Способ автоматического управления акустическим режимом ультразвуковой сварки
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Соаетских
Социалистических
Р ес публик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 230481 (21) 3277425/25-27 с присоединением заявки ¹(23) ПриоритетОпубликовано 300982 Бюллетень № 36
t ai V.Кл.
В 23 К 20/10
ГосударстМииый комитет
СССР по делам изобретений и открытий (ЩУДК 621.791..16(088.8) Дата опубликования описания 300982
1):. (72) Авторы изобретения
Г.И. Должич и Г.Г. Палагнюк с .
Ростовский-на-Дону ордена Трудового Красного Знамени институт сельскохозяйственного машиностроения (71) Заявитель
1 (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИМ
РБЖИМОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ
Изобретение относится к автоматическому управлению технологическими режимами при ультразвуковых методах обработки и сварки .различных изделий в машиностроении и радиоэлектронике и может быть использовано в медицине при проведении внутриглазных операций, связанных с -рассечением патологических структур стекловидного тела и коагуляции сетчатки для восстановления зрительной функции глаза.
Известен способ ультразвуковой сварки, при котором создают акустический контакт. между инструментом и соединяемыми -деталями, прикладыва-. ют усилие нормального давления, I возбуждают импульсные ультразвуковые сварочные колебания (1).
Недостатком известного способа является низкое качество сварки, что объясняется отсутствием автоматического контроля и управления . режимом сварки при действии различных возмущений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ автоматического управления акустическим режимом ультразвуковой сварки, основанный на определении добротности колебательной системы, создании плотного акустического контакта между инструментом и соединяемыми элементами путем приложения усилия нормального давления, возбуждении периодических, регулируемых по длительности импульсных ультразвуковых сварочных колебаний и управлении энергией колебаний в зависимости от изменения нагрузку колебательной системы и ее доброт-.". ности (2g.
Недостатком известного способа является низкое качество сварки, определяемой отсутствием стабилиза- ции теплового излучения при сварке.
Цель изобретения — повышение качества сварки за счет стабилизации интенсивности теплового излучения .и обеспечения заданной энергии .. в зоне сварки при действии различных возмущений, а также автоматизация контроля акустического контакта инструмента и соединяемых элементов.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, основанному на определении добротности колебательной системы, создании плотного акустического контакта между инструментом и соединяемыми элемен961902 тами путем приложения усилия нормального давления, возбуждении периодических, регулируемых по длительности импульсных ультразвуковых сварочных колебаний и управлении энергией колебаний в зависимости от изме- 5 нения нагрузки колебательной системы и ее добротности,. после каждого импульса возбуждения ультразвуковых сварочных колебаний измеряют декремент затухания колебательной системы по числу циклов ее свободных колебаний и по измеренной величине декремента затухания регулируют длительность последующего импульса возбуждения ультразвуковых сварочных колебаний.
Кроме того, перед возбуждением ультразвуковых сварочных колебаний формируют комплексные маломощные ультразвуковые колебания, определяют перераспределение узлов и пучностей продольных составляющих ультразвуковых колебательных смещений на волноводной части инструмента, и по величине перераспределения узлов и пучностей определяют качество акустического контакта, после чего формируют ультразвуковые сварочные колебаний с заданной энергией.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего данный,способ; на фиг. 2 — диаграммы напряжений на выходе функциональных звеньев устройства.
В основу оценки температуры в зоне контакта и автоматической стаби- 35 лизации интенсивности теплового излучения положены особенности затухания свободных колебаний при вязком, сухом (поэиционном) и граничном трении, а также изменение добротности40 основных взаимосвязанных механических контуров в функции изменения усилий нормального давления при сварке, например при коагуляции сетчатки в области медицины. Вариации усилий 45 нормального давления являются одними из основных дестабилизирующих факторов температуры в зоне контакта и отображаются в функции изменения таких взаимосвязанных основных величин, как декремент затухания, коэффициент йоглощения, добротность взаимосвязанных мехайических контуров М количество циклов свободных ,кол фаний, которые в зависимости от вида трения носят самый различный характер .изменения.
