超声波发生系统及超声波焊接机的制作方法

1.本技术涉及超声波技术领域，具体而言，涉及一种超声波发生系统及超声波焊接机。


背景技术：

2.目前，焊接技术在航空航天、桥梁造船、压力容器、金属结构等领域应用的极为普遍，并且随着现代化技术的不断进步，对焊接质量和焊接效率的要求越来越高。
3.随着科技的发展和进步，焊接方法也在不断改进，为了提高焊接质量和焊接效率，现已设计出了多种复合焊接方法，超声波焊接就是其中的一种。超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。但是目前的超声波焊接的焊接质量和焊接精度普遍不高，超声波发生系统存在输出功率线性调节精度低、焊接质量低的问题。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种超声波发生系统和超声波焊接机，用以解决超声波发生系统输出功率线性调节精度低、焊接质量低的问题。主要包括以下几个方面：
5.第一方面，本技术提供一种超声波发生系统，所述系统包括：控制器单元、移相全桥单元、调谐单元以及正反馈单元；
6.所述控制器单元与所述移相全桥单元隔离连接，用于发送控制信号至所述移相全桥单元的驱动端；
7.所述移相全桥单元用于将输入电压转换为可调节的输出电压；
8.所述调谐单元的输入端与所述移相全桥单元的输出端连接，用于调节所述输出电压的振幅；以及
9.所述正反馈单元的输入端与所述调谐单元的输出端连接，所述正反馈单元的输出端与所述移相全桥单元连接，用于补偿所述输入电压以得到相同振幅的所述输出电压。
10.本技术实施例提供的超声波发生系统通过移相全桥单元调节输入电压，通过调谐单元调节输出电压的振幅，以及通过正反馈单元补偿输入电压以得到相同振幅的输出电压。使得超声波发生系统的输出功率线性调节精度高，提高焊接质量，以及减小了焊接压力对超声波发生系统的振幅的影响。
11.在一些可选的实现方式中，所述正反馈单元包括：整流模块、滤波模块和第一二极管；
12.所述整流模块的输入端与所述调谐单元的输出端连接，所述整流模块的第一输出端与所述滤波模块连接，所述整流模块的第二输出端与所述第一二极管连接，所述第一二极管与所述移相全桥单元连接；
13.其中，所述整流模块用于将所述输出电压的电压变化反馈给所述移相全桥单元。
14.在上述实现方式中，正反馈单元将调谐单元处的输出电压反馈回移相全桥单元，
移相全桥单元的输入电压增大，其输出电压亦增大，以补偿焊接过程带来的电压减小，输出相同振幅的输出电压。
15.在一些可选的实现方式中，所述系统还包括：能量泄放单元；
16.所述能量泄放单元与所述调谐单元连接，用于泄放所述系统停止工作后所述系统中的剩余能量；其中，所述系统中的剩余能量包括所述系统停止工作后，所述系统中的电容和电感中的能量。
17.在上述实现方式中，能量泄放单元用于泄放系统停止工作后系统中电容和电感中的剩余能量，避免电容和电感中的剩余能量避免损坏系统中的元件。
18.在一些可选的实现方式中，所述能量泄放单元包括：开关、第二二极管和泄放电阻；
19.所述开关与第二二极管并联后与所述泄放电阻串联，其中，所述开关在所述系统停止工作时打开，所述剩余能量通过所述开关和所述泄放电阻泄放到接地端。
20.在一些可选的实现方式中，所述电容和电感位于所述系统中的正反馈单元、移相全桥单元、调谐单元以及功率因数校正单元中。
21.在上述实现方式中，正反馈单元、移相全桥单元、调谐单元以及功率因数校正单元中的电容和电感中的剩余能量在系统停止工作时通过开关和泄放电阻泄放到接地端，避免电容和电感中的剩余能量损坏系统中的元件。
22.在一些可选的实现方式中，所述系统还包括：阻抗变换单元；
23.所述阻抗变换单元的输入端与所述移相全桥单元连接，所述阻抗变换单元的输出端与所述调谐单元连接，用于调节所述系统的阻抗。
24.在上述实现方式中，阻抗变换单元可以调节超声波发生系统的阻抗为与电源内阻相等的等效阻抗，可以提高超声波发生系统的能量传输效率。同时也实现了输入输出电气隔离，保证了超声波发生系统的用电安全。
25.在一些可选的实现方式中，所述系统还包括：功率因数校正单元；
26.所述功率因数校正单元和所述移相全桥单元连接，用于补偿所述系统的无功功率。
27.在上述实现方式中，功率因数校正单元可以降低电网中的谐波电流污染，可以对无功功率进行补偿，降低电网波动对超声波发生系统的影响。
28.在一些可选的实现方式中，所述系统还包括：采样单元；
29.所述采样单元包括电压采样模块和电流采样模块；
30.所述电压采样模块用于采集系统中的电压，并传输给所述控制器单元；
31.所述电流采样模块用于采集系统中的电流，并传输给所述控制器单元。
32.在上述实现方式中，电压采样模块和电流采样模块可以分别采集系统中的电压和电流，并传输给控制器单元，可实现控制器单元对超声波发生系统的监控，提高系统的稳定性。
33.在一些可选的实现方式中，所述系统还包括：电流过流保护单元；
