Для питания электрических преобразователей используют источники электрической энергии — ультразвуковые генераторы, преобразующие энергию промышленной частоты в энергию ультра­звуковой частоты (18—180 кГц). Можно также использовать для сварки частоты в пределах 0,8—2 МГц, обеспечивающих на­правленное излучение ультразвука.

По техническим возможностям ультразвуковые генераторы делятся на универсальные и специализированные. Универсальные генераторы имеют широкий диапазон изменения параметров вы­ходного сигнала и условий согласования с нагрузками; специали­зированные предназначены для работы с нагрузкой определенной величины. Такие источники электрической энергии конструктивно представляют, как правило, единый комплекс с технологической частью сварочной машины.

В настоящее время в СССР разработано достаточно много типов универсальных генераторов, предназначенных для различ­ных технологических процессов: очистки, обезжиривания, эмуль­гирования, диспергирования, размерной обработки материалов и т. п. Генераторы рассчитаны на работу в непрерывном режиме и изготавливаются в соответствии с ГОСТами. Универсальными генераторами являются УЗГ1-0,04/22; УЗГ11-0,1/22; УЗГ5-0,63/22; УЗГ5-1,6/22; УЗГ13-1,6 и др.

Сварка — процесе кратковременный, длящийся, как правило,

доли секунды. Важнейшим технологическим требованием к сва­риваемому изделию является постоянство механической прочности сварных соединений, которое может быть обеспечено только при условии стабильности энергии, выделяющейся в зоне сварки. В этом отношении требования к генераторам, изложенные в ГОСТ 13952—83 и ГОСТ 16165—80, явно недостаточны.

Исследование механических колебательных систем, анализ их работы в лабораторных условиях и весьма длительная эксплуата­ция сварочных машин в промышленности позволяют сформу­лировать следующие основные требования к источникам пи­тания.

1. При использовании механических колебательных систем, нечувствительных к изменению сопротивления нагрузки, напри­мер с продольно-поперечной схемой волноводов, генератор дол­жен обеспечивать стабильность выходного напряжения не ме­нее ±1 % и стабильность частоты не ниже ±0,1 %.

2. Для колебательных систем, амплитуда механических коле­баний которых существенно изменяется от сопротивления на­грузки (вносящей в общем случае в механический колебательный контур как активную, так и реактивную составляющие), генера­тор должен иметь системы автоматического регулирования, обе­спечивающие стабильность амплитуды механических колебаний не ниже ±5 %.

3. Электрическая схема и конструкция генератора должны обеспечивать коммутирование выходной мощности со скоростью до 60 включений в минуту для машин прессового типа и до 2000 включений в минуту для машин с автоматической подачей свари­ваемых материалов, например в УЗ швейных машинах.

4. Генератор должен быть надежным в эксплуатации и деше­вым, а также патенточистым.

Рабочая частота генератора определяется собственной часто­той механической колебательной системы. Частоты этих систем должны лежать в пределах выделенных полос: (18 ± 1,35) кГц; (22 ± 1,65) кГц; (44 ± 4,4) кГц; (66 ± 6,6) кГц; (440 ± 11) кГц; (880 ± 8,8) кГц; (1760 ± 44,0) кГц. ГОСТ 16165—80 регламен­тирована и выходная мощность генераторов. Например, для сва­рочных машин могут быть использованы генераторы с номиналь­ными мощностями: 0,01; 0,016; 0,025; 0,04; 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4; 0,63; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,3; 10,0 кВт.

По типу преобразовательного устройства ультразвуковые ге­нераторы делятся на полупроводниковые (транзисторные и тири­сторные), ламповые и машинные.

Генераторы характеризуются коэффициентом полезного дей­ствия, т. е. отношением полезной мощности, отдаваемой в на­грузку, ко всей потребляемой генератором мощности. КПД гене­ратора при номинальной выходной мощности должен удовлетво­рять следующим данным:

Для работы с колебательными системами, требующими под- магничивания сердечников преобразователей, в источник элек­трической энергии ультразвуковой частоты должен быть встроен источник постоянного тока.

Конструкция генератора должна обеспечивать легкий доступ ко всем элементам схемы и удобство при ремонте. Источник пита­ния должен иметь систему управления блокировки и сигнализа­ции (УБС), обеспечивающую надежную защиту обслуживающего персонала, защиту генератора от перегрузок, регулирование вы­ходной мощности. К генераторам, предназначенным для работы в особых условиях, например в помещениях, содержащих взрыво­опасную пыль, пары кислот и щелочей, предъявляются особые требования. В таких случаях генератор необходимо разместить в отдельном помещении. При работе генератора в помещениях с повышенной влажностью металлы должны иметь антикоррозион­ные покрытия, а элементы схем обладать повышенной электриче­ской прочностью. Принципиально генераторы могут быть выпол­нены либо по схеме с независимым возбуждением, либо по схеме с самовозбуждением (автогенераторной).

Генератор с независимым возбуждением состоит из задающего генератора и каскадов усиления колебаний (рис. 4.7). Схема задающего каскада генератора, число каскадов усиления и прин­ципиальная электрическая схема генератора выбираются исходя из показателей источника питания: назначения, габаритных раз­меров, массы, КПД, общей стоимости, наличия серийного выпуска комплектующих изделий и т. п.

Задающий генератор является одним из важнейших элементов схемы источника питания. Он определяет диапазон генерируемых частот и их стабильность. Частота такого автогенератора опре­деляется в основном параметрами его колебательного контура L, С (R, С). Условиями возникновения автоколебаний являются

|*||Р| = 1 и Фй + Фр= 1.