Понятие добротность механического контура в данном случае принята по аналогии к электрическим контурам и определяется отношением полного запаса энергии, накапливаемой в колеблющейся системе за определенный промежуток времени, к энергии, отдаваемой на преодоление потерь и полез- 65 ную нагрузку. Величииа, обратная .добротности, есть коэффициент потерь.
Добротность связана с временным коэффициентом затухания по амплитуде, с логарифмическим декрементом затухания свободных колебаний и с числом циклов колебаний, амплитуда затухающих свободных колебаний которых составляет геометрическую или арифметическую прогрессию и зависит от природы сил трения.
При проведении, например, коагуляции сетчатки в условиях вязкого трения коэффициент поглощения в зоне контакта не зависит от амплитуды колебаний. В этом случае логарифмический декремент затухания свободных колебаний постоянен, а последовательные амплитуды затухающих колебаний составляют геометрическую прогрессию.
При сухом трении коэффициент поглощения зависит от амплитуды, следовательно, логарифмический декремент не постоянен, а последовательные амплитуды затухающих ультразвуковых колебаний не составляют геометрической прогрессии.
Однако если сила трения пропорциональна контактному давлению, которое, в свою очередь, пропорционально смещению (позиционное трение), то декремент колебаний ставится постоянным, и следовательно, точно так, как и при вязком трении, последовательные амплитуды в таком случае составляют геометрическую прогрессию.
Таким образом, декремент затухания изменяется с изменением добротности механического контура при аариации нагрузки. Изменение во времени количества циклов -свободных колебаний, непосредственно связанных с добротностью основного контура системы, отображают закон изменения усилий нормального давления, что и положено в основу .автоматического управления и стабилизации интенсивности теплового излучения в зоне контакта.
Предлагаемый способ автоматического управления акустическим режимом ультразвуковой сварки осуществляют следующим образом.
Устройство, реализующее способ, обеспечивает два основных режима автоматического управления ультразвуковыми колебаниями: при ультразвуковом резании материалов и при их ультразвуковой сварке; при рассечении патологических структур стекловидного тела глаза и при коагуляции сетчатки.
Устройство, реализующее данный способ (фиг. 1), содержит типовой ультразвуковой генератор, состоящий
961902 из задающего генератора 1, амплитудного усилителя 2, усилителя 3 мощности и системы 4 стабилизации резонансной частоты и заданной амплитуды, электронный коммутатор 5, который обеспечивает поочередное подключение: пьеэопреобразователя 6 либо к цепи возбуждения ультразвуковых колебаний, либо к цепи регистрации (измерения) числа циклов сйободных колебаний, пьезоэлектрический преобразователь 6 для возбуждения ультразву ковых колебательных смещений рабочей части инструмента через экспоненциальный концентратор 7, преобразователь 8 акустической эмиссии, усилитель 9 управления и формирования сигнала управления. Цепь регистрации числа циклов свободных колебаний включает в себя сигнальный усилитель
10, детектор 11;- усилитель-ограничитель 12, электронный ключ 13, управляемый триггер 14, счетчик 15, преобразователь 16 код — напряжение, схема 17 сравнения, усилитель 18, гейератор 19 пилообразного напряжения, пороговый элемент 20, дифферен-. цирующее звено 21, а также блок 22 автоматического управления временем воздействия мощных ультразвуковых колебаний.
Для усиления и одновременного преобразования продольных колебательных смещений, возбуждаемых преобразователем 6 на рабочей части инструмента, экспоненциальный концентратор, 7 выполнен с витыми канавками, связанными между собой перемычкой, подобно сверлу, которые наряду с усилением ультразвуковыхколебаний преобразовывают продольные колебания в комплексные колебания с преобладанием крутильной составляющей.
Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа применительно к глазной хирургии, поскольку именно проведение внутриглазных операций предъявляет повышенные требования. к надежности и точности управления акустическим режимом ультразвуковой сварки, например, при коагуляции сетчатки к сосудистой и к склере для восстановления зрительной функции глаза.
Включением заданных маломощных комплексных ультразвуковых колебаний
3-5 мкм исключают молекулярное сцепление и используют их как сигнал, несущий информацию о нагруженности ийструмента и моменте включения комплексных мощных колебательных смещений с амплитудой 35-40 мкм при создании нагрузки на рабочей части инструмента, например, при рассечении плотных патологических структур стекловидного тела, производят авто- матически, для чего регистрируют перераспределение узлов и пучностей продольных и изгибных составляющих колебательных смещений с помощью преобразователя 8, установленной на волноводной части инструмента, и формируют управляющий сигнал. Для формированиясигнала управления амплитудой колебаний сигнал преобразователя 8 усиливают усилителем 9 управления и с его помощью же форми-
10 руют сигнал управления коэффициентом усиления усилителя 2.
Мощные ультразвуковые колебания на рабочей части Инструмента (с амплитудой 2A — 35-40 мкм) разрушают
)5 плотные структуры стекловидного тела, исключая (уменьшают) тем самым нагрузку на рабочей части инструмента, а следовательно, уменьшается и исчезает управляющий сигнал на
20 выходе преобразователя 8, и в системе вновь включаются маломощные ультразвуковые колебания (с амплитудой
2E. — 3-5 мкм).
Таким образом, момент включения 5 мощных ультразвуковых (УЗ) колебаний, время их действия до полного гарантированного рассечения тяжей (снятия нагрузки) определяют автоматически с помощью цепи обратной связи, состоящей из преобразователя
8 и усилителя 9 управления и формирования управляющего сигнала.
В отличие от режима резания различных материалов (в данном случае рассечения плотных структур стеклоЗ5 видного тела) в процессе сварки (коагуляции сетчатки) нагрузка на рабочей части инструмента всегда существует за счет наличия усилия нормального давления, необходимого
40 для создания плотного акустического контакта. В связи с этим в процессе коагуляции сетчатки (сварки) момент включения мощных УЗ колебаний осуществляют автоматически посредством
45 цепи, образованной блоками 8 и 9, аналогично режиму резания рассечения, а время действия мощных колебаний с последующим автоматическим отключением контролируют с помощью
50 контура системы, образованной блоками 10-22.
Плотный акустический контакт свариваемых поверхностей создают путем приложения усилий нормального давле ния через рабочий инструмент, оснащенный преобразователем 6 возбуждения колебанйй и преобразователем 8 регистрации перераспределения узлов и пучностей продольной составляющей .колебательных движений рабочей части инструмента при вариации нагрузки. Причем, в зависимости от технологических возможностей, требований и условий проведения сварки создание плотного акустического кон65 такта могут производить и без возбуж961902
65 дения на рабочей части инструмента маломощных колебаний с амплитудой
3-5 мкм. В таком случае момент вклю.чения мощных УЗ колебаний осуществляют вручную или по заданной программе, воздействуя на усилитель 9 управления, который. управляет задатчиком коэффициента усиления усилителя 2 меняющегося напряжения. Время.воздейст. вия мощных УЗ колебаний, определяющее энергию, необходимую для образования надежного соединения, контролируют блоком 22 регистрации времен воздействия мощных УЗ колебаний, с помощью которого по истечении заданного времени, автоматически отключают мощные УЗ колебания, воздействуя посредством усилителя 9 управления на усилитель 2 меняющегося напряжения.
