, поступив через второй элемент ИЛИ 37 íà R-вход третьего триггера 29, устанавливает на его выходе состояние логического «О», тем самым остановив работу генератора 38 и соответственно счетчика 41 и коммутатора фаз 42. Ра1228997

7 бота системы 14 управления (фиг. 1) после прихода второго импульса внешнего запуска на первый вход системы 14 управления полностью аналогична описанному за исключением следующего. После прихода импульса с второго выхода УЗ-генератора 33, триггер 31 устанавливается теперь в состояние логической «1», которая поступает на первый вход элемента И 39, на втором входе которого также присутствует логическая единица с выхода второго триггера 28 и, следовательно, на выходе элемента И 39 также логическая «1». По мере работы счетчика 41 код на его выходе и соответственно код на входах А компаратора 44 сравняется с кодом, набранным на программаторе 43, после чего на выходе компаратора 44 появляется логическая «1», которая через элемент И вЂ” HE 40 поступает на R-вход четвертого триггера

30 и устанавливает на его выходе состояние логического «О», которое, поступив на управляющий вход третьего аналогового ключа 25, закрывает его, прекратив тем самым поступление напряжения с второго источника 25 напряжения через третий аналоговый ключ 25 на третий выход системы управления.

Таким образом, применение двух преобразователей, консольно закрепленных в Г-образных кронштейнах, одного — в качестве привода зажимных губок, второго фиксиру1ощего, касание сварочного инструмента и осуществляющего его нагружения, а также жесткая без люфта подвеска сварочной головки на упругом элементе, позволяют производить безинерционное нагружение с большой скоростью без возникновения при касании инструментом объекта сварки вредных колебаний, что в конечном счете позволяет повысить производительность в два и более раза.

Конструкция устройства значительно проще известной, в ней упрощена конструкция подвеса сварочной головки, исключены электромеханический датчик касания, пружиннорычажная система дополнительного нагружения с приводом. Уменьшена подвижная масса, что так же, как и в быстродействие срабатывания преобразователей, спо15 собствуют повышению производительности.

Выполнение устройства таким образом, что ось качания сварочной головки (ось упругого элемента, жестко закрепленного на клеммном зажиме) и рабочая поверхность инструмента лежат в одной плоскости, ис20 ключает вредные перемещения «ползания» инструмента на сварке, что может иметь место особенно при разварке толстых проволочек, когда после фиксации момента касания делается несколько дополнительных шагов и уже потом останов перемещения сварочной головки.

Длина рычага, установленного на клеммном зажиме с Г = — „обеспечивает наи= 3 больший коэффициент полезного действия ультразвуковой системы.

1228997

Реда кто р A. Сабо

Заказ 2214/11

Составитель А. Анодов

Техред И. Верес Корректор С. Черни

Тираж 1001 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4