專利名稱：對(duì)超聲波焊接探頭提供功率控制的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及超聲波功率供應(yīng)，更具體地，涉及對(duì)用于超聲波焊接或其它需要超聲波能量的應(yīng)用的共振超聲波堆棧組件提供功率的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超聲波焊接在制造環(huán)境中對(duì)于連接組成部件是一種有效的技術(shù)。當(dāng)制造例如汽車零件、醫(yī)療產(chǎn)品和其它工業(yè)或消費(fèi)產(chǎn)品時(shí)，超聲波焊接的應(yīng)用包括焊接塑料部件和結(jié)構(gòu)。
在現(xiàn)有的超聲波焊接設(shè)備中，超聲波發(fā)生器包括很多部件來控制并調(diào)節(jié)提供給超聲波負(fù)載的功率。在很多這種現(xiàn)有的超聲波發(fā)生器中，大多數(shù)設(shè)計(jì)使用的構(gòu)造和封裝方法不容易組裝和維修，或者可選的系統(tǒng)特征在現(xiàn)場(chǎng)不能容易地升級(jí)。另外，通過利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，封裝系統(tǒng)的功率密度相當(dāng)?shù)?。大多?shù)現(xiàn)有的超聲波發(fā)生器也使用模擬器件，這樣限制了可結(jié)合到設(shè)計(jì)中的可調(diào)整的控制方法。另外，由于在設(shè)計(jì)中大部分使用模擬器件，超聲波發(fā)生器將結(jié)合更多電路，對(duì)噪聲有更大的靈敏度，并且將需要更大量的電路板器件空間。
因此，超聲波功率供應(yīng)需要實(shí)現(xiàn)模塊化、緊湊結(jié)構(gòu)、可以容易地裝配、簡單地進(jìn)行系統(tǒng)缺陷診斷、模塊的易維護(hù)性、容易在現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的可選特征、小物理尺寸和附加系統(tǒng)安裝方法。超聲波焊接設(shè)備還需要實(shí)現(xiàn)大部分器件數(shù)字化、得到更好的靈活性、更小的尺寸以及附加的特征。
發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供一種超聲波發(fā)生器。該發(fā)生器包括用于接收功率信號(hào)的輸入模塊，用于輸出超聲波信號(hào)的輸出模塊，以及與輸入模塊和輸出模塊耦合的母板。該母板包括適用于控制輸入模塊和輸出模塊的數(shù)字控制器。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種產(chǎn)生超聲波信號(hào)的方法，該方法包括提供輸入模塊用于接收功率信號(hào)。還提供用于輸出超聲波信號(hào)的輸出模塊。母板與輸入模塊和輸出模塊耦合。該母板包括適用于控制輸入模塊和輸出模塊的數(shù)字控制器。
仍然依據(jù)本發(fā)明中的另一個(gè)實(shí)施例，一種測(cè)試超聲波發(fā)生器功率的方法，該方法包括傳輸測(cè)試信號(hào)到輸入模塊，用于測(cè)試輸入的功率供應(yīng)。響應(yīng)正測(cè)試結(jié)果，傳輸測(cè)試信號(hào)到多個(gè)總線，用于測(cè)試內(nèi)部功率供應(yīng)。響應(yīng)于內(nèi)部功率供應(yīng)的正測(cè)試結(jié)果，向輸出功率供應(yīng)傳輸測(cè)試信號(hào)。響應(yīng)于輸出功率供應(yīng)的正測(cè)試結(jié)果，允許超聲波發(fā)生器的全部操作。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種超聲波發(fā)生器操作方法。該方法包括提供輸入模塊、輸出模塊和將母板與輸入模塊和輸出模塊耦合。通過母板選擇調(diào)節(jié)控制，從而這種調(diào)節(jié)控制可在多種增量中調(diào)整。
仍然依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種防止超聲波發(fā)生器過載跳閘的方法，該方法包括取樣超聲波發(fā)生器的功率水平。取樣的功率水平和預(yù)定過載功率水平相比較。響應(yīng)于取樣的功率水平大于預(yù)定過載功率水平，一旦過去了預(yù)定的時(shí)間就激活跳閘。預(yù)定時(shí)間與取樣的功率水平相關(guān)。
仍然依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種防止超聲波發(fā)生器過載跳閘的方法，該方法包括取樣超聲波發(fā)生器的功率水平。然后確定取樣的功率是否在過載跳閘水平的設(shè)定百分比之內(nèi)。響應(yīng)于取樣功率在過載跳閘水平的設(shè)定百分比之內(nèi)，減少取樣功率的振幅。
仍然依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種用于超聲波發(fā)生器的設(shè)置超聲波諧振頻率的方法。該方法包括在超聲波發(fā)生器使用時(shí)測(cè)量諧振頻率和關(guān)于諧振頻率設(shè)置相位鎖定回路。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，一種超聲波發(fā)生器的輸出振幅安全下降的方法，該方法包括激活在超聲波發(fā)生器中的斜線下降振幅控制算法，在預(yù)定的時(shí)間周期內(nèi)逐漸減少超聲波發(fā)生器的輸出振幅。通過當(dāng)振幅轉(zhuǎn)到突然關(guān)閉時(shí)減少在周期結(jié)束時(shí)引入的應(yīng)力，該方法使超聲波堆棧的不同組件的工作壽命延長，例如超聲焊極(觸頭)、調(diào)壓器和轉(zhuǎn)換器。
依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供一種在超聲波發(fā)生器中達(dá)到設(shè)定振幅的方法。該方法包括在超聲波發(fā)生器的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)多個(gè)曲線。每個(gè)曲線代表用于達(dá)到超聲波發(fā)生器的設(shè)定振幅的不同的方法。選擇存儲(chǔ)器中的多個(gè)設(shè)定曲線中的一個(gè)曲線。跟據(jù)選擇的曲線來達(dá)到超聲波發(fā)生器的設(shè)置振幅。
在附圖中 圖1示出了依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基本超聲波功率供應(yīng)的模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的超聲波發(fā)生器的分解圖； 圖2a、2b、2c和2d分別是由手動(dòng)或自動(dòng)控制系統(tǒng)控制的超聲波發(fā)生器的模塊化結(jié)構(gòu)的底座的透視圖、俯視圖、正視圖和前正視圖； 圖3a、3b、3c、3d和3e分別是包括具有選件的前面板處理控制器的超聲波發(fā)生器的模塊化結(jié)構(gòu)的底座的后透視圖、前透視圖、后正視圖、俯視圖和前正視圖； 圖4是表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例具有狀態(tài)指示的功率管理功能的流程圖； 圖5a、5b、5c和5d是使用依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同底座安裝選擇的透視圖； 圖6是依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的數(shù)字化超聲波功率供應(yīng)控制器的方塊圖； 圖7是依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的數(shù)字相位鎖定回路的方塊圖； 