專(zhuān)利名稱(chēng)：振動(dòng)焊接系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振動(dòng)焊接，并且特別地涉及用于振動(dòng)焊接的電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
線性振動(dòng)焊接機(jī)在工業(yè)中使用以便通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)部件相對(duì)于另一個(gè)部件的線性振蕩運(yùn)動(dòng)來(lái)焊接兩個(gè)塑料部件。在用力將部件壓在一起時(shí)，振蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量，其熔融塑料部件的鄰近表面并且在部件冷卻之后產(chǎn)生焊接。一個(gè)部件相對(duì)于另一個(gè)部件的振動(dòng)移動(dòng)是通過(guò)定位在焊接機(jī)的可移動(dòng)部件和固定部件之間的兩個(gè)電磁體產(chǎn)生的。兩個(gè)電磁體沿相同坐標(biāo)線，但以相反方向施加力。電磁體以180°相移激勵(lì)，以使得當(dāng)?shù)谝浑姶朋w被激勵(lì)時(shí)，第二電磁體是去激勵(lì)的。相反地，當(dāng)?shù)诙姶朋w被激勵(lì)時(shí)，第一電磁體是去激勵(lì)的。所希望的是將激勵(lì)循環(huán)的頻率保持在焊接機(jī)的可移動(dòng)的機(jī)械部件的諧振頻率；以便允許將最大能量傳遞到要被焊接的部件。還希望控制施加給電磁體的能量，以便在焊接期間保持希望的塑料熔融水平?？刂齐姶朋w的以前的方法實(shí)現(xiàn)在激勵(lì)/去激勵(lì)循環(huán)之間180°相移(參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，520，308)，但它們?nèi)跃哂腥秉c(diǎn)。例如，當(dāng)三相輸出驅(qū)動(dòng)用來(lái)控制兩個(gè)電磁體時(shí)， 其中的兩相用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電磁體，并且兩個(gè)電磁體具有連接到第三相的共用線。因此使第三相被加載第一或第二相的兩倍那樣多，其施加壓力于第三相控制元件(通常為IGBT晶體管)。而且，激勵(lì)和去激勵(lì)的總時(shí)限是固定的，而PWM用來(lái)控制遞送給每個(gè)電磁體的能量的數(shù)量，因?yàn)镻WM控制器是以三相電動(dòng)機(jī)控制的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)解決方法。但其具有慢響應(yīng)時(shí)間的缺點(diǎn)，受PWM控制器的頻率限制。此外，針對(duì)該應(yīng)用使用PWM控制器引起輸出功率元件 (IGBT晶體管)的過(guò)度切換，其接著又導(dǎo)致不需要的功率損失、過(guò)度電氣噪聲和較低的系統(tǒng)可靠性。測(cè)量可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的諧振頻率的以前的方法涉及頻率掃描。在掃描模式中， 將相當(dāng)?shù)偷碾妷?通常最大值的10% -25% )施加給電磁體并且使頻率以小的增量(通常 0. IHz)從機(jī)器的操作范圍(通常從200Hz到MOHz)的最低頻率到最高頻率步進(jìn)。當(dāng)頻率步進(jìn)時(shí)，監(jiān)視振幅反饋和/或驅(qū)動(dòng)電流輸出。諧振頻率被確定為具有最高振幅反饋和/或最低電流輸出驅(qū)動(dòng)的頻率。一旦確定諧振頻率的值，就將其存儲(chǔ)在控制模塊(通常為可編程邏輯控制器或PLC)的存儲(chǔ)器中并且被傳到驅(qū)動(dòng)器作為其固定操作頻率。限定諧振頻率的該方法是相當(dāng)準(zhǔn)確的，但具有一些固有缺點(diǎn)。首先，其需要操作員記得轉(zhuǎn)向“調(diào)諧”模式來(lái)掃描該頻率，其在制造環(huán)境中常常被遺忘。其次，過(guò)程本身是相當(dāng)耗時(shí)的并且將占用3-5 分鐘，其在高體積生產(chǎn)環(huán)境中也是不希望的。第三，掃描路線選擇不解決在高體積和高負(fù)載類(lèi)型應(yīng)用中機(jī)器和工具變熱的問(wèn)題。當(dāng)機(jī)器和其組件變熱時(shí)，諧振頻率下降。如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)新的諧振頻率，則機(jī)器將離開(kāi)其最佳機(jī)械諧振，并且因此汲取更多的電流，從而產(chǎn)生更多的熱量并且在其關(guān)鍵組件上引起更大應(yīng)力。雪崩效應(yīng)(或失控狀況)將出現(xiàn)。為了對(duì)這補(bǔ)救，操作員不得不每個(gè)小時(shí)左右運(yùn)行頻率掃描，這再次損害制造效率。
控制焊接過(guò)程的以前的方法基于使用PLC。通過(guò)PLC監(jiān)視并控制焊接部件的線性位置和在焊接期間各焊接部件之間的壓力。基于從傳感器獲得的信息，通過(guò)PLC控制提升平臺(tái)和接合焊接部件的液壓缸。當(dāng)PLC具有所有必要的輸入/輸出通道以便提供這樣的控制時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間是相當(dāng)緩慢的(通常從5ms到20ms)，這會(huì)影響焊接過(guò)程的可重復(fù)性和精確性。

