SU961902A1 - Способ автоматического управлени акустическим режимом ультразвуковой сварки - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к автоматическому управлению технологическими режимами при ультразвуковых методах обработки и сварки .различных изделий в машиностроении и радиоэлектронике и может быть использовано в медицине при проведении внутриглазных операций, св занных с рассечением патологических структур стекловидного, тела и коагул ции сетчатки дл  восстановлени  зрительной функции глаза.

Известен способ ультразвуковой сварки, при котором создают акустический контакт- между инструментом и соедин емыми детал ми, прикладывают усилие нормального давлени , возбу шают импульсные ультразвуковые сварочные колебани  }

Недостатком известного способа  вл етс  низкое качество сварки, что объ сн етс  отсутствием автоматического контрол  и управлени  режимом сварки при действии различных возмущений. .. .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  способ автоматического управлени  акустическим режимом ультразвуковой сварки, основанный на определении

добротности колебательной системы, создании плотного акустического контакта между инструментом и соедин емыми элементами путем приложени  усили  нормального давлени , возбуждении периодических, регулируемых по длительности импу.пьсных ультразвуковых сварочных колебаний и управлении энергией колебаний ;

10 в зависимости от изменени  HarpySKji колебательной системы и ее доброт-. ; ности 2J.

Недостатком известного способа  вл етс  низкое качество сварки,

15 определ емой отсутствием стабилизации теплового излучени  при сварке.

Цель изобретени  - повышение качества сварки за счет стабилизации интенсивности теплового излучени 

20 и обеспечени  зада.нной энергии в зоне сварки при действии различных возмущений, а также автоматизаци  контрол  акустического контакта инструмента и соедин емых элементов.

25

Поставленна  цель достигаетс  тем, что согласно способу, основанному на определении добротности колебательной системы, создании плотного акустического контакта между

30 инструментом и соедин емыми элементами путем приложени  усили  нормального давлени , возбуждении периодических , регулируемых по длительности импульсных ультразвуковых сварочных колебаний и управлении энергией колебаний в зависимости от изме нени  нагрузки колебательной системы и ее добротности, после каждого импульса возбуждени  ультразвуковых сварочных колебаний измер ют декремент затухани  колебательной системы по числу циклов ее свободных колебаний и по измеренной величине декремента затухани  регулируют длительность последующего импульса возбуждени  ультразвуковыхсварочных колебаний .

Кроме того, перед возбуждением ультразвуковых сварочных колебаний формируют комплексные маломощные ультразвуковые колебани , определ ют перераспределение узлов и пучностей продольных составл ющих ультразвуковых колебательнь1х смещений на волноводной части инструмента, и по величине перераспределени  узлов и

: пучностей определ ют качество акус тического контакта, после чего формируют ультразвуковые сварочные колебаний с заданной энергией.

На фиг. 1 представлена блок-схема у стройства, реализующего данный ,способ; на фиг. 2 - диаграммы напр жений на выходе функциональных звеньев устройства.

В основу оценки температуры в зоне контакта и автоматической стабилизации интенсивности теплового излучени  положены особенности затухани  свободных колебаний при в зком , сухом (позиционном) и граничном трении, а также изменение добротност основных взаимосв занных механических контуров в функции изменени  усилий нормального давлени  при сварке , например при коагул ции сетчатки в области медицины. Вариации усилий нормального давлени   вл ютс  одними из основных дестабилизирующих факторов температуры в зоне контакта и отображаютс  в функции изменени  таких Взаимосв занных основных величин , как декремент затухани , коэффициент поглощени , добротность взаимосв занных механических контуipoB иколичество циклов свободных ;колфаний, которые в зависимости от вида трени  нос т самый различный характер .изменени .