圖8是表示依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的有不同調(diào)節(jié)阻尼特性的多個(gè)可選調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線； 圖9是表示依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的有多個(gè)范圍選擇的遠(yuǎn)程振幅調(diào)節(jié)控制圖； 圖10是表示依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的有多個(gè)范圍選擇的遠(yuǎn)程功率調(diào)節(jié)控制圖； 圖11是表示依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的軟停機(jī)(soft-stop)功能圖； 圖12是表示依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的平均過載跳閘響應(yīng)時(shí)間圖； 圖13是表示依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例可以獲得圖12示出特性的過載跳閘響應(yīng)時(shí)間積分方法的流程圖； 圖14是表示依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例防止過載的方法的流程圖； 圖15是表示依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，通過更新空轉(zhuǎn)啟動(dòng)頻率，用于在特殊頻率鎖定相位鎖定回路并且跟蹤在其使用時(shí)頻率改變的方法的流程圖； 圖16是表示依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的最初啟動(dòng)以及然后選擇停止相位鎖定回路比較器跟蹤功能來維持以前捕獲的鎖定頻率方法的流程圖； 圖17是超聲波焊接堆棧向?qū)⒁附拥牟考斑M(jìn)的示意圖； 圖18是轉(zhuǎn)換器功率輸出作為部件上的力的函數(shù)的圖； 圖19是轉(zhuǎn)換器反饋電荷輸出作為部件上的力的函數(shù)的圖；和 圖20是啟動(dòng)焊接周期的“力觸發(fā)”系統(tǒng)的方塊圖。
具體實(shí)施例方式圖1表示基本超聲波功率供應(yīng)的模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中核心系統(tǒng)組件是輸入模塊10、輸出模塊11、匹配模塊12和將所有系統(tǒng)子部件連接起來的母板14。輸出模塊11包括溫度傳感器和恒溫控制電路，其按需要循環(huán)冷卻風(fēng)扇15的操作，從而冷卻功率轉(zhuǎn)換電路。母板14還包括支持可選特征的連接器，如前面板處理控制器面板16、LED狀態(tài)控制板19和支持個(gè)別選件板或支持多個(gè)選件板的選件卡盒的選件模塊連接器18。這種模塊設(shè)計(jì)方法使得當(dāng)需要時(shí)有多個(gè)不同的系統(tǒng)裝配變化，有寬范圍的可選特征。
圖2a、2b、2c和2d表示有安裝在底座上的子部件的基本水平超聲波功率供應(yīng)。圖1示出的核心子部件安裝在底座上并且用圖1中使用的相同附圖標(biāo)記識(shí)別。除了圖1中討論的子部件，還示出了完成超聲波功率供應(yīng)系統(tǒng)所需要的兩個(gè)其它面板。功率輸入面板20包括用于AC電源線輸入的連接器和調(diào)整的兼容電路保護(hù)設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，使用IEC兼容電源輸入連接器，它可以連接國際上使用的任何類型的電源線，還提供過電流保護(hù)的用作電源開關(guān)的組合電源開關(guān)電路斷路器。I/O系統(tǒng)面板22包括控制功率供應(yīng)操作的連接器。系統(tǒng)輸入連接器23提供輸入控制，從而外部控制系統(tǒng)可以激活或解除不同的功率供應(yīng)功能。如果需要時(shí)系統(tǒng)輸出連接器24對(duì)外部控制系統(tǒng)提供系統(tǒng)操作狀態(tài)輸出信號(hào)。配置端口連接器25向運(yùn)行兼容軟件應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)提供串行通訊連接，該應(yīng)用程序可以修改并在母板存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)設(shè)置參數(shù)。連接器25還包括用于來自功率供應(yīng)的超聲波輸出26的連接器，該連接器連接到兼容的超聲波轉(zhuǎn)換器，其將超聲波輸出功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
恒溫控制的冷卻風(fēng)扇15引導(dǎo)來自功率供應(yīng)底座外部的寒冷空氣，通過從輸出模塊電源轉(zhuǎn)換器上的散熱器上伸出的冷卻翅片，越過在匹配模塊上的阻抗匹配磁性組件，并從底座遠(yuǎn)端的冷卻通道排氣口排出。這種設(shè)計(jì)引導(dǎo)冷空氣流過散發(fā)熱量的功率轉(zhuǎn)換器組件來實(shí)現(xiàn)有效的冷卻效率。冷卻空氣還限定在冷卻通道區(qū)域27之內(nèi)，這樣塵土或其它來自底盤外部的環(huán)境污染物不會(huì)沉積在其內(nèi)部封裝的電子電路板上。
幾個(gè)可選子部件也在圖1中示出來，說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)成支持不同可選部件的連接，該部件具有可進(jìn)一步增強(qiáng)總體系統(tǒng)功能性的特征?？蛇x狀態(tài)控制面板28被示出連接到母板狀態(tài)控制面板連接器19。該面板28包括用于系統(tǒng)錯(cuò)誤、功率錯(cuò)誤和超聲波激活的LED狀態(tài)指示器29。面板28還包括用于激活測(cè)試目的的超聲波輸出的控制開關(guān)30和用于當(dāng)需要時(shí)停止超聲波輸出的ON/OFF線控制開關(guān)?？梢岳斫饪商峁┚哂胁煌卣鞯钠渌蛇x狀態(tài)控制板模塊。圖1中還示出了連接到母板選件連接器18的選件模塊32。在底座的這種結(jié)構(gòu)中，只安裝一個(gè)選件模塊?？梢缘玫讲煌倪x件板功能，用戶將選擇最適合于其特殊超聲波處理的模塊。
圖1示出了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何導(dǎo)致緊湊的底座，該底座容易安裝、取消了低功率束線，并且如果需要的話系統(tǒng)可以配置不同選件模塊。這種設(shè)計(jì)方法也使得容易分析系統(tǒng)問題，并且如果需要，服務(wù)人員可以容易地更換失效的子部件。
圖3a、3b、3c、3d和3e表示在底座上安裝了子部件的更優(yōu)選的超聲波功率供應(yīng)。圖1中示出的核心子部件安裝在底座上并且使用與圖1中使用的相同附圖標(biāo)記來表示。除了圖1中所示的子部件，圖2a、2b、2c和2d中示出的大多數(shù)子部件也出現(xiàn)在圖3a、3b、3c和3d中。和基本系統(tǒng)一起使用的狀態(tài)控制面板在優(yōu)選系統(tǒng)中用前面板處理控制部件31替代，該前面板處理控制部件31連接到前面板母板連接器16。前面板母板連接器設(shè)計(jì)成和多個(gè)前面板設(shè)計(jì)共同操作，提供在不同成本水平的多個(gè)特征。在基本系統(tǒng)(例如圖2a、2b、2c和2d)中看做前面板的部件在安裝有前面板控制器的優(yōu)選系統(tǒng)中成為后面板。優(yōu)選系統(tǒng)的底座在深度上略微增加以容納選件卡盒34，該選件卡盒可以支持多種選件模塊36。選件卡盒連接器18設(shè)計(jì)成支持有多種特征的選件卡，當(dāng)需要時(shí)還支持將來的設(shè)計(jì)。
