Automatycznie sterowany ultradźwiękowy generator mocy

Generator przeznaczony jest do zastosowania w zgrzewarkach ultradźwiękowych oraz systemach zgrzewania/wycinania ultradźwiękowego służących do spajania i/lub wycinania materiałów z tworzyw sztucznych oraz zgrzewania metali. Technologia ta jest znacznie bardziej ekologiczna i energooszczędna oraz daje w wyniku spoiny o znacznie większej jakości niż przy dotychczas stosowanych tradycyjnych metodach spajania. Dlatego też metody ultradźwiękowego spajania/wycinania stają się coraz powszechniej stosowane.

Instytut Tele- i Radiotechniczny od lat zajmuje się opracowywaniem i wdrażaniem systemów zgrzewania ultradźwiękowego. Na rysunku 1 przedstawiono przykład zgrzewarki ultradźwiękowej, służącej do spajania materiałów z włókniny, natomiast na rysunku 2 przedstawiono system zgrzewania ultradźwiękowego do łączenia siatki z włókien szklanych z profilami kątowymi PCV [6]- produkowanych w ITR.

Rys. 1. Przykład zgrzewarki ultradźwiękowej	Rys. 2. Przykład systemu zgrzewania ultradźwiękowego

Jednym z głównych elementów systemu zgrzewania ultradźwiękowego jest układ drgający składający się z przetwornika elektromechanicznego dużej mocy, falowodu – służącego do zwiększenia amplitudy drgań mechanicznych oraz narzędzia zwanego sonotrodą. Na rysunku 3 przedstawiono przykład układu drgającego z sonotrodą prostopadłościenną, na rysunku 4 układ z sonotrodą w kształcie walca.

Rys. 3. Przykład układu drgającego z sonotrodą w kształcie prostopadłościanu	Rys. 4. Przykład układu drgającego  z sonotrodą w kształcie walca

Przetwornik elektromechaniczny o mocy kilku kilowatów wykonywany jest w postaci stosu przetworników z ceramiki piezoelektrycznej [1, 2]. Na rysunku 5 przedstawiono przykład przetwornika ultradźwiękowego dużej mocy.

Rys. 5. Przykład przetwornika ultradźwiękowego o mocy 3 kW

Główne problemy z zasilaniem przetwornika w procesie zgrzewania ultradźwiękowego

Głównym problemem występującym w czasie procesu zgrzewania jest zapewnienie właściwej stabilizacji mocy dostarczanej do elementu wykonawczego-sonotrody, a co za tym idzie regulacji parametrów zasilania w czasie rzeczywistym. Charakterystyki częstotliwościowe impedancji przetwornika ultradźwiękowego podczas procesu zgrzewania ulegają ciągłym zmianom pod wpływem zmian takich wielkości, jak: siła docisku sonotrody do materiału zgrzewanego, temperatura układu drgającego oraz zmiany w samym materiale zgrzewanym.

Materiał w czasie procesu zgrzewania zaczyna płynąć, zmieniając tym samym wypadkową impedancję obciążenia, widzianą na zaciskach generatora. Podobny wpływ mają niejednorodności w materiale zgrzewanym. Na rysunku 6 przedstawiono wpływ zmiany charakterystyk częstotliwościowych impedancji przetwornika wskutek zmiany siły docisku sonotrody do materiału zgrzewanego. Zwiększenie siły docisku sonotrody powoduje zwiększenie obciążenia przetwornika, co reprezentowane jest zwiększeniem wartości rezystancji R w jego elektrycznym układzie zastępczym [1, 2] przedstawionym na rys. 7.

Rys. 6. Zmiana charakterystyk częstotliwościowych impedancji przetwornika pod wpływem zmian obciążenia.

Są to stosunkowo duże poziomy amplitud i mocy w tym zakresie częstotliwości, co narzuca wysokie wymagania na stopień mocy [3] i układ sterowania generatora. Dodatkowym problemem jest tu bezwładność układu drgającego, charakteryzująca się stałą czasową wynoszącą od 1 do 3 ms.

Budowa i funkcje generatora - schemat blokowy

Rys. 8. Schemat blokowy generatora.

Układ sterowania i pomiarów

W celu uzyskania dużej rozdzielczości przestrajania oraz zminimalizowania wstępnej obróbki cyfrowej sygnałów pomiarowych opracowano układ cyfrowej syntezy sygnałów sterujących stopniem mocy oraz synchronicznych z nimi sygnałów próbkujących. Schemat blokowy układu sterowania i pomiarów przedstawiono na rys. 9. Na schemacie zastosowano następujące oznaczenia:

• SM – stopień mocy
• O – obciążenie
• UA – układy akwizycji danych pomiarowych
• CPLD – złożony programowalny układ logiczny
• UFFP – układ formowania przebiegu prostokątnego
• FDP – filtr dolnoprzepustowy
• DDS – syntezer częstotliwości
• DSP – procesor sygnałowy

Rys. 9. Schemat blokowy układu sterowania i pomiarów

Zalety przedstawionego układu sterowania i pomiarów są następujące:

• Zastosowanie cyfrowej syntezy częstotliwości umożliwia uzyskanie liniowej regulacji częstotliwości sygnałów sterujących falownikiem w zakresie 18...42 kHz z rozdzielczością 0.1 Hz oraz regulację ich wypełnienia z rozdzielczością 0,1%;
• Zastosowanie sprzętowego próbkowania koherentnego upraszcza obróbkę wstępną sygnałów pomiarowych przed realizacją FFT;
• W połączeniu z procesorem DSP układ pozwala na pomiar impedancji układu drgającego oraz pomiar mocy czynnej w czasie rzeczywistym.

