專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲焊頭的振幅調(diào)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于決定振動(dòng)主體和固定點(diǎn)之間間隙的方法和系 統(tǒng)，更具體地講，涉及一種根據(jù)振動(dòng)主體的共振頻率確定該間隙的系 統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
超聲焊接(有時(shí)被稱(chēng)為"聲焊接"或"聲波焊接")時(shí)，緊鄰被 稱(chēng)為超聲"焊頭"的用于傳遞振動(dòng)能量的工具放置待連接的兩個(gè)零件 (通常為熱塑性塑料零件)。這些零件(或"工件")被限定在焊頭 和砧之間。焊頭經(jīng)常位于在工件和砧的垂直上方。焊頭的振動(dòng)頻率范 圍通常為20，000Hz到40,000Hz，通常在壓力作用下將摩擦熱形式的 能量傳遞給零件。由于摩擦熱和壓力的作用，至少一個(gè)零件的一部分 變軟或熔化，因此將零件連接在一起。
在焊接過(guò)程中，為焊頭組提供交流(AC)信號(hào)，該焊頭組包括 轉(zhuǎn)換器、放大器和焊頭。轉(zhuǎn)換器(也被稱(chēng)為"變換器振子")接收AC 信號(hào)，并且通過(guò)壓縮和擴(kuò)展以與該AC信號(hào)相同的頻率響應(yīng)它。因此，聲波通過(guò)轉(zhuǎn)換器傳播到放大器。由于在聲波波前通過(guò)放大器傳播時(shí)， 它被放大，并且被焊頭接收。最后，波前通過(guò)焊頭傳播，并且施加于 工件，從而如前所述將它們焊接在一起。
另一類(lèi)型的超聲焊接是"連續(xù)超聲焊接"。這一類(lèi)型的超聲焊接 通常用于密封織物和薄膜，或者其它的"網(wǎng)狀"工件，可采用大致連 續(xù)的方式使這些工件通過(guò)焊接裝置。在連續(xù)焊接中，超聲焊頭通常是 固定的，并且使待焊接的零件在它的下方運(yùn)動(dòng)。 一個(gè)類(lèi)型的連續(xù)超聲 焊接使用旋轉(zhuǎn)的位置固定的條狀焊頭和旋轉(zhuǎn)砧。將工件在送入條狀焊 頭與砧之間。焊頭通常朝向工件縱向伸展，并且沿著焊頭軸向?qū)⒄駝?dòng) 傳遞到工件中。在另一類(lèi)型的連續(xù)超聲焊接中，焊頭為旋轉(zhuǎn)型的，所 述焊頭是圓柱形的并且繞縱向軸線旋轉(zhuǎn)。在焊頭的軸向輸入振動(dòng)，而 在焊頭的徑向輸出振動(dòng)。焊頭設(shè)置在砧附近，該砧通常也可以旋轉(zhuǎn)， 使得待焊接工件以線速度在圓柱形表面之間通過(guò)，該線速度大體等于 圓柱形表面的切向速度。這一類(lèi)型的超聲焊接系統(tǒng)說(shuō)明見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利No.
5,976,316,該專(zhuān)利以引用方式全文并入本文。
在上述每一項(xiàng)超聲焊接技術(shù)中，均在焊接過(guò)程中將待連接工件設(shè) 置在焊頭和砧之間。 一種焊接方法是通過(guò)在焊頭和砧之間固定間隙。 焊頭和砧之間的間隙產(chǎn)生夾緊力，在連接工件時(shí)所述夾緊力將工件保 持在位。為了實(shí)現(xiàn)均勻、可靠的焊接操作，希望焊頭和砧之間的間隙 保持不變。
在操作期間，焊頭組的一個(gè)或多個(gè)元件，包括焊頭，本身通常經(jīng) 歷溫度上升。因此，焊頭組通常發(fā)生熱膨脹。隨著焊頭組膨脹，焊頭 和砧之間的間隙減小，結(jié)果是不利于實(shí)現(xiàn)上述提供均勻和可靠焊接操 作的目標(biāo)。
如上所述，現(xiàn)有的超聲焊接方案暴露了一個(gè)缺點(diǎn)，即在連續(xù)焊接 操作期間，焊頭組和砧之間的間隙變窄。

發(fā)明內(nèi)容
在這樣的背景下開(kāi)發(fā)了本發(fā)明。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例， 一種方法包括 將焊頭定位在于砧附近，在焊頭和砧之間形成間隙。為與焊頭相連的 轉(zhuǎn)換器施加交流(AC)信號(hào)。AC信號(hào)顯示具有振幅。在焊頭工作期 間調(diào)節(jié)AC信號(hào)的振幅，使焊頭和砧之間的間隙保持基本恒定。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例， 一種系統(tǒng)包括利用支架系統(tǒng)保持的焊頭組。 通過(guò)間隙使砧與焊頭組隔開(kāi)。電源可操作地與焊頭組相連，并且被配
置成根據(jù)指示為焊頭組提供給定振幅的交流(AC)信號(hào)，并且還被配 置成輸出指示提供給焊頭組的AC信號(hào)的頻率的數(shù)據(jù)?？刂破骺刹僮?br> 地與電源相連。該控制器被配置成可以從電源接收頻率數(shù)據(jù)，并且指
示電源遞送根據(jù)所述頻率數(shù)據(jù)確定的選定的振幅的AC信號(hào)。


圖1示出與能源相連的簡(jiǎn)單超聲焊接焊頭組的實(shí)施例。 圖2示出連接到圖1超聲焊接焊頭組的支架系統(tǒng)的實(shí)施例。 圖3示出用于確定焊頭和砧之間的間隙長(zhǎng)度的系統(tǒng)的實(shí)施例。 圖4A示出可用作間隙確定單元組成部分的表的示例性實(shí)施例。 圖4B示出確定間隙長(zhǎng)度的方法的示例性實(shí)施例。 圖5A示出用于連續(xù)超聲焊接操作的簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)超聲焊接焊頭的實(shí) 施例。
圖5B示出確定間隙長(zhǎng)度的方法的示例性實(shí)施例。
圖6示出用于使焊接焊頭和砧之間的間隙保持基本恒定的系統(tǒng)
的示例性實(shí)施例。
圖7示出用于調(diào)節(jié)超聲焊接系統(tǒng)焊頭和砧之間間隙的系統(tǒng)的示
例性實(shí)施例。
圖8A示出用于使超聲焊接系統(tǒng)焊頭和砧之間的間隙保持基本恒 定的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
圖8B示出用于使超聲焊接系統(tǒng)焊頭和砧之間的間隙保持基本恒定的系統(tǒng)的另 一個(gè)示例性實(shí)施例。
圖9A示出施力確定單元的示例性實(shí)施例。
圖9B示出施力確定單元的另一個(gè)示例性實(shí)施例。
圖10示出用于調(diào)節(jié)超聲焊接系統(tǒng)焊頭和砧之間的間隙的系統(tǒng)的
示例性實(shí)施例。
圖11A示出沿焊頭縱向軸線傳播的聲波信號(hào)驅(qū)動(dòng)的焊頭表面。 圖11B示出沿焊頭縱向軸線傳播的聲波信號(hào)驅(qū)動(dòng)的焊頭表面，所
述信號(hào)振幅小于圖11A的聲波信號(hào)振幅。
圖12A示出控制焊頭和砧之間的間隙的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。 圖12B示出控制焊頭和砧之間的間隙的系統(tǒng)的另一個(gè)示例性實(shí)施例。
圖13示出使調(diào)節(jié)器和振幅確定模塊的操作結(jié)合的方法的示例性 實(shí)施例。
圖14示出使調(diào)節(jié)器和振幅確定模塊的操作結(jié)合的方法的另一個(gè) 示例性實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的各種實(shí)施例，其中在所有幾個(gè)視圖 中均用相同的附圖標(biāo)號(hào)表示相同零件和組件。引用的各種實(shí)施例不是 本發(fā)明的限定范圍，本發(fā)明僅受限于本文所附權(quán)利要求書(shū)的范圍。另 外，本說(shuō)明書(shū)闡明的任何實(shí)例均無(wú)意于限制，而只是闡明受權(quán)利要求 書(shū)保護(hù)的發(fā)明的許多可能實(shí)施例中的一部分。