34.所述电流过流保护单元与所述系统的输出端连接，用于采集所述系统的输出端的电流值。
35.在上述实现方式中，电流过流保护单元采集系统的输出端的电流值，将该电流值
与设定保护值进行比较，当电流值超过设定保护值时执行过流保护动作，从而保证在异常情况下超声波发生系统和负载的安全。
36.第二方面，本技术实施例提供一种超声波焊接机，包括：焊接套件和超声波发生系统；
37.所述焊接套件连接所述超声波发生系统，并由所述超声波发生系统进行驱动，以实施焊接。
38.本技术实施例提供的超声波焊接机包括焊接套件和超声波发生系统，其超声波发生系统通过移相全桥单元调节输入电压，通过调谐单元调节输出电压的振幅，以及通过正反馈单元补偿输入电压以得到相同振幅的输出电压。使得超声波焊接机的输出功率线性调节精度高，提高焊接质量，以及减小了焊接压力对超声波发生系统的振幅的影响。
39.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
40.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
41.图1为本技术实施例提供的超声波发生系统的结构示意图；
42.图2为本技术实施例提供的超声波发生系统的具体电路图；
43.图3为本技术实施例提供的超声波发生系统的第一种结构示意图；
44.图4为本技术实施例提供的超声波发生系统的第二种结构示意图；以及
45.图5为本技术实施例提供的超声波焊接机的结构示意图。
46.图标：100-超声波发生系统；102-超声波发生系统；110-控制器单元；120-移相全桥单元；130-调谐单元；140-正反馈单元；141-整流模块；142-滤波模块；143-第一二极管；150-能量泄放单元；151-开关；152-第二二极管；153-泄放电阻；160-阻抗变换单元；170-功率因数校正单元；180-采样单元；181-电压采样模块；182-电流采样模块；190-电流过流保护单元；200-超声波焊接机；210-焊接套件。
具体实施方式
47.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
48.申请人在研究的过程中发现：现有的超声波发生系统存在一些需要解决的技术问题，例如超声波发生系统的输出功率线性调节度低、焊接质量的一致性难以控制的问题、同一供电母线上多台大功率超声波焊接机设备同时作业时对电网冲击较大、降低电网的电能
质量的问题，以及超声波发生系统停止工作后会有剩余能量倒灌、对超声波发生系统和超声波振动系统产生危害的问题。
49.有基于此，本技术实施例提供一种超声波发生系统，该超声波发生系统包括控制器单元、移相全桥单元、调谐单元以及正反馈单元。其中，控制器单元控制移相全桥单元调节输入电压，调谐单元用于调节输出电压的振幅，以及正反馈单元补偿输入电压以得到相同振幅的输出电压。该超声波发生系统可以提高输出功率线性调节度，补偿焊接压力带来额振幅减小。下面通过几个实施例描述本技术提供的超声波发生系统。
50.本技术实施例提供一种超声波发生系统100，请参看图1和图2，图1为本技术实施例提供的超声波发生系统的结构示意图，图2为本技术实施例提供的超声波发生系统的具体电路图。该超声波发生系统100可以包括：控制器单元110、移相全桥单元120、调谐单元130以及正反馈单元140。
51.其中，控制器单元110与移相全桥单元120隔离连接，用于发送控制信号至移相全桥单元120的驱动端；
52.示例性地，控制器单元110可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。控制器单元110可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现变量计算、逻辑判断、信号整理和转换采集等功能。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
53.其中，移相全桥单元120用于将输入电压转换为可调节的输出电压。
54.示例性地，移相全桥单元120可以是全桥结构，移相全桥单元120可以是4组由主开关管、电容和二极管组成的电路，主开关管、电容和二极管均并联连接。其中，选取主开关管主要考虑因素是功率等级和开关频率，在一个实例中，主开关管可以是mosfet或igbt。二极管连接在主开关管的集电极和发射极之间，以避免主开关管承受过大的反向电压。电容为谐振电容，为主开关管提供零电压开关的条件。
55.示例性地，移相全桥单元120的驱动端接收控制器单元110的控制信号，其中，控制信号可以是pwm信号。移相全桥单元120基于pwm信号来调节不同主开关管之间的开启重叠时间，进而控制输出电压的幅值。
56.其中，调谐单元130的输入端与移相全桥单元120的输出端连接，用于调节输出电压的振幅。