Cyfrowe sprzężenie zwrotne

W pętli cyfrowego sprzężenia zwrotnego, przedstawionej na rys. 10, następuje:

• dostrajanie i śledzenie optymalnej (dla danej technologii), częstotliwości pracy układu drgającego,
• stabilizacja mocy czynnej dostarczanej do układu drgającego [4].

Stabilizacja mocy czynnej pozwoliła na kształtowanie cyklu zgrzewania ultradźwiękowego w postaci funkcji mocy czynnej w czasie [5], co jest rozwiązaniem nowatorskim w skali światowej i znacznie usprawnia opracowywanie nowych technologii zgrzewania ultradźwiękowego.

Rys. 10. Cyfrowe sprzężenie zwrotne.

Stopień mocy

Stopień mocy zrealizowano w postaci falownika rezonansowego [3], co zapewnia wysoką sprawność generatora i stosunkowo niewielkie jego gabaryty i masę:

• Szerokość: 240 mm
• Wysokość: 284 mm
• Głębokość: 371 mm
• Masa: 8 kg
• Moc dysponowana: 6 kW, dla pracy ciągłej.

Widok generatora przedstawiono na rysunku 11.

Oprogramowanie generatora

Oprogramowanie generatora realizuje funkcje takie jak:

• Kontrola dostępu użytkowników;
• Dziennik zdarzeń;
• Komunikacja z panelem sterowania i/lub systemem nadrzędnym;
• Wizualizacja: parametrów procesu, wyników pomiarów, komunikatów, dziennika zdarzeń;
• Edycja: parametrów układu drgającego, nastaw zabezpieczeń, parametrów procesu;
• Pomiar sygnałów o częstotliwościach ultradźwiękowych;
• Pomiar sygnałów zasilających;
• Pomiar wielkości technologicznych: siły docisku narzędzia do materiału, energii dostarczonej do spoiny;
• Funkcje zabezpieczeniowe stopnia mocy;
• Funkcje zabezpieczeniowe układu drgającego;
• Funkcje zabezpieczeniowe zapewniające powtarzalność procesu technologicznego;
• Dostrajanie i nadążanie za częstotliwością rezonansową układu drgającego;
• Stabilizacja mocy czynnej dostarczanej do układu drgającego;
• Automatyki procesu zgrzewania: miękki start i stop ultradźwięków, pozycjonowanie narzędzia, pozycjonowanie kurtyny, realizacja cyklu zgrzewania.

Przewidywane obszary dalszych zastosowań automatycznie sterowanego ultradźwiękowego generatora mocy

• W dziedzinie technologii zgrzewania ultradźwiękowego do badania jakości spoiny w funkcji dostarczanej mocy czynnej;
• W dziedzinie myjek ultradźwiękowych do badania kawitacji w funkcji częstotliwości i mocy;
• Po wyposażeniu w odpowiedni interfejs komunikacyjny i rozszerzeniu funkcji sterowania możliwość budowy wirtualnego przyrządu pomiarowego do pomiarów i diagnostyki przetworników dużej mocy z uwzględnieniem zjawisk nieliniowych;
• Wszędzie tam, gdzie wymagana lub korzystna jest stabilizacja mocy czynnej na zadanym poziomie, jak np. w hydrolokacji.

Praca realizowana była częściowo w ramach projektu nr N N510 601840 pn.: „Komputerowy system pomiarowy do estymacji wartości parametrów oraz diagnostyki przetworników ultradźwiękowych dużej mocy”.

Autorzy:

mgr inż. PIOTR KLUK, inż. PAWEŁ KOGUT, prof. dr hab. inż. ANDRZEJ MILEWSKI

Instytut Tele- i Radiotechniczny, Warszawa

Literatura:

[1] Prokic: Piezoelectric Transducers Modeling and Characterization. e-book from http://www.mpiultrasonics.com, Published in Switzerland by MPI, Copyright © by MPI, August 2004.

[2] Radmanović M. Đ., Dragan D. Mančić: Designing and Modelling of the Power Ultrasonic Transducers. monographic e-book from http://www.mpi-ultrasonics.com, Published in Switzerland by MPI, Copyright © by MPI, 2004, ISBN 86-80135-87-9.

[3] Chudorliński J., W. Kardyś: Zastosowanie falowników rezonansowych w generatorach ultradźwiękowych. Elektronika, nr 7/2010.

[4] Brylski M.: Nadążna regulacja mocy czynnej dostarczanej do zespołu drgającego w systemie zgrzewania ultradźwiękowego. Elektronika, nr 7/2010.

[5] Brylski M.: Kształtowanie cyklu zgrzewania ultradźwiękowego w postaci funkcji mocy czynnej w czasie. Elektronika, nr 7/2010.

[6] Nafalski L., B. Młynarski, Ł. Krzemiński: Zastosowanie technologii zgrzewania ultradźwiękowego do łączenia siatki z włókien szklanych do profili kątowych PCV. Elektronika, nr 7/2010.