主動控制振動的焊接系統和方法技術方案

一種焊接系統，包括控制器、焊接頭、活性材料元件、和砧座組件。該組件可包括連接至后板和支架部件的砧座體部。諸如壓電疊片或形狀記憶合金的該元件被關于所述組件布置。焊接頭沿希望的第一方向振動，以在工件上形成焊接部。該元件通過沿第二方向將經校準的響應施加至砧座體部而控制任何沿第二方向的振動。一種控制系統中的不希望的振動的方法，包括將元件關于砧座組件布置、將砧座體部通過后板連接至支架部件、將焊接頭沿希望的第一方向振動、且將輸入信號傳輸至元件以控制沿不希望的第二方向的振動。

【技術實現步驟摘要】

本公開涉及使用主動控制阻尼技術以改進焊接質量的超聲焊接系統。
技術介紹
在超聲焊接工藝中，被夾住的工件的鄰近表面被施加至工件的振動能量結合在一起。振動能量的傳輸沿工件的界面表面產生表面摩擦力和熱量。該熱量軟化界面表面的材料，該材料最終將表面邦定在一起，并由此形成焊接結合部或焊點。典型的超聲焊接系統包括不同的互連的焊接工具。這些工具主要由振動超聲焊極(sonotrode)/焊接頭(horn)以及站座組件。該站座組件可包括站座體部和剛性后板,后者被螺栓固定至諸如框架、梁或機器人的支架部件。工件被夾在焊接頭和砧座體部之間。焊接頭響應于輸入信號以經校準的頻率振動。砧座體部成為振動焊接頭的反作用表面。
技術實現思路
一種主動控制振動的焊接系統包括振動焊頭/焊接頭和砧座組件。砧座組件包括砧座體部和后板。砧座體部和后板被附連至支架部件。該系統還在砧座組件中采用了活性材料元件，諸如壓電疊片、形狀記憶合金(SMA)裝置等。該活性材料元件被布置且控制為顯著地衰減、減弱或以其他方式消除“不希望的”焊接頭的振動，即，沿和焊接頭意圖振動以在工件中形成焊接部的方向不同的方向的振動。砧座體部被使用活性材料元件的主動式前饋和/或反饋控制保持為相對于振動焊接頭盡可能地靜止。此處應了解不希望的振動可在任何意圖/希望的振動(例如沿縱向(X)方向的振動)之外沿此處描述的橫向(Z)和旋轉(Θ )方向或沿任何其他的方向在焊接頭的焊接墊處發生。這些不希望的振動可降低焊接的質量。典型的焊接系統設計方式未能恰當地考慮入這樣的不希望的振動，該振動可由于包括焊接頭的不平衡或不完美的設計性質以及焊接系統的柔度本質在內的多個因素而存在。例如，用于將后板和砧座體部固定至支架結構的螺栓可向位于砧座體部、后板、和支架結構之間的各個連接部添加撓性，且由此對不希望的振動有所貢獻。本系統因此意圖經由位于組件的砧座側上的活性材料的主動控制而改善這些不希望的振動的效果。特別地，本超聲焊接系統包括焊接控制器、焊接頭、和砧座組件，該砧座組件包括連接至支架部件的后板和砧座體部。該系統還包括相對于砧座組件布置的活性材料元件，例如位于砧座體部和后板之間。活性材料元件在示例性非限制實施例中可為壓電疊片或形狀記憶合金(SMA)裝置。另一壓電疊片可位于焊接頭的輸入側上。該額外的疊片可配置為使得焊接頭響應于來自控制器的輸入信號以經校準的頻率振動?；钚圆牧显€和控制器連通，或在可替換實施例中和分立的控制器連通。出于示例的方便，將在下文中描述單獨的控制器。 可作為焊接電源的整體部分或分立裝置的控制器被配置為產生指令經校準的頻率的第一輸入信號，且將該第一輸入信號傳輸至轉換器(諸如壓電疊片)，以使得焊接頭振動。盡管焊接頭的大部分振動沿希望的方向(例如沿下文中所述的垂直的X方向)，一些不希望的振動仍將沿諸如橫向z、旋轉Θ、和深度Y方向這樣的其他方向產生。本控制器因此被提供有關于這些不希望的振動的信息，其在兩個可能的實施例中是離線確定的校準值或經由實時感知和反饋確定的校準值。在第一實施例中，控制器通過將第二輸入信號傳輸至砧座體部的活性材料元件使用前饋控制。第二輸入信號可使得關于不希望的振動在砧座體部處的振動中產生預定的相位偏移或其他響應，并由此顯著衰減、減弱或消除不希望的振動。在第二實施例中，傳感器可關于砧座組件布置，例如靠近砧座墊，且用于測量且由此量化不希望的振動的特質。傳感器可被可選地布置為能夠測量振動且將輸出信號賦予控制器兩者的雙用途換能器。多種多功能材料存在，其能實施該雙用途功能，且由此作為閉合反饋回路中的主動反饋傳感器。諸如壓電致動器或壓電傳感器的“智能”/活性材料是一種可能性。下文中描述了其他的可能性。方法包括將活性材料元件關于焊接砧座組件布置、將砧座組件連接至支架部件、并將第一輸入信號從控制器傳輸至轉換器并由此沿第一方向振動焊接頭，且由此在工件上形成焊接部。該方法還包括將第二輸入信號從控制器傳輸至活性材料元件，并繼而經由該活性材料元件響應于第二輸入信號在砧座組件內產生經校準的輸出，以沿第二方向主動地控制砧座組件的振動。