где k — коэффициент усиления сигнала; (J — коэффициент пере-
дачи сигнала в цепи обратной связи; <ph и <рр — фазовые сдвиги

Рис. 4.8. Принципиальные схемы задающих генераторов

сигнала в усилителе и цепи обратной связи. Принципиальные схемы LC-автогенераторов на транзисторах приведены на рис. 4.8.

В автогенераторах с трансформаторной обратной связью (рис. 4.8, а) напряжение обратной связи к базе транзистора по­дается от обмотки обратной связи. Величина обратной связи опре­деляется коэффициентом трансформации. Требуемый сдвиг фаз обеспечивается выбором знака взаимоиндукции М (практически переключением концов катушек индуктивности).

В автогенераторе с индуктивной связью (рис. 4.8, б) напря­жение к базе транзистора подводится с части витков катушки L контура. Величина напряжения обратной связи в этой схеме может регулироваться перемещением вывода по виткам катушки L. Недостатком этой схемы является замыкание сеточных витков контура в случае заземления ротора конденсатора переменной емкости С.

В автогенераторе с емкостной связью (рис. 4.8, в) напряжение на базу транзистора подается с конденсатора контура. Коэффи­циент обратной связи определяется емкостным делителем контура. Настройка частоты такого генератора осуществляется изменением емкости или индуктивности.

Расчет автогенератора производится известными методами. Принципы построения автогенератора на лампах аналогичны рас­смотренным. В схеме должны выполняться условия самовозбуж­дения — баланс фаз и амплитуд. Принципиально для генератора с независимым возбуждением в качестве задающего каскада может быть использована любая из рассмотренных схем.

При работе машин для УЗС без систем автоматического регу­лирования особое значение имеет стабильность работы автогене­ратора. Основными дестабилизирующими факторами являются: изменения питающих напряжений, температуры, нагрузки, кли­матических условий и условий эксплуатации.

Во время эксплуатации источник питания может подвергаться механическим воздействиям, которые могут повлиять на пла­стины подстроечных конденсаторов, положение нитей накалов ламп, монтаж и т. п. При непостоянстве влажности и атмосфер­ного давления изменяется диэлектрическая проницаемость воз­духа между пластинами воздушного конденсатора и его емкость. Изменение температуры окружающей среды, а также выделение теплоты внутри генератора также весьма сильно влияют на устой-

Рис. 4.9. Принципиаль — ные схемы задающих ге­нераторов прямоуголь­ных колебаний

<> Вход <>

чивость работы автогенератора. Обычно с повышением темпера­туры индуктивность катушек и емкость конденсаторов увеличи­ваются. Повышение температуры в транзисторах вызывает сме­щение рабочей точки. Для уменьшения влияния всех вышепере­численных дестабилизирующих факторов применяют жесткий монтаж, амортизацию блоков, конденсаторы с отрицательным температурным коэффициентом емкости и т. д. Наиболее сильно влияют на режим работы автогенераторов колебания питающего напряжения и изменение сопротивления нагрузки. Колебания напряжения изменяют режимы работы автогенератора. Изменение нагрузки вызывает появление реактивных составляющих сопро­тивления, снижение добротности контуров и, как следствие, сдвиг частоты автогенератора.

Для уменьшения влияния колебаний питающего напряжения на работу задающего генератора применяют стабилизаторы, на­пример питание транзисторных автогенераторов осуществляется с помощью полупроводниковых стабилитронов. Для исключения влияния последующих каскадов на задающий генератор за ним ставят буферный каскад и каскады предварительного усиления, обеспечивающие необходимую мощность сигнала возбуждения усилителя мощности.

В установках с АПЧ частотно-задающие блоки выполняются по схемам генераторов прямоугольных импульсов (рис. 4.9). На рис. 4.9, а представлена схема такого генератора на базе опера­ционного усилителя. Частота самовозбуждения в этой схеме опре-

деляется параметрами времязадающей /?С-цепи R2, R3, R8, С. Регулирование частоты удобно осуществлять, изменяя уровень напряжения обратной связи на неинвертирующем входе усилителя с помощью регулируемого делителя напряжения, образованного сопротивлением R4 и результирующим сопротивлением цепи R5, R6, R7. С помощью потенциометра R8 осуществляется выравнива­ние длительностей положительного и отрицательного полуперио — дов выходного сигнала. Сигнал синхронизации синусоидальной формы подается через делители R1 и R2 в цепь перезарядки кон — денсатораС. Такая схема используется в генераторах УЗГ1-0,04/22, УЗГ5-0,4/22 и УЗГ13-1,6/22.

В качестве задающего генератора также применяется симме­тричный мультивибратор с коллекторно-базовыми связями (рис. 4.9, б). Здесь сигнал синхронизации подается в цепь базы одного из транзисторов. Рабочая частота мультивибратора опре­деляется параметрами цепей R4, R6, С1 и R5, R7, С2. Регулиро­вание частоты осуществляется сдвоенным потенциометром R4— R5. Такая схема применяется в генераторе УЗГ4-0.4/22.

В мультивибраторе с магнитной связью (рис. 4.9, в) частоту определяет цепь Rl, R2, R3, С. Регулировка рабочей частоты та­кого автогенератора осуществляется с помощью потенциометра R2. Сигнал синхронизации подается на резистор R7, включенный в цепь перезарядки конденсатора С. Схема используется в гене­раторе УЗГ5-0,63/22.