選件卡盒34直接連接到母板并且設(shè)計(jì)成接收選件模塊36。示出的選件模塊36可以包括支持個(gè)別特征的卡，如用于控制不同類型超聲波焊接壓力，并且提供多個(gè)數(shù)據(jù)通訊接口端口。選件卡盒34設(shè)計(jì)成允許用戶從系統(tǒng)封裝的外面進(jìn)入所有的選件模塊槽，而不需要移除封裝蓋。選件模塊還安全地安裝在選件模塊卡盒34中，而不需要任何工具，在本實(shí)施例中使用被栓住的蝶形螺釘附件。
在一些系統(tǒng)中，需要配置前面板電源開關(guān)38，如在安裝支架的底座中，安裝在封密的后面板上的電源開關(guān)是難以接近的。用在特殊實(shí)施例中的前面板電源開關(guān)38是照亮按扭型開關(guān)。這種類型的開關(guān)還用于向操作者提供電源狀態(tài)指示，在優(yōu)選系統(tǒng)配置中用圖示的LCD面板而不包括其它電源狀態(tài)指示器。電源狀態(tài)指示器功能的詳細(xì)說明在下面描述。
上面描述的每個(gè)核心和可選模塊包括EEPROM或和母板14通訊的其它設(shè)備，從而母板14可以決定什么模塊連接到母板上。EEPROM包括關(guān)于模塊的所有必需信息，如部件編號(hào)、最大功率水平、頻率、生產(chǎn)日期、系統(tǒng)運(yùn)送時(shí)間、固件或可編程邏輯的版本信息、升級(jí)記錄、工廠測(cè)試數(shù)據(jù)、維修歷史數(shù)據(jù)和對(duì)跟蹤模塊有用的任何其它信息。母板14可以將這些信息傳遞到前面板控制器32來顯示或當(dāng)前面板控制器沒有安裝時(shí)傳遞到配置端口25。
EEPROM還包括這樣的信息，該信息使母板14調(diào)整設(shè)置控制參數(shù)以適應(yīng)連接的模塊。例如，如果用戶插入了20kHz的匹配模塊，母板將讀取該匹配模塊中的EEPROM，確定它是一個(gè)20kHz的匹配模塊并且正確地在母板上預(yù)先設(shè)置控制寄存器，而不需要用戶的干預(yù)。另外，因?yàn)樗心K都插入母板，可以容易地安裝或更換不同的模塊。母板可以通過前面板控制器或配置端口報(bào)告模塊的缺失(不可讀的EEPROM)或安裝了不兼容的模塊，幫助容易查找故障以及修理系統(tǒng)。
發(fā)生器的高度取決于輸出功率水平。額定功率超過1200W的發(fā)生器封裝在高度大約4到大約6英寸之間的底座內(nèi)，優(yōu)選5.25英寸。額定功率是1200W或更小的發(fā)生器封裝在高度大約2.50到大約4.5英寸之間的底座內(nèi)，優(yōu)選大約3.5英寸。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4，將要描述供應(yīng)到或來自輸入模塊10的功率監(jiān)視操作方法的一個(gè)實(shí)施例。如上所述，輸入模塊10與外部的AC電源耦合，包括向輸出模塊11提供功率的DC電容器，并且直接連接到DC控制電源17。對(duì)于正確的系統(tǒng)操作，保證所有這些功率供應(yīng)在其正常規(guī)定水平內(nèi)操作是重要的。下面描述的方法利用輸入模塊10上的可編程邏輯芯片，在使發(fā)生器工作之前檢測(cè)電源的三個(gè)不同的參數(shù)，如果檢測(cè)到缺陷，通知用戶哪個(gè)參數(shù)是問題源。在步驟100，電源系統(tǒng)被激活。第一，在步驟102，系統(tǒng)檢測(cè)進(jìn)入輸入模塊10的AC電源對(duì)于設(shè)備是否在正常的操作范圍內(nèi)。正常的操作范圍是預(yù)置在輸入模塊10上的芯片內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，并且由超聲波發(fā)生器規(guī)定的操作范圍來決定。如果確定進(jìn)入輸入模塊10的AC電源不在該正常范圍內(nèi)，即存在低電壓(undervoltage)或超電壓，然后過程進(jìn)行到步驟104，并且指示燈29或38快速閃爍以向操作者指示問題。當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，在步驟105，POWER OK狀態(tài)輸出停止。在一些實(shí)施例中，指示燈29或38以大約2到大約6赫茲閃爍，當(dāng)然也可以使用其它閃爍速率。
如果確定AC電源工作在正常范圍之內(nèi)，然后在步驟106，確定DC總線電容器是否適當(dāng)?shù)貜恼鰽C線電壓輸入充電。DC電容器的充電取決于穿過電容器(未示出)的電壓量，該電容器位于超聲波發(fā)生器內(nèi)的輸入模塊10中。如果DC總線電容器沒有適當(dāng)?shù)爻潆?，然后過程進(jìn)行到步驟108，并且指示燈29或38以慢速閃爍。當(dāng)這個(gè)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，在步驟109停止POWER OK狀態(tài)的輸出。例如，在一些實(shí)施例中，指示燈29或38以約0.5到約1.5赫茲閃爍。
在步驟106如果確定DC總線電容器被適當(dāng)?shù)爻潆姡^程進(jìn)行到步驟110。在步驟110，確定DC電源水平是否在低電壓限之上。低電壓限可以預(yù)先編程到輸入模塊10上的可編程邏輯芯片，該低電壓限取決于系統(tǒng)電路的工作限制。如果DC電源水平低于低電壓限，則在步驟112，指示燈29或38穩(wěn)定地發(fā)光。當(dāng)這個(gè)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，在步驟114停止POWER OK狀態(tài)的輸出。但是，如果DC電源水平在低電壓限之上，則指示燈29或38關(guān)閉，所有的系統(tǒng)功能進(jìn)入正常工作。當(dāng)沒有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，在步驟116激活POWER OK狀態(tài)輸出。
如上面圖4所示，操作者可知通過觀察指示燈29或38來判斷超聲波焊接系統(tǒng)是否正常供電，如果沒有，判斷問題發(fā)生在何處。這個(gè)信息為用戶提供問題位于何處的指示，使得問題解決在成本上更有效。操作者不需要對(duì)每個(gè)不同的電源執(zhí)行分別的故障檢查來發(fā)現(xiàn)問題區(qū)域。替代地，指示燈29或38精確指出了問題發(fā)生的區(qū)域，使問題的解決更有效。在其它實(shí)施例中，警告信號(hào)可以用聲頻信號(hào)來代替視覺信號(hào)(如指示燈29或38)。根據(jù)哪個(gè)電源發(fā)生了錯(cuò)誤，警告可以以不同的時(shí)間間隔(快蜂鳴或慢蜂鳴)或以不同的頻率發(fā)聲。還可以用任何其它類型的可編程電路作代替來執(zhí)行和描述的本實(shí)施例使用的可編程邏輯芯片的同樣功能。