57.示例性地，调谐单元130可以包括谐振变压器和多个电容，其中，多个电容串联连接。调谐单元130可以将通过移相全桥单元120的输出的方波中的高频成分滤除，得到超声频率的基波正弦信号。调谐单元130还可以在回路频率达到某个值时，回路产生谐振，从而实现该输出电压的振幅为最大振幅。
58.其中，正反馈单元140的输入端与调谐单元130的输出端连接，正反馈单元140的输出端与移相全桥单元120连接，用于补偿输入电压以得到相同振幅的输出电压。
59.示例性地，正反馈单元140将调谐单元130处的输出电压反馈回移相全桥单元120，移相全桥单元120的输入电压增大，其输出电压亦增大，以补偿焊接过程带来的电压减小，
输出相同振幅的输出电压。
60.可选地，正反馈单元140可以包括：整流模块141、滤波模块142和第一二极管143。
61.其中，整流模块141的输入端与调谐单元130的输出端连接，整流模块141的第一输出端与滤波模块142连接，整流模块141的第二输出端与第一二极管143连接，第一二极管143与移相全桥单元120连接。整流模块141用于将输出电压的电压变化反馈给移相全桥单元120。
62.示例性地，整流模块141可以是四个二极管组成的桥式整流电路，其中，两个二极管的正极的连接点为整流模块141输出端的负极，两个二极管的负极的连接点为整流模块141输出端的正极。整流模块141可以将调谐单元130输出的交流电整流成直流电，通过第一二极管143叠加到移相全桥单元120的输入端。
63.示例性地，在焊接压力增大时，超声波发生系统100的等效阻抗会增大，调谐单元130中的谐振变压器的原边的电压会增大，谐振变压器的副边也会感应到高压，副边感应到的高压经整流模块141整流后通过第一二极管143叠加到移相全桥单元120的输入端，移相全桥单元120的输出端的电压亦会增高，从而形成正反馈增大此时的输出电压。
64.示例性地，滤波模块142可以包括电容和电阻，其中，电容和电阻并联。可以滤除整流模块141的输出端电压中的交流信号或者高频信号。
65.如图3所示，图3为本技术实施例提供的超声波发生系统的第一种结构示意图。
66.可选地，超声波发生系统102还可以包括能量泄放单元150。
67.其中，能量泄放单元150与调谐单元130连接，用于泄放系统停止工作后系统中的剩余能量，其中，系统中的剩余能量包括系统停止工作后，系统中的电容和电感中的能量。
68.示例性地，在超声波发生系统102工作时，系统中的电容和电感会存储能量。在超声波发生系统102停止工作后，其存储的能量通过能量泄放单元150泄放到接地端。能量泄放单元150可以是常闭合状态的继电器与能量吸收电阻的串联，继电器闭合时能量储存电容能量经电阻和继电器，继电器断开时，停止能量泄放。
69.可选地，能量泄放单元150包括：开关151、第二二极管152和泄放电阻153。
70.其中，开关151与第二二极管152并联后与泄放电阻153串联，开关151在系统停止工作时打开，剩余能量通过开关151和泄放电阻153泄放到接地端。
71.示例性地，开关151可以是igbt、mosfet、三极管或晶闸管等半导体器件，由于半导体开关器件的延时非常小，并且电磁干扰小，因此能量泄放和停止时不会由于半导体开关器件的导通或关断带来延时和严重的电磁干扰的问题。开关151可以采用半控型半导体器件，实现快速开通功能。开关151也可以采用全控型半导体器件，不仅可以实现快速开通，还可以实现快速关断功能，并且全控型半导体器件抗干扰能力强。
72.示例性地，在系统停止工作时，控制器单元110可以控制开关151打开，电容和电感中的剩余能量通过开关151和泄放电阻153泄放到接地端。
73.示例性地，开关151的两端反向并联第二二极管152，该第二二极管起续流的作用，防止高压击穿开关151。
74.可选地，电容和电感位于系统中的正反馈单元140、移相全桥单元120、调谐单元130以及功率因数校正单元170中。
75.示例性地，正反馈单元140、移相全桥单元120、调谐单元130以及功率因数校正单
元170中的电容和电感在超声波发生系统102工作时会储存能量，该储存的能量通过能量泄放单元150泄放到接地端，避免损坏系统中的元件。
76.如图4所示，图4为本技术实施例提供的超声波发生系统的第二种结构示意图。
77.可选地，超声波发生系统100还可以包括阻抗变换单元160。
78.其中，阻抗变换单元160的输入端与移相全桥单元120连接，阻抗变换单元160的输出端与调谐单元130连接，用于调节系统的阻抗。
79.示例性地，阻抗变换单元160可以包括变压器，阻抗变换单元160可以调节系统的阻抗，其变压器的原边阻抗与副边阻抗之比等于原边匝数与副边匝数之比的平方。阻抗变换单元160可以调节系统的阻抗为与超声电源相等的等效阻抗，以提高超声波发生系统100的能量传输效率。
80.同时，变压器也实现了超声波发生系统100的输入和输出的电气隔离，可以确保超声波发生系统100的用电安全。
81.可选地，超声波发生系统100还可以包括整流滤波模块。其中，整流滤波模块与外部交流电源连接，用于将外部交流电源的交流电整流为直流电。