圖1示出與AC電源102相連的簡(jiǎn)單焊頭組100的實(shí)例。如 圖1所示，焊頭組100包括轉(zhuǎn)換器104、放大器106和超聲焊接焊 頭108。在操作期間，AC源為轉(zhuǎn)換器104提供電能，該轉(zhuǎn)換器通過(guò) 壓縮和擴(kuò)展以與該AC信號(hào)相同的頻率對(duì)它作出響應(yīng)。因此，聲波通 過(guò)轉(zhuǎn)換器104傳輸?shù)椒糯笃?06。在聲波波前通過(guò)放大器106傳播 時(shí)，它被放大，并且被焊接焊頭108接收。(在一些實(shí)施方案中，焊 頭108被設(shè)計(jì)為可獲得增益，不再需要放大器106)。最后，波前通過(guò)焊頭108傳播，于是被施加于位于焊接焊頭108和砧110之間的
(圖1未示出的)工件。焊頭組的其他實(shí)例是本領(lǐng)域已知的，并且適 用于本文公開(kāi)的以下系統(tǒng)、方案和方法。
焊頭108與砧110間隔的距離在圖1中標(biāo)記為"間隙"。摩擦 能施加于工件的過(guò)程使焊頭組100的各個(gè)元件溫度升高。由于焊頭組 100的元件溫度升高，它們呈現(xiàn)熱膨脹，這意味著焊頭108和砧110 之間的間隙尺寸可能變化，該變化取決于焊頭組100的具體安裝方 式。
圖2示出用于圖1焊頭組100的簡(jiǎn)化示例性安裝方案。該安裝 方案使用剛性的、通常分為三部分的機(jī)架200。機(jī)架200包括安裝有 砧110的第一部分202和與焊頭組100節(jié)點(diǎn)相鄰的第二部分206。 例如，圖2示出的機(jī)架第二部分206連接到放大器106的中點(diǎn) 208。機(jī)架200的第三部分204伸展在第一部分202和第二部分206 之間。
支架系統(tǒng)200在砧110的工件支承表面210和焊頭組100的 一部分之間保持基本固定的距離。在這種情況下，支架系統(tǒng)200在砧 110的上表面210和放大器106的中點(diǎn)/節(jié)點(diǎn)208之間保持基本固 定的距離。因此，如果在操作期間焊頭組100發(fā)生膨脹，焊頭組100 就會(huì)，如圖2中標(biāo)有"膨脹"的箭頭所示，沿著焊頭組100的縱向 軸線，從放大器106的中點(diǎn)208向外膨脹。應(yīng)該理解的是，其他各 種支架系統(tǒng)也可以在砧110上表面210和焊頭組100的一部分之 間保持基本固定的距離，其他這些支架系統(tǒng)屬于本專(zhuān)利申請(qǐng)的范圍。
在圖2的安裝布置中，轉(zhuǎn)換器104和放大器106上部的熱膨脹 對(duì)間隙長(zhǎng)度無(wú)影響(因?yàn)檫@些元件與200和焊頭組100的連接點(diǎn) 208的相對(duì)位置，這些元件是向上，即在遠(yuǎn)離砧110的方向，自由膨 脹的)。另一方面，在放大器106下部和焊頭108膨脹時(shí)，它們朝向砧110膨脹，和間隙縮小，因此所述間隙長(zhǎng)度受放大器106下部 膨脹和焊頭108膨脹的影響。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，轉(zhuǎn)換器104和放大器106保持基本不變的溫 度。例如，可以通過(guò)諸如將相對(duì)冷的空氣循環(huán)到轉(zhuǎn)換器104和放大器 106表面的一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇之類(lèi)的冷卻系統(tǒng)冷卻轉(zhuǎn)換器104和放大 器106，從而實(shí)質(zhì)上保持它們的溫度，和因此實(shí)質(zhì)上抑制它們的熱膨 脹。所以，根據(jù)這樣的實(shí)施例，焊頭組100的任何長(zhǎng)度變化均可以看 作基本上是由焊接焊頭108的膨脹造成的。
此外，根據(jù)一些實(shí)施例，在操作期間通過(guò)冷卻系統(tǒng)冷卻焊頭108， 從而抑制或降低溫度升高傾向。 一般來(lái)講，這樣的方案不能完全消除 焊頭108的熱膨脹，這意味著它仍舊會(huì)呈現(xiàn)出一定程度的熱膨脹，如 果需要使間隙長(zhǎng)度保持基本恒定，就應(yīng)當(dāng)考慮熱膨脹。
已知，給定主體的長(zhǎng)度與給定主體的共振頻率成反比。換句話說(shuō)， 當(dāng)主體長(zhǎng)度增加時(shí)，它呈現(xiàn)較低的共振頻率。因此，當(dāng)焊頭組100長(zhǎng) 度，例如，由于熱膨脹，增加時(shí)，它呈現(xiàn)出較低的共振頻率。具體地 講，利用以下公式，使主體長(zhǎng)度1與其共振頻率f相關(guān)
<formula>formula see original document page 11</formula>其中，E表示物體的彈性模量，p表示物體的密度。如果物體是 組合物(例如，由多個(gè)零件組成或包括由不同材料制成的多個(gè)部分， 等等)，鑒于材料的多個(gè)部分，可以為E和p指定表示材料性狀的值 (例如，可以是加權(quán)平均數(shù)，等等)。根據(jù)一些實(shí)施例，為了產(chǎn)生與那里的頻率相等的AC信號(hào)，電源
102檢測(cè)焊頭組100的共振頻率f。例如，電源102可以將呈現(xiàn)特 定峰間電壓(或者均方根值電壓)的正弦波信號(hào)發(fā)送給焊頭組100。 在保持正弦波信號(hào)的峰間(或者RMS)電壓不變的同時(shí)，電源102調(diào) 節(jié)信號(hào)的頻率，并且搜尋出焊頭組100消耗最小電流時(shí)的頻率，這個(gè) 頻率就是焊頭組100的共振頻率。因此，根據(jù)此類(lèi)實(shí)施例，可以通過(guò) 電源102獲得焊頭組100的共振頻率。根據(jù)其他實(shí)施例，可以用利 用檢測(cè)器觀測(cè)焊頭組100的方法檢測(cè)焊頭組100的共振頻率。
在獲得焊頭組100的共振頻率時(shí)，可以通過(guò)利用與上述物理原理 類(lèi)似的方式使共振頻率和焊頭組長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)的方法獲得焊頭組100的 全長(zhǎng)。由于冷卻轉(zhuǎn)換器104和放大器106，從而基本抑制其熱膨脹效 應(yīng)，所以焊頭組100的長(zhǎng)度可以與間隙長(zhǎng)度相關(guān)。例如，根據(jù)圖2的 方案，利用以下公式表示間隙長(zhǎng)度和焊頭108長(zhǎng)度1的關(guān)系
間隙長(zhǎng)度"D-l，
其中D是近似常數(shù)值，它表示焊頭108的頂部和砧110的工 件支承表面210之間的長(zhǎng)度。
圖3示出用于確定焊接焊頭108和砧110工件支承表面210 之間的間隙長(zhǎng)度的系統(tǒng)。圖3的系統(tǒng)包括將聲波信號(hào)發(fā)送到焊頭(和 放大器)302的超聲電源300 (例如，將AC信號(hào)發(fā)送到轉(zhuǎn)換器的電 源，所述轉(zhuǎn)換器繼而將所述信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波)。利用諸如與存儲(chǔ)了控 制超聲電源300操作的固件/軟件的存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的處理器之 類(lèi)的控制電路控制超聲電源300。作為另外一種選擇，控制器電路可 以具體化為基于硬件的控制回路。在任何一種情況下，超聲電源300
的控制器均識(shí)別焊頭組的共振頻率，并且指示其中的電源信號(hào)發(fā)生電 路與轉(zhuǎn)換器協(xié)作，產(chǎn)生等于其頻率的聲波信號(hào)。位于電源300內(nèi)的控 制器可以與間隙確定單元304接口。間隙確定單元304接收焊頭組的共振頻率，并且生成與間隙長(zhǎng)度 具有已知關(guān)系的量。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，間隙確定單元304是在與存儲(chǔ)
器單元相連的處理器上運(yùn)行的軟件模塊。間隙確定單元304可以與控 制超聲電源300的固件在同一處理器上運(yùn)行。作為另外一種選擇，它 可以在不同的、與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的處理器上運(yùn)行。在任何一種情況 下，間隙確定單元304運(yùn)行的軟件/固件均可以根據(jù)(下面的)方案工 作，將結(jié)合圖4A-5B討論該方案。