Каскады предварительного усиления выполняются обычно на транзисторах, а элементную базу выходных каскадов выбирают в зависимости от мощности установки. Создание генераторов, полностью выполняемых на транзисторах, до последнего времени сдерживалось отсутствием полупроводниковых приборов, рассчи­танных на большие (более 500 В) межэлектродные напряжения и значительные (более 40 Вт) мощности рассеяния.

Применение новых типов транзисторов, имеющих большие мощности рассеяния, позволяет расширить диапазон транзистор­ных источников в сторону больших мощностей, а значительные допустимые значения межэлектродных напряжений обеспечивают реализацию схем с бестрансформаторными источниками питания и параллельным включением транзисторов в усилители мощности. Устройства, выполненные с бестрансформаторными схемами пита­ния, отличаются меньшими габаритными размерами и массой.

Выходные каскады генераторов обычно выполняются по двух­тактным схемам (рис. 4.10), работающим в режимах класса В или в режиме переключения. Напряжение питания (£п) в схеме с вы­ходным трансформатором, имеющим среднюю точку (рис. 4.10, а), выбирается из условия

Еа ^ UK. доп/2,

где t/,y, on — допустимое напряжение на коллекторе транзи­стора. делитель Rlt R2 задает смещение на базы транзисторов.

Рис. 4.10. Схемы двухтактных усилителей мощности а)

Схема, имеющая одну пару транзисторов, применяется при мощностях до 150 Вт.

При мощностях более 100 Вт целесооб — дтд разно применять полумостовую схему (рис. 4.10, б). Напряжение питания для этой схемы выбирается из условия Еп UK. д0П. Конденсаторы С1 и С2 вы — $) полняют роль делителя напряжения пита­ния. Напряжение с конденсаторов пооче­редно прикладывается к нагрузке через открытые транзисторы.

В мостовой схеме (рис. 4.10, в) источ — Вход ник питания включен в одну диагональ моста, а нагрузка — в другую. Напряже­ние на базы подается таким образом, что когда транзисторы VI и V3 открыты, В) транзисторы V2 и V4 закрыты, и наобо — *- рот. Мощность, выделяющаяся в нагруз — Вы° ке, вдвое превышает мощность, отдавае­мую схемой с трансформатором со средней точкой или полумостовой схемой. Напря­жение питания так же, как и в предыдущей "Входи схеме, выбирается из условия Ea<UK.

Доп-

Для увеличения мощности, отдаваемой усилителем, применяют параллельное включение транзисторов. Иногда используют последовательное включение полумостовых или мостовых схем по отношению к источнику питания. Тогда напряжение питания будет выбираться из условия Еп < nUK, „оп. где п — число последовательно включенных схем.

Принципиальные схемы устройств автоматической подстройки частоты колебаний сварочного наконечника. Известно, что для обеспечения высокого качества соединений одним из основных требований, предъявляемых к оборудованию для УЗС, является обеспечение условий повторяемости параметров технологиче­ского процесса от цикла к циклу, основными из которых являются колебательная сила и скорость механических колебаний свароч­ного наконечника акустической системы. Наиболее просто и эф­фективно можно управлять скоростью механических колебаний со стороны источника электрической энергии. Сформулируем требования, предъявляемые к ультразвуковым генераторам, пред­назначенным для питания акустических систем ультразвуковых сварочных машин именно в этом отношении.

Акустические системы для УЗС имеют весьма высокие значе­ния добротности, так, например, добротность активных материа­лов, применяемых в преобразователях, колеблется от нескольких десятков (никель) до нескольких сотен единиц (пьезокерамика

Рис. 4.11. Классификация способов управ** ления частотой ультразвукового генератора

УЗГ — ультразвуковой генератор;

ЧМРАС <— частота механического резо­нанса акустической системы; СУ — ста­билизирующее устройство; МЧ — модуля­ция частоты; ИМ — индекс модуляции; 43Б — частотно-задающий блок; ФАПЧ — фазовая автоматическая подстройка ча­стоты; НВ — независимое возбуждение; У43Б — управление частотно-задающим блоком; СВ — самовозбуждение; ЭР *=* экстремальное регулирование

ЦТБС-3), а материалы, из кото­рых изготавливаются волновод­ные системы, имеют еще более высокие значения добротности. Поэтому только при работе ге­нератора на частоте, близкой к механическому резонансу акустической системы, преобразова­ние электрической энергии в механическую происходит с макси­мальным КПД.

В ходе технологического процесса резонансная частота коле­бательной системы не остается постоянной, а претерпевает зна­чительные изменения из-за различных дестабилизирующих фак­торов, таких, как повышение температуры и влияние изменяю­щейся технологической нагрузки, которая наряду с активной составляющей также вносит реактивность в механический коле­бательный контур акустической системы. Так, нагрев концентра­торов магнитострикционных преобразователей до 70 °С изменяет резонансную частоту до 200—400 Гц, а нагрев накладок пакетных пьезоэлектрических преобразователей — до 1,5 кГц. Довольно сильное влияние на «уход» резонансной частоты оказывает из­менение акустического сопротивления технологической нагрузки; резонансная частота колебательных систем может изменяться до 500 Гц [4].

Рабочая частота ультразвукового генератора также не ос­тается постоянной, а претерпевает изменения, вызванные тем­пературной нестабильностью частотно-задающих элементов. Та­ким образом, наличие устройства автоматического регулирования, обеспечивающего максимальное сближение рабочей частоты генера­тора и резонансной частоты акустической системы (АПЧ) в широ­ком диапазоне изменения дестабилизирующих факторов, является необходимым условием повышения качества сварных соединений и эффективности машин для УЗС.

