ES2877191T3 - Sistemas y métodos para proporcionar energía a sondas de soldadura ultrasónica - Google Patents

Abstract

Un generador ultrasónico para un sistema de soldadura ultrasónica, que comprende: un chasis que tiene una entrada de línea de alimentación de CA (20) y que aloja una placa base (14) que incluye unos conectores (16, 18, 19, 23, 24, 25) para conectar directamente la placa base (14) a una pluralidad de módulos (10, 11, 12) sin mazos de cables para formar un sistema modular, siendo uno de los conectores un conector de módulo de opción (18) para conexión a un módulo de opción (32); caracterizándose el sistema modular por que es operable para: rectificar y filtrar la alimentación de CA desde la entrada de línea de alimentación de CA (20) a la alimentación de CC; convertir la potencia de CC en potencia de CA que tiene una frecuencia ultrasónica e igualar una impedancia de la energía de CA que tiene una frecuencia ultrasónica para transferir eficientemente esa energía de CA a un transductor ultrasónico que entrega la energía de frecuencia ultrasónica a una carga; en el que la placa base (14) incluye además un controlador digital configurado para controlar y supervisar la pluralidad de módulos (10, 11, 12), estando configurado el controlador digital para: controlar un dispositivo accionador de sonda en un proceso de soldadura; comenzar el proceso de soldadura aplicando un nivel bajo de salida de ultrasonido ajustable a las piezas que se unen mediante el proceso de soldadura; supervisar un nivel de potencia ultrasónica a medida que aumenta la fuerza aplicada a las piezas por el dispositivo accionador de sonda; e iniciar un ciclo de soldadura en respuesta a la detección de un nivel de potencia de disparo programado por el usuario, sin usar una celda de carga o un transductor de fuerza para medir directamente la fuerza aplicada a las piezas.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistemas y métodos para proporcionar energía a sondas de soldadura ultrasónica

Campo de la invención

Esta invención está dirigida en general a fuentes de alimentación ultrasónicas y está más particularmente relacionada con sistemas y métodos para proporcionar energía a conjuntos de pila ultrasónica resonante utilizados para soldadura ultrasónica u otras aplicaciones que requieren energía ultrasónica.

Antecedentes de la invención

La soldadura ultrasónica es una técnica eficaz para unir componentes en entornos de fabricación. Las aplicaciones de la soldadura ultrasónica incluyen la soldadura de piezas de plástico y tejidos cuando se fabrican productos tales como componentes de automóviles, productos médicos y otros productos industriales o de consumo. Los documentos US 4 973 876 y US 6827247 divulgan un generador ultrasónico para un sistema de soldadura ultrasónica.

En los dispositivos de soldadura ultrasónica actuales, el generador ultrasónico incluye muchos componentes para controlar y regular la potencia entregada a una carga ultrasónica. En muchos de estos generadores ultrasónicos actuales, la mayoría de los diseños utilizan arquitecturas y métodos de empaquetado que no se ensamblan y reparan fácilmente, o las características opcionales del sistema no se pueden actualizar fácilmente en el campo. Además, al utilizar métodos de diseño convencionales, la densidad de potencia del sistema empaquetado es relativamente baja. La mayoría de los generadores ultrasónicos actuales también utilizan componentes analógicos, que limitan los métodos de control ajustables que se pueden incorporar al diseño. Además, al utilizar principalmente componentes analógicos en el diseño, el generador ultrasónico incorporará más circuitos, tendrá una mayor sensibilidad al ruido y requerirá una mayor cantidad de espacio para los componentes de la placa de circuito.

Por lo tanto, existe la necesidad de una fuente de alimentación ultrasónica que utilice una arquitectura modular y compacta, lo que permite un ensamblaje sencillo del sistema, un diagnóstico de fallos del sistema simple, capacidad de reparación modular, características opcionales que se actualizan fácilmente en el campo, tamaño físico pequeño y métodos adicionales de montaje del sistema. También existe la necesidad de un dispositivo de soldadura ultrasónica que utilice principalmente componentes digitales, lo que permite una mayor flexibilidad, un tamaño más pequeño y características adicionales.

Compendio de la invención

Los problemas mencionados anteriormente se resuelven mediante un generador ultrasónico para un sistema de soldadura ultrasónica según la reivindicación 1. Según una realización de la presente invención, se proporciona un generador ultrasónico. El generador incluye un módulo de entrada para recibir una señal de potencia, un módulo de salida para emitir una señal ultrasónica y una placa base acoplada tanto con el módulo de entrada como con el módulo de salida. La placa base incluye un controlador digital adaptado para controlar el módulo de entrada y el módulo de salida.

Según otra realización de la presente invención, un método para generar una señal ultrasónica incluye proporcionar un módulo de entrada para recibir una señal de potencia. También se proporciona un módulo de salida para emitir una señal ultrasónica. Una placa base está acoplada tanto con el módulo de entrada como con el módulo de salida. La placa base incluye un controlador digital adaptado para controlar el módulo de entrada y el módulo de salida.

Según otra realización más de la presente invención, un método para probar la potencia de un generador ultrasónico incluye transmitir una señal de prueba a un módulo de entrada con el fin de probar una fuente de alimentación entrante. En respuesta a un resultado de prueba positivo, se transmite una señal de prueba a una pluralidad de buses para probar una fuente de alimentación interna. En respuesta a un resultado positivo de la prueba de la fuente de alimentación interna, se transmite una señal de prueba a una fuente de alimentación de salida. En respuesta a un resultado positivo de la prueba de la fuente de alimentación de salida, se permite el funcionamiento completo del generador ultrasónico.

Según otra realización de la presente invención, se proporciona un método para hacer funcionar un generador ultrasónico. El método incluye proporcionar un módulo de entrada y un módulo de salida y acoplar una placa base al módulo de entrada y al módulo de salida. Se selecciona un control de regulación, a través de la placa base, de tal modo que el control de regulación se puede ajustar según una pluralidad de incrementos.

Según otra realización más de la presente invención, un método para prevenir disparos por sobrecarga en un generador ultrasónico incluye muestrear un nivel de potencia del generador ultrasónico. El nivel de potencia muestreado se compara con el nivel de potencia muestreado a un nivel de potencia de sobrecarga preestablecido. En respuesta a que el nivel de potencia de la muestra sea mayor que el nivel de potencia de sobrecarga preestablecido, se activa un disparo una vez transcurrido un tiempo predeterminado. El tiempo predeterminado se correlaciona con el nivel de potencia muestreado.

Según otra realización más de la presente invención, se proporciona un método para prevenir un disparo por sobrecarga de un generador ultrasónico e incluye muestrear un nivel de potencia del generador ultrasónico. Luego se determina si la potencia muestreada está dentro de un porcentaje establecido de un nivel de disparo por sobrecarga. En respuesta a que la potencia muestreada se encuentre dentro del porcentaje establecido del nivel de disparo por sobrecarga, se reduce la amplitud de la potencia muestreada.

Según otra realización más de la presente invención, se proporciona un método para establecer una frecuencia resonante ultrasónica para un generador ultrasónico. El método incluye medir una frecuencia resonante mientras el generador ultrasónico está en uso y establecer un bucle de enganche de fase aproximadamente a la frecuencia resonante.

Según otra realización de la presente invención, un método para disminuir de forma segura la amplitud de salida de un generador ultrasónico incluye activar un algoritmo de control de amplitud de rampa descendente en el generador ultrasónico y reducir gradualmente la amplitud de salida del generador ultrasónico durante un período de tiempo predeterminado. Este método permite extender la vida útil de diversos componentes de una pila ultrasónica, tales como sonotrodos (bocinas), amplificadores y transductores, al reducir las tensiones introducidas al final de un ciclo cuando la amplitud se apaga abruptamente.

Según otra realización de la presente invención, se proporciona un método para alcanzar una amplitud establecida en un generador ultrasónico. El método incluye almacenar una pluralidad de curvas en una memoria del generador ultrasónico. Cada una de las curvas representa un método diferente para alcanzar una amplitud establecida del generador ultrasónico. Se selecciona una de la pluralidad de curvas establecidas en la memoria. Siguiendo la curva seleccionada para alcanzar la amplitud establecida en el generador ultrasónico.