根據(jù)可供選擇的實(shí)施例，間隙確定單元304可以從非超聲電源 300的源接收焯頭組的共振頻率。例如，這樣的系統(tǒng)可以包括觀察焊 頭組、測(cè)量其共振頻率以及將共振頻率傳遞給間隙確定單元304的檢 測(cè)器306。在隨后的論述中，僅用作實(shí)例，假定共振頻率來(lái)自超聲電 源300。
圖4A示出一種方案，間隙確定單元304可以通過(guò)該方案運(yùn)轉(zhuǎn)。 間隙確定單元304可以包括儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的表400。根據(jù)共振頻率 編制表400，并且該表使間隙長(zhǎng)度G和共振頻率f關(guān)聯(lián)。因此，在 接收共振頻率f時(shí)，間隙確定單元304使用該共振頻率訪問(wèn)表400， 和確定對(duì)應(yīng)于該共振頻率f的間隙長(zhǎng)度G。例如，假定間隙確定單元 304接收輸入頻率f2，單元304作出響應(yīng)，方法是訪問(wèn)表400，確定 對(duì)應(yīng)于頻率f2的行。在確定行時(shí)，返回輸入其中的間隙長(zhǎng)度G2。可 選地，可以訪問(wèn)表400，確定焊頭組100的長(zhǎng)度L，或確定其他任何 與間隙長(zhǎng)度的已知關(guān)系的量。假定間隙確定單元304接收輸入值fx， 并且假定fx位于在連續(xù)的表?xiàng)l目之間(即fi<fx<f1+1)，間隙確定單 元304就可以訪問(wèn)表400，獲得間隙長(zhǎng)度值Gi和Gi+1，并且可以在 兩個(gè)值之間執(zhí)行內(nèi)插，獲得對(duì)應(yīng)于共振頻率fx的間隙長(zhǎng)度。
可以通過(guò)探索過(guò)程生成表400中的各種條目，在探索過(guò)程中，f 在表400內(nèi)記錄用于每一個(gè)頻率f的焊頭組100長(zhǎng)度和間隙長(zhǎng)度。作為另外一種選擇，可以用類(lèi)似于上文所述方式的理論計(jì)算生成表 400的各種條目。
圖4B示出另一個(gè)方案，其中間隙確定單元304可以進(jìn)行理論計(jì) 算。例如，如操作402所示，間隙確定單元304可以在接收焊頭組 100共振頻率f時(shí)開(kāi)始其運(yùn)算。其后，單元304作出響應(yīng)，方法是諸 如利用基于物理原理的公式的，主要是操作404示出公式的，根據(jù)該 共振頻率的焊頭108長(zhǎng)度L計(jì)算。最后，如操作406所示，根據(jù)已 知的所用安裝方案產(chǎn)生的具體幾何約束，單元304可以使操作404 確定的長(zhǎng)度L與間隙長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)。例如，在圖2的安裝方案的情況下， 可以按照下式確定間隙長(zhǎng)度
間隙長(zhǎng)度=D-L，
其中D表示焊頭108頂部與砧110工件支承表面210之間的 距離，并且L表示焊頭的長(zhǎng)度。
圖5A示出用于連續(xù)超聲焊接的焊接焊頭500實(shí)例。其中焊頭 500包括焊頭500可以圍繞其旋轉(zhuǎn)的縱向軸線502。利用(圖5A未 示出的)支架系統(tǒng)限制焊頭500，從而在焊頭和砧504之間保持間隙。 焊頭組可以安裝在所述系統(tǒng)的任意節(jié)點(diǎn)處。焊頭的縱向軸線502大體 平行于砧504工件支承表面506。
上述依據(jù)焊頭組共振頻率確定焊頭和砧之間的間隙長(zhǎng)度的原理可 用于圖5的焊頭500。在材料熱膨脹時(shí)，它們?cè)谒蟹较蚨际堑缺壤?膨脹的。因此，圖5B描述的以下技術(shù)可用于確定焊頭和砧之間的間 隙長(zhǎng)度。
首先，如操作508所示，接收焊頭組的共振頻率。其后，以與上 文所述類(lèi)似的方式(操作510)根據(jù)該頻率確定焊頭502的長(zhǎng)度L。與以前一樣，冷卻圖5A的焊頭組，使(圖5A未示出的)轉(zhuǎn)換器和
(圖5A未示出的)放大器在操作期間保持基本不變的溫度，因此抑
制它們的熱膨脹和對(duì)該系統(tǒng)共振頻率的影響。
因?yàn)楹割^500的所有尺寸都按比例膨脹，所以它的長(zhǎng)度L和半 徑B之間的比率保持不變。因此，計(jì)算焊頭502的長(zhǎng)度后，如操作 512所示，使所述長(zhǎng)度與上述比率B相乘可以得出它的半徑。最后， 如操作514所示，可以從焊頭500縱向軸線和砧504工件支承表面 506之間的距離D中減去所述半徑，確定間隙長(zhǎng)度。
應(yīng)該指出的是，如結(jié)合圖4A的描述，可以將利用相對(duì)于圖5B 描述的方法得到的結(jié)果存入表格。因此，可以通過(guò)存取這樣的表，根 據(jù)所述焊頭組的共振頻率獲得間隙長(zhǎng)度或與其已知關(guān)系的值。
圖6示出用于根據(jù)觀測(cè)的焊頭組共振頻率使焊頭和砧之間的間 隙保持基本恒定的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括焊頭組600和與其相連的電 源602。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，如上所述，電源602確定焊頭600的共 振頻率。
位置調(diào)節(jié)器606與焊頭組相連。在輸入信號(hào)的控制下，位置調(diào)節(jié) 器606調(diào)節(jié)焊頭組600，使之要么移向，要么移離砧。發(fā)送到調(diào)節(jié)器 606的輸入信號(hào)和調(diào)節(jié)器對(duì)其的響應(yīng)之間存在已知關(guān)系。位置調(diào)節(jié)器 606與控制信號(hào)發(fā)生器604進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？刂菩盘?hào)發(fā)生器604接 收用作輸入值的焊頭組共振頻率，并且產(chǎn)生發(fā)送給位置調(diào)節(jié)器606的 控制信號(hào)。根據(jù)焊頭組600的共振頻率以及位置調(diào)節(jié)器606的響應(yīng) 與其輸入信號(hào)之間的關(guān)系，控制信號(hào)發(fā)生器604產(chǎn)生用于使砧和焊頭 之間的間隙保持基本恒定的控制信號(hào)。
控制信號(hào)發(fā)生器604可以具體化為，諸如與存儲(chǔ)符合上述原理的 固件/軟件的存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的處理器之類(lèi)的，控制器電路。作為另外一種選擇，也可以具體化為用于產(chǎn)生上述控制信號(hào)，保持基本恒 定間隙的ASIC。在本發(fā)明的隨后部分，將公開(kāi)位置調(diào)節(jié)器的具體實(shí)施 例。本發(fā)明的實(shí)踐無(wú)需使用以下公開(kāi)的位置調(diào)節(jié)器。本說(shuō)明書(shū)的前述 部分也將注意力集中于根據(jù)焊頭組共振頻率確定焊頭長(zhǎng)度或間隙長(zhǎng)度 的具體方法。根據(jù)其他實(shí)施例，可以通過(guò)測(cè)量焊頭組或它的各種組件 的溫度得到這樣的確定。
圖7示出用于調(diào)節(jié)焊頭和砧之間的間隙的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。
其中所述系統(tǒng)包括定位于砧704工件支承表面702上方的焊頭 700。焊頭700剛性地連接到機(jī)架706上。機(jī)架706包括與接收器 710嚙合的滑塊708，從而使機(jī)架706與焊頭700可以垂直平移。
機(jī)架706還包括受力板712，它通過(guò)一對(duì)構(gòu)件714連接到機(jī)架 706上。通過(guò)(圖7未示出的)施力器將力施加于受力板712。所述 力向砧704推動(dòng)焊頭700。利用箭頭713指示所述力的方向。所述 力的作用是使接觸表面716與彈性變形障礙物718鄰接。施加于彈 性變形障礙物718的力使障礙物718變形，并且因此呈現(xiàn)向下?lián)锨?(即在砧704方向的撓曲)。 一般來(lái)講，施加于板712的力越大， 障礙物718呈現(xiàn)的向下?lián)锨驮酱?。障礙物718呈現(xiàn)的向下?lián)锨?大，焊頭700和砧704之間的間隙就越小。