На рис. 4.11 приведена классификация устройств с управлением частоты ультразвукового генератора, применяемых в установках для ультразвуковой сварки.

Наибольшее распространение среди установок с АПЧ, разра­ботанных за рубежом, получили устройства, выполненные по схеме с самовозбуждением, принципиальным отличием которых

является то, что весь тракт усилителя-преобразователя охвачен положительной обратной связью так, что в нем возникают авто­колебания на частоте максимальных механических колебаний акустической системы.

На рис. 4.12 приведены схемы установок, выполненных по принципу автогенератора. Транзисторы VI и V2 работают в ре­жиме переключения. Их нагрузкой являются последовательно включенные катушка индуктивности L, конденсатор С1 и пер­вичная обмотка ’ выходного трансформатора Т2. Ко вторичной обмотке трансформатора Т2 подключен пьезоэлектрический пре­образователь, параллельно которому подсоединен конденсатор СЗ. Сигнал обратной связи снимается (рис. 4.12, а) с дополнительной обмотки трансформатора Т2 и конденсатора С1 и через конденсатор С2 подается на первичную обмотку входного трансформатора 77. Конденсатор С2 препятствует прохождению постоянного тока через обмотку трансформатора 77. Для создания условий само­возбуждения индуктивность L выбирается таким образом, чтобы при параллельном резонансе ее индуктивное сопротивление ком­пенсировало емкостное сопротивление конденсатора С1 и нагру­зочной цепи, приведенных к первичной обмотке трансформатора 77. Емкость конденсатора С1 подбирается из условия баланса фаз на рабочей частоте установки.

В схеме с обратной связью от вторичной обмотки трансформа­тора (рис. 4.12, 6) фаза сигнала обратной связи корректируется конденсатором С2 в цепи обратной связи. Отличием генератора,

схема которого представлена на рис. 4.12, в, является то, что в цепь обратной связи введен последовательный резонансный контур L2, С4.

На рис. 4.13 приведена обобщенная схема возможных способов осуществления режима самовозбуждения в установках для УЗС. Различия между режимами заключаются только в способах по­лучения сигнала обратной связи для управления генератором, продиктованных требованиями к точности и надежности АПЧ, а также конструктивными требованиями.

Для получения сигнала обратной связи наиболее выгодно при­менять акустическую обратную связь, а в установках с более слож­ной конструкцией акустических систем, например с вращаю­щимися электромеханическими преобразователями для шовной УЗС, предпочтительны схемы выделения сигнала, пропорциональ­ного колебательной скорости в электрической цепи преобразо­вателя. К несомненным достоинствам установок, выполненных по принципу самовозбуждения, следует отнести их простоту и надежность как в конструктивном плане, так и в настройке и эксплуатации.

Существенными недостатками этого технического решения являются необходимость их перенастройки при смене акустиче­ских узлов технологического оборудования и определенные труд­ности при осуществлении глубокого регулирования выходных параметров установок, поскольку необходимыми условиями нор­мальной работы устройства с самовозбуждением являются баланс фаз и баланс амплитуд, нарушение которых ведет к срыву авто­колебаний в замкнутых системах.

Известны разработки с применением экстремального регули­рования для осуществления АПЧ ультразвукового генератора на частоту механического резонанса колебательной системы. При этом способе в процессе работы создается девиация частоты генератора, и амплитуда колебаний акустической системы изме­няется в соответствии с ее амплитудно-частотной характеристи­кой. В зависимости от характера этого изменения автоматически меняется средняя частота генератора таким образом, чтобы амп­литуда механических колебаний на этой частоте была максималь­ной. На рис. 4.13, б представлена структурная схема такого устройства. Источник модулирующего сигнала имеет частоту модуляции, равную 50 Гц. Сигнал обратной связи снимается с пьезоэлектрического датчика, расположенного на свободном конце вибратора, усиливается, детектируется и подается на вход фазо­чувствительного усилителя, определяющего направление изме­нения частоты генератора. В качестве элементов, управляющих частотой задающего генератора, используются вариконды, на которые подается управляющее напряжение с интегратора, под­ключенного через усилитель-ограничитель к выходу фазочувстви­тельного усилителя.

К недостаткам такого устройства относятся сложность и не­высокая устойчивость в работе. Кроме того, при наличии девиа­ции частоты средняя амплитуда механических колебаний акусти­ческой системы ниже максимальной, что снижает эффективность всего оборудования.

Имеется ряд решений АПЧ в ультразвуковых установках, ана­логичных системам фазовой автоматической подстройки частоты, широко применяющимся в радиоприемных устройствах. На рис. 4.13, в изображена структурная схема ультразвукового генератора с фазовой АПЧ.

Поскольку величина и знак фазового угла между напряжением, подводимым к преобразователю акустической системы, й амплиту­дой ее колебательной скорости связаны с величиной и направле­нием относительной расстройки, то, сравнивая эти два сигнала по фазе с помощью фазового детектора 7, получают сигнал, кото­рый интегрируют, усиливают и подают на элемент, управляющий частотой задающего генератора 1. Сигналы, подводимые через усилители-ограничители 4, 5 и фазовращатель 6 к фазовому детектору, снимают с диагоналей мостовой схемы, в одно из плеч которой включен электромеханический преобразователь.

Наиболее широкое распространение получили устройства, автоматическая подстройка частоты в которых осуществляется по принципу синхронизации задающего генератора сигналом обратной связи, пропорциональным колебательной скорости аку­стической системы и получаемым с помощью датчиков механиче­ских колебаний любым из указанных способов.

