Automatycznie sterowany ultradźwiękowy generator mocy

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.