Breve descripción de los dibujos

En los dibujos:

La Figura 1 es una vista despiezada de un generador ultrasónico que ilustra la arquitectura de sistema modular de una fuente de alimentación ultrasónica básica según una realización de la presente invención;

Las Figuras 2a, 2b, 2c y 2d son vistas en perspectiva del chasis, que muestran la arquitectura modular de un generador ultrasónico que se controla manualmente o con un sistema de control automatizado;

Las Figuras 3a, 3b, 3c, 3d y 3e son vistas en perspectiva del chasis, que muestran la arquitectura modular de un generador ultrasónico que incluye un controlador de proceso en el panel frontal con opciones;

La Figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra las funciones de supervisión de energía con indicación de estado según una realización de la presente invención;

Las Figuras 5a, 5b, 5c y 5d son ilustraciones de diversas opciones de montaje de chasis, usando un diseño de arquitectura modular según una realización de la presente invención;

La Figura 6 es un diagrama de bloques de un controlador de fuente de alimentación ultrasónica digital según una realización de la presente invención;

La Figura 7 es un diagrama de bloques para un bucle de enganche de fase digital mejorado según una realización de la presente invención;

La Figura 8 es un gráfico que ilustra una pluralidad de curvas de respuesta de regulación seleccionables con diferentes características de amortiguación de regulación según una realización de la presente invención;

La Figura 9 es un gráfico que ilustra el control remoto de regulación de amplitud con una variedad de selecciones de intervalo según una realización de la presente invención;

La Figura 10 es un gráfico que ilustra el control remoto de regulación de potencia con una variedad de selecciones de intervalo según una realización de la presente invención;

La Figura 11 es un gráfico que ilustra una función de parada suave según una realización de la presente invención; La Figura 12 es un gráfico que ilustra un tiempo medio de respuesta de disparo por sobrecarga según una realización de la presente invención;

La Figura 13 es un diagrama de flujo que describe el método de integración del tiempo de respuesta de disparo por sobrecarga para lograr la característica ilustrada en la Figura 12 según una realización de la presente invención; La Figura 14 es un diagrama de flujo que describe una metodología de prevención de sobrecarga según una realización de la presente invención;

La Figura 15 es un diagrama de flujo que describe un método para bloquear un bucle de enganche de fase a una frecuencia particular y rastrear la frecuencia cambiante a medida que se usa, actualizando la frecuencia de arranque de funcionamiento libre según una realización de la presente invención; y

La Figura 16 es un diagrama de flujo que describe un método para habilitar inicialmente y luego deshabilitar selectivamente la función de seguimiento del comparador de bucle de enganche de fase para mantener la frecuencia de bloqueo capturada previamente según una realización de la presente invención.

La Figura 17 es una ilustración esquemática de una pila de soldadura ultrasónica que avanza hacia una pieza que se ha de soldar;

La Figura 18 es un gráfico de la potencia de salida del transductor en función de la fuerza ejercida sobre la pieza; La Figura 19 es un gráfico de la salida de carga de retroalimentación del transductor en función de la fuerza sobre la pieza; y

La Figura 20 es un diagrama de bloques de un sistema de "activación por fuerza" para iniciar un ciclo de soldadura. En sistemas anteriores, el bucle de enganche de fase se bloquea en la señal de retroalimentación. Sin embargo, en algunos casos, la señal de retroalimentación puede ser errónea, tal como en situaciones de corte de alimentos congelados como se describe anteriormente. En esta realización, el sistema se fija en la frecuencia correcta mientras la bocina ultrasónica está en el aire. Luego, cuando la bocina comienza a cortarse y el PLL recibe una mala retroalimentación, se desactiva la operación del comparador de fase PLL, ignorando así la mala señal de retroalimentación. Tal operación está permitida por el uso de componentes digitales. En los generadores ultrasónicos anteriores que incluían todos los componentes analógicos, la operación del comparador de fase PLL no se podía alterar. Por el contrario, en la presente realización, la función PLL digital puede modificarse para adaptarse a los cambios en el sistema cuando sea necesario.

Los métodos de activación existentes para iniciar el ciclo de soldadura ultrasónica incluyen los siguientes:

• Disparo por fuerza (o disparo dinámico), que activa la energía ultrasónica una vez que la presión (fuerza) sobre un elemento sensor excede el valor preestablecido;

• Disparo por distancia que activa la energía ultrasónica una vez que se alcanza una distancia preestablecida; • Disparo previo, que activa la energía ultrasónica en el aire ya sea por tiempo o distancia (Señalizador de disparo previo).

Estos métodos de activación requieren hardware adicional para implementarse correctamente, tal como sensores de fuerza (celdas de carga), codificadores de distancia o interruptores de límite, y tienen limitaciones mecánicas que pueden resultar en piezas soldadas con variaciones excesivas.

Un nuevo método de activación elimina varios componentes mecánicos y eléctricos. Este enfoque se basa únicamente en los componentes electrónicos y el firmware que forman parte de los sistemas modernos de soldadura ultrasónica, como la serie iQ de Dukane o DPC4+. Este nuevo método proporciona una mejor precisión, repetibilidad y calidad de soldadura que los métodos existentes debido a la alta precisión y repetibilidad de las mediciones de potencia. El nuevo método incluye los siguientes pasos (véanse las Figuras 17 y 18):

1. El operador programa un valor para "Disparo por potencia".

2. Comienza el ciclo.

3. La pila se mueve hacia la pieza que se ha de soldar (véase la Figura 17).

4. La pila funciona a una amplitud del 10% al 40% (ajustada por el usuario) para evitar marcar la pieza.

5. La pila aplica presión a la pieza; la potencia ultrasónica aumenta con la presión (véase la Figura 18).

6. Se alcanza el límite de activación de potencia: esto inicia el ciclo de soldadura (véase la Figura 18).

7. La amplitud aumenta al 100% (o al valor necesario para una soldadura adecuada).

8. A partir de este punto, se podrían utilizar varias técnicas de soldadura diferentes, por ejemplo, soldar por tiempo, soldar por energía, soldar por distancia colapsada, soldar por pico de potencia, u otros.

9. La pieza está soldada.

Las comparaciones de potencia se pueden manejar dentro del firmware con un tiempo de procesamiento de solo unos pocos microsegundos. Esto proporciona una mayor precisión y repetibilidad produciendo piezas soldadas sin defectos.

En lugar de medir la potencia ultrasónica, es posible utilizar la dualidad de un transductor piezocerámico. Simplemente supervisando la salida de un transductor (mientras la energía ultrasónica está apagada) es posible usar esta señal para "Disparar por Fuerza" (véanse las Figuras 17 y 19). La señal de salida del transductor es proporcional a la fuerza directa aplicada. La circuitería de posprocesamiento incluye un amplificador 300 de carga a tensión, que está conectado a un ADC 301. La salida del ADC es procesada por un microcontrolador 302 (véase la Figura 20).

Descripción detallada de realizaciones ilustrativas

La Figura 1 ilustra la arquitectura de sistema modular de una fuente de alimentación ultrasónica básica en la que los componentes centrales del sistema son un módulo de entrada 10, un módulo de salida 11, un módulo de adaptación 12 y una placa base 14 que interconecta juntos todos los subconjuntos del sistema. El módulo de salida 11 incluye un sensor de temperatura y un circuito de control termostático, que cicla el funcionamiento del ventilador de enfriamiento 15 según sea necesario para enfriar el circuito de conversión de energía. La placa base 14 también incluye conectores que admiten funciones opcionales, como una placa 16 del controlador de proceso del panel frontal, una placa 19 de control de estado de LED y un conector 18 del módulo de opción que admite una placa de opción individual, o un compartimento para tarjetas de opción que admite varias placas de opción. Este enfoque de diseño modular permite muchas variaciones diferentes de ensamblaje del sistema con una amplia variedad de características opcionales, cuando se necesiten.

Las Figuras 2a, 2b, 2c y 2d ilustran una fuente de alimentación ultrasónica de nivel básico con los subconjuntos instalados en un chasis. Los subconjuntos de núcleo mostrados en la Figura 1 están instalados en el chasis y se identifican utilizando los mismos números de referencia utilizados en la Figura 1. Además de los subconjuntos discutidos en la Figura 1, se muestran otros dos paneles que son necesarios para un sistema completo de suministro de energía ultrasónica. Un panel de entrada de energía 20 incluye una conexión para la entrada de la línea de energía de CA y un dispositivo de protección de circuito que cumple con las regulaciones. En una realización, se usa un conector de entrada de energía compatible con IEC, que se puede conectar a cualquier estilo de cable de energía que se use internacionalmente, y se usa un interruptor de circuito de conmutador de energía combinado como interruptor de energía que también proporciona protección contra sobrecorriente. Un panel 22 de E/S del sistema incluye conectores para controlar el funcionamiento de la fuente de alimentación. Un conector de entrada de sistema 23 proporciona entradas de control para que un sistema de control externo pueda activar o desactivar diversas funciones de la fuente de alimentación. Un conector de salida de sistema 24 proporciona señales de salida del estado operativo del sistema a un sistema de control externo, si son necesarias. Un conector de puerto de configuración 25 proporciona una conexión de comunicaciones en serie a una computadora que ejecuta una aplicación de software compatible que tiene la capacidad de modificar y almacenar parámetros de configuración en la memoria de la placa base. El conector 25 también incluye un conector para la salida de ultrasonido 26 de la fuente de alimentación, que está conectado a un transductor ultrasónico compatible que convierte la potencia de salida ultrasónica en movimiento mecánico.