發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)提供一種通過(guò)實(shí)現(xiàn)第一工件相對(duì)于第二工件的往復(fù)移動(dòng)而且將工件推進(jìn)到一起來(lái)焊接第一和第二工件的振動(dòng)焊接系統(tǒng)。該振動(dòng)焊接系統(tǒng)包括第一和第二工件支架，其中第一工件支架被安裝以用于相對(duì)于第二工件支架進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)。將一對(duì)電磁體耦合到第一工件支架來(lái)實(shí)現(xiàn)第一工件支架的往復(fù)移動(dòng)，并且將電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耦合到電磁體來(lái)連續(xù)地激勵(lì)和去激勵(lì)彼此有相位差的電磁體以實(shí)現(xiàn)第一工件支架的往復(fù)移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括DC電流源；多個(gè)可控制的電子開(kāi)關(guān)裝置，其用于可控地將該源耦合到每一個(gè)電磁體并且從每一個(gè)電磁體去耦合該源；電流傳感器，其耦合到電磁體并且產(chǎn)生表示供應(yīng)給電磁體的電流的信號(hào)；以及控制電路，其耦合到電子開(kāi)關(guān)裝置并且接收由電流傳感器產(chǎn)生的信號(hào)以便使該開(kāi)關(guān)裝置接通和關(guān)斷，從而控制電磁體的激勵(lì)和去激勵(lì)以實(shí)現(xiàn)第一工件支架的往復(fù)移動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一工件支架是具有振動(dòng)的諧振頻率的可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的一部分，將控制電路編程為保持對(duì)于激勵(lì)和去激勵(lì)每一個(gè)電磁體的每個(gè)連續(xù)循環(huán)的預(yù)先選擇的時(shí)間段，并且該預(yù)先選擇的時(shí)間段對(duì)應(yīng)于可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的諧振頻率。在一個(gè)實(shí)施方式中，控制電路被配置成將由電流傳感器產(chǎn)生的信號(hào)與預(yù)置電流水平相比較并且控制供應(yīng)給電磁體的電流，并且由此控制供應(yīng)給電磁體和由此供應(yīng)給工件的能量的數(shù)量。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)由控制電路激活的液壓驅(qū)動(dòng)器來(lái)接合第二工件。通過(guò)控制電路來(lái)監(jiān)視在接合的第一和第二工件之間的壓力以及第二工件的線性位置。


可以通過(guò)結(jié)合附圖參考以下描述來(lái)更好的理解本發(fā)明，其中圖1是用于振動(dòng)焊接機(jī)的電氣控制系統(tǒng)的示意圖。圖2是通過(guò)圖1的電氣控制系統(tǒng)供應(yīng)給振動(dòng)焊接機(jī)中的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電磁體的激勵(lì)電流的時(shí)序圖。圖3是通過(guò)圖1的電氣控制系統(tǒng)供應(yīng)給與振動(dòng)焊接機(jī)中的電磁體的其中之一相關(guān)聯(lián)的四個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的控制信號(hào)的時(shí)序圖。圖4是對(duì)應(yīng)于圖2的上線的第一循環(huán)的時(shí)序圖，但具有用于供應(yīng)給振動(dòng)焊接機(jī)中的電磁體的電流的最大值的不同設(shè)置點(diǎn)。圖5A-5D是與振動(dòng)焊接機(jī)中的電磁體的其中之一相關(guān)聯(lián)的四個(gè)IGBT的電氣示意圖，并且圖示在圖2的時(shí)序圖中的電流的其中之一的一個(gè)循環(huán)期間通過(guò)那些IGBT的電流。圖6是包括在圖1的電氣控制系統(tǒng)中的控制模塊中的電路的一個(gè)實(shí)施例的電氣示意圖，以便控制IGBT的其中之一。