Пон тие добротность механического контура в данном случае прин та по аналогии к электрическим контурам и определ етс  отношением полного запаса энергии, накапливаемой в колеблющейс : системе за определенный промежуток времени, к энергии, отдаваемой на преодоление потерь и полезную нагрузку. Величина, обратна  .добротности, есть коэффициент потер

Добротность св зана с временным коэффициентом затухани  по амплитуде , с логарифмическим декрементом затухани  свободных колебаний и с числом циклов колебаний, амплитуда затухающих свободных колебаний которых составл ет геометрическую или арифметическую прогрессию и зависит от природы сил трени .

При проведении, например, коагул ции сетчатки в услови х в зкого трени  коэффициент поглощени  в зоне контакта не зависит от амплитуды колебаний. В этом случае логарифмический декремент затухани  срободных колебаний посто нен, а последовательные амплитуды затухающих колебаний составл ют геометрическую прогрессию.

При сухом трении коэффициент поглощени  зависит от амплитуды, слдовательно , логарифмический декремент не посто нен, а последовательные амплитуды затухающих ультразвуковых колебаний не составл ют геометрической прогрессии.

Однако если сила трени  пропорциональна контактному давлению, которое, в свок) очередь, пропорционально смещению (позиционное трение ) , то декремент колебаний ставитс  посто нным, и следовательно, точно так, как и при в зком трении, последовательные амплитуды в таком случае составл ют геометрическую прогрессию. ,

Таким образом, декремент затухани  измен етс  с изменением добротности механического контура при аариации нагрузки. Изменение во времени количества циклов -свободных колебаний , непосредственно св занных с добротностью основного контура системы, отображают закон изменени  усилий нормального давлени ,- что и положено в основу .автоматического управлени  и стабилизации интенсивности теплового излучени  в зоне контакта.

Предлагаемый способ автоматического управлени  акустическим режимом ультразвуковой сварки осуществл ют следующим образом.

Устройство, реализующее способ, обеспечивает два основных режима автоматического управлени  ультразвуковыми колебани ми: при ультразвуковом резании материалов и при их ультразвуковой сварке-, при рассечении патологических структур стекловидного тела глаза и при коагл ции сетчатки.

Устройство, реализующее данный способ (фиг. 1), содержит типовой ультразвуковой генератор, состо щий

из задающего генератора 1, амплитудного усилител  2, усилител  3 мощности и системы 4 стабилизации резонансной частоты и заданной амплитуды электронный коммутатор 5, который обеспечивает поочередное подключение пьезопреобразовател  6 либо к цепи возбуждени  ультразвуковых колебаний , либо к цепи регистрации (измерени ) числа циклов свободных колебаний , пьезоэлектрический преобразователь б дл  возбуждени  ультразвуковых колебательных смещений рабочей части инструмента через экспоненциальный концентр.атор 7, преобразователь 8 акустической эмиссии, усилитель 9 управлени  и формировани  сигнала управлени . Цепь регистрации числа циклов свободных колебаний включает в себ  сигнальный усилитель 10, детектор 11, усилитель-ограничитель 12, электронный ключ 13, управл емый триггер 14, счетчик 15, преобразователь 16 код - напр жение, схема 17 сравнени , усилитель 18, генератор 19 пилообразного напр жени , пороговый элемент 20, дифференцирующее звено 21, а также блок 22 автоматического управлени  временем воздействи  мощных ультразвуковых колебаний.

Дл  усилени  и одновременного преобразовани  продольных колебательных смещений, возбуждаемых преобразователем 6 на рабочей части инструмента , экспоненциальный концентратор , 7 выполнен с витыми канавками, св занными между собой перемычкой, подобно сверлу, которые нар ду с уси лением ультразвуковых колебаний преобразовьавают продольные колебани  в комплексные колебани  с преобладанием крутильной составл ющей.

Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа применительно к глазной хирургии, поскольку именно проведение внутриглазных операций предъ вл ет повышенные требовани , к надежности и точности управлени  акустическим режимом ультразвуковой сварки, например, при коагул ции сетчатки к сосудистой и к склере дл  восстановлени  зрительной функции глаэа.