Такое решение АПЧ используется в отечественных генераторах типа УЗГ1-0,04/22, УЗГ8-0,1, УЗГ4-0,4, УЗГ5-0,63, УЗГ13-1,6 и др., а также в зарубежных образцах. Схемы таких устройств довольно просты и устойчивы в работе. На рис. 4.9 показаны входные цепи, предназначенные для подачи сигнала синхрониза­ции задающих генераторов. Недостатком таких установок явля­ется необходимость включения избирательных устройств согла­сования генератора и электроакустического преобразователя, что сказывается на амплитудно-частотной и фазочастотной харак­теристиках системы авторегулирования.

Одним из методов регулирования величины амплитуды меха­нических колебаний является уже рассмотренный выше метод изменения частоты напряжения, подводимого к преобразователю. Такое решение реализовано в установках для ультразвуковой микросварки, причем применяется как одноразовая частотная модуляция, так и многоразовая, позволяющая получить большую воспроизводимость прочности соединений за счет того, что на свариваемые детали наряду с ультразвуковыми воздействуют и низкочастотные колебания, которые способствуют разрушению оксидных пленок соединяемых поверхностей металлов. Иногда одноразовую модуляцию частоты генератора осуществляют только в начальной стадии сварочного цикла с последующей ее фикса­цией на частоте механического резонанса колебательной системы.

Применение частотной модуляции в установках для ультра­звуковой сварки металлов и пластмасс на мощности от 100 Вт и выше связано с определенными трудностями, поскольку это ведет к рассогласованию генератора с колебательной системой и нарушению оптимальных конструктивных и энергетических со­отношений оборудования.

Принципиальные схемы устройств с автоматическим регули­рованием амплитуды механических колебаний сварочного нако­нечника. Специфическим требованием, предъявляемым к обору­дованию для УЗС, является осуществление стабилизации или изменения амплитуды колебательной скорости акустических си­стем по заданному закону в течение времени воздействия ультра­звуковых колебаний на свариваемые детали. Устройства, позволя­ющие осуществлять автоматическое регулирование амплитуды ко­лебательной скорости со стороны источника ультразвуковой энер­гии (АРА), делятся на устройства с автоматической стабилиза­цией амплитуды (АСА), если требуется стабилизация амплитуды на определенном заданном уровне, и устройства с автоматической стабилизацией программированной амплитуды (АСПА), если требуется стабилизация заданного закона изменения амплитуды колебательной скорости акустической системы, и устройства с ав­томатической подстройкой амплитуды (АПА), если требуется обеспечить подстройку заданных уровней в одном из вышеука­занных режимов.

Устройства для автоматического регулирования амплитудой механических колебаний акустических систем, разработанные как у нас в стране, так и за рубежом, обычно выполняются по

Рис. 4.14. Типовая схема автоматического регулирования (а):

1 — генератор; 2 — акустическая система; 3 — датчик обратной связи; 4 — схема срав­нения; 5 — источник опорного сигнала; 6 — регулирующий элемент; структурная схема генератора с АСА колебаний сварочного наконечника (б):

1 — задающий генератор; 2 — усилитель мощности; 3 — схема выделения; 4 — акусти­ческая система; 5 — схема сравнения; 6 — усилитель рассогласования; 7 — управляющий элемент; 8 — управляемый выпрямитель; 9 — схема АПЧ; 10 — схема ШИМ

типовой схеме автоматического регулирования (рис. 4.14, а) и отличаются лишь функциональными узлами источника ультра­звуковой энергии, на которые распространяется управляющее воздействие для изменения выходных характеристик генератора. Независимо от выбора управляемого параметра и способов полу­чения сигнала цепь обратной связи таких схем состоит из датчика обратной связи, источника опорного сигнала, устройства сравне­ния сигнала, поступающего с датчика и опорного сигнала, и ре­гулирующего элемента.

Наиболее широко для регулирования амплитуды колебаний сварочного наконечника используются способы изменения вы­ходной мощности источника ультразвуковой энергии.

В общем случае поставленная задача может быть решена путем введения управляемого реактивного сопротивления в выходную цепь генератора. Но это не всегда приемлемо, поскольку наруша­ется согласование генератора, усложняется конструкция и увели­чивается инерционность системы авторегулирования, возникает необходимость сужения диапазона регулирования. Применение управляемых трансформаторов также значительно усложняет конструкцию и повышает инерционность системы.

Чаще используются методы регулирования, при которых изме­нение напряжения, подводимого к колебательной системе, осу­ществляется за счет изменения величины возбуждения, например, с помощью регулируемого аттенюатора, если генератор работает в режиме В, или за счет изменения питающего напряжения и широтно-импульсного регулирования, если генератор работает в ключевом режиме.

На рис. 4.14, б представлена типовая схема установки, уси­литель мощности которой работает в режиме переключения. В ней осуществляется стабилизация амплитуды механических колебаний акустической системы посредством широтно-импульс­ной модуляции (ШИМ). Сигнал обратной связи в этом устройстве

Рис. 4.15. Структурная схема генератора с АСА с регулированием по цепи возбуждения

генератора (а):

1 — датчик; 2,4 — усилители; З — амплитудный селектор; 5 — детектор; 6 — управляе­мый делитель напряжения на термисторах; 7 — индикатор уровня селекции; 8 — регуля­тор опорного напряжения; структурная схема генератора типа УЗГ1-0,04 (б):

1 — задающий генератор; 2 — регулируемый аттенюатор на диодах; 3 — согласующий каскад; 4 — усилитель; 5, 7, 10 — схемы выделения сравнения и АПЧ; 6 — акустическая система; 8 — усилитель рассогласования; 9 — управляющий элемент

получают с электрической схемы выделения 3, выполненной на дифференциальном трансформаторе тока, и подают на схему срав­нения 5, где он сравнивается с опорным, усиливается усилите­лем рассогласования 6 и с помощью управляющего элемента 7 воздействует на схему ШИМ, подключенную в цепь возбуждения усилителя мощности генератора.