圖7是圖示圖1-6的系統(tǒng)的“聲脈沖(ping) ”操作模式的波形的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式盡管將與某些優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合來(lái)描述本發(fā)明，但將會(huì)理解本發(fā)明不局限于那些特定的實(shí)施例。相反地，本發(fā)明意圖涵蓋包括在如所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有替代、修改和等同布置。圖1圖示包括在支撐塑料部件P1的移動(dòng)元件12的相對(duì)端部處具有轉(zhuǎn)子10和11 的兩個(gè)固定電磁體1^和Ly(例如附著于固定框架)的線性振動(dòng)焊接機(jī)。當(dāng)電磁體Lx被激勵(lì)時(shí)，將焊接機(jī)的移動(dòng)元件12移到左側(cè)(如圖1中所看到的那樣)，并且當(dāng)電磁體Ly被激勵(lì)時(shí)，將移動(dòng)元件12移到右側(cè)。用180°相移將兩個(gè)電磁體Lj^PLy順序地激勵(lì)和去激勵(lì)， 以便引起移動(dòng)元件12和穩(wěn)固地附著于移動(dòng)元件12的塑料部件P1的振動(dòng)。當(dāng)塑料部件P1 振動(dòng)時(shí)，通過(guò)液壓缸觀將施壓于固定的塑料部件P2,以使得振動(dòng)的塑料部件P1相對(duì)于固定的塑料部件P2的振蕩運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生引起兩個(gè)塑料部件的接合表面熔融的熱量，使得當(dāng)振動(dòng)停止時(shí)，兩個(gè)部件被焊接起來(lái)。將電流從電源Vp供應(yīng)給兩個(gè)電磁體Lx和Ly的線圈，該電源Vp經(jīng)由四個(gè)IGBTQ1-Q4 將DC電流供應(yīng)給Lx線圈并且經(jīng)由四個(gè)IGBT Q5-Q8將DC電流供應(yīng)給Ly線圈。兩組四個(gè) IGBT Q1-Q4和Q5-Q8形成用于相應(yīng)的Lx和Ly線圈的兩相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從而形成總體同步的用于兩個(gè)線圈的四相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。第一相包括IGBTQl和Q2，第二相包括IGBT Q3和Q4，第三相包括IGBT Q5和Q6，并且第四相包括IGBT Q7和Q8。電磁體Lx由第一和第二相供以動(dòng)力， 而電磁體Ly由第三和第四相供以動(dòng)力。所有的四個(gè)相在電學(xué)上是相同的，除了第一和第三相與第二和第四相有180°相位差之外，如以下將詳細(xì)描述的那樣。通過(guò)一對(duì)Ix和Iy控制模塊20和21以及控制IGBT Q1-Q8何時(shí)接通和關(guān)斷的系統(tǒng)頻率接口模塊22來(lái)控制所述IGBT Q1-Q8的開(kāi)關(guān)。具體地，控制模塊20產(chǎn)生四個(gè)分別用于 IGBT Q1-Q4的柵電壓VI，V2，V3，V4，并且控制模塊21產(chǎn)生四個(gè)分別用于IGBT Q5-Q8的柵電壓V5，V6，V7，V9。每一個(gè)控制模塊20和21使用來(lái)自一對(duì)電流傳感器23和M的其中之一的輸入信號(hào)實(shí)施直接前饋電流控制，該對(duì)電流傳感器23和M產(chǎn)生表示在相應(yīng)Lx和Ly線圈中的實(shí)際電流的信號(hào)。兩個(gè)模塊也使用預(yù)先選擇的電流值Isrt (其表示要被供應(yīng)給每一個(gè)Lx和Ly線圈的最大電流)和預(yù)先選擇的時(shí)間段Tsrt (其表示每個(gè)線圈被反復(fù)地激勵(lì)和去激勵(lì)的頻率)。預(yù)先選擇的電流值Isrt有效地控制供應(yīng)給Lx和Ly線圈的能量的數(shù)量，來(lái)保持在塑料部件P1和P2的振動(dòng)焊接期間這些部件的接合表面的希望的熔融水平。預(yù)先選擇的時(shí)間段Tsrt有效地控制電磁體Lx和Ly的連續(xù)激勵(lì)和去激勵(lì)的每個(gè)循環(huán)的周期，以便與振動(dòng)焊接機(jī)的機(jī)械部的諧振頻率相匹配，從而在塑料部件P1和P2的振動(dòng)焊接期間將最大能量傳遞到這些部件。通過(guò)電流傳感器23監(jiān)視流過(guò)Lx線圈的電流，這產(chǎn)生表示該電流的瞬時(shí)幅度的輸出信號(hào)Ix。類(lèi)似地，通過(guò)電流傳感器M監(jiān)視流過(guò)Ly線圈的電流，這產(chǎn)生表示該電流的瞬時(shí)幅度的輸出信號(hào)Iy?？刂颇K20和21分別將信號(hào)Ij^PIy與預(yù)置值Iset相比較。圖2是圖示由模塊20使用的信號(hào)Ix和Iy如何產(chǎn)生將IGBT Q1-Q4接通和關(guān)斷的控制信號(hào)的時(shí)序圖。在圖2中，上面的圖表示Lx線圈中的電流，并且下面的圖表示Ly線圈中的電流。一個(gè)完整循環(huán)從時(shí)間、延伸到時(shí)間t4。在該說(shuō)明性的示例中，當(dāng)控制模塊20產(chǎn)生接通IGBT Ql和關(guān)斷IGBT Q2的控制信號(hào)時(shí)，LX線圈的激勵(lì)在時(shí)間、開(kāi)始。根據(jù)先前的循環(huán)IGBT Q3 保持關(guān)斷且IGBT Q4保持接通。如圖5A所圖示，針對(duì)四個(gè)IGBT Q1-Q4的狀態(tài)的該組合引起電流從源+Vp流過(guò)Lx線圈，從時(shí)間、的零增加到時(shí)間、的預(yù)先選擇的值Isrt。在、和 、之間的時(shí)間間隔的長(zhǎng)度由Ix何時(shí)達(dá)到水平Isrt來(lái)確定，通過(guò)不斷地將Ix與預(yù)先選擇的值 Iset進(jìn)行比較來(lái)在控制模塊20中檢測(cè)Ix何時(shí)達(dá)到水平Iset。