圖5表示可以使用模塊化部件結(jié)構(gòu)的幾個(gè)底座安裝的變形形式。標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階安裝類型封裝箱可以裝配有前面板控制器選件52或沒有這個(gè)選件50。底座設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)排架安裝變形通過在臺(tái)階安裝底座上增加支架安裝耳，設(shè)計(jì)成適合于標(biāo)準(zhǔn)19”架格安裝尺寸。直立底座安裝56，為了安裝進(jìn)入自動(dòng)系統(tǒng)架，也可以用于沒有處理控制前面板的基本級(jí)系統(tǒng)。如果需要處理控制面板，臺(tái)階安裝底座可以直立安裝，它將正常地安裝到所示的超聲波焊接壓力機(jī)54上。系統(tǒng)在低功率水平(1200W或更低)運(yùn)行比在高功率單元更適合于緊湊、低外形封裝。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖6，其示出了改進(jìn)的數(shù)字化超聲波功率供應(yīng)控制器的方塊圖。數(shù)字化控制系統(tǒng)用標(biāo)準(zhǔn)微控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具有單獨(dú)的固件控制算法，與獨(dú)特的可編程數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)和適當(dāng)設(shè)計(jì)的外部接口電路協(xié)作。數(shù)字控制板還作為系統(tǒng)母板。該板包括電連接器，該電連接器直接與核心超聲波功率供應(yīng)模塊子部件相連，而不需要任何束線。該數(shù)字控制器板設(shè)計(jì)中還包括幾個(gè)另外的連接器，設(shè)計(jì)成支持不同可選部件的連接，該可選部件具有將進(jìn)一步增強(qiáng)總系統(tǒng)功能性的特征。
核心系統(tǒng)子部件是從功率供應(yīng)輸出中產(chǎn)生超聲波能量所必需的。輸入模塊整流和濾波AC線輸入功率，并且從這個(gè)子部件監(jiān)視該輸入功率和輸出功率的狀態(tài)。輸出模塊用脈沖寬度調(diào)制電源轉(zhuǎn)換方法將來自輸入模塊的DC功率轉(zhuǎn)換成超聲波頻率的AC功率。該模塊還包括散熱片溫度傳感器以控制冷卻風(fēng)扇的操作和保護(hù)開關(guān)晶體管防止規(guī)定的安全操作區(qū)域曲線以外的峰值電流的峰值過載電路。匹配模塊有效地將來自輸出模塊的超聲波頻率的AC功率轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)超聲波負(fù)載的超聲波輸出功率，并且還向主控制器提供臨界模擬信號(hào)。這些信號(hào)用于計(jì)算超聲波輸出功率水平，以正確的諧振頻率驅(qū)動(dòng)輸出模塊并且調(diào)節(jié)超聲波振幅輸出水平。需要I/O系統(tǒng)連接器用于控制輸入信號(hào)和狀態(tài)輸出信號(hào)，其中該輸入信號(hào)用于激活超聲波輸出或其它外部控制的功能，該狀態(tài)輸出信號(hào)用于將系統(tǒng)的操作狀態(tài)連接到外部控制系統(tǒng)。還需要配置端口從而按需要來修改系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)或升級(jí)微控制器系統(tǒng)固件。
在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，嵌入的微控制器系統(tǒng)通過數(shù)字I/O端口、模擬輸入通道、I2C外部控制器和串行UART接口連接不同的系統(tǒng)子部件和選件。所有的核心系統(tǒng)子部件和選件板都裝配有閃爍的PROM存儲(chǔ)器設(shè)備，在工廠用可由微控制器讀取的識(shí)別信息預(yù)先編程。這種信息用于當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，基于安裝的模塊和選件，系統(tǒng)自動(dòng)地配置自己。該微控制器使用幾個(gè)模擬A到D通道，根據(jù)輸入模塊上引起的調(diào)節(jié)的功率輸出來監(jiān)視控制電源電壓水平，還根據(jù)輸入模塊上的功率管理電路監(jiān)視POWER OK狀態(tài)信號(hào)。這種設(shè)計(jì)包括連接到微控制器的幾個(gè)數(shù)字接口總線，因此它可以快速地和可編程邏輯內(nèi)部寄存器或雙端口RAM通訊，可以安裝前面板處理控制板和不同的選件卡。微控制器固件用固件算法編程，該固件算法控制超聲波輸出校準(zhǔn)特性、遠(yuǎn)程控制等級(jí)范圍、平均過載跳閘特性、軟停機(jī)功能、平均過載禁止算法、頻率跟蹤算法和頻率鎖定和保持功能，這將在下面部分進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
數(shù)字可編程邏輯設(shè)備結(jié)合用于一般目的的貫穿系統(tǒng)的數(shù)字輸入和輸出所需要的接口邏輯，還包括從微控制器任務(wù)卸載的時(shí)間臨界功能。改進(jìn)的數(shù)字相位鎖定回路在可編程邏輯設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，其鎖定零交叉比較電路感知的運(yùn)動(dòng)電橋輸出。還包括高速度多通道數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，其自動(dòng)執(zhí)行精確計(jì)算超聲波真正RMS功率水平需要的乘法和平均。該邏輯還包括可編程計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器產(chǎn)生用于在正確的諧振頻率驅(qū)動(dòng)輸出模塊的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，并且在傳導(dǎo)期間獲得可編程的超聲波校準(zhǔn)水平。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖7，它是改進(jìn)的數(shù)字相位鎖定回路(PLL)的方塊圖，在本實(shí)施例中其在可編程邏輯設(shè)備的設(shè)計(jì)之內(nèi)實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)包括包含在傳統(tǒng)數(shù)字相位鎖定回路設(shè)計(jì)內(nèi)的多個(gè)元件。該設(shè)計(jì)使用數(shù)字控制的振蕩器(NCO)來顯示相位鎖定頻率輸出，該輸出根據(jù)包括數(shù)字上/下計(jì)數(shù)器的積分控制模塊設(shè)置。包括比例控制模塊，該模塊包括當(dāng)感知到大的相位誤差時(shí)增加或減少額外計(jì)數(shù)的數(shù)字邏輯，從而系統(tǒng)可以在一個(gè)短時(shí)期內(nèi)鎖存到基準(zhǔn)信號(hào)中。數(shù)字相位比較器提供表示NCO輸出頻率和基準(zhǔn)頻率之間的相位誤差輸出信號(hào)，在這種情況下，是從運(yùn)動(dòng)電橋輸出信號(hào)導(dǎo)出的零交叉信號(hào)，該運(yùn)動(dòng)電橋輸出信號(hào)產(chǎn)生于驅(qū)動(dòng)的超聲波轉(zhuǎn)換器的匹配模塊。一個(gè)輸出信號(hào)檢測(cè)相位誤差是否是提前或滯后的，另一個(gè)信號(hào)輸出是等于相位比較器輸入之間的相位差的脈沖。這種設(shè)計(jì)改進(jìn)著重于控制這些基本模塊操作的功能模塊。