El ventilador de enfriamiento controlado termostáticamente 15 dirige el aire frío desde el exterior del chasis de la fuente de alimentación, a través de las aletas de enfriamiento en el disipador de calor extruido del convertidor de potencia del módulo de salida, a través de los componentes magnéticos de impedancia coincidente en el módulo de adaptación y hacia fuera por una abertura de escape de canal de enfriamiento en el extremo alejado del chasis. Este diseño dirige la corriente de aire de enfriamiento a través de los componentes del convertidor de potencia que disipan el calor para lograr una eficiencia de enfriamiento efectiva. El aire de enfriamiento también está confinado dentro del área del canal de enfriamiento 27, de modo que el polvo u otros contaminantes ambientales del exterior del chasis no se depositan en las placas de circuito electrónico dentro del recinto.

También se muestran varios subconjuntos opcionales en la Figura 1 para ilustrar cómo la arquitectura del sistema está diseñada para admitir la conexión de diversos conjuntos opcionales con características que mejorarán aún más la funcionalidad del sistema en general. Se muestra un panel de control de estado opcional 28 adjunto al conector 19 del panel de control de estado de la placa base. Este panel 28 incluye indicadores de estado LED 29 para fallos del sistema, fallos de energía y activación de ultrasonido. El panel 28 también incluye interruptores de control 30 para activar la salida de ultrasonido con fines de prueba y un interruptor de control de línea APAGADO/ENCENDIDO que desactiva la salida de ultrasonido cuando sea necesario. Se entenderá que pueden proporcionarse otros módulos de panel de control de estado opcionales con diferentes características. También se muestra en la Figura 1 un módulo de opción 32 conectado al conector de opción 18 de la placa base. En esta configuración del chasis, solo se puede instalar un módulo de opción. Se encuentran disponibles una variedad de funciones de tarjeta de opción y el usuario seleccionará qué módulo se adapta mejor a su proceso ultrasónico particular.

La Figura 1 ilustra cómo el diseño de arquitectura modular da como resultado un chasis compacto que es fácil de ensamblar, eliminando los mazos de cables de baja potencia, y el sistema se puede configurar con diversos módulos opcionales si es necesario. Este enfoque de diseño también permite un análisis sencillo de los problemas del sistema y, si es necesario, el personal de servicio puede reemplazar fácilmente un subconjunto defectuoso.

Las Figuras 3a, 3b, 3c, 3d y 3e ilustran múltiples vistas de una fuente de alimentación ultrasónica más avanzada con los subconjuntos instalados en un chasis. Los subconjuntos de núcleo mostrados en la Figura 1 están instalados en el chasis y se identifican utilizando los mismos números de referencia empleados en la Figura 1. Además de los subconjuntos mostrados en la Figura 1, la mayoría de los subconjuntos mostrados en las Figuras 2a, 2b, 2c y 2d también están presentes en las Figuras 3a, 3b, 3c y 3d. Un panel de control de estado que se utiliza con sistemas básicos se reemplaza en sistemas avanzados con un conjunto de control de proceso del panel frontal 31, que está conectado al conector 16 de la placa base del panel frontal. El conector de la placa base del panel frontal está diseñado para funcionar con varios diseños de panel frontal que ofrecen una variedad de funciones con diferentes niveles de coste. Lo que se ve como el panel frontal en los sistemas básicos (por ejemplo, las Figuras 2a, 2b, 2c y 2d) se convierte en el panel trasero en un sistema avanzado con un controlador de panel frontal instalado. El chasis del sistema avanzado tiene una dimensión de profundidad ligeramente mayor para acomodar una caja de tarjetas de opción (34), que puede admitir varios módulos de opción 36. El diseño del conector 18 de la caja de tarjetas de opción admite tarjetas opcionales con una variedad de características y también admite diseños futuros cuando son necesarios.

La caja de tarjetas de opción 34 está conectada directamente a la placa base y está diseñada para recibir los módulos de opción 36. Los módulos de opción 36 que se muestran pueden incluir tarjetas que admiten funciones independientes, tales como controles para diferentes tipos de prensas de soldadura ultrasónica y proporcionan una variedad de puertos de interfaz de comunicación de datos. La caja de tarjetas de opción 34 está diseñada para permitir que el usuario tenga acceso a todas las ranuras del módulo de opción desde el exterior del recinto del sistema, sin tener que quitar la cubierta del recinto. Los módulos de opción también se montan de forma segura en la caja 34 de tarjetas del módulo de opción sin necesidad de herramientas, utilizando en esta realización uniones de tornillos de mariposa cautivos.

En algunas configuraciones de sistema se requiere un interruptor de alimentación 38 del panel frontal, tal como en un chasis montado en bastidor en donde un interruptor de alimentación montado en el panel posterior del recinto sería inaccesible. El interruptor de alimentación de panel frontal 38 utilizado en esta realización particular es un interruptor de estilo de botón pulsador iluminado. Este tipo de interruptor también se utiliza para proporcionar una indicación del estado de energía al operador, en configuraciones de sistema avanzadas que utilizan un panel LCD gráfico y no incluyen otros indicadores de estado de energía. A continuación, se explica una descripción detallada de la funcionalidad del indicador de estado de energía.

Cada uno de los módulos centrales y opcionales descritos anteriormente incluye una EEPROM u otro dispositivo que se comunica con la placa base 14, de modo que la placa base 14 puede determinar qué módulos están conectados a la placa base. La EEPROM incluye toda la información necesaria sobre el módulo, tal como el número de pieza, el nivel máximo de potencia, la frecuencia, la fecha de fabricación, la fecha de envío del sistema, la información de revisión del firmware o la lógica programable, los registros de actualización, los datos de prueba de fábrica, los datos del historial de servicio y cualquier otro. información que puede ser útil para rastrear el módulo. La placa base 14 puede comunicar esta información al controlador 32 del panel frontal para que se visualice, o al puerto 25 de configuración cuando no está instalado un controlador del panel frontal.

La EEPROM también incluye información que permite a la placa base 14 ajustar los parámetros de control de configuración para acomodar los módulos conectados. Por ejemplo, si un usuario conectara un módulo de adaptación de 20 kHz, la placa base leería la EEPROM en el módulo de adaptación, determinaría que es un módulo de adaptación de 20 kHz y preconfiguraría correctamente los registros de control en la placa base, sin la intervención del usuario. Además, debido a que todos los módulos están conectados a la placa base, los diferentes módulos se pueden instalar o reemplazar fácilmente. La placa base puede informar a través del controlador del panel frontal o del puerto de configuración, la ausencia de un módulo (EEPROM ilegible) o que se ha instalado un módulo incompatible, como una ayuda para solucionar problemas y reparar fácilmente el sistema.

La altura del generador 10 depende del nivel de potencia de salida. Los generadores con una potencia de más de 1200 W están empaquetados en un chasis que tiene una altura de entre aproximadamente 4 y aproximadamente 6 pulgadas, preferiblemente cerca de 5,25 pulgadas. Los generadores con una potencia nominal de 1200 W o menos están empaquetados en un chasis que tiene una altura de entre aproximadamente 2,50 pulgadas y aproximadamente 4,5 pulgadas, preferiblemente cerca de 3,5 pulgadas.

Pasando ahora a la Figura 4, se describirá una realización de un método operativo de monitorización de la energía suministrada hacia o desde el módulo de entrada 10. Como se describió anteriormente, el módulo de entrada 10 está acoplado con la fuente de alimentación de CA exterior, contiene condensadores de CC que proporcionan energía al módulo de salida 11 y también está conectado directamente a la fuente de alimentación de control de CC 17. Para un funcionamiento adecuado del sistema, es importante asegurarse de que todas estas fuentes de alimentación funcionen dentro de sus niveles normales especificados. El método descrito a continuación utiliza un chip lógico programable en el módulo de entrada 10 que verifica tres parámetros diferentes de las fuentes de alimentación antes de habilitar el funcionamiento del generador y, si se detecta un fallo, notifica al usuario cuál de los parámetros es la fuente del problema. En el paso 100, se activa el sistema de energía. En primer lugar, en el paso 102, el sistema detecta si la fuente de alimentación de CA que entra en el módulo de entrada 10 está dentro del intervalo de funcionamiento normal del equipo. El intervalo de funcionamiento normal es un estándar que está preestablecido en el chip en el módulo de entrada 10, y está determinado por el intervalo de funcionamiento especificado del generador ultrasónico. Si se determina que la fuente de alimentación de CA en el módulo de entrada 10 no está dentro del intervalo normal, es decir, hay una subtensión o una sobretensión, entonces el proceso avanza al paso 104, y la luz indicadora 29 o 38 parpadea rápidamente para indicar este problema al operador. Una salida de estado POWER OK se desactiva en el paso 105 cuando este fallo está activo. En algunas realizaciones, la luz indicadora 29 o 38 parpadea entre aproximadamente 2 y aproximadamente 6 Hz, aunque se pueden usar otras velocidades.