當(dāng)Ix在時(shí)間、達(dá)到Iset時(shí)，控制模塊20產(chǎn)生關(guān)斷IGBT Ql和接通IGBT Q2的控制信號(hào)，以使得Lx線圈中的電流水平不會(huì)再進(jìn)一步增加。IGBT Q3保持關(guān)斷且IGBT Q4保持接通。如圖5B所圖示，針對(duì)四個(gè)IGBT Q1-Q4的狀態(tài)的該組合將施加給Lx線圈的電壓降低到零并且引起Lx線圈中的電流以Iset水平繼續(xù)經(jīng)由IGBT Q2和Q4流過(guò)Lx線圈，直到時(shí)間t2為止。在tl和t2之間的時(shí)間間隔的長(zhǎng)度由存儲(chǔ)在模塊22中的存儲(chǔ)器中的預(yù)先選擇的值 V2Tset確定，所述模塊22還包括測(cè)量在、之后經(jīng)過(guò)的時(shí)間的微處理器。當(dāng)該經(jīng)過(guò)的時(shí)間等于1/2Tset時(shí)，微處理器產(chǎn)生接通IGBT Q3和關(guān)斷IGBT Q4的控制信號(hào)。IGBT Ql保持關(guān)斷， 且IGBT Q2保持接通。如圖5C所圖示，針對(duì)四個(gè)IGBTQ1-Q4的狀態(tài)的該組合將反向電壓-Vp 施加給Lx線圈，這引起電流從源-Vp經(jīng)由IGBT Q3和Q2流過(guò)Lx線圈，從時(shí)間t2的Iset降低到時(shí)間t3的零。在t2和t3之間的時(shí)間間隔的長(zhǎng)度由Ix何時(shí)達(dá)到零來(lái)確定，通過(guò)不斷地將 Ix與零參考值進(jìn)行比較來(lái)在控制模塊20中檢測(cè)Ix何時(shí)達(dá)到零。當(dāng)Ix達(dá)到0時(shí)，控制模塊20在時(shí)間t3產(chǎn)生關(guān)斷IGBT Q3和接通IGBT Q4的控制信號(hào)，以便保持Lx線圈中的零電流條件。IGBT Ql保持關(guān)斷，并且IGBTQ2保持接通。如圖 5D所圖示，針對(duì)四個(gè)IGBT Q1-Q4的狀態(tài)的該組合將施加給Lx線圈的電壓降低到零并且保持在Lx線圈中的零電流條件直到下一個(gè)循環(huán)開(kāi)始時(shí)的時(shí)間t4為止。如在圖2和3中可以看到的那樣，在t2和t3之間的時(shí)間間隔的長(zhǎng)度大約與在、 和、之間的時(shí)間間隔相同，因?yàn)樵谶@兩個(gè)間隔中電流的變化是相同的，即Iset和零之間的差。在t3和t4之間的時(shí)間間隔的長(zhǎng)度由存儲(chǔ)在模塊22中的存儲(chǔ)器中的預(yù)先選擇的值Tsrt 確定，所述模塊22還包括測(cè)量在、之后經(jīng)過(guò)的時(shí)間的微處理器。當(dāng)該經(jīng)過(guò)的時(shí)間等于Tsrt 時(shí)，微處理器產(chǎn)生接通IGBT Ql和關(guān)斷IGBT Q3的控制信號(hào)以便開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。圖2中的下面的圖表示Ly線圈中的電流。一個(gè)完整循環(huán)從時(shí)間、延伸到時(shí)間t4。 在該說(shuō)明性示例中，Ly線圈的去激勵(lì)在時(shí)間、開(kāi)始，當(dāng)控制模塊20產(chǎn)生接通IGBT Q7和關(guān)斷IGBT Q8的控制信號(hào)時(shí)。根據(jù)先前的循環(huán)IGBT Q5保持關(guān)斷，并且IGBT Q6保持接通。針對(duì)四個(gè)IGBT Q5-Q8的狀態(tài)的該組合將反向電壓-Vp施加給Ly線圈，這引起經(jīng)由IGBT Q6和 Q7流過(guò)Ly線圈的電流降低。當(dāng)Ly線圈中的電流減少到零(這通過(guò)不斷地將Iy與零參考值進(jìn)行比較來(lái)在控制模塊20中檢測(cè)到)時(shí)，該控制模塊在時(shí)間、產(chǎn)生關(guān)斷IGBT Q7和接通IGBTQ8的控制信號(hào)。 IGBT Q5保持關(guān)斷，并且IGBT Q6仍然接通。針對(duì)四個(gè)IGBTQ5-Q8的狀態(tài)的該組合將施加給 Ly線圈的電壓降低到零并且保持Ly線圈中的零電流條件直到時(shí)間t2為止。在tl和t2之間的時(shí)間間隔的長(zhǎng)度由存儲(chǔ)在模塊22中的存儲(chǔ)器中的預(yù)先選擇的值 V2Tset確定，所述模塊22還包括測(cè)量在、之后經(jīng)過(guò)的時(shí)間的微處理器。當(dāng)該經(jīng)過(guò)的時(shí)間等于1/2Tset時(shí)，微處理器產(chǎn)生接通IGBT Q5和關(guān)斷IGBT Q6的控制信號(hào)。IGBT Q7保持關(guān)斷，并且IGBT Q8保持接通。針對(duì)四個(gè)IGBT Q5-Q8的狀態(tài)的該組合將電壓+Vp施加給Ly線圈， 這引起電流經(jīng)由IGBT Q5和Q8流過(guò)Ly線圈，從時(shí)間t2的零增加到時(shí)間t3的Iset。在t2和 t3之間的時(shí)間間隔的長(zhǎng)度由Iy何時(shí)達(dá)到水平Iset確定，通過(guò)不斷地將Iy與預(yù)置值Isrt進(jìn)行比較來(lái)在控制模塊20中檢測(cè)Iy何時(shí)達(dá)到水平Iset。當(dāng)Iy在時(shí)間t3達(dá)到Iset時(shí)，控制模塊產(chǎn)生關(guān)斷IGBT Q7和接通IGBT Q8的控制信號(hào)，以使得Ly線圈中的電流水平不會(huì)再進(jìn)一步增加。