為了使焊頭700和砧704之間的間隙保持恒定，可以采用以下 方案。在焊頭700溫度未升高時(shí)，對(duì)板712施加一個(gè)初始力，在焊 頭700和砧704之間建立"理想"長(zhǎng)度的間隙。在操作期間，隨著 焊頭700熱膨脹，間隙變小。為了抵消此影響，減小施加于板712的 力，使障礙物718呈現(xiàn)較小撓曲，這意味著焊頭700和機(jī)架向上平 移(即，移離砧)。因此，可以通過(guò)控制施加于板712的力使焊頭700 和砧704之間的間隙保持基本恒定。為了確保這個(gè)方案的功效，施加 于板712的初始力應(yīng)該足以使障礙物718呈現(xiàn)的撓曲至少與預(yù)期需 要抵消的熱膨脹量值相當(dāng)?？勺冃握系K物714是彈性的，并且優(yōu)選具有較高的彈性模量。通 過(guò)選擇較高彈性模量的材料，建立起一個(gè)環(huán)境，其中，撓曲障礙物714 所需的力與處理力(亦即，焊頭施加于工件的力)相比大得多。這樣 的布置方式為控制設(shè)計(jì)提供便利。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，可以利用鋼，或
另一種合適的材料制成障礙物714。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，施加于障礙物 714的力不會(huì)使其中的材料超出它的彈性范圍(亦即，在撤除該力時(shí) 障礙物714將恢復(fù)其初始形狀)。此外，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，障礙物714 呈現(xiàn)的撓曲與作用其上的力成正比，亦即，施加于障礙物714的力與 因此呈現(xiàn)的撓曲量值存在線性關(guān)系。
圖8A示出與圖7的示例性調(diào)節(jié)系統(tǒng)連用的控制系統(tǒng)實(shí)例。(下 面論述的圖8A的各種單元804-810可以具體化為存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可 讀媒體中并且由處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者具體化為諸如一種或多 種應(yīng)用專(zhuān)用集成電路或者現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列之類(lèi)的專(zhuān)用硬件。此外， 作為設(shè)計(jì)選擇，單元804-810可以組合或分開(kāi)。)如圖8A所示，該 系統(tǒng)包括與超聲電源802相連的焊頭800。間隙確定單元804確定 焊頭800和(圖8未示出的)砧之間的間隙。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，間 隙確定單元804從電源802獲得焊頭組的共振頻率，并且根據(jù)共振 頻率確定間隙。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，間隙確定單元804通過(guò)觀測(cè)焊頭 800檢測(cè)其共振頻率。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，間隙確定單元804得出間 隙長(zhǎng)度的方法是通過(guò)測(cè)量焊頭的溫度，從中推斷焊頭長(zhǎng)度，并且根據(jù) 焊頭長(zhǎng)度得出間隙長(zhǎng)度。
將間隙確定單元獲得的間隙長(zhǎng)度提供給力確定單元806。為了使 所述間隙保持基本上恒定的長(zhǎng)度，力確定單元806確定施加于機(jī)架 (例如，圖7的板712)的力。將間隙確定單元806得出的力提供 給控制信號(hào)發(fā)生器808?？刂菩盘?hào)發(fā)生器808產(chǎn)生控制信號(hào)，并且將 所述控制信號(hào)傳送給施力器810。施力器810呈現(xiàn)已接收控制信號(hào)與 它施加的力之間的已知關(guān)系。因此，控制信號(hào)發(fā)生器808按照所述已知關(guān)系產(chǎn)生控制信號(hào)。
圖8B示出間隙確定單元804和力確定單元806的示例性實(shí)施 例。(與圖8A的單元情況類(lèi)似，下面討論的圖8B的不同單元，可 以具體化為存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀媒體中和由處理器執(zhí)行的軟件模塊，或 者具體化為諸如一種或多種特定應(yīng)用的集成電路或者是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén) 陣列之類(lèi)的專(zhuān)用硬件。此外，作為設(shè)計(jì)選擇，圖8B的單元可以組合 或分開(kāi)。)如圖8B所示，間隙確定單元804包括長(zhǎng)度確定單元812 和間隙査找單元814。長(zhǎng)度確定單元812接收焊頭組的共振頻率，和 利用結(jié)合圖4A和4B描述的方法之一查找焊頭長(zhǎng)度。其后，間隙查 找單元814接收所述焊頭長(zhǎng)度。根據(jù)已知的焊頭長(zhǎng)度以及安裝方案產(chǎn) 生的具體幾何形狀(例如，間隙長(zhǎng)度可以等于焊頭頂部到工件支承表 面之間的長(zhǎng)度和焊頭長(zhǎng)度的差，間隙=D-L)，間隙査找單元814得 出所述間隙長(zhǎng)度。
得出間隙長(zhǎng)度后，將這個(gè)值提供給力確定單元806。為了使所述 間隙保持基本恒定，力確定單元806獲得將施加于機(jī)架的力。其中， 所得的力是障礙物的長(zhǎng)度，L,ft、障礙物彈性模量E、障礙物的橫截 面積A、初始間隙長(zhǎng)度和間隙確定單元804獲得間隙長(zhǎng)度之間的差值 △以及已裝配系統(tǒng)撓曲的函數(shù)。
圖9A示出力確定單元806可以操作的方案。力確定單元806 包括儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器裝置中的表900。根據(jù)共振間隙長(zhǎng)度G編制表 900，并且該表使力F和間隙長(zhǎng)度G關(guān)聯(lián)。因此，在接收間隙長(zhǎng)度G 時(shí)，力確定單元806利用間隙長(zhǎng)度訪問(wèn)表900，確定對(duì)應(yīng)于所述間隙 長(zhǎng)度G的力F。例如，假定力確定單元806接收作為輸入值的間隙 長(zhǎng)度G2，單元806就作出響應(yīng)，方法是訪問(wèn)表900，確定對(duì)應(yīng)于間 隙長(zhǎng)度G2的行。在識(shí)別所述行時(shí)，返回輸入其中的力F2?？蛇x地， 可以訪問(wèn)表900，確定控制信號(hào)C，將其發(fā)送給施力器810，或者確定與待施加于機(jī)架的力的已知關(guān)系的其他任何量。假定力確定單元
806接收輸入值Gx，并且假定Gx位于連續(xù)的表?xiàng)l目之間(即Gi< GX<G1+1)，力確定單元806就可以訪問(wèn)表900，獲得力值Fi和Fi+1， 并且可以在兩值之間執(zhí)行內(nèi)插，獲得對(duì)應(yīng)于間隙長(zhǎng)度Gx的力。
可以通過(guò)探索過(guò)程生成表900的各種條目，在探索過(guò)程中，可以 使用實(shí)驗(yàn)方法為表900內(nèi)的每一間隙長(zhǎng)度G其對(duì)應(yīng)的將要施加于機(jī) 架的力及控制信號(hào)。作為另外一種選擇，可以類(lèi)似于下文結(jié)合圖9B描 述的方式，通過(guò)理論計(jì)算生成表900的各種條目。
圖9B示出另一個(gè)方案，力確定單元806可以利用該方案操作， 進(jìn)行理論計(jì)算。例如，如操作902所示，力確定單元806可以在接 收間隙確定單元804計(jì)算的間隙長(zhǎng)度時(shí)開(kāi)始操作。其后，單元806作 出響應(yīng)，方法是，如操作904所示，計(jì)算初始間隙IG和已計(jì)算間隙 CG之間的差值。這個(gè)差值A(chǔ)表示為了使間隙恢復(fù)初始長(zhǎng)度，障礙物 撓曲必須減小的量。因此，在操作906中，可以用利用操作906示 出公式求解Fjf的方法，獲得待施加于機(jī)架的新的力F新。