Si se determina que la fuente de alimentación de CA está funcionando dentro del intervalo normal, entonces en el paso 106, se determina si los condensadores del bus de CC están cargados apropiadamente desde la entrada de tensión de línea de CA rectificada. La carga de los condensadores de CC está determinada por la magnitud de tensión a través de los condensadores (no mostrados) ubicados en el módulo de entrada 10, dentro del generador ultrasónico. Si los condensadores del bus de CC no se cargan adecuadamente, entonces el proceso avanza al paso 108 y la luz indicadora 29 o 38 parpadea a una velocidad lenta. La salida de estado POWER OK se desactiva en el paso 109 cuando este fallo está activo. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la luz indicadora 29 o 38 parpadea entre aproximadamente 0,5 y aproximadamente 1,5 Hz.

Si se determina en el paso 106 que los condensadores del bus de CC están adecuadamente cargados, el proceso avanza al paso 110. En el paso 110, se determina si los niveles de alimentación de CC están por encima de un límite de subtensión. El límite de subtensión puede preprogramarse en el chip lógico programable en el módulo de entrada 10, que está determinado por los límites operativos de los circuitos del sistema. Si los niveles de la fuente de alimentación de CC están por debajo del límite de subtensión, entonces, en el paso 112, la luz indicadora 29 o 38 se ilumina de forma fija. La salida de estado POWER OK se desactiva en el paso 114 cuando este fallo está activo. Sin embargo, si los niveles de la fuente de alimentación de CC están por encima del límite de subtensión, la luz indicadora 29 o 38 se apaga y todas las funciones del sistema quedan habilitadas para el funcionamiento normal. La salida de estado POWER OK se activa en el paso 116 cuando no hay fallos activos.

Como se ilustra en la Figura 4 anterior, el operador puede saber, mirando la luz indicadora 29 o 38, si el sistema de soldadura ultrasónica está alimentado correctamente y, si no lo está, dónde está el problema. Esta información proporciona al usuario una indicación de dónde se encuentra el problema, lo que permite una resolución de problemas más rentable. El operador no necesita realizar una resolución de problemas por separado en cada una de las diferentes fuentes de alimentación para encontrar el área del problema. En cambio, la luz indicadora 29 o 38 señala el área del problema, lo que hace que la resolución de problemas sea más efectiva. En otras realizaciones, la señal de alarma puede ser una señal de audio en lugar de una señal visual (tal como la luz indicadora 29 o 38). La alarma puede sonar en diferentes intervalos de tiempo (pitidos rápidos versus pitidos lentos) o puede sonar con diferentes frecuencias dependiendo de qué fuente de alimentación esté defectuosa. También se podría sustituir cualquier otro tipo de circuito programable para realizar la misma funcionalidad que se describe para el chip lógico programable que se usó en esta realización.

La Figura 5 ilustra algunas variaciones de montaje del chasis que son posibles utilizando la arquitectura de ensamblaje modular. Los recintos de estilo de montaje en banco estándar se pueden ensamblar, ya sea con las opciones de controlador de proceso de panel frontal 52 o sin esta opción 50. Es posible una variación estándar de montaje en rack de relés en este diseño de chasis agregando orejas de montaje en rack a un chasis de montaje en banco, que está diseñado para se ajustan a las dimensiones de montaje estándar del armario de bastidor de 19". El montaje en chasis vertical 56, para instalación en armarios de sistemas de automatización, también es posible para sistemas de nivel base, sin un panel frontal de control de proceso. Si se requiere un panel de control de proceso, se puede instalar un chasis de montaje en banco montado verticalmente, que normalmente se montaría en una prensa de soldadura ultrasónica 54 como se muestra en la ilustración. Los sistemas clasificados a niveles de potencia más bajos (1200 W y menos) encajan en un recinto compacto de perfil más bajo que las unidades de alta potencia.

Pasando ahora a la Figura 6 que ilustra un diagrama de bloques para un controlador de fuente de alimentación ultrasónico digital mejorada. El sistema de control digital se implementa utilizando un sistema de microcontrolador estándar, con algoritmos de control de firmware únicos, junto con un diseño lógico digital programable único y circuitos de interfaz periféricos diseñados apropiadamente. Esta placa de control digital también funciona como placa base del sistema. Esta placa incluye conectores eléctricos para conexión directa, sin mazos de cables, a los subconjuntos modulares de la fuente de alimentación ultrasónica central. También se incluyen en el diseño de la placa controladora digital varios conectores adicionales, diseñados para admitir la conexión de una variedad de ensamblajes opcionales con características que mejorarán aún más la funcionalidad del sistema en general.

Se requiere que los subconjuntos del sistema central generen energía ultrasónica a partir de la salida de la fuente de alimentación. El módulo de entrada rectifica y filtra la energía de entrada de la línea de CA y supervisa el estado de la energía de entrada junto con la energía de salida de este subconjunto. El módulo de salida convierte la potencia de CC del módulo de entrada en potencia de CA de frecuencia ultrasónica utilizando una metodología de conversión de potencia por modulación de ancho de pulso. Este módulo también incluye un sensor de temperatura del disipador de calor para controlar el funcionamiento del ventilador de enfriamiento y el circuito de sobrecarga máxima que protege los transistores de conmutación de las corrientes pico que están fuera de la curva del área de funcionamiento segura especificada. El módulo de adaptación convierte eficientemente la potencia de CA de frecuencia ultrasónica del módulo de salida en potencia de salida ultrasónica que impulsa la carga ultrasónica y también suministra señales analógicas críticas al controlador principal. Estas señales se utilizan para calcular el nivel de potencia de salida de ultrasonido, excitar el módulo de salida a la frecuencia resonante correcta y regular el nivel de salida de amplitud de ultrasonido. Los conectores de E/S del sistema son necesarios para controlar las señales de entrada que activan la salida de ultrasonido u otras funciones controladas externamente y para que las señales de salida de estado comuniquen el estado operativo del sistema a un sistema de control externo. También se necesita un puerto de configuración para modificar los parámetros de configuración del sistema según sea necesario, o para actualizar el firmware del sistema del microcontrolador.

En esta realización particular de esta invención, el sistema de microcontrolador integrado interactúa con los diversos subconjuntos y opciones del sistema a través de puertos de E/S digitales, canales de entrada analógica, un controlador periférico I2C y una interfaz UART serie. Todos los subconjuntos del sistema central y las tarjetas de opción están equipados con dispositivos de memoria flash PROM, preprogramados en fábrica con información de identificación que lee el microcontrolador. El sistema utiliza esta información para configurarse automáticamente, en función de los módulos y las tarjetas de opción que se instalan cuando se enciende el sistema. El microcontrolador utiliza varios canales analógicos A a D para supervisar los niveles de tensión de la fuente de alimentación de control de las salidas de energía acondicionadas que se originan en el módulo de entrada y también supervisa una señal de estado de POWER OK de un circuito de supervisión de energía en el módulo de entrada. El diseño incluye varios buses de interfaz digital conectados al microcontrolador, por lo que puede comunicarse rápidamente con los registros internos de la lógica programable o la RAM de doble puerto, la placa de control de procesos del panel frontal y las diversas tarjetas de opción que se pueden instalar. El firmware del microcontrolador está programado con algoritmos de firmware que controlan las características de regulación de la salida de ultrasonido, los intervalos de escala del control remoto, las características de disparo por sobrecarga promedias, la funcionalidad de parada suave, el algoritmo de inhibición de sobrecarga promedio, el algoritmo de seguimiento de frecuencia y la funcionalidad de bloqueo y retención de frecuencia, que se discutirá con mayor detalle en las siguientes secciones.

El dispositivo lógico programable digital incorpora la lógica de interfaz necesaria para las entradas y salidas digitales de propósito general en todo el sistema, pero también incluye funciones de tiempo crítico que se descargan de las tareas del microcontrolador. El bucle de enganche de fase digital mejorado se implementa en el diseño lógico programable que se bloquea en la salida del puente de movimiento detectada por un circuito comparador de cruce de cero. También se incluye un sistema de adquisición de datos de múltiples canales de alta velocidad que realiza automáticamente la multiplicación y el promedio necesarios para calcular con precisión el nivel de potencia RMS real del ultrasonido. Esta lógica también incluye contadores programables que generan las señales de modulación de ancho de pulso utilizadas para excitar el módulo de salida a la frecuencia resonante correcta y con una duración de conducción con el fin de lograr el nivel de regulación de ultrasonido programado.