頻率控制寄存器模塊控制相位鎖定回路的捕獲范圍界限。頻率的上限和下限必需編入頻率控制模塊的寄存器的程序中。已編程的頻率界限確定相位鎖定回路的絕對(duì)捕獲范圍，系統(tǒng)不能鎖定比該界限高或低的頻率。模擬PLL電路一般不能被動(dòng)態(tài)編程以獲得特定的頻率捕獲范圍，同時(shí)這是在很多數(shù)字相位比較器電路中發(fā)現(xiàn)的普遍特征。當(dāng)基準(zhǔn)頻率沒有應(yīng)用到數(shù)字相位比較器基準(zhǔn)輸入，這是在超聲波電源中超聲波停止時(shí)的情況，NCO頻率將下降直到它達(dá)到編程的頻率下限值。超聲波電源的頻率操作范圍或捕獲范圍和系統(tǒng)的啟動(dòng)頻率是重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。理想的是超聲波負(fù)載工作在電源的頻率捕獲范圍中心附近，但是使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，啟動(dòng)頻率在頻率下限并且用于捕獲負(fù)載的諧振頻率，系統(tǒng)必須以幾百赫茲運(yùn)轉(zhuǎn)以鎖定正確的頻率和相位。改進(jìn)的PLL設(shè)計(jì)增加附加的控制寄存器來設(shè)置啟動(dòng)或空轉(zhuǎn)頻率。當(dāng)超聲波停止和零交叉基準(zhǔn)信號(hào)消失時(shí)，NCO將在空轉(zhuǎn)頻率設(shè)置點(diǎn)運(yùn)行。當(dāng)超聲波激活時(shí)，系統(tǒng)將繼續(xù)以空轉(zhuǎn)頻率操作，超聲波水平升高，直到由零交叉確認(rèn)模塊檢測(cè)到有效的零交叉信號(hào)。一旦檢測(cè)到有效零交叉信號(hào)，頻率控制模塊的邏輯從空轉(zhuǎn)頻率模式切換到相位鎖定模式，該相位鎖定模式允許上限和下限寄存器工作。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，頻率上限設(shè)置為21000赫茲，頻率下限設(shè)置為19000赫茲。標(biāo)稱的超聲波工作頻率是20000赫茲，因此空轉(zhuǎn)頻率也可以設(shè)置為20000赫茲。當(dāng)超聲波激活時(shí)，系統(tǒng)將開始以20000赫茲的空轉(zhuǎn)頻率驅(qū)動(dòng)電源輸出上的超聲波負(fù)載，并且當(dāng)運(yùn)動(dòng)電橋輸出水平增加到噪聲水平之上時(shí)，有效的零交叉信號(hào)將使系統(tǒng)可以對(duì)負(fù)載的實(shí)際諧振頻率進(jìn)行相位鎖定，該頻率大約是20037赫茲。系統(tǒng)只需要在大約37赫茲運(yùn)轉(zhuǎn)，而不是1037赫茲(沒有該空轉(zhuǎn)頻率寄存器)，并且可以更快地對(duì)頻率鎖定，對(duì)連接到電源輸出的超聲波負(fù)載具有較少的應(yīng)力。該操作可以用頻率跟蹤固件算法進(jìn)一步加強(qiáng)，該算法在后面部分進(jìn)行討論。使用這個(gè)可選操作模式，空轉(zhuǎn)頻率寄存器可以基于以前的操作周期動(dòng)態(tài)地設(shè)置。在上面的例子中，如果頻率跟蹤模式被啟用，空轉(zhuǎn)頻率寄存器可以動(dòng)態(tài)地設(shè)置為20035赫茲并且初始驅(qū)動(dòng)脈沖將在實(shí)際超聲波工作頻率的2赫茲之內(nèi)。數(shù)字PLL將以施加到超聲波負(fù)載上最小應(yīng)力的方式快速鎖定正確的頻率。
數(shù)字相位比較器模塊具有增加的控制輸入信號(hào)(頻率保持信號(hào))，該信號(hào)可以選擇地使該相位比較器功能無效。激活該信號(hào)將使相位比較器功能無效并且NCO頻率將被保持在當(dāng)前頻率。這種設(shè)計(jì)改進(jìn)能實(shí)現(xiàn)操作的頻率鎖定和保持模式，這在以后的部分進(jìn)行討論。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖8，比例積分微分器(PID)調(diào)節(jié)功能在固件中實(shí)現(xiàn)，允許用戶更多地控制振幅調(diào)節(jié)特性。在以前的超聲波發(fā)生器中，用于比例積分微分器的值由模擬硬件來確定。因此調(diào)節(jié)特性是固定的不能改變。如圖8所示，示出了用戶可以選擇的振幅相對(duì)于時(shí)間的響應(yīng)特性的三個(gè)不同的曲線。每一個(gè)響應(yīng)特性曲線都有一個(gè)標(biāo)記-快、中等和慢。用戶能夠在這三個(gè)不同的曲線中進(jìn)行選擇。在一些焊接應(yīng)用中，用戶希望盡快達(dá)到設(shè)定振幅，而不關(guān)心超過的情況(對(duì)于小超聲波觸頭)。在這種情況下，用戶可以選擇“快”曲線。做為選擇，用戶可能不關(guān)心多快能達(dá)到設(shè)定振幅(對(duì)于大的超聲波觸頭)，但是希望避免超過的情況。在這種情況下，用戶可以選擇“慢”曲線。希望較快到達(dá)設(shè)定曲線但是有最小超過的用戶可以選擇“中等”曲線(用于典型尺寸的超聲波觸頭)。這些選擇可以改變微控制器固件中的PID內(nèi)部控制參考系數(shù)，從而改變曲線。
如上所述，在以前的超聲波發(fā)生器中，因?yàn)镻ID變量是通過硬件部件值確定的，調(diào)節(jié)特性嵌入在模擬電路設(shè)計(jì)中。在這個(gè)實(shí)施例中，用戶現(xiàn)在可以在不同的調(diào)節(jié)曲線之間切換，選擇最適于超聲波應(yīng)用的調(diào)節(jié)曲線。
超聲波發(fā)生器為操作者提供選擇來通過任何本地用戶接口或通過遠(yuǎn)程定位自動(dòng)控制電流回路控制器控制調(diào)節(jié)設(shè)置點(diǎn)，其中通過本地用戶接口時(shí)不需要任何范圍縮放比例。操作者也可以選擇需要的輸出調(diào)節(jié)模式。系統(tǒng)輸出可以工作在振幅恒定模式，其中超聲波轉(zhuǎn)換器位移振幅調(diào)節(jié)為用戶編程設(shè)定的點(diǎn)值，也可以選擇能量恒定模式，調(diào)節(jié)超聲波能量輸出水平到用戶編程設(shè)定的點(diǎn)值。下面的圖表示當(dāng)調(diào)節(jié)設(shè)置點(diǎn)通過自動(dòng)控制系統(tǒng)被遠(yuǎn)程控制時(shí)可獲得的不同的范圍。
如圖9所示，超聲波的振幅可以被遠(yuǎn)程控制。在圖9示出的實(shí)施例中，有五個(gè)不同的振幅等級(jí)。圖9示出超聲波振幅百分比作為電流回路控制水平(mA)的函數(shù)。最大振幅調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)是100％，由20mA的最大輸入信號(hào)控制水平來表示。在本實(shí)施例中的等級(jí)范圍改變可獲得的所需振幅調(diào)整范圍。調(diào)整跨度的范圍越寬，設(shè)定點(diǎn)水平的分辨率越低。例如，如果使用1％mA等級(jí)，跨度從振幅的100％下降到84％。但是，如果使用5％mA等級(jí)，則跨度從100％下降到20％。因此，根據(jù)適合用戶需求的范圍和等級(jí)，用戶可以選擇使用何跨度。
與圖10中類似，超聲波發(fā)生器可以由操作者設(shè)置來遠(yuǎn)程控制能量調(diào)節(jié)設(shè)置點(diǎn)。本發(fā)明的超聲波系統(tǒng)的范圍從最大額定功率約2400W到最小額定功率約120W，與超聲波頻率成反比(20kHz系統(tǒng)＝2400W，70kHz系統(tǒng)＝120W)。如果所有的這些額定功率都使用相同的比例因數(shù)，結(jié)果將是一個(gè)優(yōu)化性不足的系統(tǒng)。換句話說，2400W的系統(tǒng)，控制器只能調(diào)整功率高達(dá)100W，使用每毫安5W的比例因數(shù)，用標(biāo)準(zhǔn)4-20mA電流回路控制器。相反地，使用100W/mA的設(shè)置不適用于120W額定系統(tǒng)并且控制器將不能以需要的精度調(diào)整功率水平。
為了處理這個(gè)問題，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例允許操作者(或用戶)通過母板來選擇適當(dāng)?shù)目刂品秶⑶矣行У乜刂迫魏纬暡òl(fā)生器的功率調(diào)節(jié)設(shè)置點(diǎn)，而不考慮額定功率。如圖10所示，圖示出8個(gè)控制器比例范圍從100W/mA到5W/mA。每條線代表不同的比例范圍。圖繪出的是標(biāo)準(zhǔn)電流回路控制水平(4-20mA)與功率調(diào)節(jié)控制水平的關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)電流回路控制水平是由用戶的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置的電流水平，功率調(diào)節(jié)控制水平是所需的功率調(diào)節(jié)水平。如圖10所示，在100W/mA的水平，最大20mA水平將導(dǎo)致2000W的功率調(diào)節(jié)水平，最小4mA的水平將導(dǎo)致400W的功率調(diào)節(jié)水平，1mA控制水平改變將導(dǎo)致功率調(diào)節(jié)設(shè)置點(diǎn)100W的改變。如上所述，對(duì)于額定功率約為1200W的超聲波發(fā)生器，100W/mA的增量可能太大了。因此，用戶可替代地選擇使用25W/mA的比例，其在約100W開始，以25W的增量增加到500W。該25W/mA的比例對(duì)于更低的功率系統(tǒng)可能太大了，比如一個(gè)額定為120W的系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，操作者可以選擇使用最低的比例范圍，即5W/mA。該5W/mA的比例范圍在低功率水平給予用戶最大的精度。