圖10示出用于調(diào)節(jié)焊頭和砧之間的間隙的系統(tǒng)的另一個(gè)示例性 實(shí)施例。焊接系統(tǒng)1010包括一個(gè)固定在支承表面1017的焊接系統(tǒng) 1030和一個(gè)固定在支承表面1018的砧1021。焊接系統(tǒng)1030包括 由焊頭支柱1020支承和可相對(duì)于表面1017移動(dòng)的焊頭1032、相對(duì) 于表面1017固定的具有支承板1056的固定障礙物1055和可膨脹 氣囊1061。
氣囊1061用于施加使焊頭支柱1020和焊頭1032移向砧 1021的力；用調(diào)節(jié)氣囊1061中空氣壓力的方法控制所述力。當(dāng)表面 1025接觸固定障礙物1055時(shí)，支承板1056在施加力的作用下發(fā)生 輕微撓曲。在一個(gè)具體實(shí)例中，焊接所需產(chǎn)品允許的最小力為600磅(約
272kg)，氣囊1061中空氣壓力30-psig (約207kPa)產(chǎn)生此力。所 需固定間隙為0.0020英寸(約0.05mm)。
在使用鈦焊頭操作時(shí)，確定將從室溫提高的最大溫度為50°F (約 27.7°C)，這個(gè)溫度將使焊頭長(zhǎng)度增加0.0010英寸(約0.025mm)。 結(jié)果是，如果不作出補(bǔ)償，焊頭1032和砧1021之間的間隙會(huì)減小 達(dá)0.0010英寸(約0.025m)。已知支承板156的撓曲為每675磅 力(約306kg-力)0.0010英寸(約0.025mm)。因此，室溫的幅桿 施加的力必須至少是1125磅(約510kg)或60psig (約414kPa)。 隨著焊頭操作和長(zhǎng)度的增加，施加的空氣壓力從60psig (約414kPa) 減小到30psig (約207kPa)，使焊頭和砧之間的間隙保持恒定。
一種焊接裝置通常被構(gòu)造為利用可變形障礙物組件控制砧和焊頭 之間的距離，所述焊接裝置包括帶有固定障礙物的砧、焊頭和安裝的 施力器，從而能夠施加力，將焊頭壓向固定障礙物，使固定障礙物的 彈性變形對(duì)焊頭和砧之間的間隙提供精細(xì)控制。該裝置可以包括傳感 系統(tǒng)，以便監(jiān)視焊頭的具體特性并控制施加于焊頭的力，從而將焊頭 和砧之間的間隙保持在一固定值，而與所述具體特性改變無(wú)關(guān)。監(jiān)視 的特性可以是，例如，焊頭的溫度、長(zhǎng)度或振動(dòng)頻率。
可變形，然而固定的障礙物的用途是補(bǔ)償熱膨脹導(dǎo)致的焊頭長(zhǎng)度 增加，所述用途可以與旋轉(zhuǎn)砧、固定砧、旋轉(zhuǎn)焊頭、固定焊頭或它們 的任何組合連用。
在使用中，待連接的工件被置于焊頭和砧之間，為焊頭供電和焊 頭被激勵(lì)，并且對(duì)焊頭施力，將焊頭推向固定障礙物，使固定障礙物 的彈性變形對(duì)焊頭和砧之間間隙提供精細(xì)控制。
利用上面討論的方法，人們可以確定用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，然后將它代入可以在用于具體單元的所述控制系統(tǒng)中使用的公式。申請(qǐng)人已將 以下方法用于上面描述的系統(tǒng)，但這個(gè)方法也可用于其他不同配置的 系統(tǒng)?？梢岳霉こ淘砘蛘呃脕?lái)自各個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)推導(dǎo)所述 公式。
公式2-5最適合有兩個(gè)變量的線性系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的最 佳配合，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定公式的斜率和截距。測(cè)量變量間的關(guān)系同樣可 以獲得任何具體系統(tǒng)的斜率和截距。優(yōu)選的是系統(tǒng)在操作范圍內(nèi)具有 線性性狀，但如果系統(tǒng)是非線性的，就可以使用第二階或更高階的公 式。
申請(qǐng)人已經(jīng)開(kāi)發(fā)并使用了下面描述的、用于在超聲焊接期間控制 間隙的方法。
首先，對(duì)于上述旋轉(zhuǎn)超聲系統(tǒng)，確定了以下參數(shù)。
(1) 焊頭直徑=6.880"
(2) 環(huán)境溫度(°F) = 65°F。
(3) 環(huán)境溫度下的頻率=19.986KHz
(4) 設(shè)定間隙時(shí)的壓力=72.5psig。
(5) 用于該方法的間隙設(shè)定點(diǎn)=2密耳(l密耳=0.001英寸)。
另外，焊頭的材料特性已知，
(6) 熱膨脹系數(shù)a
"鈦=5.4x10—6度(F)/英寸/英寸 a鋁=5.4義10—5度(F) /英寸/英寸系統(tǒng)通電和運(yùn)行時(shí)，焊頭的溫度將升高。于是下一步，人們確定 在連續(xù)焊接時(shí)無(wú)間隙(即2.0密耳的間隙變?yōu)榱?，例如，焊頭與砧之 間相互接觸)的最終溫度T **。通過(guò)求解公式1的方法獲得這一溫 度<formula>formula see original document page 22</formula>
在公式1中，T踐是間隙消失溫度，IG是系統(tǒng)已設(shè)置并且未操 作時(shí)設(shè)置和測(cè)量的初始間隙(單位密耳)，D為旋轉(zhuǎn)焊頭外徑，以 及a為焊頭材料的熱膨脹系數(shù)。利用上述用于鋁焊頭的輸入值求解 公式1，獲得溫度172.7°F，依據(jù)操作期間焊頭的升溫在該溫度下間隙 將變?yōu)榱恪Ｒ虼?，如果焊頭被加熱到172.67T,就將無(wú)間隙。因此， 有一個(gè)溫度上限。將公式1用于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，可以獲得任何指定系統(tǒng)的 上限。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員也將意識(shí)到，也可以為其他幾何形狀推 導(dǎo)出類(lèi)似的公式，并且可以確定操作溫度上限值，避免間隙消失。
由于很難測(cè)量動(dòng)態(tài)共振狀態(tài)的焊頭溫度，申請(qǐng)人開(kāi)發(fā)了間接的， 但精確的溫度測(cè)量替代方法。不是直接測(cè)量溫度，而是通過(guò)測(cè)量操作 期間焊頭頻率的方法確定焊頭的頻率，然后利用下面的公式2確定溫 度
(公式2) <formula>formula see original document page 22</formula>在公式2中，入則、為間隙變?yōu)榱阒昂割^可以操作的最小頻率， 并且已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定線性公式的系數(shù)。利用輸入?yún)?shù)求解 公式2，當(dāng)焊頭頻率降到19,802赫茲之下時(shí)，間隙將為零。因?yàn)楹割^ 頻率是本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以利用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備方便測(cè)量的參數(shù)， 所以人們可以使用公式1和2確定將防止間隙閉合的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)最小 操作頻率，間隙閉合可能導(dǎo)致產(chǎn)品損壞，并且還因?yàn)榻佑|使焊頭和/或 石占t員if 。使用公式1和2，人們現(xiàn)在能夠使間隙和溫度以及溫度和頻率關(guān) 聯(lián)。從而，人們可以使間隙和頻率關(guān)聯(lián)。在正常操作期間，當(dāng)材料處 于間隙(或輥隙)中時(shí)，很難測(cè)量該間隙，但是使用上述原理，可以 利用頻率確定所述間隙?？梢允褂靡韵鹿?確定焊頭頻率和焊頭與 砧之間的間隙的關(guān)系(所述公式可以根據(jù)頻率獲得間隙，反之亦然)<formula>formula see original document page 23</formula>