Недостатком таких устройств является довольно сложное схемное решение, вызванное необходимостью включения согласу­ющих резонансных цепей, и схем, обеспечивающих стабильную работу при включении АПЧ, поскольку изменение частоты вно­сит дополнительные фазовые сдвиги в систему авторегулирования. Преимуществом данной схемы являются высокое быстродействие и КПД.

На этом же рисунке показан тиристорный управляемый вып­рямитель 8, с помощью которого можно осуществлять авторегули­рование, изменяя напряжение питания выходного каскада 2. По таким схемам выполнены генераторы с АСА типа УЗГ5-0,4 и УЗГ11-0,1. Недостатком применения выпрямителей является не­обходимость громоздких сглаживающих фильтров и нелинейность его регулировочной характеристики, вызванная дискретностью управления и неполной управляемостью тиристоров.

Наиболее просты и надежны ультразвуковые генераторы, вы­ходной каскад которых работает в режиме класса В, где стабили­зация амплитуды механических колебаний акустической системы производится за счет регулировки напряжения возбуждения, как и в широко распространенных в радиотехнике схемах.

На рис. 4.15, а изображена структурная схема такой установ­ки. В качестве звена управления использован управляемый дели­тель напряжения на термисторах, включенных между частотно — задающим блоком и усилителем мощности генератора. Аналогич­ным образом выполнены схемы генераторов типа УЗГ1-0,04,

Рис. 4. їв. Устройство программного уп-
равления сварочной машиной

управляемый делитель кото­рого собран на полупровод­никовых диодах.

К недостаткам такого спо­соба следует отнести более низкий КПД по сравнению с КПД генераторов, работающих в ключевом режиме, и труднос­ти в реализации схем, рассчитанных на большие мощности, в связи с отсутствием транзисторов с большей мощностью рассея­ния.

Во всех рассмотренных выше случаях опорный сигнал имеет постоянную величину, что обеспечивает стабилизацию амплитуды механических колебаний акустической системы. Если же вместо постоянного опорного сигнала ввести сигнал, величина которого изменяется по заранее заданному закону или под воздействием дополнительного сигнала, несущего информацию о прохождении технологического процесса, то в первом случае обеспечим режим автоматической стабилизации программированной амплитуды, во втором — режим автоматической подстройки стабилизирован­ных режимов.

Для осуществления программного изменения амплитуды коле­баний сварочного наконечника разработана приставка, способная автоматически изменять уровень сигнала задатчика в соответ­ствии с требованиями технологического процесса (рис. 4.16). Приставка содержит последовательно включенные схему блоки­ровки /, генератор тактовых импульсов 2, регистр сдвига 3 и аналоговый коммутатор 4 с подключенными задатчиками 5. Один вход схемы блокировки подключен к входу регистра сдвига, второй — к выходу его последнего разряда. Число разрядов в ре­гистре и соответственно входов коммутатора и задатчиков опреде­ляется числом позиций в программе технологического процесса.

Включение УЗ установки осуществляется сигналом со схемы запуска, который подается на входы всех разрядов регистра, начиная с первого, для начальной установки регистра в состояние готовности, а также на вход схемы блокировки для запуска гене­ратора тактовых импульсов. Готовность нулевого разряда реги­стра выполняется автоматически при включении питания схемы и соответствует заданному уровню, например логической единице. После запуска генератора тактовых импульсов с каждым импуль­сом, поступающим с него в регистр сдвига, информация (единица), записанная в нулевом разряде, будет перемещаться из разряда в разряд и воздействовать на соответствующие управляющие входы коммутатора, который подключает задатчики к управляемому входу УЗ генератора. Как только логическая единица поступит на вход последнего разряда регистра, соединенного со входом

Рис. 4.17. Способы регулирования амплитуды механических колебаний акустических

систем:

АС — акустическая система; УЗГ — ультразвуковой генератор; ПТ — постоянный ток; РВ — регулируемый выпрямитель; ЦПЗГ — цепь питания задающего генератора; РАС — регулируемое активное сопротивление; А У — амплитудное управление; ФУ — фазовое управление; ШИУ — широтно-импульсное управление; ЧЗЦЗГ — частотно — задающая цепь задающего генератора; ВЧ — высокая частота; НЧ — низкая частота; РР — регулируемое реактивное сопротивление; УАЗ — управляемый активный элемент; РТ — регулируемый трансформатор; УРЭ — управляемый реактивный элемент

схемы блокировки, эта схема блокирует генератор тактовых им­пульсов и цикл закончится. Уровень мощности генератора для каждой позиции цикла будет определяться уровнем сигнала соот­ветствующего задатчика, а длительность позиций — длительно­стью, кратной периоду генератора тактовых импульсов.

Важное отличие этого устройства в том, что оно обеспечивает возможность плавного изменения длительности программы путем пропорционального изменения длительности каждой ее позиции. Длительность программы и число ее позиций могут быть легко изменены в зависимости от требований технологического процесса.

Приставка спроектирована с учетом технических характери­стик серийных генераторов УЗГ1-0,04/22 и УЗГ13-1,6 и может быть легко состыкована с ними. Устройство выполнено на тран­зисторах и микросхемах. Для регистра сдвига использованы микросхемы типа К155ТВ1, для коммутатора — 1К. Т901.