Pasando ahora a la Figura 7, es un diagrama de bloques de un bucle de enganche de fase digital (PLL) mejorado, que en la presente realización se implementa dentro del diseño del dispositivo lógico programable. Este diseño incluye muchos de los elementos incluidos en los diseños de bucle de enganche de fase digital convencional. Utiliza un oscilador de control numérico (NCO) para desarrollar una salida de frecuencia de bloqueo de fase que se establece desde un bloque de control integral que contiene un contador digital ascendente/descendente. Se incluye un bloque de control proporcional, que contiene lógica digital para sumar o restar recuentos adicionales cuando se detecta un error de fase grande, de modo que el sistema puede bloquear la señal de referencia en un período de tiempo más corto. Un comparador de fase digital proporciona señales de salida que indican el error de fase entre la frecuencia de salida del NCO y una frecuencia de referencia, que en este caso, es una señal de cruce de cero derivada de la señal de salida del puente de movimiento, generada en el módulo de adaptación desde el transductor ultrasónico accionado. Una señal de salida detecta si el error de fase es adelantado o retrasado y la otra salida de señal es un pulso que es igual a la diferencia de fase entre las entradas del comparador de fase. Las mejoras de diseño se centran en los bloques funcionales que controlan el funcionamiento de estos bloques básicos.

El bloque de registro de control de frecuencia controla los límites del intervalo de captura del bucle de enganche de fase. Se debe programar un límite de frecuencia superior e inferior en los registros dentro del bloque de control de frecuencia. Los límites de frecuencia que están programados determinan el intervalo de captura absoluto del bucle de enganche de fase y el sistema no es capaz de bloquear una frecuencia superior o inferior a estos límites. Los circuitos PLL analógicos generalmente no se pueden programar dinámicamente para lograr un intervalo de captura de frecuencia específico, mientras que esta es una característica común que se encuentra en muchos circuitos comparadores de fase digital. Cuando no se aplica una frecuencia de referencia a la entrada de referencia del comparador de fase digital, que es el caso cuando el ultrasonido está desactivado en una fuente de alimentación ultrasónica, la frecuencia del NCO disminuirá hasta que alcance el valor límite de frecuencia inferior programado. El intervalo de funcionamiento de frecuencia, o intervalo de captura, de una fuente de alimentación ultrasónica es una característica de diseño importante, así como la frecuencia de inicio del sistema. Es deseable que la carga ultrasónica opere cerca del centro del intervalo de captura de frecuencia de la fuente de alimentación, pero usando un enfoque de diseño convencional, la frecuencia de inicio estaría en el límite de frecuencia más bajo y para capturar la frecuencia resonante de la carga, el sistema tendría que desplazarse cientos de Hertz para bloquear la frecuencia y fase correctas. El diseño PLL mejorado agrega un registro de control adicional que establece la frecuencia de arranque o de funcionamiento libre. Cuando se desactiva el ultrasonido y desaparece la señal de referencia de cruce de cero, el NCO funcionará en el punto de ajuste de frecuencia de funcionamiento libre. Cuando se activa el ultrasonido, el sistema continuará funcionando a la frecuencia de funcionamiento libre a medida que aumenta el nivel del ultrasonido hasta que el bloque de validación del cruce de cero detecte una señal válida de cruce de cero. Una vez que se detecta una señal de cruce de cero válida, la lógica en el bloque de control de frecuencia cambia del modo de frecuencia de funcionamiento libre al modo de bloqueo de fase, lo que permite la operación de los registros de límite superior e inferior. En una realización de esta invención, el límite de frecuencia superior se establece en 21.000 Hz y el límite de frecuencia inferior se establece en 19.000 Hz. La frecuencia nominal de funcionamiento ultrasónico es de 20.000 Hz, por lo que la frecuencia de funcionamiento libre también se puede establecer en 20.000 Hz. Cuando se activa el ultrasonido, el sistema comenzará a excitar la carga ultrasónica en la salida de la fuente de alimentación a la frecuencia de funcionamiento libre de 20.000 Hz y cuando el nivel de salida del puente de movimiento aumenta por encima del nivel de ruido, la señal de cruce de cero válida permitirá que el sistema entre bloquee la fase a la frecuencia resonante real de la carga, que podría ser 20, 037 Hz. El sistema solo necesita girar alrededor de 37 Hz, en lugar de 1,037 Hz (sin el registro de frecuencia de funcionamiento libre) y se bloqueará más rápido en la frecuencia, con menos estrés en la carga ultrasónica conectada a la salida de la fuente de alimentación. Esta operación se puede mejorar aún más con un algoritmo de firmware de seguimiento de frecuencia, que se analiza en una sección posterior. Con este modo de funcionamiento opcional, el registro de frecuencia de funcionamiento libre se puede configurar dinámicamente, según los ciclos de funcionamiento anteriores. En el ejemplo anterior, si se habilitó el modo de seguimiento de frecuencia, el registro de frecuencia de funcionamiento libre podría establecerse dinámicamente en 20.035 Hz y los pulsos de excitación iniciales estarían dentro de los 2 Hz de la frecuencia de funcionamiento ultrasónica real. El PLL digital se bloqueará rápidamente en la frecuencia correcta con un esfuerzo mínimo aplicado a la carga ultrasónica.

El bloque comparador de fase digital tiene una señal de entrada de control adicional (señal de retención de frecuencia) que puede deshabilitar selectivamente la función del comparador de fase. La activación de esta señal desactivará la función de comparador de fase y la frecuencia del NCO se mantendrá en su frecuencia actual. Esta mejora de diseño habilita el modo de funcionamiento de bloqueo y retención de frecuencia que se describe en una sección posterior.

Pasando ahora a la Figura 8, se implementa una función de regulación del diferenciador integral proporcional (PID) en el firmware y ésta permite al usuario un mayor control sobre la característica de regulación de amplitud. En los generadores ultrasónicos anteriores, los valores para el diferenciador integral proporcional venían determinados por el hardware analógico. Por lo tanto, las características de la regulación estaban fijas y no se podrían modificar. Como se muestra en la Figura 8, se ilustran tres curvas diferentes de amplitudes frente a características de respuesta de tiempo que podrían ser seleccionadas por el usuario. Cada una de estas curvas características de respuesta tiene una etiqueta: rápida, media y lenta. El usuario podría seleccionar entre estas tres curvas diferentes. En algunas aplicaciones de soldadura, es posible que el usuario desee alcanzar la amplitud establecida lo más rápido posible sin preocuparse por sobreoscilaciones (para pequeñas bocinas ultrasónicas). En tal caso, el usuario seleccionaría la curva "rápida". Alternativamente, es posible que al usuario no le importe lo rápido que se alcance la amplitud establecida (para bocinas ultrasónicas grandes y masivas), pero es posible que desee evitar cualquier sobreoscilación. En ese caso, el usuario seleccionaría la curva "lenta". Un usuario que quiera alcanzar la curva establecida relativamente rápido, pero con una sobreoscilación mínima, seleccionaría la curva "media" (para tamaños típicos de bocina ultrasónica). Estas selecciones alterarían los coeficientes de los parámetros de control interno del PID en el firmware del microcontrolador, alterando así las curvas.

Como se mencionó anteriormente, en los generadores ultrasónicos anteriores, debido a que las variables PID se establecían mediante valores de componentes de hardware, las características de regulación estaban integradas en el diseño del circuito analógico. Con esta realización, el usuario ahora puede cambiar entre las diversas curvas de regulación, eligiendo la curva de regulación que mejor se adapte a la aplicación ultrasónica.

El generador ultrasónico proporciona opciones de selección para que el operador controle el punto de ajuste de regulación a través de la interfaz de usuario local, que no requiere escala de intervalo o mediante un controlador de bucle de corriente de automatización ubicado de forma remota. El operador también puede seleccionar el modo de regulación de salida deseado. La salida del sistema puede funcionar en un modo de amplitud constante, donde la amplitud del desplazamiento del transductor ultrasónico se regula según un valor de punto de ajuste programado por el usuario, o se puede seleccionar un modo de potencia constante que regule el nivel de salida de potencia ultrasónica según un valor de punto de ajuste programado por el usuario. Las siguientes figuras ilustran los distintos intervalos que están disponibles cuando el punto de ajuste de regulación se controla de forma remota con un sistema de control de automatización.

Como se muestra en la Figura 9, la amplitud del ultrasonido puede controlarse de forma remota. En la realización ilustrada en la Figura 9, hay cinco escalas de amplitud diferentes, en las líneas 40a-40e. La Figura 9 ilustra el porcentaje de amplitud de ultrasonido en función del nivel de control del bucle de corriente (mA). El punto de ajuste de regulación de amplitud máxima es siempre del 100% y está representado por el nivel de control de señal de entrada máximo de 20 mA. Los intervalos de escala en esta realización cambian el intervalo de ajuste de amplitud deseado que está disponible. Cuanto más amplio sea el intervalo de ajuste, menor será la resolución del nivel del punto de ajuste. Por ejemplo, si se utiliza la escala de 1%/mA, el intervalo va desde una amplitud del 100% hasta el 84%. Sin embargo, si se utiliza la escala de 5%/mA, el intervalo se extiende desde el 100% hasta el 20%. Por lo tanto, el usuario puede seleccionar qué amplitud se utilizará, dependiendo del intervalo y la escala que se adapte a los requisitos del usuario.