在圖10示出的實(shí)施例中，示出了八個(gè)不同的比例或線30a-30h。但是，根據(jù)應(yīng)用，可以使用任何數(shù)量的比例(或線)。這些比例在固件中實(shí)現(xiàn)，該固件控制響應(yīng)于電流回路輸入信號(hào)的超聲波系統(tǒng)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖11，圖示了軟停機(jī)功能。目前，多數(shù)超聲波焊接系統(tǒng)利用某種軟啟動(dòng)振幅斜線上升功能。在多個(gè)這些系統(tǒng)中，用戶可以選擇或編程一適當(dāng)?shù)能泦?dòng)斜線上升時(shí)間。圖11的圖示出該相反的影響。如此圖所示，可以實(shí)現(xiàn)20毫秒的軟停機(jī)時(shí)間。然后，當(dāng)焊接系統(tǒng)將超聲波關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)每毫秒減少超聲波功率水平5％(100％被20毫秒除)直到系統(tǒng)處于零功率水平。在現(xiàn)有的系統(tǒng)中，當(dāng)超聲波輸出停止時(shí)，系統(tǒng)立即將整個(gè)振幅切換到零。這種類型的操作影響轉(zhuǎn)換器的壽命，產(chǎn)生異常噪音，并且這會(huì)導(dǎo)致其它不需要的部件應(yīng)力。利用軟停機(jī)方式，對(duì)超聲波探頭和堆棧組件有較小的應(yīng)力。一般地，斜線下降到0％可以比斜線上升更快地實(shí)現(xiàn)，但是在一些實(shí)施例中，斜線下降可比斜線上升以相同或較慢的速率發(fā)生。另外，上面描述的實(shí)施例描述了特殊的速率，但應(yīng)當(dāng)理解的是也可以由用戶編程或選擇其它速率。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖12，此圖表示平均過載時(shí)間延時(shí)特性。圖示出了過載跳閘時(shí)間和過載跳閘閾值百分比的關(guān)系曲線。過載跳閘閾值百分比是通過當(dāng)前測(cè)量的輸出功率水平除以過載跳閘閾值功率水平計(jì)算的。例如，如果過載跳閘閾值設(shè)置為1200W，那么當(dāng)測(cè)量的輸出功率水平達(dá)到1800W時(shí)，過載跳閘閾值百分比為150％。過載跳閘時(shí)間是在系統(tǒng)關(guān)閉之前允許功率處于跳閘閾值以上的時(shí)間量。結(jié)合該延時(shí)時(shí)間(少于1秒)，允許超聲波發(fā)生器保持運(yùn)行，即使功率會(huì)瞬間增高，只要功率減少的時(shí)間周期小于過載跳閘時(shí)間即可。如圖12中所示，過載跳閘時(shí)間是一個(gè)非線性函數(shù)，隨著過載跳閘閾值百分比的增加，過載跳閘時(shí)間快速下降。例如，如果過載跳閘閾值百分比是110％，則過載跳閘時(shí)間大約為0.38秒。但是，如果過載跳閘閾值百分比是160％，則過載跳閘時(shí)間只有大約0.09秒。平均過載跳閘響應(yīng)時(shí)間在固件算法中實(shí)現(xiàn)。過載響應(yīng)特性被很好地表征并且是可重復(fù)的，而無論發(fā)生器的額定功率如何。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖13，流程圖描述了如何得到圖12的響應(yīng)特性。該固件算法只當(dāng)超聲波輸出被激活(步驟200)時(shí)運(yùn)行，并當(dāng)超聲波輸出停止時(shí)將初始化平均過載積分寄存器(步驟202)。在步驟204，固件監(jiān)視持續(xù)更新的功率測(cè)量寄存器。在步驟204中監(jiān)視的功率測(cè)量是定期更新的。在一些實(shí)施例中，該時(shí)間周期是每500微秒一次或每秒2000次。在步驟206，測(cè)量的樣本功率和預(yù)置的過載閾值相比較。如果功率低于100％，則不是過載條件，然后過程檢查積分寄存器是否為空(步驟208)。如果積分寄存器不為空，它將回到開始或運(yùn)行向下積分程序(步驟210)。如果功率是100％或更高，固件將開始向上積分程序(步驟212)，對(duì)于圖中所示的過載百分比，將重復(fù)圖12的圖表。根據(jù)過載功率百分比，固件允許系統(tǒng)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)以該功率操作。例如，在圖12所示的圖表中，系統(tǒng)可以在150％的設(shè)定功率工作十分之一秒多一點(diǎn)。這之后，如果功率沒有下降到100％功率以下，固件算法將向上積分直到積分寄存器溢出(步驟214)并且將運(yùn)行平均過載程序，關(guān)閉超聲波輸出并且激活適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)指示器(步驟216)。固件算法還包括向下積分功能(步驟210)，其適用于功率水平有瞬間超過跳閘水平的功率高峰并且然后功率下降到平均過載跳閘閾值以下的情況。系統(tǒng)然后能夠恢復(fù)到以前的沒有過載的工作狀態(tài)。當(dāng)超聲波輸出由于平均過載關(guān)閉而停止或終止正常焊接周期時(shí)，積分寄存器在步驟202重新初始化，然后系統(tǒng)準(zhǔn)備開始下一次焊接周期。
圖12所示的圖表僅是可由固件算法實(shí)現(xiàn)的一個(gè)例子的圖表。在一些實(shí)施例中，時(shí)間和功率百分比之間的關(guān)系可以是線性的或其它函數(shù)關(guān)系。在一些實(shí)施例中，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)響應(yīng)特性并且用戶可以選擇所需的過載特性。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖14，將闡述防止平均負(fù)載跳閘的方法。在背景技術(shù)中，在超聲波焊接機(jī)的操作過程中，平均過載固件算法保護(hù)發(fā)生器功率轉(zhuǎn)換電路不被損壞。當(dāng)發(fā)生器功率輸出水平超過發(fā)生器功率額定輸出時(shí)平均過載將停止焊接周期。發(fā)生器功率額定輸出直接與超聲波振幅設(shè)置成比例。例如，額定功率為2400W的超聲波焊接機(jī)將在100％振幅提供2400W。當(dāng)功率水平(在2400W的情況)超過時(shí)平均過載將跳閘。如果超聲波振幅設(shè)置為90％，則平均過載閾值將被減少到2160W(2400的90％)。在一些情況下，這種系統(tǒng)由于過載導(dǎo)致關(guān)閉，這會(huì)影響生產(chǎn)，因此是很麻煩的。當(dāng)與一些塑料零件共同工作時(shí)，連接這些零件比其它零件需要更多的功率。在一些情況下，需要防止平均過載故障。這可通過減少超聲波振幅水平而使功率水平下降來實(shí)現(xiàn)，但是這將延長焊接這些零件所需要的時(shí)間量。為了防止平均過載跳閘，用戶選擇固件算法監(jiān)視平均過載積分寄存器值并且將按需要自動(dòng)減少每個(gè)功率測(cè)量周期(500微秒)的超聲波振幅水平，因此積分寄存器將最后停止向上積分，這樣將產(chǎn)生平均過載來終止焊接周期。