Включением заданных маломощных комплексных ультразвуковых колебаний 3-5 мкм исключают молекул рное сцепление и используют их как сигнал, несущий информацию о нагруженности инструмента и моменте включени  комплексных мощных колебательных смещений с амплитудой 35-40 мкм при создании нагрузки на рабочей ча,сти инструмента, .например, при рассечении плотных патологических структур стекловидного тела, производ т автоматически , дл  чего регистрируют

перераспределение узлов и пучностей продольных и изгибных составл ющих колебательных смещений с помощью преобразовател  8, установленной на волноводной части инструмента, и

формируют управл ющий сигнал.

Дл  формировани  сигнала управлени  амплитудой колебаний сигнал преобразовател  8 усиливают усилителем 9 управлени  и с его помощью же формируют сигнал управлени  коэффициентом усилени  усилител  2.

Мощные ультразвуковые колебани  на рабочей части Инструмента (с амплитудой 2А - 35-40 мкм) разрушают

5 плотные структуры стекловидного

тела, исключа  (уменьшают) тем самым нагрузку на- рабочей части инструмента , а следовательно, уменьшаетс  и исчезает управл ющий сигнал на

Q выходе преобразовател  8, и в системе вновь включаютс  маломощные ультразвуковые колебани  (с амплитудой 2А - 3-5 мкм).

Таким образом, момент включени 

5 мощных ультразвуковых (УЗ) колебаний , врем  их действи  до полного гарантированного рассечени  т жей (сн ти  нагрузки) определ ют автоматически с помощью цепи обратной св зи, состо щей из преобразовател 

0 8 и усилител  9 управлени  и формировани  управл ющего сигнала.

В отличие от режима резани  различных материалов (в данном случае рассечени  плотных структур стекловидного тела) в процессе сварки (коагул ции сетчатки) нагрузка на рабочей части .инструмента всегда существует за счет наличи  усили  нормального давлени , необходимого

0 дл  создани  плотного акустического контакта. В св зи с этим в процессе коагул ции сетчатки (сваркой) момент включени  мощных УЗ колебаний осуществл ют автоматически посредством

5 цепи, образованной блоками 8 и 9, аналогично режиму резани - рассечени , а врем  действи  мощных колебаний с последующим автоматическим отключением контролируют с помощью

контура системы, образованной блоками 10-22.

Плотный акустический контакт свариваемых поверхностей создают путем приложени  усилий нормального давлее ни  через рабочий инструмент, оснащенный преобразователем 6 возбуждени  колебан1№ и преобразователем 8 регистрац ии перераспределени  узлов и пучностей продольной составл ющей колебательных движений рабочей

0 части инструмента при вариации нагрузки . Причем, в- зависимости от технологических возможностей, требований и условий проведени  сварки создание плотного акустического контакта могут производить и без возбуждени  на рабочей части инструмента маломощных колебаний с амплитудой 3-5 мкм. В таком случае момент вклю .чени  мощных УЗ колебаний осуществлют вручную или по заданной программ воздейству  на усилитель 9 управлени , Который.управл ет задатчиком коэффициента усилени  усилител  2 мн ющегос  напр жени . Врем -воздейсви  мощных УЗ колебаний, определ ющее энергию, необходимую дл  образовани  надежного соединени , контролируют блоком 22 регистрации времен воздействи  мощных УЗ колебаний, с помощью которого по истечении заданного времени, автоматически отклчают мощные УЗ колебани , воздейству  посредством усилител  9 управлени  на усилитель 2 мен ющегос  напр жени .

Дл  стабилизации интенсивности теплового излучени  в зоне контакта при вариации усилий нормального давлени  (прижати ), возбуждение мощных УЗ колебаний осуществл ют периодически в импульсном режиме с помощью автоматического переключени  электронным коммутатором 5 преобразовател  6 то К цепи возбуждени  к выходу усилител  3 мощности, то к входу сигнального усилител  10 цепи измерени  регистрации декремента затухани  или числа циклов свободны колебаний, образованной последова-. тельно включенными сигнальцым усилителем 10, детектором 11, усилителемограничителем 12, электронным ключом 13, управл емым триггером 14 .со счетным входом, счетчиком 15 в двоично-дес тичном коде и преобразователем 16 код - напр жение.