IGBT Q5保持關(guān)斷，并且IGBT Q6保持接通。針對(duì)四個(gè)IGBT Q5-Q8的狀態(tài)的該組合引起Ly線圈中的電流以Iset水平繼續(xù)經(jīng)由 IGBT Q6和Q8流過(guò)Ly線圈，直到時(shí)間t4為止。在t3和t4之間的時(shí)間間隔的長(zhǎng)度由存儲(chǔ)在模塊22中的存儲(chǔ)器中的預(yù)先選擇的值 Tset確定，所述模塊22還包括測(cè)量在、之后經(jīng)過(guò)的時(shí)間的微處理器。當(dāng)該經(jīng)過(guò)的時(shí)間等于 Tset時(shí)，微處理器產(chǎn)生接通IGBT Q5和關(guān)斷IGBT Q6的控制信號(hào)以便開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。圖3是供應(yīng)給電磁體10或11的其中之一的線圈的驅(qū)動(dòng)電流的一個(gè)周期的放大時(shí)序圖。供應(yīng)給兩個(gè)電磁體的驅(qū)動(dòng)電流是相同的，除了它們彼此有180°的相位差之外。每一個(gè)Lx和Ly線圈兩端的電壓V可以被表示為
1·V = iR + L—(1)
dt其中V是電磁體線圈兩端的電壓，R是電磁體線圈的等效串聯(lián)電阻，L是電磁體線圈的等效電感，以及i是電磁體線圈中的電流。由于電磁體的大的物理尺寸，與Lx線圈或Ly線圈的等效電感相比，該Lx線圈或Ly 線圈的等效串聯(lián)電阻可以被認(rèn)為是可以忽略的小。因此，等式(1)可以近似為V = L-(2)
dt用Ai代替di并且用At代替dt，且然后求出Ai，得出Ai = J- Δ 域 Δ = ^rAi(3)根據(jù)等式(3)，、和、之間的時(shí)間間隔通過(guò)經(jīng)過(guò)“線圈的電流的線性增加Ai = (Isrt-O),電壓V1^n Lx線圈的電感來(lái)確定。根據(jù)等式(3)，如果ν = 0，那么Ai =0。因此， 經(jīng)過(guò)線圈的電流不改變，只要V = 0，就保持基本上恒定值?？梢钥闯鲅h(huán)的周期通過(guò)、和t4之間的時(shí)間間隔Tsrt精確限定，而電流波形的形狀通過(guò)前饋電流控制限定，通過(guò)Iset值限定。例如，圖4示出對(duì)于Isrt和72Tsrt的電流波形的形狀。對(duì)于72Tset，時(shí)間間隔UtTt1)和(t2-t3)減小到圖2和圖3中的那些相同間隔的約1/2，而整個(gè)周期Tsrt保持相同，因?yàn)殚g隔(trt2)和(t3-t4)增加。所圖示的系統(tǒng)提供一種對(duì)稱(chēng)四相驅(qū)動(dòng)，其中每個(gè)控制元件是同等加載的，并且沒(méi)有控制元件在電學(xué)上比另一個(gè)控制元件被更多地加壓。電磁體控制的時(shí)序圖根據(jù)所需的能量水平而變化，而激勵(lì)和去激勵(lì)循環(huán)的整個(gè)頻率保持在設(shè)置的頻率水平。IGBT控制模塊20 和21實(shí)施直接前饋電流控制，其提供對(duì)供應(yīng)給電磁體的電流的快速、直接和動(dòng)態(tài)地精確控制，其接著又允許到工件的焊接能量的準(zhǔn)確遞送。對(duì)于一個(gè)IGBT的前饋控制的結(jié)構(gòu)如圖6所示。在每個(gè)階段開(kāi)始時(shí)，信號(hào)START將觸發(fā)器62的輸出設(shè)置成高電壓水平。IGBT Ql 切換成導(dǎo)電，并且Lx線圈中的電流逐步增加。當(dāng)電流達(dá)到Ifb時(shí)，比較器61重置觸發(fā)器(信號(hào)停止(STOP))，其關(guān)斷IGBT Ql0該配置允許直接在每個(gè)充電-放電周期內(nèi)設(shè)置希望的電
流值Iset。圖1的第二固定塑料部件I32通過(guò)液壓缸觀接合，通過(guò)焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制器25控制，所述焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制器25反復(fù)地從線性位置傳感器沈和壓力傳感器27采樣值。從線性位置傳感器沈的采樣的值指示塑料部件P2相對(duì)于塑料部件P1的位置。從壓力傳感器 27采樣的值指示塑料部件P1和P2之間的壓力。當(dāng)該壓力達(dá)到設(shè)置點(diǎn)時(shí)，焊接過(guò)程開(kāi)始。從壓力和線性位置傳感器采樣的值可以被驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部實(shí)時(shí)控制電路使用以便精確地監(jiān)視兩個(gè)接合部件之間的壓力，和第二工件的位置，從而控制驅(qū)動(dòng)器的位置和壓力。 內(nèi)部實(shí)時(shí)控制電路的響應(yīng)時(shí)間是非常短的(通常5 μ s到50 μ S)，因此顯著地改善焊接過(guò)程的可重復(fù)性和精確性。圖1所圖示的系統(tǒng)還包括振動(dòng)傳感器四，其可以是感應(yīng)傳感器或檢測(cè)移動(dòng)元件12 的振動(dòng)的任何其它傳感器。傳感器四的移動(dòng)部件與移動(dòng)元件12穩(wěn)固地鏈接，以使得在傳感器四的線圈中的AC EMF反映元件12的移動(dòng)的振幅和頻率。傳感器四的輸出被系統(tǒng)頻率接口模塊22采樣，該系統(tǒng)頻率接口模塊22接著又限定被傳送到控制模塊20和21的值 T