Частным случаем автоматического регулирования амплитуды механических колебаний является также параметрическая стаби­лизация амплитуды с помощью резонансной цепи (РЦ), включен­ной между выходом генератора и нагрузкой. В этом случае мощ­ность, подводимая к преобразователю сварочной системы, явля­ется функцией механического сопротивления нагрузки, а энергия, рассеиваемая на сопротивление потерь в преобразователе, оста­ется почти постоянной. Существенным ограничением применения этой схемы в установках для УЗС является влияние частотной характеристики резонансной цепи на работу устройства в режиме АПЧ. Классификация способов регулирования амплитуды меха­нических колебаний представлена на рис. 4.17.

Отметим, что в некоторых установках для УЗС предлагается регулировать не амплитуду механических колебаний, а время воздействия ультразвуковыми колебаниями на свариваемые де­тали по достижении амплитудой заданного абсолютного уровня или при достижении первой производной ее огибающей минимального значения. Однако это условие является, по нашему мнению, не­надежным.

Устройства для получения сигнала обратной связи. Одним из наиболее важных звеньев систем автоматического регулиро­вания установок для УЗС являются датчики, предназначенные для контроля и измерения параметров акустической мощности, отдаваемой колебательной системой в нагрузку. Известно, что если сохранение постоянной акустической мощности излучаемой энергии является условием, которое должна обеспечить система авторегулирования устройства для УЗС, то необходимо обеспе­чить соответствующее авторегулирование акустической силы или колебательной скорости в механической системе или обоих фак­торов одновременно.

Управление колебательной силой практически осуществить трудно — это равносильно управлению сопротивлением нагру­зки. Единственным параметром, регулированием которого можно стабилизировать процесс, остается колебательная скорость сва­рочного наконечника.

Все устройства, предназначенные для получения сигнала об­ратной связи, пропорционального колебательной скорости аку­стических систем для УЗС, можно разделить на три группы, ана­логично классификации способов получения сигналов обратной связи:

1) устройства, позволяющие получить сигнал обратной связи на электрической стороне электромеханического преобразователя;

2) устройства, регистрирующие механические колебания ка­кого-либо узла акустической системы;

3) устройства, регистрирующие колебания в нагрузке — зоне сварки.

Поскольку практическая реализация устройств третьей группы крайне затруднена ввиду сложности определения нагрузки при УЗС, наиболее широкое распространение получили только две первые группы. Основным элементом таких устройств являются датчики.

Если к точности автоматической подстройки частоты предъ­являются невысокие требования, то в качестве сигнала обратной

Рис. 4.18. Схемы выделения сигнала обратной связи по току (а) с дифференциальным

трансформатором тока (<Г);

Lr, Rk — элементы, компенсирующие реактивную и активную составляющие сопротив­ления преобразователя в мостовой схеме; LgjI — индуктивность обмотки магнитострик — ционного преобразователя; 7?эл — электрическое активное сопротивление преобразова­теля; См, RM — электрические аналоги механических свойств преобразователя; R&K — сопротивление акустической нагрузки; ZQn — сопротивление электрической ветви экви­валентной схемы преобразователя; ZM — сопротивление механической ветви эквивалент­ной схемы преобразователя; LQ, RQ — индуктивность и активное сопротивление обмотки

преобразователя

связи можно использовать составляющую тока скомпенсирован­ного преобразователя, которая весьма близка к значению механи­ческой составляющей (рис. 4.18, а). При подборе емкости кон­денсатора Ск, компенсирующего индуктивность L0 преобразова­теля, ток і, проходящий через первичную обмотку трансформатора обратной связи, приблизительно равен току механической ветви преобразователя (LM; См; і? м). В цепь обратной связи в этой установке включен многоконтурный полосовой фильтр, резонанс­ные частоты которого образуют равномерный ряд в пределах ди­апазона изменения частоты механического резонанса преобразо­вателя.

Широко распространены устройства с компенсационными схе­мами выделения сигнала обратной связи, пропорционального механическим колебаниям преобразователя на его электрической стороне. Такие схемы выгодно применять в установках, где в связи с конструктивными особенностями применение акустических дат­чиков затруднено, например в установках для шовной УЗС с вра­щающейся акустической системой. Наиболее часто применяются мостовые схемы, схемы с дифференциальным трансформатором, а также схемы с балансной индуктивностью и емкостью, важным преимуществом которых является возможность компенсации пара­метров электрической ветви преобразователя не на одной частоте, а в диапазоне частот.

На рис. 4.18, б изображена схема с дифференциальным транс­форматором тока. В этой схеме соотношения витков первичных обмоток трансформатора и значение индуктивности катушки

LK и резистора RK подобраны таким образом, что в случае «за­торможенного» преобразователя мостовая схема, элементами кото­рой являются первичные обмотки трансформатора, цепочка LKRK и магнитострикционный преобразователь, сбалансирована и на­пряжение f/вых на вторичной обмотке трансформатора практиче­ски равно нулю. При возбуждении механических колебаний баланс моста нарушается вследствие появления тока /т, протекающего через механическую ветвь преобразователя, т. е. выходное напря­жение является функцией от /т. Конденсатор Ск компенсирует реактивную составляющую преобразователя, что обеспечивает работу источника ультразвуковой энергии на нагрузку, близкую к активной.