Свободные колебани  с пьезоэлектрического преобразовател  б через электронный коммутатор 5 подают дл  усилени  на вход сигнального усилител  10, после чего детектируют .детектором 11, далее усиливают усилителем-ограничителем 12 до ограничени  по амплитуде, т.е. преобразовывают их в пр моугольные импульсы одинаковой амплитуды и через управл емый электронный ключ 13 триггером 14 подают дл  считывани  на вход счетчика 15. С помощью последнего считывают число импульсов, соответствующее числу циклов свободных колебан|рй , мен ющихс  с изменением добротности механического контура при вариации нагрузки, а преобразователем код - напр жение 16 формируют управл ющий сигнал в аналоговой форме, который измен етс  пропорционально числу циклов свободных колебаний, мен ющихс  с изменением добротности механического контура инструмента при вариации усилий нормального давлени  на его рабочей части.

Управл ющий сигнал на выходе блока 16, мен ющийс  пропорционально числу циклов свободных колебаний, а следовательно, вариации усилий нормального давлени , принципиально представл етс  возможным использовать дл  стабилизации интенсивности .пового излучени  следующими методами управлени : управл   величиной амплитуды УЗ колебательных смещений, например, измен   коэффициент усилени  усилител  2 мен ющегос  напр жени  измен   частоту следовани  пр моугольных импульсов, управл ющих периодичностью возбуждени  мощных

5 УЗ колебаний, например, измен   частоту колебаний генератора 19 пилообразноимпульсного напр жени , под- держива  другие параметры посто нными; измен   длительность импульсов

Q воздействи  мощных УЗ колебаний, использу  принцип широтноимпульсной модул ции, пример реализации которого показан на фиг. 1.

Однако во всех случа х возбуждение мощных УЗ колебаний осуществл ют периодически. Причем в один полупериод возбуждают мощные уЗ колебани , а во второй - регистрируют декремент затухани  или чисдо циклов свободных колебаний и формируют управл ющий сигнал, пропорциональный вариации нагрузки, затем в течение последующего полупериода возбуждени  мощных УЗ колебаний вс кий раз автоматически корректируют (измен ют) длительность импульса интенсивного ультразвукового воздействи .

Частоту переключени  из режима возбуждени  на режим измерени  задают

40 генератором 19 пилообразноимпульсного напр жени , а длительность импульса возбуждени  формируют на основе сравнени  выходного сигнала блока 16 код - напр жение с аналоговым

J сигналом задатчика допустимой величины температуры на втором входе схемы 17 сравнени  с последующим сложением сумматором 18 полученного разностного сигнала с сигналом пилообразноимпульсного напр жени  на

выходе генератора 19. Использу  принцип щиротноимпульсного преобразовани , с помощью порогового элемента 20 формируют пр моугольные импульсы переменной длительности, которыми и управл ют частотой переключени  электронного ко У мутатора 5, а продифференцированным звеном 21 сигна- ,лом пр моугольных импульсов управл ют сбросовым входом счетчика 15

и работой электронного ключа 13

посредством триггера 14 счетным входом , обновл   за каждый полупериод показание счетчика 15, а следовательно , и выходное напр жение управлени  на выходе преобразовател  16

код - напр жение в зависимости от вариации нагрузки.

Оптимальную длительность пр моугольных импульсов возбуждени  мощных УЗ колебаний задают в виде аналогового напр жени  на втором входе схемы 17 сравнени , на первый вход которой подают аналоговое напр жение в виде обратной св зи, пропорциональное вариации нагрузки.

Таким образои, измен   делитель пр моугольных импульсов, обеспечивающих врем  возбуждени  мощных УЗ колебаний преобразователем б, пропорционально вариации активной составл ющей нагрузки, св занной с вариацией усили  нормального давлени , стабилизируют интенсивность, теплового излучени  в зоне контакта.