Для стабилизации интенсивности теплового излучения в зоне контакта при вариации усилий нормального давления (прижатия), возбуждение мощных УЗ колебаний осуществляют перио-, дически в импульсном режиме с помощью автоматического переключения электронным коммутатором 5 преобразователя б то к цепи возбуждения к выходу усилителя 3 мощности, то к входу сигнального усилителя 10 цепи измерения регистрации декремента затухания или числа циклов свободных колебаний, образованной последовательно включенными сигнальным усилителем 10, детектором 11, усилителемограничителем 12, электронным ключом 13, управляемым триггером 14 .со счетным входом, счетчиком 15 в двоично-десятичном коде и преобразователем 16 код — напряжение.
Свободные колебания с пьезоэлектрического преобразователя б через электронный коммутатор 5 подают для усиления на вход сигнального усилителя 10, после чего детектируют .детектором 11, далее усиливают усилителем-ограничителем 12 до ограничения по амплитуде, т.е. преобразовывают их в прямоугольные импульсы одинаковой амплитуды и через управляемый электронный ключ 13 триггером
14 подают для считывания на вход счетчика 15. С помощью последнего считывают число импульсов, соответствующее числу циклов свободных колебафй, меняющихся с изменением добротности механического контура при вариации нагрузки, а преобразователем код — напряжение 16 формируют управляющий сигнал в аналоговой форме, который изменяется пропорционально числу циклов свободных колебаний, меняющихся с изменением добротности механического контура инструмента при вариации усилий нормального давления на его рабочей части.
Управляющий сигнал на выходе бло- ка 16, меняющийся пропорционально числу циклов свободных колебаний, а следовательно, вариации усилий нормального давления, принципиально представляется возможным использовать для стабилизации интенсивности теплового излучения следующими методами управления; управляя величиной амплитуды УЗ колебательных смещений, например, изменяя коэффициент усиления усилителя 2 меняющегося напряжения; изменяя частоту следования прямоугольных импульсов, управляющих периодичностью возбуждения мощных
УЗ колебаний, например, изменяя частоту колебаний генератора 19 пилообразноимпульсного напряжения, поддерживая другие параметры постоянными; изменяя длительность импульсов воздействия мощных УЗ колебаний, используя принцип широтноимпульсной модуляции, пример реализации которого показан на фиг. 1.
Однако во всех случаях возбуждение мощных УЗ колебаний осуществляют периодически. Причем в один полупериод возбуждают мощные УЗ колебания, а во второй — регистрируют декремент затухания или число циклов свободных колебаний и формируют управляющий сигнал, пропорциональный вариации нагрузки, затем в течение последующего полупериода возбуждения мощных УЗ колебаний всякий раз автоматически корректируют (изменяют) длительность импульса интенсивного ультразвукового воздействия.
Частоту переключения из режима возбуждения на режим измерения задают генератором 19 пилообразноимпульсного напряжения, а длительность импульса возбуждения формируют на основе сравнения выходного сигнала блока
16 код — напряжение с аналоговым сигналом задатчика допустимой величины температуры на втором входе схемы 17 сравнения с последующим сложением сумматором 18 полученного разностного сигнала с сигналом пилообразноимпульсного напряжения на выходе генератора 19. Используя принцип широтноимпульсного преобразования, с помощью порогового элемента
20 формируют прямоугольные импульсы переменной длительности, которыми и управляют частотой переключения электронного коммутатора 5, а продифференцированным звеном 21 сигна,лом прямоугольных импульсов управляют сбросовым входом счетчика 15 и работой электронного ключа 13 посредством триггера 14 счетным входом, обновляя за каждый полупериод показание счетчика 15, а следовательно, и выходное напряжение управления на выходе преобразователя 16
961902
25 код — напряжение в зависимости от вариации нагрузки.
Оптимальную длительность прямоугольных импульсов возбуждения мощных УЗ колебаний задают в виде аналогового напряжения на втором 5 входе схемы 17 сравнения, на первый вход которой подают аналоговое напряжение в виде обратной связи, пропорциональное вариации нагрузки.