1 set°所圖示的系統(tǒng)還通過(guò)控制貫穿焊接循環(huán)施加給焊接接頭的實(shí)際功率數(shù)量來(lái)許可焊接操作的功率分布。這許可對(duì)焊接過(guò)程和焊接接頭的質(zhì)量二者的精確控制。施加給焊接接頭的功率P是供應(yīng)給線圈Lx和Ly的電壓V和電流I 二者的函數(shù)，即P = V*I。通過(guò)上述 Iset的值控制電流I，并且根據(jù)預(yù)置的分布該值可以貫穿焊接循環(huán)而改變。施加給線圈1^和 Ly的電壓通過(guò)供應(yīng)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電壓Vp的值控制，并且通過(guò)使用類(lèi)似于如圖6所示的閉環(huán)電流控制系統(tǒng)的閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)，該值也可以根據(jù)預(yù)置的分布貫穿焊接循環(huán)而改變。通過(guò)控制電流I和/或電壓V，可以精確地控制貫穿每個(gè)焊接循環(huán)的遞送到焊接接頭的功率， 以便獲得希望的功率分布?？商娲?，可以通過(guò)調(diào)整由液壓缸觀施加給工件的力來(lái)獲得希望的功率分布，從而實(shí)現(xiàn)遵循預(yù)置的功率分布所需的P = V*I的改變。焊接機(jī)的Q因數(shù)是其彈簧、線圈、層壓載體、驅(qū)動(dòng)器和實(shí)際上部工具的質(zhì)量的函數(shù)。盡管彈簧、線圈、層壓載體和驅(qū)動(dòng)器具有相當(dāng)好的可重復(fù)性和緊密度容限(由于它們是各機(jī)器之間共享的標(biāo)準(zhǔn)組件)，上部工具對(duì)要被焊接的每個(gè)部件是獨(dú)特的。因此，工具設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量可以對(duì)整個(gè)焊接機(jī)性能具有顯著的影響。振動(dòng)焊接機(jī)的Q因數(shù)的典型值在 100和160之間。該值越高指示系統(tǒng)構(gòu)建地越好，該系統(tǒng)利用較少的損耗更高效地運(yùn)行且更為可靠。在工廠測(cè)試期間測(cè)量該值并且將其存儲(chǔ)在機(jī)器控制器中。在機(jī)器老化時(shí)，監(jiān)視 Q并且將該Q與原始值相比較。其降低可以用作工具或機(jī)器退化的早期警報(bào)。對(duì)于查找故障目的這也是有價(jià)值的。使用者可以圍繞Q值設(shè)置限制來(lái)警報(bào)這樣的發(fā)生。如果使用者改變工具，則計(jì)算新Q值。一旦測(cè)試新的工具，該特征還可以用作工具質(zhì)量的定量測(cè)量。為了確定機(jī)械部件的諧振頻率，在圖1中的系統(tǒng)頻率接口模塊22使用“聲脈沖” 方法，當(dāng)系統(tǒng)頻率接口模塊22產(chǎn)生“聲脈沖”啟動(dòng)脈沖(參見(jiàn)圖7)時(shí)所述方法開(kāi)始?！奥暶}沖”啟動(dòng)脈沖使得控制模塊20和21能夠以預(yù)先選擇的初始頻率激活線圈X和Y達(dá)短的時(shí)間段(通常在50ms和200ms之間，其對(duì)應(yīng)于操作頻率的大約10到40個(gè)循環(huán))。然后控制模塊20和21被禁用。機(jī)械部件以其諧振頻率繼續(xù)阻尼振蕩，類(lèi)似于聲學(xué)音叉。通過(guò)由系統(tǒng)頻率接口模塊22采樣感應(yīng)傳感器四的輸出來(lái)測(cè)量振蕩的頻率F。s。。經(jīng)過(guò)多個(gè)循環(huán)完成對(duì)平均多個(gè)周期的測(cè)量，并且因此提供高測(cè)量精確度。然后該頻率F。s。用于下一個(gè)“聲脈沖”循環(huán)。在焊接循環(huán)之間執(zhí)行“聲脈沖”頻率測(cè)量，使得它不影響焊接機(jī)的生產(chǎn)能力。測(cè)量的諧振頻率F。s。被存儲(chǔ)在系統(tǒng)頻率接口模塊22的存儲(chǔ)器中，并且產(chǎn)生趨向報(bào)告。使用該報(bào)告來(lái)跟蹤由溫度的改變或其它因素引起的頻率波動(dòng)。此外，在每個(gè)測(cè)量之后，將新的周期 Tset計(jì)算為T(mén)set = 1/F0SC(4)并且將新的周期Tset傳送到控制模塊20和21?？梢苿?dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的Q因數(shù)被測(cè)量為Q = F0SC(tb-ta)(5)其中Q-系統(tǒng)Q (質(zhì)量)因數(shù)ta-在“聲脈沖”的信號(hào)結(jié)束之后處于最大振幅的時(shí)間(圖7)tb-當(dāng)振幅衰減一半時(shí)的時(shí)間(圖7)F。s。