來源：Optical and Acoustical Methods in Science and Technology.
本文介紹了一款來自Tele and Radio Research Institute研製的多功能超聲波發生器（也可叫電箱）的設計和產品參數。用於超聲波焊接或者切割的電箱開發好壞，取決於如何有效精確控制參數和調整這些參數以適應特定需求的能力。超聲波發生器（電箱）則負責這樣的控制和調整（調諧）。
這次介紹的電箱設計結合了帶有浮點運算單元的32位CortexM4微控制器，允許使用現代信號處理方法實時計算超聲波三聯件的參數。尤其是對三聯件阻抗的計算，用於評估負載水平和識別焊接過程所處階段，例如材料的熔化階段。由於在可編輯邏輯器件（CPLD）中實現的直接數位訊號合成單元的創新設計，所以精確控制輸出信是可能的。發生器前端的諧振變換器拓撲設計保證了設備運行的高效率。發生器配備了各種通訊接口，如兩種模式的USB（主/從模式），乙太網，藍牙，CAN和RS485，以及多個數字輸入和輸出接口，4-20mA模擬輸入可接壓力傳感器和0-10V模擬輸入接口。這使得發生器可以檢測和控制整個超聲波焊接系統，而不需要PLC模塊。
1 概述
超聲波焊接是基於超聲波振動（聲波）的一種應用——振動傳遞到待焊塑料接合處，摩擦生熱導致材料熔化粘接的過程。超聲波振動還可用於超聲波鑽孔、切割和清洗。超聲波振動的典型頻率範圍在 18kHz 至 70kHz 之間。輸出功率從幾百瓦到幾千瓦。標準的焊接系統包括一個電源（發生器）和一套三聯件（1個換能器，1個調幅器和1個焊頭）。電箱負責給換能器提供正確的電信號，並負責過程控制。換能器將電源信號轉化為機械縱向振動，這些振動被傳遞到焊頭，並最終傳遞到焊接材料上。超聲波焊機組成見圖1。
圖1 超聲波焊接系統構成
與超聲波發生器設計有關的問題包括系統電子器件的建模、超聲波發生器諧振變換器拓撲設計、以及對參數進行測量、調整和穩定控制的算法。
2.超聲波技術
在焊接過程中對超聲波功率的精確穩定控制，對於保持焊接高可靠性和重複穩定性至關重要。尤其是在對易碎材料的加工、塑料焊接和超聲波旋轉頭的持續焊接的應用中。在焊接過程中，材料的熔化和壓縮會導致材料的功率傳遞比發生變化。在超聲波鑽孔和切割/切削過程中，材料的侵蝕也會引起這種變化。這些變化會導致被加工零件或者部件產生質量問題，會導致不穩定的焊接或者切割效果，例如某處材料因功率過大被過度切割損壞，某處因功率變小導致弱焊接或者沒有焊接上。為了防止這種情況發生，焊接系統必須不斷檢測功率輸出水平，並確保其保持不變。
在金剛石拉絲模的生產過程中，要在合成或天然金剛石板上鑽出尺寸精確的孔。在此過程中使用的是超聲波鑽孔工藝，這要求電箱具有非常準確的功率穩定能力，輸出功率波動小於1%。
3. 發生器功率模塊
超聲波發生器的主要任務是向換能器發射功率，使換能器以最有效地方式將電能轉化為機械振動能。超聲波發生器輸出波形是正弦波，輸出頻率是在三聯件諧振頻率附近窄範圍內可變。其窄頻帶和正弦輸出電壓的要求可使用諧振變換器（A resonant converter）。這種解決方案消除了功率開關電晶體的換向損耗，因此與其它設計相比具有更高的效率。本案例的超聲波發生器採用諧振變換器設計，其20Khz版本連續輸出功率可達500W負載要求。
圖2 諧振變換器的簡化電氣原理圖
圖 2 給出了設計中使用的諧振變換器的簡化電氣原理圖。它由一個半橋 MOSFET 開關電路成，其產生可變佔空比的矩形波信號。當發生器處於功率控制算法的第一階段，其輸出電壓發生變化，佔空比在 0%到 50%之間調整。
從開關電路發出的信號被饋送到串聯諧振電路。該電路的諧振頻率等於發生器頻率範圍的中間值，其低 Q 因子使其在整個頻率範圍內都能正常工作。該電路形成的正弦信號傳輸到功率變壓器，將輸出電壓提高到適當的水平。在本設計中，最大輸出電壓為 500V RMS。發生器輸出端有一個附加電感，用於補償換能器的並聯電容。補償電感和換能器內部並聯電容組成一個並聯諧振電路。該電路還具有低 Q因子，其諧振頻率等於發生器頻率範圍的中間值。