Известны акустические датчики, изготовляемые в серийном производстве, в конструкции акустической системы ПМС-15А. Датчик выполнен в виде дополнительного пакета обратной связи (рис. 4.19, а). Толщина дополнительного пакета, на котором рас­положена обмотка обратной связи, примерно в семь раз меньше суммарной толщины основных пакетов. К недостаткам такого устройства следует отнести сложность в изготовлении, связанную с установкой дополнительного пакета симметрично рабочим па­кетам преобразователя, и потери акустической мощности.

За рубежом в установках УЗС фирмы «Филлипс» (Filips) в качестве акустических датчиков обратной связи применяют до­полнительный пакет, аналогичный основному, и жестко связанный с ним (рис. 4.19, б). Оба пакета имеют равные резонансные ча­стоты. Иногда вместо дополнительного пакета используют стер­жень, состоящий из двух пассивных накладок и расположенного между ними в зоне пучности напряжений активного элемента (рис. 4.19, в).

Наиболее широкое распространение среди акустических датчи­ков получили устройства, выполненные в виде катушек индуктив­ности, размещенных на волноводе акустической системы. Иногда такие электромагнитные датчики располагают около колеблю­щейся поверхности свободного торца преобразователя или вол­новода. Возможно размещение датчика, у которого плоскость ка­тушки расположена вдоль направления колебаний волновода. При
этом постоянный подковообразный магнит охватывает катушку датчика по линии ее диаметра. Сигнал обратной связи генериру­ется за счет изменения магнитного поля вихревых токов на по­верхности волновода.

Иногда в качестве датчиков механических колебаний исполь­зуются тензорезисторы. Известны устройства, где компенсацион­ная обмотка охватывает оба стержня магнитопровода и включена последовательно и встречно с обмотками возбуждения, а обмотка датчика расположена в торце магнитопровода на одном из стержней и т. п. Отличительной чертой таких датчиков является простота и долговечность, а к недостаткам следует отнести слабую помехо­защищенность от сигнала обмотки возбуждения и трудности в его компенсации.

Возможно применение пьезоэлектрических датчиков. При этом надо иметь в виду, что их механическое крепление на колеблю­щихся с большой амплитудой поверхностях акустических систем требует тщательной сборки, демпфирования, а клеевые соединения пока еще недостаточно надежны.

Подмагничивание магнитострикционных преобразователей аку­стических систем. Как известно, для обеспечения работы магнито — стрикционного преобразователя на линейном участке кривой на­магничивания в сердечнике создают начальную поляризацию. Для поляризации магнитострикционных преобразователей в ульт­развуковых установках обычно используют ламповые или полу­проводниковые выпрямители тока промышленной частоты, выпол­ненные по различным схемам в зависимости от требований, предъ­являемых к величине пульсации выпрямленного тока.

Наиболее часто используются однополупериодные двух — и трехфазные схемы, а также двухполупериодные одно — и трехфаз­ные мостовые схемы. Подключение выпрямителей поляризации в ультразвуковых установках к обмотке возбуждения преобразо­вателей осуществляют через разделительный дроссель, препят­ствующий проникновению тока высокой частоты в источник по­ляризации, а выход генератора подключают к преобразователю через разделительный конденсатор для исключения подмагничи — вания выходного трансформатора усилителя мощрости. Значи­тельно реже для осуществления начальной поляризации сердеч­ника преобразователя используют отдельную обмотку.

С конструктивной точки зрения выгодно использовать выпрям­ленный ток ультразвуковой частоты, что также позволяет прак­тически исключить влияние пульсаций тока поляризации на меха­нические колебания сварочного инструмента.

Структурная схема устройства, позволяющего реализовать этот способ, показана на рис. 4.20. Сигнал с задающего генератора 1 поступает на делитель частоты 2, усиливается усилителем 3 и подается на выпрямитель 4. Коэффициент деления делителя 2 частоты выбирают таким образом, чтобы частота пульсаций на выходе выпрямителя 4 совпадала с частотой задающего генератора

Рис. 4.21. Источник питания с блоком подмаг — ничивания без разделительного дросселя (а), совмещенным с генератором (б)

/, а фазосдвигающая цепь 5 обеспечивала совпадение фазы тока возбуждения магнитострикционного преобразователя 7 с фазой пульсаций тока подмагничивания (6 — усилитель генератора, 8 — разделительный дроссель, препятствующий проникновению тока высокой частоты в источник подмагничивания).

Если в установке для УЗС имеется два магнитострикционных преобразователя (или две группы преобразователей), то из конструкции может быть исключен разделительный дроссель. Такая установка содержит (рис. 4.21, а) генератор /, к выходу которого подключены магнитострикционные преобразователи 2 и 3, низкопотенциальные выводы которых соединены между собой через конденсатор 4, параллельно которому подключен источник тока подмагничивания 5. При таком подключении ток ультразву­ковой частоты не идет в источник подмагничивания, так как кон­денсатор 4 оказывает шунтирующее действие на этот ток и низко­потенциальные выводы преобразователей 2 и 3 находятся прак­тически под высокочастотным потенциалом одной величины. Уста­новка обладает малыми массогабаритными размерами за счет исключения разделительного дросселя. Иногда для упрощения конструкции источников питания подключение колебательной системы 6 (рис. 4.21, б) к генератору 1 осуществляется через по­следовательно включенные диод 2 и разделительное звено, состоя­щее из параллельно включенных конденсатора 3 и катушки индуктивности 4. Параллельно диоду 2 подключается конденса­тор 5.

Для осуществления подмагничивания используют постоянные магниты, вмонтированные в магнитопровод сердечника, однако трудности в технологии изготовления ограничивают их приме­нение в ультразвуковых установках.