82.可选地，超声波发生系统100还可以包括功率因数校正单元170。
83.其中，功率因数校正单元170和移相全桥单元120连接，用于补偿系统的无功功率。
84.示例性地，功率因数校正单元170可以是有源功率因数校正单元，也可以是无源功率因数校正单元，在本技术中采用有源功率因数校正单元，该功率因数校正单元170可以提高超声波发生系统100对市电的利用率，减小转换过程的电能损耗。
85.示例性地，功率因数校正单元170可以包括电感、电容及电子元器件，通过控制器单元110控制电子元器件的驱动端去调整电流的波形，对电路电压间的相位差进行补偿。
86.示例性地，功率因数校正单元170可以与整流滤波模块连接，经过整流滤波模块后的直流电存在电流谐波，该电流谐波非线性，会降低外部交流电源的功率因数。
87.可选地，超声波发生系统100还可以包括采样单元180。采样单元180可以包括电压采样模块181和电流采样模块182。
88.其中，电压采样模块181用于采集系统中的电压，并传输给控制器单元110；电流采样模块182用于采集系统中的电流，并传输给控制器单元110。
89.示例性地，超声波发生系统100的输出反馈可以通过控制器单元110、移相全桥单元120以及采样单元180搭建硬件控制。
90.示例性地，超声波发生系统100包括多个电流采样模块182，电流采样模块182可以采集系统中移相全桥单元120处的电流信号，电流采样模块182也可以采集系统输出端处的电流信号，将电流信号送入控制器单元110的模数转换模块，控制器单元110可以采用增量型算法得出电流信号的修正量，基于该修正量得出不同主开关管之间的移相角，并进行4路pwm分配，输出控制信号至移相全桥单元120的驱动端。
91.示例性地，超声波发生系统可以包括多个电压采样模块181，电压采样模块181可以采集移相全桥单元120输出端的电压信号，电压采样模块181也可以采集系统输出端的电压信号，将电压信号送入控制器单元110的模数转换模块，控制器单元110可以基于电压信号来调节pwm信号的延迟时间，产生移相信号，输出控制信号至移相全桥单元120的驱动端。
92.示例性地，电压采样模块181也可以采集超声波发生系统其他处的电压信号，例如
输入电压、总线上的电压，并传输给控制器单元110，可实现控制器单元对超声波发生系统100的监控，提高系统的稳定性。
93.可选地，超声波发生系统100还可以包括电流过流保护单元190。
94.其中，电流过流保护单元190与系统的输出端连接，用于采集系统的输出端的电流值。
95.示例性地，电流过流保护单元190的输入端可以与移相全桥单元120输出端的电流采样模块182连接，电流采样模块182将该处的电流信号转换为电压信号，电流过流保护单元190比较该电压信号与设定保护值进行比较，当超过设定保护值时发出过流保护动作，从而保证在异常情况下电源及负载的安全。
96.示例性地，电流过流保护单元190的输入端也可以与超声波发生系统100的输出端的电流采样模块182连接，电流采样模块182将该处的电流信号转换为电压信号，电流过流保护单元190比较该电压信号与设定保护值进行比较，当超过设定保护值时发出过流保护动作，从而保证在异常情况下电源及负载的安全。
97.本技术实施例还保护一种超声波焊接机200，如图5所示，图5为本技术实施例提供的超声波焊接机的结构示意图。超声波焊接机200包括焊接套件210及超声波发生系统100。
98.其中，焊接套件210连接超声波发生系统100，并由超声波发生系统100进行驱动，以实施焊接。
99.示例性地，超声波焊接机200中的超声波发生系统100通过移相全桥单元120调节输入电压，通过调谐单元130调节输出电压的振幅，以及通过正反馈单元140补偿输入电压以得到相同振幅的输出电压。由此，超声波焊接机200通过相同振幅的输出电压控制焊接套件210进行焊接，使得超声波焊接机200的输出功率线性调节精度高、焊接质量高。
100.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本技术的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
101.另外，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
102.所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存
储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
103.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
104.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。