Таким образом, изменяя делитель 10 .прямоугольных импульсов, обеспечи° вающих время возбуждения мощных УЗ колебаний преобразователем б, пропорционально вариации активной составляющей нагрузки, связанной с !5 вариацией усилия нормального давления, стабилизируют интенсивность. теплового излучения в зоне контакта.
Затем, контролируя время воздействия мощных ультразвуковых колебаний блоком 22 при постоянной ин- тенсивности теплового излучения, определяют (контролируют) оптимальную тепловую энергию, необходимую для образования надежного соединения.
Время воздействия интенсивного стабилизированного теплового излучения в зоне контакта регистрируют путем считывания заданного числа прямоугольных импульсов с помощью блока 22 управления временем воздействия.
При достижении заданного числа прямоугольных импульсов на втором входе блока 22, соответствующего оптимальной температуре в зоне кЬнтакта, на его выходе появляется сигнал, 35 отключающий возбуждение мощных ультразвуковых колебаний, посредством воздействия через усилитель 9 управления на. управляющий вход усилителя
2 меняющегося напряжения. 40
Предлагаемый способ позволяет полностью автоматизировать процесс управления акустическим режимом работы ультразвукового генератора для самых различных технологических 45 процессов, косвенно контролировать и поддерживать оптимальную температуру в зоне контакта без использования каких-либо термочувствительных элементов, стабилизировать интенсив- 5О ность теплового излучения в зоне контакта при значительной вариации усилий нормального давления.
Указанные воэможности значительно расширяют область применения способа управления акустическим режимом в самых различных областях народного хозяйства. Наиболее эффективно использование способа при ультразву-
"ковой сварке элементов в радиомикроэлектронике, вычислительной технике и, особенно, в медицинской практике.
Предлагаемый способ управления акустическим режимом ультразвуковой сварки с применением специального ультразвукового инструмента и уст- 65 ройство для его осуществления позволяют проводить внутриглазные операции для категории больных, ранее считавшихся не операбельными, у которых витреальные пленки, тяжи и шварты в стекловидном теле удерживают отслоенную сетчатку и не позволяют репозировать ее на место, а также проводить операцию в условиях офтальмоскопического контроля.
Формула изобретения
1. Способ автоматического управления акустическим режимом ультразвуковой сварки, основанный на определе-, нии добротности колебательной системы, создании плотного акустического контакта между инструментом и соединяемыми элементами путем приложения усилия нормального давления, возбуждении периодических, регулируемых по длительности импульсных ультразвуковых сварочных колебаний и управлении энергией колебаний в зависимости от изменения нагрузки колебательной системы и ее добротности, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварки за счет стабилизации интенсивности теплового излучения и обеспечения заданной энергии в зоне сварки при действии разлйчных возмущений, после каждого импульса возбуждения ультразвуковых сварочных колебаний измеряют декремент затухания колебательной системы по числу циклов ее свободных колебаний и по измеренной величине декремента затухания регулируют длительность последующего импульса возбуждения ультразвуковых сварочных колебаний.
2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью автоматического контроля акустического контакта инструмента и соединяемых элементов, переД возбуждением ультразвуковых сварочных .квлебаний, формируют комплексные маломощные ультразвуковые колебания, определяют перераспределение узлов и пучностей продольных составляющих ультразвуковых колебательных смещений на волноводной части инструмента, и по величине
„перераспределения узлов и пучностей определяют качество акустического контакта-, после чего формируют ультразвуковые сварочные колебания с заданной энергией.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Волков С.С., Орлов Ю.Н., Черняк Б.Я. Сварка пластмасс ультразвуком.И.,"Химия",1974,с.213-214.2. Авторское свидетельство СССР по заявке . Р 2975814/25-27, кл. В 23 К 20/10, 1980 (прототип).
961902
Тираж 1153 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Заказ 7362/17
Филиал ППП Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4
Составитель В. Катин
Редактор Н. Гришанова Техред Т.фанта Корректор М. Демчик