轉(zhuǎn)回到圖14，用戶可選擇功能性，并且僅對(duì)適當(dāng)?shù)暮附討?yīng)用才啟動(dòng)(步驟220)，如果用戶停止的話這個(gè)算法將不能運(yùn)行。這個(gè)固件算法將只當(dāng)超聲波輸出激活(步驟222)時(shí)運(yùn)行，當(dāng)輸出停止時(shí)，振幅和過載設(shè)置存儲(chǔ)到它們的初始狀態(tài)(步驟224)。當(dāng)最后的功率測(cè)量大于過載跳閘水平時(shí)(步驟226)，振幅減少程序?qū)⒃诓襟E234運(yùn)行。由于平均過載跳閘水平是直接和振幅設(shè)置成比例，一個(gè)新的平均過載跳閘水平必須在步驟236中確定和存儲(chǔ)。當(dāng)最近功率測(cè)量小于過載跳閘水平(步驟226)，在步驟228中檢測(cè)平均負(fù)載積分寄存器。如果寄存器是空時(shí)，固件轉(zhuǎn)回到開始。如果寄存器是非空時(shí)，進(jìn)行檢查以觀察振幅是否在步驟230中改變。如果振幅不等于初始設(shè)置，振幅增加程序在步驟232運(yùn)行。當(dāng)振幅改變時(shí)，新的平均過載跳閘水平必須在步驟236確定并存儲(chǔ)。如果從步驟230存儲(chǔ)的振幅等于初始振幅設(shè)置，則固件轉(zhuǎn)回到開始。在步驟232的振幅增加程序允許系統(tǒng)從臨時(shí)功率高峰僅用超聲波振幅水平瞬間下降來恢復(fù)。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖15，流程圖示出了動(dòng)態(tài)調(diào)整焊接系統(tǒng)的空轉(zhuǎn)頻率(該相位鎖定回路電路的開始頻率)的過程。該過程對(duì)于循環(huán)投入的焊接應(yīng)用最有用，但是也可以用于連續(xù)焊接應(yīng)用的重新啟動(dòng)。在一些操作中，空轉(zhuǎn)頻率設(shè)置成堆棧操作的值(如20kHz)。但是，堆?？梢詫?shí)際上被協(xié)調(diào)成與20kHz的空轉(zhuǎn)頻率略微不同的諧振頻率。但是，為了使系統(tǒng)更有效的工作，空轉(zhuǎn)頻率應(yīng)該被設(shè)置成很接近于工作頻率。如果固件控制的功能適合于特定的焊接應(yīng)用，則該固件控制的功能可以被用戶選擇。這在步驟240進(jìn)行檢查，如果被用戶停止時(shí)這個(gè)算法則不運(yùn)行。這種固件算法僅當(dāng)超聲波輸出被激活時(shí)運(yùn)行(步驟242)。當(dāng)超聲波關(guān)閉時(shí)，在步驟244中運(yùn)行恢復(fù)時(shí)間程序，緩慢地將空轉(zhuǎn)頻率設(shè)置到用戶編程的冷堆棧啟動(dòng)頻率。如果超聲波被激活，則固件等待直到相位鎖定狀態(tài)信號(hào)在步驟245激活。相位鎖定回路電路鎖定到堆棧頻率以后，工作頻率在步驟246被讀取。頻率跟蹤寄存器在步驟248被更新，將空轉(zhuǎn)頻率設(shè)定為當(dāng)前工作頻率然后返回到開始。如果超聲波關(guān)閉而持續(xù)延長的時(shí)間周期，或當(dāng)系統(tǒng)第一次開啟時(shí)，在步驟244的頻率跟蹤恢復(fù)程序?qū)⒃O(shè)置空轉(zhuǎn)頻率到用戶選擇的缺省值。這適合于沒有任何最近的工作頻率信息可以跟蹤的情況。對(duì)于連續(xù)的焊接過程，需要周期性地重復(fù)固件算法，而不是只更新頻率一次。通過跟蹤相位鎖定回路頻率，可以避免過載跳閘并且超聲波焊接系統(tǒng)也可以更有效地工作，減少出現(xiàn)的問題。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖16，示出的流程圖描述使超聲波焊接系統(tǒng)防止頻率鎖定錯(cuò)誤的方法。頻率鎖定錯(cuò)誤當(dāng)由于超聲波堆棧耦合非諧振負(fù)載，相位鎖定回路感知電路跳到非正常頻率時(shí)產(chǎn)生。在一些應(yīng)用中，當(dāng)使用超聲波焊接機(jī)來切割冷凍食品時(shí)，特別是冷凍硬果巧克力，冷凍產(chǎn)品的溫度經(jīng)常在0以下。超聲波焊接堆棧將與冷凍食品負(fù)載相耦合。該耦合導(dǎo)致頻率突然改變到非正常頻率，由于過載跳閘情形導(dǎo)致焊接機(jī)停止切割。這個(gè)固件控制的功能可以由用戶選擇，如果它適合于特定的焊接應(yīng)用。這在步驟250進(jìn)行檢查，并且用戶停止時(shí)這個(gè)算法將不再運(yùn)行。這個(gè)固件算法也只當(dāng)超聲波輸出在步驟252激活時(shí)運(yùn)行。當(dāng)超聲波輸出開關(guān)關(guān)閉時(shí)，相位鎖定回路相位比較器功能在步驟254重新啟用，使下一次超聲波輸出被激活時(shí)允許正常的相位鎖定回路操作。當(dāng)超聲波開關(guān)打開時(shí)，相位鎖定回路功能正常直到在步驟256用戶確定的時(shí)間延遲結(jié)束。時(shí)間延遲結(jié)束后，當(dāng)數(shù)字控制信號(hào)在步驟258被激活時(shí)，相位比較器功能停止。停止相位比較器鎖定了超聲波工作頻率，并且在余下的焊接周期期間內(nèi)將不會(huì)改變。用戶在步驟256指定的時(shí)間延遲必須被編程，以在超聲波焊接堆棧耦合非諧振負(fù)載之前結(jié)束。
在以前的系統(tǒng)中，相位鎖定回路鎖定反饋信號(hào)。但是，在某些情況下，反饋信號(hào)可能是錯(cuò)誤的，如在上述的切割冷凍食品的情況下。在這個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)超聲波觸角在空氣中時(shí)，系統(tǒng)鎖定正確的頻率。然后，當(dāng)觸角開始切割并且PLL收到差的反饋時(shí)，PLL相位比較器的操作被停止，因此忽略差的反饋信號(hào)。通過使用數(shù)字組件準(zhǔn)許這種操作。在以前的都是模擬組件的超聲波發(fā)生器中，PLL相位比較器的操作不能被改變。相反，在本實(shí)施例中，數(shù)字PLL功能當(dāng)需要時(shí)可以被改變以適應(yīng)系統(tǒng)的變化。
現(xiàn)有的用于啟動(dòng)超聲波焊接周期的觸發(fā)方法包括如下●力觸發(fā)器(或動(dòng)態(tài)觸發(fā))，一旦感知元件上的壓力(力)超過預(yù)定值，該力觸發(fā)器激活超聲波能量；●距離觸發(fā)器，一旦達(dá)到預(yù)定距離時(shí)激活超聲波能量；●預(yù)-觸發(fā)器，其通過時(shí)間或距離(預(yù)-觸發(fā)器標(biāo)記)在空氣中激活超聲波能量。
這些觸發(fā)方法需要附加的硬件來適當(dāng)?shù)貙?shí)施，例如力傳感器(測(cè)壓元件)、距離編碼器或限位開關(guān)，并且具有機(jī)械限制，可使被焊接部件有很多變化。
一個(gè)新的觸發(fā)方法消除了許多機(jī)械和電子組件。這個(gè)方法只基于作為現(xiàn)代超聲波焊接系統(tǒng)的一部分的電子組件和固件，比如，Dukane的iQ系列或DPC4+。由于功率測(cè)量的高精度和重復(fù)性，這種新方法比現(xiàn)有的方法提供更好的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和焊接質(zhì)量。該新的方法包括下列步驟(見圖17和18)1、操作者編程用于“功率觸發(fā)”的值。
2、周期開始。
3、堆棧移向?qū)⒁附拥牟考?見圖17)。
4、堆棧以10％-40％(用戶調(diào)整)振幅運(yùn)行，以防止在部件上留下記號(hào)。
5、堆棧對(duì)部件施加壓力-超聲波功率隨著壓力而增加(見圖18)。