-測(cè)量的頻率盡管已經(jīng)圖示和描述了本發(fā)明的特定的實(shí)施例和應(yīng)用，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不局限于在此公開(kāi)的精確的構(gòu)造和組成，并且在不脫離如在所附權(quán)利要求書(shū)中限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下各種修改、改變和變化從前述描述是顯而易見(jiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)實(shí)現(xiàn)第一工件相對(duì)于第二工件的往復(fù)移動(dòng)而且將工件推進(jìn)到一起來(lái)焊接所述第一和第二工件的振動(dòng)焊接系統(tǒng)，所述振動(dòng)焊接系統(tǒng)包括第一和第二工件支架，安裝所述第一工件支架以便相對(duì)于所述第二工件支架進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)，一對(duì)電磁體，其耦合到所述第一工件支架以實(shí)現(xiàn)所述第一工件支架的往復(fù)移動(dòng)，以及電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其耦合到所述電磁體以連續(xù)地激勵(lì)和去激勵(lì)彼此有相位差的所述電磁體，從而實(shí)現(xiàn)所述第一工件支架的所述往復(fù)移動(dòng)，所述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括DC電流源，多個(gè)可控制的電子開(kāi)關(guān)裝置，其用于可控地將所述源耦合到每一個(gè)所述電磁體并且從每一個(gè)所述電磁體去耦合所述源，電流傳感器，其耦合到所述電磁體并且產(chǎn)生表示供應(yīng)給所述電磁體的電流的信號(hào)，以及控制電路，其耦合到所述電子開(kāi)關(guān)裝置并且接收由所述電流傳感器產(chǎn)生的用于將所述開(kāi)關(guān)裝置接通和關(guān)斷的信號(hào)，以便控制所述電磁體的激勵(lì)和去激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)所述第一工件支架的往復(fù)移動(dòng)。
2.權(quán)利要求1的振動(dòng)焊接系統(tǒng)，其中所述第一工件支架是具有振動(dòng)的諧振頻率的可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的一部分，將所述控制電路編程以便保持對(duì)于每一個(gè)所述電磁體的激勵(lì)和去激勵(lì)的每個(gè)連續(xù)循環(huán)的預(yù)先選擇的時(shí)間段，并且所述預(yù)先選擇的時(shí)間段對(duì)應(yīng)于所述可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的所述諧振頻率。
3.權(quán)利要求1的振動(dòng)焊接系統(tǒng)，其中所述控制電路被配置為將由所述電流傳感器產(chǎn)生的所述信號(hào)與預(yù)置電流水平相比較且控制供應(yīng)給所述電磁體的電流，并且由此控制供應(yīng)給所述電磁體和由此供應(yīng)給所述工件的能量的數(shù)量。
4.權(quán)利要求3的振動(dòng)焊接系統(tǒng)，其中所述控制電路被配置為增加供應(yīng)給每個(gè)電磁體的電流，直到檢測(cè)到預(yù)置電流水平Isrt為止。
5.權(quán)利要求3的振動(dòng)焊接系統(tǒng)，其中在焊接循環(huán)期間調(diào)整所述預(yù)置的電流水平以調(diào)整供應(yīng)給所述電磁體和由此供應(yīng)給所述工件的能量的數(shù)量，以便遵循針對(duì)在所述焊接循環(huán)期間遞送給所述工件的能量的數(shù)量的預(yù)置功率分布。
6.權(quán)利要求5的振動(dòng)焊接系統(tǒng)，其中控制在焊接循環(huán)期間所述電磁體兩端的電壓，以調(diào)整供應(yīng)給所述電磁體和由此供應(yīng)給所述工件的能量的數(shù)量，以便遵循針對(duì)在所述焊接循環(huán)期間遞送給所述工件的能量的數(shù)量的預(yù)置功率分布。
7.權(quán)利要求5的振動(dòng)焊接系統(tǒng)，其中在焊接循環(huán)期間控制供應(yīng)給所述電磁體的電流I 和電壓V，以便利用遵循針對(duì)在所述焊接循環(huán)期間遞送給所述工件的功率P的數(shù)量的預(yù)置分布的功率P = ν*Ι來(lái)供應(yīng)所述工件。
8.權(quán)利要求1的振動(dòng)焊接系統(tǒng)，其包括用于監(jiān)視在所述第一和第二工件之間的壓力和所述第二工件的線性位置的傳感器。
9.權(quán)利要求1的振動(dòng)焊接系統(tǒng)，其包括將所述兩個(gè)工件推進(jìn)到一起的液壓缸，檢測(cè)在所述工件之間的壓力的壓力傳感器，并且響應(yīng)于所述壓力傳感器對(duì)預(yù)先選擇的壓力的檢測(cè)而弓I發(fā)所述液壓缸開(kāi)始的移動(dòng)。
10.權(quán)利要求1的振動(dòng)焊接系統(tǒng)，其包括振動(dòng)傳感器，所述振動(dòng)傳感器檢測(cè)振動(dòng)焊接系統(tǒng)的機(jī)械部的振動(dòng)并且產(chǎn)生在測(cè)量所述機(jī)械部的諧振頻率中使用的輸出信號(hào)，并且所述控制電路適于確定所述可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的Q，以及其中所述控制電路適于保持對(duì)于每一個(gè)所述電磁體的激勵(lì)和去激勵(lì)的每個(gè)連續(xù)循環(huán)的預(yù)先選擇的時(shí)間段，所述預(yù)先選擇的時(shí)間段對(duì)應(yīng)于所述可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的所述諧振頻率。