Затем, контролиру  врем  воздействи  мощных ультразвуковых колебаний , блоком 22 при посто нной интенсивности теплового излучени , определ ют (контролируют) оптимальную тепловую энергию, необходимую дл  образовани  надежного соединени .

Врем  воздействи  интенсивного стабилизированного теплового излучени  в зоне контакта регистрируют путем считывани  заданного числа пр моугольных импульсов с помощью блока 22 управлени  временем воздействи При достижении заданного числа пр моугольных импульсов на втором входе блока 22, соответствующего оптимальной температуре в зоне кЬнтакта, на его выходе по вл етс  сигнал, отключающий возбуждение мощных ультрзвуковых колебаний, посредством воздействи  через усилитель 9 управлени  на. управл ющий вход усилител  2 мен ющегос  напр жени .

Предлагаемый способ позвол ет полностью автоматизировать процесс управлени  акустическим режимом работы ультразвукового генератора дл  самых различных технологических процессов, косвенно контролировать и поддерживать оптимальную температуру в зоне контак.та без использовани  каких-либо термочувствительных элементов, стабилизировать интенсивность теплового излучени  в зоне контакта при значительной вариации усилий нормального давлени .

Указанные возможности значительно расшир ют область применени  способа управлени  акустическим режимом в самых различных област х народного хоз йства. Наиболее эффективно использование способа при ультразву ковой сварке элементов в радиомикроэлектронике , вычислительной технике и, особенно, в медицинской практике

Предлагаемый способ управлени  акустическим режимом ультразвуковой сварки с применением.специального ультразвукового инструмента и устройство дл  его осуществлени  позвол ют проводить внутриглазные операции дл  категории больных, ранее считавшихс  не операбельными, у которых витреальные пленки, т жи и шварты в стекловидном теле удерживают отслоенную сетчатку и не позвол ют репозировать ее на место, а также проводить операцию в услови  офтальмоскопического контрол .

0

Claims (2)

1.Способ автоматического управлени  акустическим режимом ультразву5 ковой сварки, основанный на определе-. НИИ добротности колебательной системы , создании плотного акустического контакта между инструментом и соедин емыми элементами путем приложе0 ни  усили  нормального давлени , возбуждении периодических, регулируемых по длительности импульсных ультразвуковых сварочных колебаний

и управлении энер1гией колебаний в .

5 зависимости от изменени  нагрузки колебательной системы и ее добротности , отличающийс  тем, что, с целью повышени  качества сварки за счет стабилизации интен0 сивности теплового излучени  и обеспечени  заданной энергии в зоне сварки при действии различных возмущений, после каждого импульса возбуждени  ультразвуковых сварочных колебаний

5 измер ют декремент затухани  колебательной системы по числу циклов ее свободных колебаний и по измеренной величине декремента затухани  регулируют длительность последующего импульса возбуждени  ультразвуковых

0 сварочных колебаний.

2.Способ по п. 1, отличаю щ и и с   тем, что, с целью автоматического контрол  акустического контакта инструмента и соедин емых

5 элементов, перед возбуждением ультра-звуковых сварочных{4{олёбаний, формируют комплексные маломощные ультразвуковые колебани , определ ют перераспределение узлов и пучностей про0 дольных составл ющих ультразвуковых колебательных смещений на волноводной части инструмента, и по величине аерераспределени  узлов и пучностей определ ют качество акустического

5 контакта-, после чего формируют ультразвуковые сварочные колебани 

с заданной энергией.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

0

1.Волков С.С., Орлов Ю.Н., Черн к Б.Я. Сварка пластмасс ультразвуком .М. /Хими ,1974,с.213-214.

2.Авторское свидетельство СССР по за вке № 2975814/25-27,

кл. В 23 К 20/10, 1980 (прототип).

5

УЛла

Алл

Ллл А

т. 2