6、達(dá)到功率觸發(fā)器界限-這會(huì)啟動(dòng)焊接周期(見圖18)。
7、振幅增加到100％(或者為適于焊接的需要值)。
8、這一點(diǎn)可以利用幾個(gè)不同的焊接技術(shù)，例如通過時(shí)間焊接、通過能量焊接、通過崩潰距離焊接、通過峰值功率焊接或其它的技術(shù)。
9、部件被焊接。
功率比較可在固件內(nèi)部進(jìn)行處理，其處理時(shí)間只有幾微秒。這可提供較高的精度和可重復(fù)生產(chǎn)的無缺陷焊接部件。
替代測(cè)量超聲波功率，也可以利用陶瓷壓電轉(zhuǎn)換器的二元性。通過僅監(jiān)視轉(zhuǎn)換器的輸出(同時(shí)超聲波功率關(guān)閉)可能使用這個(gè)信號(hào)來“力觸發(fā)”(見圖17和19)。轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)和施加的直接力成比例。后處理電路包括向電壓放大器300充電，電壓放大器300連接到ADC301。該ADC輸出通過微控制器302處理(見圖20)。
雖然已經(jīng)闡明和描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例和應(yīng)用，但可以理解本發(fā)明不限于這里公開的這些精確的結(jié)構(gòu)和組件，通過前述的說明，在不背離本發(fā)明精神的情況下，不同的修改、改變和變形是顯而易見的，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種超聲波發(fā)生器，包括輸入模塊，用于接收功率信號(hào)；輸出模塊，用于輸出超聲波信號(hào)；與輸入模塊和輸出模塊耦合的母板，其中母板包括適用于控制輸入模塊和輸出模塊的數(shù)字控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，還包括與母板耦合的匹配模塊，用于將來自輸入模塊的功率轉(zhuǎn)換成用于輸出模塊的超聲波信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，還包括與母板耦合的選項(xiàng)卡模塊，選項(xiàng)卡模塊適用于接收選擇模塊來使超聲波發(fā)生器執(zhí)行附加的功能。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)生器，其中選擇模塊用于提供多種數(shù)據(jù)通訊連接端口。
5.如權(quán)利要求1所述的發(fā)生器，其中輸入模塊和輸出模塊包括識(shí)別器，該識(shí)別器適用于向母板提供關(guān)于模塊的信息。
6.一種產(chǎn)生超聲波信號(hào)的方法，包括提供輸入模塊，用于接收功率信號(hào)；提供輸出模塊，用于輸出超聲波信號(hào)；將母板與輸入模塊和輸出模塊耦合，其中母板包括適用于控制輸入模塊和輸出模塊的數(shù)字控制器。
7.一種測(cè)試超聲波發(fā)生器功率的方法，包括傳輸測(cè)試信號(hào)到輸入模塊，用于測(cè)試輸入的功率供應(yīng)；響應(yīng)正測(cè)試結(jié)果，傳輸測(cè)試信號(hào)到多個(gè)總線以測(cè)試內(nèi)部功率供應(yīng)；響應(yīng)來自內(nèi)部功率供應(yīng)的正測(cè)試結(jié)果，向輸出功率供應(yīng)傳輸測(cè)試信號(hào)；和響應(yīng)來自輸出功率供應(yīng)的正測(cè)試結(jié)果，允許超聲波發(fā)生器的全部操作。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括響應(yīng)于來自輸入功率供應(yīng)、內(nèi)部功率供應(yīng)和輸出功率供應(yīng)中的至少一個(gè)的負(fù)測(cè)試結(jié)果，產(chǎn)生警告信號(hào)。
9.一種操作超聲波發(fā)生器的方法，包括提供輸入模塊和輸出模塊；將母板耦合到輸入模塊和輸出模塊；通過母板，選擇調(diào)節(jié)控制，使得這種調(diào)節(jié)控制可被多種增量調(diào)整。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中多個(gè)增量的每個(gè)增量代表母板上的存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的圖上的線。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中調(diào)節(jié)控制是功率控制。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中調(diào)節(jié)控制是振幅控制。
13.一種在超聲波發(fā)生器中防止過載跳閘的方法，包括取樣超聲波發(fā)生器的功率水平；比較取樣的功率水平和預(yù)定過載功率水平；和響應(yīng)于取樣的功率水平大于預(yù)定過載功率水平，一旦過去了預(yù)定的時(shí)間就激活跳閘；其中預(yù)定時(shí)間與取樣的功率水平相關(guān)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中預(yù)定時(shí)間和取樣的功率水平之間的關(guān)系存儲(chǔ)在超聲波發(fā)生器的存儲(chǔ)器的圖表中。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中存儲(chǔ)器存儲(chǔ)多個(gè)圖表并且用戶可以選擇多個(gè)圖表中的一個(gè)圖表來使用。
16.一種防止超聲波發(fā)生器的過載跳閘的方法，包括取樣超聲波發(fā)生器的功率水平；確定取樣的功率是否在過載跳閘水平的設(shè)定百分比之內(nèi)；和響應(yīng)于取樣功率在過載跳閘水平的設(shè)定百分比之內(nèi)，減少取樣功率的振幅。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括響應(yīng)于取樣的功率不在過載跳閘水平的設(shè)定百分比之內(nèi)，在預(yù)定時(shí)間周期以后再次取樣功率。
18.一種用于超聲波發(fā)生器的設(shè)置超聲波諧振頻率的方法，包括在超聲波發(fā)生器使用時(shí)測(cè)量諧振頻率；和關(guān)于諧振頻率設(shè)置相位鎖定回路。
19.一種用于超聲波發(fā)生器功率下降的方法，包括激活超聲波發(fā)生器上的關(guān)閉開關(guān)；和在預(yù)定的時(shí)間周期上逐漸減少超聲波發(fā)生器的功率。
20.一種在超聲波發(fā)生器中達(dá)到設(shè)定振幅的方法，包括在超聲波發(fā)生器的存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)多個(gè)曲線，每個(gè)曲線代表用于達(dá)到超聲波發(fā)生器的設(shè)定振幅的不同的方法；選擇存儲(chǔ)器中的多個(gè)設(shè)定曲線的一個(gè)設(shè)定曲線；和根據(jù)選擇的曲線來達(dá)到超聲波發(fā)生器的設(shè)置振幅。
全文摘要
對(duì)超聲波焊接探頭提供功率控制的系統(tǒng)，本發(fā)明涉及一種超聲波發(fā)生器，包括用于接收功率信號(hào)的輸入模塊。用于輸出超聲波信號(hào)的輸出模塊也包括在發(fā)生器中。母板與輸入模塊和輸出模塊耦合。母板包括適用于控制輸入模塊和輸出模塊的數(shù)字控制器。
文檔編號(hào)B06B1/02GK101024216SQ200610064249
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2006年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月29日
發(fā)明者D·K·約翰森, C·L·萊昂納, L·克林斯坦, W·E·朱爾科夫斯基, J·雷 申請(qǐng)人:杜凱恩公司