De manera similar, en la Figura 10, un operador puede configurar el generador ultrasónico para controlar de forma remota el punto de ajuste de regulación de potencia. Los sistemas ultrasónicos de la presente invención se clasifican desde una potencia nominal máxima de aproximadamente 2.400 vatios hasta una potencia nominal mínima de aproximadamente 120 vatios, inversamente proporcional a la frecuencia de ultrasonidos (sistemas de 20 kHz = 2.400 W y sistemas de 70 kHz = 120 W). Si se usara el mismo factor de escala para todas estas clasificaciones de potencia, el resultado sería un sistema pobremente optimizado. En otras palabras, con un sistema de 2.400 vatios, el controlador solo podía ajustar la potencia hasta 100 vatios, utilizando un factor de escala de 5 vatios por miliamperio, con un controlador de bucle de corriente estándar de 4-20 mA. Por el contrario, el uso de una configuración de 100 vatios/mA no sería adecuado con un sistema nominal de 120 vatios y el controlador no podría ajustar el nivel de potencia con la precisión deseada.

Para abordar este problema, una realización de la presente invención permite al operador (o usuario) seleccionar un intervalo de control apropiado a través de la placa base y controlar eficazmente el punto de ajuste de regulación de potencia en cualquier generador ultrasónico, independientemente de la potencia nominal. Como se muestra en la Figura 10, un gráfico ilustra ocho intervalos de escala del controlador (30a-30h) desde 100 Watts/mA a 5 Watts/mA. Cada línea representa un intervalo de escala diferente. El gráfico traza el nivel de control de bucle de corriente estándar (4-20 mA), que es el nivel de corriente establecido por el sistema de control de automatización del usuario, frente al nivel de control de regulación de potencia, que es el nivel de regulación de potencia deseado. Como se muestra en la Figura 10, al nivel de 100 W/mA, el nivel máximo de 20 mA daría como resultado un nivel de regulación de potencia de 2000 W, el nivel mínimo de 4 mA daría como resultado un nivel de regulación de potencia de 400 W y un cambio de nivel de control de 1 mA daría como resultado resulta en un cambio de 100 W en el punto de ajuste de regulación de potencia. Como se indicó anteriormente, para un generador ultrasónico de aproximadamente 1200 W, los incrementos de 100 W/mA pueden ser demasiado grandes. Por lo tanto, un usuario podría optar, en cambio, por utilizar la escala de 25 W/mA, que comienza en aproximadamente 100 W y aumenta en incrementos de 25 W hasta 500 W. La escala de 25 W/mA puede ser demasiado grande para sistemas de potencia aún más baja, como uno que tiene una potencia nominal de 120 vatios. En tal sistema, el operador elegiría utilizar el intervalo de escala más bajo, proporcionando 5 W/mA. El intervalo de escala de 5 W/mA brinda al usuario la mayor precisión a bajos niveles de potencia.

En la realización mostrada en la Figura 10 se ilustran, ocho escalas diferentes o líneas 30a-30h. Sin embargo, dependiendo de la aplicación, se puede utilizar cualquier número de escalas (o líneas). Estas escalas se implementan en el firmware, que controla la respuesta del sistema ultrasónico a la señal de entrada del bucle de corriente.

Pasando ahora a la Figura 11, se ilustra un gráfico que indica una función de parada suave. Actualmente, la mayoría de los sistemas de soldadura ultrasónica utilizan algún tipo de función de aumento de amplitud de arranque suave. En muchos de esos sistemas, el usuario puede seleccionar o programar un tiempo de aceleración de arranque suave apropiado. El gráfico de la Figura 11 ilustra el efecto contrario. Como se muestra en este gráfico, se ha implementado un tiempo de parada suave de 20 milisegundos. Luego, cuando el sistema de soldadura apaga el ultrasonido, el sistema reduce el nivel de amplitud del ultrasonido un 5% (100% dividido por 20 milisegundos) cada milisegundo hasta que el sistema está en un nivel de amplitud cero. En los sistemas actuales, cuando se desactiva la salida de ultrasonidos, el sistema cambia instantáneamente de amplitud completa a cero. Este tipo de funcionamiento afecta la vida útil del transductor, causa ruidos acústicos inusuales y esto da como resultado otros esfuerzos innecesarios de los componentes. Utilizar un enfoque de parada suave es menos estresante para las sondas ultrasónicas y los componentes de la pila. Generalmente, la rampa descendente hasta el 0% se puede lograr mucho más rápido que la rampa ascendente, pero en algunas realizaciones, la rampa descendente puede ocurrir a la misma velocidad o más lenta que la rampa ascendente. Además, la realización descrita anteriormente describe una tasa particular, pero debe entenderse que otras tasas podrían ser programadas o seleccionadas por el usuario.

Pasando ahora a la Figura 12, un gráfico que ilustra una característica de retardo de tiempo de sobrecarga promedio. El gráfico ilustra el tiempo de disparo por sobrecarga frente al porcentaje del umbral de disparo por sobrecarga. El porcentaje del umbral de disparo por sobrecarga se calcula dividiendo el nivel de potencia de salida medido actualmente por el nivel de potencia del umbral de disparo por sobrecarga. Por ejemplo, si el umbral de disparo por sobrecarga se establece en 1200 vatios, cuando el nivel de potencia de salida medido alcance los 1800 vatios, el porcentaje del umbral de disparo por sobrecarga sería 150%. El tiempo de disparo por sobrecarga es la cantidad de tiempo que se permite que la energía permanezca por encima del umbral de disparo antes de que el sistema se apague. La incorporación de este tiempo de retardo (menos de un segundo) permite que el generador ultrasónico siga funcionando incluso si hay un aumento momentáneo de potencia, siempre que la potencia disminuya en un período de tiempo menor que el tiempo de disparo por sobrecarga. Como se ilustra en la Figura 12, el tiempo de disparo por sobrecarga es una función no lineal, a medida que aumenta el porcentaje del umbral de disparo por sobrecarga, el tiempo de disparo por sobrecarga disminuye rápidamente. Por ejemplo, si el porcentaje del umbral de disparo por sobrecarga es del 110%, entonces el tiempo de disparo por sobrecarga es de aproximadamente 0,38 segundos. Sin embargo, si el porcentaje del umbral de disparo por sobrecarga es del 160%, entonces el tiempo de disparo por sobrecarga es aproximadamente de solo 0,09 segundos. El tiempo medio de respuesta de disparo por sobrecarga se implementa en un algoritmo de firmware. Las características de respuesta de sobrecarga están muy bien caracterizadas y son repetibles independientemente de la potencia nominal del generador.

Pasando ahora a la Figura 13, se ilustra un diagrama de flujo que describe cómo se derivan las características de respuesta de la Figura 12. Este algoritmo de firmware solo se ejecuta cuando se activa la salida de ultrasonidos (paso 200) e inicializará el registro de integración de sobrecarga promedio (paso 202) cuando se desactive la salida de ultrasonidos. En el paso 204, el firmware supervisa el registro de medición de potencia, que se actualiza continuamente. La medición de potencia, supervisada en el paso 204, se actualiza periódicamente. En algunas realizaciones, el período de tiempo es una vez cada 500 microsegundos o 2000 veces cada segundo. En el paso 206, la potencia de la muestra medida se compara con el valor umbral de sobrecarga preestablecido. Si la potencia es inferior al 100%, entonces no hay condición de sobrecarga y el proceso verifica luego si el registro de integración está vacío (paso 208). Regresará al Inicio o ejecutará la rutina Integrar ABAJO (paso 210), si el registro de integración no está vacío. Si la potencia es del 100% o más, el firmware iniciará una rutina de Integrar UP (paso 212) que duplicará el gráfico de la Figura 12, para los porcentajes de sobrecarga que se muestran en el gráfico. Dependiendo del porcentaje de potencia de sobrecarga, el firmware permite que el sistema funcione a esa potencia durante un período de tiempo determinado. Por ejemplo, en el gráfico que se muestra en la Figura 12, el sistema puede funcionar al 150% de la potencia configurada durante un poco más de una décima de segundo. Después de eso, si la potencia no cae por debajo del 100% de potencia, el algoritmo de firmware se integrará hasta que el registro de integración se desborde (paso 214) y ejecutará rutinas de sobrecarga promedio que apagan la salida de ultrasonido y activan los indicadores de estado apropiados (paso 216). El algoritmo de firmware también incluye una función de reducción de integración (paso 210) para una situación en la que el nivel de potencia tiene solo una oscilación momentánea por encima del nivel de disparo y la potencia cae entonces por debajo del umbral de disparo por sobrecarga promedio. Entonces, el sistema puede recuperarse al estado operativo anterior sin sobrecarga. El Registro de Integración se reinicializa en el paso 202 cuando la salida de ultrasonido se desactiva por una parada por sobrecarga promedio o la terminación de un ciclo de soldadura normal y el sistema está entonces listo para que comience el siguiente ciclo de soldadura.