11.用于通過(guò)實(shí)現(xiàn)第一工件相對(duì)于第二工件的往復(fù)移動(dòng)而且將工件推進(jìn)到一起來(lái)焊接所述第一和第二工件的振動(dòng)焊接方法，所述方法包括安裝第一工件支架以便相對(duì)于第二工件支架進(jìn)行往復(fù)移動(dòng)，利用耦合到所述第一工件支架的一對(duì)電磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)所述第一工件支架的往復(fù)移動(dòng)，以及連續(xù)地激勵(lì)和去激勵(lì)彼此有相位差的所述電磁體以便通過(guò)下述內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)所述第一工件支架的所述往復(fù)移動(dòng)可控地將DC電流源耦合到每一個(gè)所述電磁體并且從每一個(gè)所述電磁體去耦合所述源，產(chǎn)生表示供應(yīng)給所述電磁體的電流的信號(hào)，以及使用表示所述電流的所述信號(hào)來(lái)控制所述電磁體的激勵(lì)和去激勵(lì)以便實(shí)現(xiàn)所述第一工件支架的往復(fù)移動(dòng)。
12.權(quán)利要求11的振動(dòng)焊接方法，其中所述第一工件支架是具有振動(dòng)的諧振頻率的可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的一部分，并且保持對(duì)于激勵(lì)和去激勵(lì)每一個(gè)所述電磁體的每個(gè)連續(xù)循環(huán)的預(yù)先選擇的時(shí)間段，所述預(yù)先選擇的時(shí)間段對(duì)應(yīng)于所述可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的所述諧振頻率。
13.權(quán)利要求11的振動(dòng)焊接方法，其中所述第一工件支架是具有振動(dòng)的諧振頻率的可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的一部分，并且其包括確定所述可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的Q。
14.權(quán)利要求13的振動(dòng)焊接方法，其包括將所述可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的所述Q與設(shè)置的限制相比較，以便評(píng)估所述可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)或查找所述可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的故障。
15.權(quán)利要求13的振動(dòng)焊接方法，其中通過(guò)利用振蕩信號(hào)使所述可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)發(fā)出聲脈沖和然后測(cè)量在所述振蕩信號(hào)的終止之后的聲音下降的期間所述系統(tǒng)的頻率以及在所述振蕩信號(hào)的終止和當(dāng)所述聲音下降的振幅降低到其初始值的一半時(shí)的時(shí)間之間的時(shí)間段，來(lái)確定所述可移動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)的所述Q。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種振動(dòng)焊接系統(tǒng)。一種振動(dòng)焊接系統(tǒng)具有耦合到第一工件支架以便實(shí)現(xiàn)第一工件支架相對(duì)于第二工件的往復(fù)移動(dòng)的一對(duì)電磁體，和耦合到電磁體以便連續(xù)地激勵(lì)和去激勵(lì)彼此有相位差的電磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)第一工件支架的往復(fù)移動(dòng)的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括DC電流源；多個(gè)可控制的電子開(kāi)關(guān)裝置，其用于可控地將所述源耦合到每一個(gè)所述電磁體并且從每一個(gè)所述電磁體去耦合所述源；電流傳感器，其耦合到所述電磁體并且產(chǎn)生表示供應(yīng)給所述電磁體的電流的信號(hào)；以及控制電路，其耦合到所述電子開(kāi)關(guān)裝置并且接收由所述電流傳感器產(chǎn)生的用于將所述開(kāi)關(guān)裝置接通和關(guān)斷的信號(hào)，以便控制所述電磁體的激勵(lì)和去激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)所述第一工件支架的往復(fù)移動(dòng)。
文檔編號(hào)B29C65/06GK102336020SQ20111025362
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月14日
發(fā)明者E·帕拉特尼克, L·克林斯坦 申請(qǐng)人:杜凱恩公司