[发明专利]用于计算超声焊头的振动幅度的方法

说明书

本发明涉及一种用于确定由转换器激励的超声焊头的振动幅度的方法。

在超声焊接或超声切割中，配备有焊接或切割表面的超声焊头通常受到超声振动的影响，并且为了焊接或切割操作而向对应工具移动，从而在超声焊头与对应工具之间引导要焊接或切割的材料。

为了使超声焊头振动，其任选地借助于振幅变换器与转换器连接。该转换器将施加于其的交流电压转换成机械振动。可能接在中间的振幅变换器改变振幅，但不改变振动的频率。电流发生器（亦称发生器）连接到转换器并且生成交流电压。为了将可观的能量从超声焊头传送给要处理的工件，需要用与焊接操作相关的固有频率来激励包含转换器、超声焊头和任选的振幅变换器的超声振动单元，以使得在超声振动单元内形成超声驻波。因此，使发生器适应于超声振动系统，以使得其提供所期望的固有频率的交流电压。

通常，所使用的发生器是频率可在窄频带内（例如，19.7kHz至20.3kHz）调整的发生器。

为了调整发生器，于是用不同频率的电压相继地作用于要激励的超声振动单元，并且测量超声焊头的相应振动幅度。致使超声焊头的标称振动幅度的激励频率是工作频率。

为了测量超声焊头的振动幅度，与超声焊头的机械振幅成比例的电信号常常通过测量流入到包括转换器和线圈L_K的并联电路中的电流来推导。

图1中示出了等效电路图。由发生器生成的电压U_E(t)被施加到转换器的输入端处。电压的大小取决于电流发生器（例如其内阻）以及转换器的欧姆电阻、电容性和电感性电阻。

从图1中将得知，转换器包括下列各项的串联电路：电感为L_M的线圈、电容为C_M的电容器、以及欧姆电阻R_M，其中转换器电容C_K与其并联。

其结果是：流入到转换器中的电流I_E(t)被分成生成实际振动的电流I_AM(t)、以及进入转换器电容的电流I_CK(t)。转换器电容C_K依赖于转换器的结构。其可以通过测量来确定。这例如可以通过记录和评估阻抗曲线来实施。

通常，线圈L_K与转换器并联，线圈的大小被确定为使得在所期望的工作频率（例如20KHz）下提供具有转换器电容C_K的谐振电路，该谐振电路补偿电容器C_K的无功电流I_CK(t)。通过该措施，谐振电路充当阻塞电路，因此使得没有电流流经阻塞电路，并且来自发生器的电流I_AE(t)等于经过线圈L_M的电流I_AM(t)。因此，直接测量振幅电流I_AE是可能的，其中在正弦激励的情况下针对固定频率的振幅电流I_AE(t)与超声焊头振动的速度成比例。

因此在谐振情况下，电流I_AE(t)与流入到转换器的电流I_E(t)之差为借助于线圈L_K提供的补偿电流I_CK(t)。

公知的规程所基于的假设是：电流I_E(t)以及电压U_E(t)是正弦形的或者至少部分由基波占优。然而，这仅仅适用于一些操作条件。通常，电流I_E(t)非线性畸变。这尤其是因为超声焊头在操作期间与要处理的材料接触并且这使振动幅度畸变。另外，在接触的时刻，振动配置的固有频率被改变，这同样导致振动幅度的畸变。

因此，在图1所示的情况下，参数I_AE(t)仅仅大致与电流I_AM(t)一致。基本上，仅对简单的正弦振动才出现一致性。一旦出现谐波或畸变，就会造成偏差。其结果是，尤其是在高频电流I_E(t)中的高次谐波分量的情况下，流入到补偿电路中的电流I_AE(t)不再一定与实际振幅电流I_AM(t)成比例。

作为λ/2导体的超声焊头以及振幅变换部分将非正弦移动变换成同样为转换器中的陶瓷叠层的非正弦的运动，该运动进而被再现为电系统中的相应电流信号。

同正弦波形的偏差不导致关于实际焊接操作本身的任何问题。然而，该偏差歪曲了机械振动幅度的测量。