El gráfico ilustrado en la Figura 12 es simplemente un ejemplo de un gráfico que se puede implementar con un algoritmo de firmware. En algunas realizaciones, la relación entre el tiempo y el porcentaje de potencia puede ser lineal o estar relacionada funcionalmente de otro modo. En algunas realizaciones, se pueden implementar múltiples características de respuesta y el usuario puede elegir la característica de sobrecarga deseada.

Pasando ahora a la Figura 14, se ilustrará un método para prevenir un disparo por sobrecarga promedio. Como antecedente, durante el funcionamiento de la soldadora ultrasónica, el algoritmo de firmware de sobrecarga promedio protege el circuito de conversión de energía del generador frente a daños. Una sobrecarga promedio terminará el ciclo de soldadura cuando el nivel de salida de potencia del generador exceda la clasificación de salida de potencia del generador. La potencia nominal de salida del generador es directamente proporcional al ajuste de amplitud de ultrasonido. Por ejemplo, un soldador ultrasónico de 2.400 vatios proporcionará 2.400 vatios al 100% de amplitud. La sobrecarga promedio se disparará cuando se exceda ese nivel de potencia (en este caso, 2.400 Watts). Si la amplitud del ultrasonido se establece en el 90%, el umbral de sobrecarga promedio se reducirá a 2.160 vatios (90% de 2.400). En algunos casos, estas paradas del sistema causadas por sobrecargas son una molestia que interrumpe la producción. Al trabajar con algunas piezas de plástico, es posible que se necesite más potencia para unir unas piezas que otras. En algunos casos, es deseable prevenir un fallo por sobrecarga promedio. Esto se puede lograr disminuyendo el nivel de potencia al reducir el nivel de amplitud del ultrasonido, pero esto extenderá la cantidad de tiempo necesario para soldar la pieza. Para evitar que se dispare la sobrecarga promedio, un algoritmo de firmware seleccionable por el usuario supervisa el valor del registro de integración de sobrecarga promedio y automáticamente disminuirá el nivel de amplitud de ultrasonido según sea necesario, cada período de medición de potencia (500 microsegundos), por lo que el registro de integración finalmente dejará de integrar UP, lo que causaría una sobrecarga promedio para terminar el ciclo de soldadura.

Volviendo a la Figura 14, la funcionalidad es seleccionable por el usuario y estaría habilitada (paso 220) sólo para aplicaciones de soldadura apropiadas y este algoritmo no se ejecutará si el usuario lo inhabilita. Este algoritmo de firmware solo se ejecutará cuando se active la salida de ultrasonido (paso 222), con los ajustes de amplitud y sobrecarga restaurados a su estado original (paso 224) cuando se desactive la salida. Cuando la última medición de potencia es mayor que el nivel de disparo por sobrecarga (paso 226), se ejecutará una rutina de disminución de amplitud en el paso 234. Dado que el nivel de disparo por sobrecarga promedio es directamente proporcional al ajuste de amplitud, se debe determinar un nuevo nivel de disparo por sobrecarga promedio y almacenarse en el paso 236. Cuando la medición de potencia más reciente es menor que el nivel de disparo por sobrecarga (paso 226), el registro de integración de sobrecarga promedio se verifica en el paso 228. Si el registro está vacío, el firmware vuelve a comenzar. Si el registro no está vacío, se realiza una verificación para ver si la amplitud se ha cambiado en el paso 230. Si la amplitud no es igual al ajuste original, se ejecuta una rutina que aumenta la amplitud en el paso 232. Cuando la amplitud se cambia, se debe determinar y almacenar un nuevo nivel medio de disparo por sobrecarga en el paso 236. Si la amplitud almacenada del paso 230 es la misma que la configuración de amplitud original, el firmware vuelve al inicio. La rutina de aumento de amplitud en el paso 232 permite que el sistema se recupere de una sobretensión temporal con solo una disminución momentánea del nivel de amplitud del ultrasonido.

Pasando ahora a la Figura 15, un diagrama de flujo que ilustra el proceso de ajustar dinámicamente una frecuencia de funcionamiento libre (la frecuencia de inicio del circuito de bucle de enganche de fase) del sistema de soldadura. El proceso es más útil en aplicaciones de soldadura por inmersión cíclica, pero también se puede utilizar para reiniciar una aplicación de soldadura continua. En algunas operaciones, la frecuencia de funcionamiento libre se establece en el lugar donde opera la pila (por ejemplo, 20 kHz). Sin embargo, la pila en realidad puede estar sintonizada a una frecuencia resonante que varía ligeramente de la frecuencia de funcionamiento libre de 20 kHz. Sin embargo, para que el sistema funcione de manera más eficiente, la frecuencia de funcionamiento libre debe establecerse para que esté muy cerca de la frecuencia de funcionamiento. El usuario puede seleccionar esta función controlada por firmware si es adecuada para la aplicación de soldadura en particular. Esto se verifica en el paso 240 y este algoritmo no se ejecutará si el usuario lo inhabilita. Este algoritmo de firmware solo se ejecuta cuando se activa la salida de ultrasonido (paso 242). Cuando el ultrasonido está apagado, se ejecuta una rutina de tiempo de recuperación en el paso 244, que hará regresar lentamente el ajuste de frecuencia de funcionamiento libre a una frecuencia de inicio de pila fría programada por el usuario. Si se activa el ultrasonido, el firmware espera hasta que se active una señal de estado de bloqueo de fase en el paso 245. Después de que el circuito de bucle de enganche de fase se bloquee en la frecuencia de la pila, la frecuencia de funcionamiento se lee en el paso 246. El registro de seguimiento de frecuencia se actualiza en el paso 248, que establece la frecuencia de funcionamiento libre a la frecuencia de funcionamiento actual y luego vuelve al inicio. Si el ultrasonido se apaga durante períodos de tiempo prolongados, o cuando el sistema se enciende por primera vez, la rutina de recuperación de seguimiento de frecuencia en el paso 244 establecerá la frecuencia de funcionamiento libre en un valor predeterminado seleccionado por el usuario. Estas son situaciones en las que no hay información de frecuencia operativa reciente disponible para rastrear. Para un proceso de soldadura continuo, el algoritmo de firmware debe repetirse periódicamente, en lugar de actualizar la frecuencia solo una vez. Al rastrear la frecuencia del bucle de enganche de fase, se pueden evitar los disparos por sobrecarga y también, el sistema de soldadura ultrasónica se puede operar de manera más eficiente y con menos problemas.

Pasando ahora a la Figura 16, se ilustra un diagrama de flujo que describe un método para permitir que un sistema de soldadura ultrasónica evite un error de bloqueo de frecuencia. Esto ocurre cuando el circuito de detección de bucle de enganche de fase salta a una frecuencia incorrecta debido al acoplamiento de la pila ultrasónica con una carga no resonante. Durante algunas aplicaciones, como cuando se usa una soldadora ultrasónica para cortar alimentos congelados, particularmente brownies congelados, la temperatura del producto congelado suele ser inferior a 0°F. La pila de soldadura ultrasónica se acoplará entonces con la carga de alimentos congelados. Este acoplamiento hace que la frecuencia cambie repentinamente a una frecuencia incorrecta, lo que hace que la soldadora deje de cortar debido a una condición de disparo por sobrecarga. El usuario puede seleccionar esta función controlada por firmware si es adecuada para la aplicación de soldadura en particular. Esto se verifica en el paso 250 y este algoritmo no se ejecutará si el usuario lo inhabilita. Este algoritmo de firmware solo se ejecuta también cuando la salida de ultrasonido se activa en el paso 252. Cuando la salida de ultrasonido se apaga, la función del comparador de fase de bucle de enganche de fase se vuelve a habilitar en el paso 254, lo que permite el funcionamiento normal del bucle de enganche de fase la próxima vez que la salida de ultrasonido está activada. Cuando se enciende el ultrasonido, el bucle de enganche de fase funciona normalmente hasta que finaliza un retardo de tiempo determinado por el usuario en el paso 256. Una vez finalizado el retardo de tiempo, la función del comparador de fase se desactiva cuando se activa una señal de control digital en el paso 258. La deshabilitación del comparador de fase bloquea la frecuencia de funcionamiento ultrasónica y no cambiará durante el resto de la duración del ciclo de soldadura. El retardo de tiempo especificado por el usuario en el paso 256 debe programarse para que finalice antes de que la pila de soldadura ultrasónica se acople con la carga no resonante.