在公式3中，人是焊頭頻率，并且以密耳(1密耳=0.001英 寸)為單位測(cè)量間隙。當(dāng)間隙為1密耳時(shí)，求解公式3得到頻率 19,889赫茲。應(yīng)該說(shuō)明的是，現(xiàn)在有一種方法可以確定作為頻率函數(shù) 的間隙變化。因此，使用利用公式1-3確定的信息，可以控制施加于 焊頭/砧結(jié)構(gòu)的力，從而在焊接組件操作期間在焊頭的溫度和頻率變化 時(shí)，使操作間隙保持恒定。
為了控制間隙并將其保持在一恒定的操作值，控制施加于系統(tǒng)的 力，從而在操作期間當(dāng)焊頭變熱時(shí)，補(bǔ)償其熱膨脹。重新參考上面的 實(shí)例，當(dāng)所述間隙減小到1密耳時(shí)，人們需要降低施加于系統(tǒng)的壓力， 使系統(tǒng)可以保持或者恢復(fù)原先的間隙設(shè)定值2密耳。從而，為了補(bǔ)償 熱膨脹，將降低壓力，使間隙恢復(fù)為2密耳。
為了適當(dāng)減小壓力，人們首先需要確定如下面的公式4所示的壓 力與頻率之間的關(guān)系<formula>formula see original document page 23</formula>
其中P補(bǔ)償為施加于系統(tǒng)的壓力減小值(單位磅/平方英寸)， 入為利用公式3確定的頻率，以及P設(shè)定^為初始間隙設(shè)定點(diǎn)時(shí)的壓 力。例如，使用上面的參數(shù)，人們可以確定當(dāng)焊頭因?yàn)闊崤蛎浬扉L(zhǎng)1 密耳時(shí)為了恢復(fù)初始的2密耳間隙必需減小的壓力值。
實(shí)例:如果間隙變?yōu)?密耳，必需的壓力補(bǔ)償就是多少？
首先，利用公式(3)計(jì)算間隙為1密耳時(shí)的頻率(如先前所確
定的，值為19.889kHz)。然后，將值代入公式4，獲得，
P補(bǔ)償=-367.3404 (19.889) + 7412.7731 - 72.5 =106.7399 - 72.5
P補(bǔ)償=34.24磅/平方英寸(操作壓力減小值)
確定了用于熱膨脹補(bǔ)償?shù)膲毫?，可以核?shí)所述壓力補(bǔ)償下的間 隙值。這個(gè)間隙應(yīng)當(dāng)大致等于初始間隙與因?yàn)闊崤蛎洰a(chǎn)生的間隙變化 值的和。核實(shí)時(shí)，首先利用下面的公式5確定壓力和間隙之間的關(guān)系
(公式5) P補(bǔ)償=35.461 X (壓力補(bǔ)償時(shí)的間隙)+ 142.205
例如，在(利用公式4獲得的)壓力補(bǔ)償為34.24psig時(shí)，人們 可以重新安排公式5，并且解出所述間隙
壓力補(bǔ)償時(shí)的間隙=(34.24-142.205)/-35.461 = 3.045密耳
由于初始間隙被設(shè)置為2.0密耳，并且間隙變化為1密耳，所 以人們可以驗(yàn)證該模型。因此，為了補(bǔ)償在操作期間由于焊頭受熱伸 長(zhǎng)的1密耳，人們需要增大間隙1密耳，從而恢復(fù)初始的2.0密耳 間隙。
這樣，利用上面討論的用于確定操作參數(shù)的公式(或者為線性焊頭/其他幾何形狀的焊頭推導(dǎo)的它們的對(duì)等式)，人們可以確定旋轉(zhuǎn)超 聲焊接方法的操作極限值。例如，使用公式1和間隙設(shè)定點(diǎn)(目標(biāo)) 值可以得出操作溫度極限值。使用公式2和利用公式1獲得的溫度 極限值可以得到超聲焊頭的操作頻率極限值。使用公式3和利用用作 輸入值的間隙可以得到間隙變化時(shí)的頻率。使用公式2，同時(shí)使用利
用公式3確定的頻率值可以得到間隙變化時(shí)的溫度。使用公式4，同 時(shí)使用利用公式3獲得的頻率值可以得到用于間隙變化的壓力補(bǔ)償。 使用公式5，同時(shí)使用利用公式4獲得的壓力補(bǔ)償值可以得到(環(huán)境 溫度下)壓力補(bǔ)償時(shí)的間隙。
另有一個(gè)可以控制焊頭和砧之間的間隙的方案。如前所述，在超 聲焊接中，利用通常在20,000到40,000Hz的范圍內(nèi)的聲學(xué)信號(hào)驅(qū)動(dòng) 焊頭。圖11A示出在聲波沿著焊頭的縱向軸線傳播時(shí)的焊頭表面 1100。聲波傳播方向?yàn)榧^1102所示方向。如圖11A所示，在聲波 沿著焊頭的縱向軸線傳播時(shí)，焊頭表面1100被微擾，并且其上呈現(xiàn) 駐波波形1104。該駐波波形1104呈現(xiàn)被稱(chēng)為焊頭表面呈現(xiàn)的"位移" 的峰間振幅。所述峰間振幅，或表面位移，是沿著焊頭傳播的聲信號(hào) 振幅的函數(shù)。當(dāng)然，該聲信號(hào)振幅是為與焊頭相連的變換器提供的電 信號(hào)振幅的函數(shù)。因此，由焊頭表面1100呈現(xiàn)的位移是發(fā)送給轉(zhuǎn)換 器的電信號(hào)振幅的函數(shù)。通常，發(fā)送給轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)振幅越大，沿 著焊頭傳播的聲信號(hào)的振幅就越大；聲信號(hào)振幅越大，焊頭表面1100 呈現(xiàn)的位移就越大。
如圖11A所示，焊頭的表面1100與砧1106的表面之間的間 隙是所述位移的函數(shù)。在焊頭呈現(xiàn)較大的表面位移時(shí)，焊頭表面和砧 表面之間的間隙變小。
在進(jìn)一步處理前，應(yīng)該指出的是圖11A和11B不是按比例繪制 的，并且為了說(shuō)明，其中諸如表面位移之類(lèi)的一些特性被夸大。(例 如，在正常條件下操作時(shí)，典型的焊頭可以呈現(xiàn)大約2-3密耳的表面位移。)
為了討論的目的，圖11A所示的激發(fā)表面位移的電壓信號(hào)振幅被 稱(chēng)為振幅i。圖11B示出圖11A的在被振幅為振幅2)的電壓信號(hào)激
發(fā)時(shí)的焊頭表面U00的情況(振幅2小于振幅。。通過(guò)圖11A和 11B的比較可以看出，因?yàn)楹割^1100表面無(wú)朝向砧的如此大的移位， 所以當(dāng)激發(fā)焊頭的電壓信號(hào)振幅減小時(shí)，焊頭1100表面和砧1106 之間的間隙增大。
如前所述，在典型的焊接操作期間，焊頭可以呈現(xiàn)，例如，大約3 密耳的表面位移。然而，即使表面位移減小達(dá)，例如，33%，焊接操作 仍可以生產(chǎn)出令人滿(mǎn)意的產(chǎn)品。因此，根據(jù)上述實(shí)例，使用呈現(xiàn)小至2 密耳位移的焊頭也可以執(zhí)行焊接操作。于是，這時(shí)可以使用其振幅足 以激發(fā)3密耳表面位移的電信號(hào)開(kāi)始焊接操作。在操作期間，焊頭經(jīng) 歷熱膨脹，這意味著隨著焊頭朝向砧伸長(zhǎng)，焊頭和砧之間的間隙減小。 為了抵消這個(gè)影響，可以衰減激發(fā)焊頭的電信號(hào)振幅，產(chǎn)生原先的3 密耳的表面位移，因此使間隙保持基本恒定。當(dāng)然，在需要至少2密 耳位移，生產(chǎn)合適產(chǎn)品的操作情況下，電信號(hào)不能衰減到使焊頭表面 呈現(xiàn)小于所需2密耳的位移的程度。
圖12A示出用于控制焊頭和砧之間間隙的系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。 如圖12A所示，所述系統(tǒng)包括焊頭1200 (它，依次，包括轉(zhuǎn)換器和 放大器)，從電源1202向所述焊頭提供AC電信號(hào)。電源1202將 焊頭1200的共振頻率傳送給間隙確定模塊1204。(如前所述，電源 1202檢測(cè)焊頭組的共振頻率，并且以那一頻率驅(qū)動(dòng)該焊頭組。)
如前所述，根據(jù)共振頻率，間隙確定模塊1204確定間隙的長(zhǎng)度 (或者，可以確定間隙變化，或者可以確定與焊頭長(zhǎng)度的已知關(guān)系的 其他任何值)。隨后，將間隙長(zhǎng)度(或其變化)提供給振幅確定模塊 1206。作為響應(yīng)，為了使間隙保持基本恒定，振幅確定模塊確定正確的電源發(fā)送電信號(hào)的振幅?？梢詮臇碎啽頇z索，或者可以通過(guò)計(jì)算獲 得該振幅。將以此方法確定的振幅傳遞給控制信號(hào)發(fā)生模塊1208，該 模塊產(chǎn)生適當(dāng)指示或控制信號(hào)，使電源1202將信號(hào)的振幅調(diào)節(jié)成振