4.發生器的數字控制
採用直接數位訊號合成技術（Direct Digital Signal Synthesis Technique），可對變換器控制信號實現數位化。該直接數字合成單元，採用 VHDL 硬體描述語言對電路進行描述，並在MAX II CPLD實現。該單元能夠產生兩個具有頻率和佔空比可調的互補方形信號。輸出頻率可調高到100kHz，解析度0.1Hz。
圖3 直接數位訊號合成框圖
圖3顯示了設計框圖。輸出信號由 32 位ARM CortexM4 微控制器進行數字測量和處理，該微控制器具有浮點運算單元(FPU)。內置 FPU 允許快速和精確地計算出所需的控制信號。這種方法稱為數字控制迴路。控制算法目的是將發生器的輸出電壓設置為最小值，將輸出頻率設置為三聯件的並聯諧振值。通過這樣做，確保了對三聯件的最小功率輸出，此時三聯件的阻抗也是最高的。然後逐步提高輸出電壓。如果通過調節輸出電壓，可以獲得期望的輸出功率，那麼發生器只需要保持輸出頻率恆定即可。該調節方法可以滿足輸出功率要超出發生器最大輸出功率的10%至15%的情況。
在另一種情況下，需要進行第二步調節。發生器設定為最大輸出電壓，開始降低工作頻率。通過該方式，系統可增加了輸出功率。此時，激勵頻率從並聯諧振值下降到串聯諧振值，超聲波三聯件的阻抗減小。在高功率超聲應用中，系統激勵頻率等於串聯諧振值，容易獲得更大功率，也容易對功率輸出進行精確控制。
5.超聲波三聯件診斷
超聲波發生器必須能夠適應超聲波三聯件參數的變化，能夠執行三聯件的診斷工作。首先，發生器必須能夠在整個工作頻率範圍內，對三聯件的阻抗和頻率的函數進行測量。例如，對於20Khz的電箱，需要在19Khz到21Khz範圍內進行掃頻診斷。如圖4所示。
然後，需要對三聯件的串聯諧振頻率和並聯諧振頻率進行估計。這些獲得的參數對於發生器的正常運行是必不可少的，並且用於輸出功率控制過程中。
圖4 三聯件電阻抗與頻率的關係
6.輸出功率曲線
對超聲波發生器輸出功率進行數位化和精確控制，為焊接工藝參數設定提供了一種新的方法。用戶可以在焊接過程中的每個時間點預先定義輸出功率的水平。這種方法被稱為功率曲線焊接方式。塑料件的點焊過程中往往需要可變的功率輸出。
圖5 輸出功率曲線，其中Pout實線代表電箱的實際輸出，Pdes代表用戶設定值。
圖 5 輸出功率曲線對應焊接的4個階段。在第一階段，輸出功率必須迅速提高到導能筋開始熔化的水平。因為兩個零件初始接觸面積很小，所以功率消耗不大。在第二階段，當導能筋開始融化且接觸面積逐漸增加，導致輸出功率線性增加。在第三階段，導能筋完全熔化，接觸面積達到最大，且不在增加。在此階段，輸出功率在一定時間內是最大和恆定的。最後一個階段是輸出功率快速線性降低到零。
7.通信接口
設計的電箱（發生器）配有多個通信接口，便於與生產線集成。它包括無線藍牙接口和USB slave接口，用於與計算機連接。USB host接口用於外部存儲器連接，一般用於焊接參數和數據導入和存儲。RS485 和 CAN 接口適用於電箱和生產線的控制系統連接。電箱還配置模擬量I/O接口，有4-20 mA電流環接收器和0-10V電壓輸入接口，用於連接外部傳感器，例如換能器上的溫度傳感器。另外，還設計有將外部壓力傳感器信號增大的放大器，用於測量焊接壓力。數字量I/O接口可用於控制焊機中的氣動執行機構，也可用於操作人員控制焊接過程。最後，電箱上乙太網接口與網絡進行連接，允許通過網路進行遠程診斷和參數控制。
8.結論
在焊接過程中靈活的定義電箱輸出功率水平，以及隨著負載變化功率自動調整，對提高和穩定焊接質量具有重要意義。以上提出的電箱設計適合超聲波焊接和超聲波鑽孔在內的多種應用場合。