En sistemas anteriores, el bucle de enganche de fase se bloquea en la señal de retroalimentación. Sin embargo, en algunos casos, la señal de retroalimentación puede ser errónea, tales como en situaciones de corte de alimentos congelados como se describe anteriormente. En esta realización, el sistema se fija en la frecuencia correcta mientras la bocina ultrasónica está en el aire. Luego, cuando la bocina comienza a cortarse y el PLL recibe una mala retroalimentación, la operación del comparador de fase PLL se desactiva, ignorando así la mala señal de retroalimentación. Tal operación está permitida por el uso de componentes digitales. En los generadores ultrasónicos anteriores que incluían todos los componentes analógicos, la operación del comparador de fase PLL no se podía alterar. Por el contrario, en la presente realización, la función PLL digital puede modificarse para adaptarse a los cambios en el sistema cuando sea necesario.

Los métodos de activación existentes para iniciar el ciclo de soldadura ultrasónica incluyen los siguientes:

• Disparo por fuerza (o disparo dinámico), que activa la energía ultrasónica una vez que la presión (fuerza) en un elemento sensor excede el valor preestablecido;

• Disparo por distancia que activa la energía ultrasónica una vez que se alcanza una distancia preestablecida;

• Disparo previo, que activa la energía ultrasónica en el aire ya sea por tiempo o distancia (Indicación de disparo previo).

Un nuevo método de disparo elimina varios componentes mecánicos y eléctricos. Este enfoque se basa únicamente en los componentes electrónicos y el firmware que forman parte de los sistemas modernos de soldadura ultrasónica, tal como la serie iQ de Dukane o DPC4 . Este nuevo método proporciona una mejor precisión, repetibilidad y calidad de soldadura que los métodos existentes debido a la alta precisión y repetibilidad de las mediciones de potencia. El nuevo método incluye los siguientes pasos:

10. El operador programa un valor para "Disparo por potencia".

11. El ciclo comienza (usando un método de disparo previo para activar la energía ultrasónica).

12. La pila se mueve hacia la pieza a soldar.

13. La pila funciona con una amplitud del 10% al 40% (ajustada por el usuario) para evitar marcas en una pieza. 14. La pila aplica presión a la pieza; la potencia ultrasónica aumenta con la presión.

15. Se alcanza el límite de activación de potencia: esto inicia el ciclo de soldadura.

16. La amplitud aumenta al 100% (o el valor necesario para una soldadura adecuada).

17. A partir de este punto, se podrían utilizar varias técnicas de soldadura diferentes. Se puede soldar por tiempo, por energía, por distancia colapsada, por pico de potencia u otros.

18. La pieza está soldada.

Las comparaciones de potencia se pueden manejar dentro del firmware con un tiempo de procesamiento de sólo unos pocos microsegundos. Esto proporciona una mayor precisión y repetibilidad produciendo piezas soldadas sin defectos. En lugar de medir la potencia ultrasónica, es posible utilizar la dualidad de un transductor piezoeléctrico cerámico. Simplemente supervisando la salida de un transductor (mientras la energía ultrasónica está apagada) es posible usar esta señal para "Disparar por fuerza". La señal de salida del transductor es proporcional a la fuerza directa aplicada. Los circuitos de posprocesamiento incluyen un amplificador de carga a tensión, que está conectado a un ADC. La salida de ADC es procesada por un microcontrolador.

Si bien se han ilustrado y descrito realizaciones y aplicaciones particulares de la presente invención, debe notarse y entenderse que se pueden realizar mejoras y modificaciones de la presente invención descritas en detalle anteriormente sin apartarse del alcance de la invención como se establece en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Un generador ultrasónico para un sistema de soldadura ultrasónica, que comprende:

un chasis que tiene una entrada de línea de alimentación de CA (20) y que aloja una placa base (14) que incluye unos conectores (16, 18, 19, 23, 24, 25) para conectar directamente la placa base (14) a una pluralidad de módulos (10, 11, 12) sin mazos de cables para formar un sistema modular, siendo uno de los conectores un conector de módulo de opción (18) para conexión a un módulo de opción (32);

caracterizándose el sistema modular por que es operable para:

rectificar y filtrar la alimentación de CA desde la entrada de línea de alimentación de CA (20) a la alimentación de CC;

convertir la potencia de CC en potencia de CA que tiene una frecuencia ultrasónica e

igualar una impedancia de la energía de CA que tiene una frecuencia ultrasónica para transferir eficientemente esa energía de CA a un transductor ultrasónico que entrega la energía de frecuencia ultrasónica a una carga;

en el que la placa base (14) incluye además un controlador digital configurado para controlar y supervisar la pluralidad de módulos (10, 11, 12), estando configurado el controlador digital para:

controlar un dispositivo accionador de sonda en un proceso de soldadura;

comenzar el proceso de soldadura aplicando un nivel bajo de salida de ultrasonido ajustable a las piezas que se unen mediante el proceso de soldadura;

supervisar un nivel de potencia ultrasónica a medida que aumenta la fuerza aplicada a las piezas por el dispositivo accionador de sonda; e

iniciar un ciclo de soldadura en respuesta a la detección de un nivel de potencia de disparo programado por el usuario, sin usar una celda de carga o un transductor de fuerza para medir directamente la fuerza aplicada a las piezas.

2. El generador ultrasónico de la reivindicación 1, en el que el controlador digital está configurado además para: reducir gradualmente una salida regulada del generador ultrasónico desde un punto de ajuste de regulación normal a cero con el fin de reducir el esfuerzo de apagado del ultrasonido que experimentan los componentes en una pila de soldadura ultrasónica,

en el que la rampa se produce dentro de un período de tiempo programado por el usuario que comienza cuando se apaga el generador ultrasónico.

3. El generador ultrasónico de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el controlador digital está además adaptado para controlar una frecuencia ultrasónica del generador ultrasónico al:

supervisar y almacenar información relativa a una frecuencia ultrasónica operativa real durante el funcionamiento del generador ultrasónico; e

iniciar un nuevo ciclo de funcionamiento ultrasónico a una frecuencia ultrasónica de inicio, basado en la información de frecuencia ultrasónica de funcionamiento real almacenada para un ciclo operativo anterior.

4. El generador ultrasónico de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el controlador digital está configurado además para:

determinar cuándo el generador ultrasónico comienza un ciclo de activación de ultrasonidos durante un ciclo de funcionamiento;

basándose en la determinación de que el generador ultrasónico inició un ciclo de activación de ultrasonidos, capturar, bloquear y rastrear una frecuencia de potencia ultrasónica del generador ultrasónico durante un intervalo de tiempo predeterminado después del comienzo de un ciclo de activación ultrasónica;

finalizar la captura, bloqueo y seguimiento de la frecuencia de potencia ultrasónica; y

mantener una frecuencia de potencia ultrasónica constante del generador ultrasónico a una frecuencia predeterminada durante un período restante del ciclo operativo, incluso si una bocina ultrasónica del generador ultrasónico resuena a una frecuencia inadecuada causada por el acoplamiento mecánico con una carga densa.

5. El generador ultrasónico de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el controlador digital está configurado además para seleccionar un método de regulación de la salida del generador ultrasónico basado en una regulación de la amplitud de la salida ultrasónica, o en una regulación del nivel de potencia de la salida ultrasónica.

6. El generador ultrasónico de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el controlador digital está configurado además para:

almacenar una pluralidad de intervalos operativos seleccionables para escalar una respuesta a una señal de entrada de control remoto, estando configurada la señal de entrada de control remoto para ordenar un punto de ajuste de regulación de salida del generador ultrasónico; y

responder a la señal de entrada de control remoto seleccionando uno de la pluralidad de intervalos operativos seleccionables, en el que el seleccionado es un intervalo óptimo para el generador ultrasónico.

7. El generador ultrasónico de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el controlador digital está configurado además para:

apagar el generador ultrasónico cuando un nivel de potencia de salida del generador ultrasónico excede un límite de potencia de sobrecarga promedio predeterminado durante un intervalo de retardo de tiempo predeterminado; proporcionar una característica de retardo de tiempo de sobrecarga promedio para el límite de potencia de sobrecarga promedio predeterminado; y

basándose en la característica de retardo de tiempo de sobrecarga promedio, permitir que el nivel de potencia de salida exceda el límite de potencia de sobrecarga promedio predeterminado durante un período de tiempo, antes de apagar el generador ultrasónico.

8. El generador ultrasónico de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el controlador digital está configurado además para:

determinar cuándo un nivel de potencia de salida del generador ultrasónico superará un nivel de potencia de sobrecarga promedio nominal predeterminado; y

basándose en la determinación, ajustar rápidamente una amplitud del nivel de potencia de salida a un nivel más bajo para evitar que una condición de sobrecarga promedio apague el generador ultrasónico y para eliminar fallos de sobrecarga no deseados que producen piezas defectuosas rechazadas.