幅確定模塊1206選定的振幅。
如前所述，模塊1204-1208中的每一個(gè)都可以具體化為諸如一個(gè) 或多個(gè)彼此協(xié)作的ASIC之類(lèi)的專(zhuān)用硬件。作為另外一種選擇，模塊 1204-1208可以具體化為存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，并且由與之通信的處理器執(zhí) 行的軟件/固件。如果被具體化為固件/軟件，就可以作為設(shè)計(jì)選擇，由 同一個(gè)處理器執(zhí)行，或者可以由多個(gè)處理器執(zhí)行組成模塊1204-1208 的指示。
圖12B示出了用于控制焊頭和砧之間間隙的系統(tǒng)的另一個(gè)示例 性實(shí)施例。圖12B的系統(tǒng)利用兩種不同的、可以調(diào)節(jié)間隙的方案(1) 控制焊頭本身的位置；以及(2)控制焊頭呈現(xiàn)的表面位移量。如圖12B 所示，該系統(tǒng)包括焊頭1210 (它，依次，包括轉(zhuǎn)換器和放大器)，從 電源1202向所述焊頭提供AC電信號(hào)。電源1212將焊頭1210的 共振頻率傳送給間隙確定模塊1214。(如前所述，電源1212檢測(cè)焊 頭組的共振頻率，并且以那一頻率驅(qū)動(dòng)該焊頭組。)
如前所述，根據(jù)共振頻率，間隙確定模塊1214確定間隙的長(zhǎng)度 (或者可以確定間隙變化，或者可以確定與焊頭長(zhǎng)度的已知關(guān)系的其 他任何值)。隨后，將間隙長(zhǎng)度(或其變化)提供給振幅確定模塊1216 和調(diào)節(jié)器1220。調(diào)節(jié)器1220是可以改變悍頭位置的諸如如圖7和 圖10所示的調(diào)節(jié)系統(tǒng)之類(lèi)的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)通過(guò)不同程度的改變彈 性障礙物變形的方法調(diào)節(jié)焊頭的位置。與圖12A的實(shí)施例情形類(lèi)似， 為了使間隙保持基本恒定，振幅確定模塊1216確定正確的電源發(fā)送 電信號(hào)的振幅。當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)使間隙保持基本恒定的最終目標(biāo)，振 幅確定單元1216和調(diào)節(jié)器1220協(xié)作，共同調(diào)節(jié)位置和/或調(diào)節(jié)電源 1212發(fā)送AC信號(hào)的振幅。例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，振幅確定單元1216和調(diào)節(jié)器1220根 據(jù)圖13示出的方法操作。如圖所示，如操作1300所示，模塊1216 和1220同時(shí)從間隙確定單元1214接收間隙長(zhǎng)度或其變化。隨后，
(假設(shè)所述實(shí)施例的調(diào)節(jié)器1220包括將焯頭壓向可變形彈性障礙物 的施力器)，振幅確定單元1216從調(diào)節(jié)器1220接收因此施加的力
(操作1302)。接著，如操作1304所示，對(duì)所述力與焊接操作可接 受的力的下限值進(jìn)行比較。如果所述力仍在高于該所述下限值，調(diào)節(jié) 器1220就確定新的必需施加的力，和相應(yīng)地調(diào)節(jié)所述力(操作 1306)。在另一方面，如果該所述力達(dá)到下限值，則不得再減小所述， 并且將控制轉(zhuǎn)入操作1308，在該操作中確定表面位移的振幅是否已經(jīng) 達(dá)到其下限值。如果沒(méi)有，就將控制轉(zhuǎn)入操作1310，于是，為了使間 隙保持基本恒定，振幅確定模塊1216確定正確的電源發(fā)送電信號(hào)的 振幅。由此確定的振幅被傳遞給控制信號(hào)發(fā)生模塊1218，所述模塊產(chǎn) 生適當(dāng)?shù)闹甘净蚩刂菩盘?hào)，使電源1212將信號(hào)的振幅調(diào)節(jié)成振幅確 定模塊1216選定的振幅。另一方面，如果表面位移的振幅已經(jīng)達(dá)到 其下限值，控制就轉(zhuǎn)入操作1312，并且產(chǎn)生警報(bào)，指出未經(jīng)要么將工 藝力減小到其可接受的極限值以下，要么將焊頭的表面位移減小到其
可接受的極限值以下，該間隙就不能保持恒定長(zhǎng)度。
盡管圖13的操作被描述為由振幅確定模塊1216執(zhí)行，但是也 可以由圖12B示出的任何模塊執(zhí)行這些操作，或者可以由另一個(gè)專(zhuān)用 于協(xié)調(diào)振幅確定模塊1216和調(diào)節(jié)器1220操作的模塊執(zhí)行。
此外，應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，在操作1302中，調(diào)節(jié)器1220可以將焊 頭位置發(fā)送給執(zhí)行圖13方法的模塊。然后，在操作1304中，可以 對(duì)焊頭的位置與表示調(diào)節(jié)器1220從砧縮回焊頭的能力的位置極限值 進(jìn)行比較。換句話講，在操作1304中確定在調(diào)節(jié)器1220能夠從砧 縮回焊頭的時(shí)候，它是否已從砧縮回焊頭。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，振幅確定單元1216和調(diào)節(jié)器1220根據(jù)圖 14示出的方法操作。如圖所示，如操作1400所示，模塊1216和 1220同時(shí)從間隙確定單元1214接收間隙長(zhǎng)度或其變化。此后，(再 次假設(shè)該實(shí)施例中調(diào)節(jié)器1220包括將焊頭壓向可變形彈性障礙物的 施力器)，振幅確定單元1216從調(diào)節(jié)器1220接收因此施加的力(操 作1402)。下一步，于是，如操作1404所示，確定表面位移的振幅 是否達(dá)到其下限值。如果沒(méi)有，控制就轉(zhuǎn)入操作1406，為了使間隙保 持基本恒定，振幅確定模塊1216確定正確的電源1212發(fā)送電信號(hào) 的振幅。由此確定的振幅被傳送給控制信號(hào)發(fā)生模塊1218，該模塊產(chǎn) 生適當(dāng)指示或控制信號(hào)，使電源1212將信號(hào)的振幅調(diào)節(jié)成振幅確定 模塊1216選定的振幅。另一方面，如果焊頭呈現(xiàn)的表面位移振幅已 經(jīng)達(dá)到其下限值，就不得再減小所述力，并且將控制轉(zhuǎn)入操作1408， 在該操作中確定從操作1402接收的力值是否處于焊接操作可接受力 的下限值。如果所述力仍高于所述下限值，調(diào)節(jié)器1220就確定新的 必需施加的力，并且相應(yīng)的調(diào)節(jié)所述力(操作1410)。另一方面，如 果所述力已經(jīng)達(dá)到其下限值，控制就轉(zhuǎn)到以下式1412,并且產(chǎn)生警報(bào)， 指出未經(jīng)要么將工藝力減小到其可接受的極限值以下，要么將焊頭的 表面位移減小到其可接受的極限值以下，該間隙就不能保持恒定長(zhǎng)度。
盡管圖14的操作被描述為由振幅確定模塊1216執(zhí)行，但也可 以由圖12B示出的任何模塊，或者可以由過(guò)另一個(gè)專(zhuān)用于協(xié)調(diào)振幅確 定模塊1216和調(diào)節(jié)器1220操作的模塊執(zhí)行這些操作。
此外，應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，在操作1402中，調(diào)節(jié)器1220可以將焊 頭位置發(fā)送給執(zhí)行圖14方法的模塊。然后，在操作1408中，可以 對(duì)焊頭的位置與表示調(diào)節(jié)器1220從砧縮回焊頭的能力的位置極限值 進(jìn)行比較。換句話講，在操作1408中確定在調(diào)節(jié)器1220能夠從砧 縮回焊頭的時(shí)候，它是否已從砧縮回焊頭。
在閱讀并理解上述用于控制超聲焊接系統(tǒng)的方法以后，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員就將知道可以通過(guò)測(cè)量焊頭的操作頻率、然后調(diào)節(jié)控制 間隙的力，例如，壓力的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的間隙控制。對(duì)于任意幾何形 狀的焊頭(包括線性和旋轉(zhuǎn)焊頭)，可以導(dǎo)出或依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定該具體 公式。
上述各種實(shí)施例僅用作舉例說(shuō)明，并且不得將它們解釋成對(duì)本發(fā) 明的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)容易地作出各種可以對(duì)本發(fā)明作出 的修改形式和更改，這些修改形式和更改沒(méi)有采用本文圖示和描述的 實(shí)例實(shí)施例，也沒(méi)有脫離下文權(quán)利要求書(shū)提出的本發(fā)明的真正精神和 范圍。
權(quán)利要求
1. 一種方法，所述方法包括將焊頭置于最接近砧的位置，從而在所述焊頭和所述砧之間形成間隙；將交流(AC)信號(hào)施加到與所述焊頭相連的轉(zhuǎn)換器，所述AC信號(hào)呈現(xiàn)出振幅；以及在所述焊頭操作期間，調(diào)節(jié)所述AC信號(hào)的所述振幅，從而使所述焊頭和所述砧之間的所述間隙保持基本恒定。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括根據(jù)所述焊頭和所述砧 之間的所述間隙計(jì)算所調(diào)節(jié)的振幅。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中調(diào)節(jié)推進(jìn)力還基于施加到 所述轉(zhuǎn)換器的所述AC信號(hào)的振幅和所述焊頭的表面呈現(xiàn)的波的振幅 之間呈現(xiàn)的關(guān)系。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括根據(jù)所述焊頭的溫度監(jiān) 視所述焊頭和所述砧之間的所述間隙。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括根據(jù)所述焊頭的共振頻 率監(jiān)視所述焊頭和所述砧之間的所述間隙。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的方法，還包括根據(jù)所述焊頭和所 述砧之間的所述間隙，確定與所調(diào)節(jié)的振幅具有已知關(guān)系的量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中確定與所調(diào)節(jié)的振幅具有 已知關(guān)系的量的行為包括訪問(wèn)表，以獲得對(duì)應(yīng)于所述間隙的所調(diào)節(jié)的 振幅。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中確定與所調(diào)節(jié)的振幅具有 已知關(guān)系的量的行為包括訪問(wèn)表，以獲得對(duì)應(yīng)于所述間隙的控制信號(hào) 值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括-調(diào)節(jié)所述焊頭的焊頭操作位置，從而使所述焊頭和所述砧之間的 所述間隙保持基本恒定。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)所述焊頭的所述位置，并且其中所述方法還包括確定所述焊頭是否需要占據(jù)所述范圍外的位置，以在所述焊頭和 所述砧之間保持恒定的間隙；以及在確定值為正時(shí)，調(diào)節(jié)所述AC信號(hào)的所述振幅。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)所 述AC信號(hào)的所述振幅，并且其中所述方法還包括確定所述AC信號(hào)是否需要呈現(xiàn)所述范圍外的調(diào)節(jié)振幅，以在所 述焊頭和所述砧之間保持恒定的間隙；以及在確定值為正時(shí)，調(diào)節(jié)所述焊頭的所述焊頭操作位置，從而使所 述焊頭和所述砧之間的所述間隙保持基本恒定。
12. —種系統(tǒng)，包括 由支架系統(tǒng)保持的焊頭組； 利用間隙與所述焊頭組分開(kāi)的砧；電源，所述電源可操作地與所述焊頭組相連，并且被配置成根據(jù) 指示向所述焊頭組提供給定振幅的交流(AC)信號(hào)，并且還被配置成輸 出表示提供給所述焊頭組的所述AC信號(hào)的頻率的數(shù)據(jù)；以及可操作地與所述電源相連的控制器，所述控制器被配置成從所述 電源接收所述頻率數(shù)據(jù)，并且指示所述電源發(fā)送由所述頻率數(shù)據(jù)確定 的選定振幅的AC信號(hào)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還被配置成 根據(jù)所述頻率數(shù)據(jù)計(jì)算與所述焊頭和所述砧之間的所述間隙具有已知 關(guān)系的量。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還被配置成計(jì)算所述選定振幅，從而使所述焊頭和所述砧之間的所述間隙保持基 本恒定。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，還包括施力器，所述施力器被配置成向所述砧推動(dòng)所述焊頭，并且使可 操作地連接到所述焊頭的構(gòu)件接觸可彈性變形的障礙物并使其發(fā)生不 同程度的變形。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述施力器包括可操作 地連接到所述構(gòu)件的可膨脹氣囊。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還被配置成 指示所述施力器以選定的力將所述焊頭推向所述砧。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述控制器還被配置成 指示由所述施力器提供的所述推動(dòng)力和由所述電源提供的所述AC信 號(hào)的振幅之間的協(xié)作，從而使所述焊頭和所述砧之間的所述間隙保持 基本恒定。
19. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述焊頭具有縱向軸線， 所述砧具有工件支承表面，并且其中所述焊頭的所述縱向軸線與所述 砧的所述支承表面大體平行。
20. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述施力器施加響應(yīng)控制信號(hào)的力，并且其中所述系統(tǒng)還包括被配置成向所述施力器發(fā)送所 述控制信號(hào)的控制器。
全文摘要
一種使焊頭和砧之間的間隙保持基本恒定的系統(tǒng)和方法包括將焊頭置于最接近砧的位置，以便在焊頭和砧之間建立間隙的操作。交流(AC)信號(hào)被施加于與焊頭相連的轉(zhuǎn)換器。AC信號(hào)顯示具有振幅。在焊頭操作期間調(diào)節(jié)AC信號(hào)的振幅，從而使焊頭和砧之間的間隙保持基本恒定。
文檔編號(hào)B23K20/10GK101304833SQ200680041585
公開(kāi)日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2006年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月7日
發(fā)明者保羅·M·費(fèi)蒂格, 唐納德·L·泊察爾特, 塞廷德?tīng)枴·納亞爾 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司