當結合附圖時，本專利技術的上述特征和優勢以及其他特征和優勢從下文中用于實施本專利技術的最佳模式的詳盡描述中是顯而易見的。附圖說明圖1是包括具有活性材料元件的砧座體部的示例性超聲焊接系統的示意圖，該活性材料元件被以顯著地消除系統內的不希望的砧座振動的方式主動地控制。圖2是示出了在圖1中示出的系統中使用活性材料元件主動地控制不希望的砧座振動用于砧座阻尼的方法的流程圖。具體實施例方式參照附圖，其中相同的附圖標記指向相同的構件，超聲焊接系統10示出在圖1中，其包括振動超聲焊極(sonotrode)/焊接頭24和砧座組件12。系統10配置為使用超聲振動能量形成振動焊接頭，該工藝在本領域中是已知的。盡管在下文中出于示例的一致性使用術語“超聲”指代，本領域技術人員將理解也可使用其他的振動頻率范圍，而不背離意圖的專利技術范圍。更寬范圍的可用頻率范圍的使用可被總體地稱作振動焊接。如在下文中將描述的，圖1中的系統10配置為主動地控制活性材料元件140，以由此在超聲焊接工藝中經由焊接砧座組件12控制，S卩，顯著地衰減、減少或消除任意“不希望的”振動，即，在被施加以形成焊接件的振動的意圖或“希望的”方向之外的任 意其他方向上發生的振動。這通過活性材料元件140的位移和控制完成，該活性材料元件140諸如壓電疊片、形狀記憶合金(SMA)裝置、或關于砧座組件12的其他智能材料促動器?？赏ㄟ^壓電疊片40或其他振動能量輸入裝置使得焊接頭24振動。如本領域中理解的，壓電材料是將能量在機械和電領域之間轉換的電機材料。壓電材料傳統地為晶體結構或陶瓷，其響應于機械應力生成輸出電壓信號。該效應也以相反的方式發生，即，施加至試樣壓電材料的電壓輸入產生機械位移或應變。例如，給定的壓電材料的激活可導致壓電陶瓷的約O. 1%的尺寸變化和壓電聚合物材料的約1%的尺寸變化。如果被構造成壓電疊片，活性材料元件140可因此由多層諸如薄壓電陶瓷或壓電聚合物構成，其中每一層都關于其他層電并聯連接。當諸如圖1中示出的輸入信號(箭頭131)被施加時，可使得活性材料元件140振動。相反地，SMA為熱機械材料，其將能量在機械和熱領域之間轉換。壓電材料的示例包括壓電陶瓷、錯鈦酸鉛(PZT)、聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)等。SMA示例包括鎳鈦諾、銅-鋅-招-鎳、銅-鋁-鎳、鐵-錳-硅、和鎳-鈦合金。為了振動控制將SMA作為活性材料元件140的應用可利用在焊接工藝中發生的熱量散失，例如實時熱能收獲，或可由作為第二輸入信號(箭頭131)的熱量的直接應用激活。SMA材料性質也可響應于電磁場的應用而變化，且由此第二輸入信號(箭頭131)可包括施加的場。在關于給定工件22的焊接接頭/焊點的形成中，不希望的振動可在系統10內傳播至焊接位置。這可由于系統10的柔性(compliance)、幾何構造和材料(包括站座組件12的支架部件60、砧座體部14和后板16之間的連接部的剛性性質)而發生。支架部件60可為金屬框架、梁、機器人、或其他支架結構。任意希望的振動的方向可取決于系統10的構造而變動。例如，如果使用橫向(z方向)焊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種振動焊接系統，包括:控制器，其選擇性地產生第一輸入信號和第二輸入信號；焊接頭，與控制器電連通，其中該焊接頭配置為響應于第一輸入信號沿第一方向振動，以由此關于工件形成焊接部；砧座組件，安裝至支架部件；和活性材料元件，關于所述砧座組件定位，其中該活性材料元件配置為響應于第二輸入信號施加經校準的輸出至所述砧座組件，以由此沿不同于第一方向的第二方向主動地控制所述焊接頭的振動。

【技術特征摘要】
2011.09.30 US 61/541,324;2012.03.01 US 13/409,4941.一種振動焊接系統，包括 控制器，其選擇性地產生第一輸入信號和第二輸入信號； 焊接頭，與控制器電連通，其中該焊接頭配置為響應于第一輸入信號沿第一方向振動，以由此關于工件形成焊接部； 砧座組件，安裝至支架部件；和 活性材料元件，關于所述砧座組件定位，其中該活性材料元件配置為響應于第二輸入信號施加經校準的輸出至所述砧座組件，以由此沿不同于第一方向的第二方向主動地控制所述焊接頭的振動。2.如權利要求1所述的系統,其中所述砧座組件包括砧座體部和后板。3.如權利要求2所述的系統，其中所述活性材料元件是壓電疊片和形狀記憶合金中的一種。4.如權利要求3所述的系統，其中所述活性材料元件定位在所述砧座體部和所述后板之間。5.如權利要求1所述的系統，其中所述活性材料元件是由多個壓電聚合物片構成的壓電置片。...

【專利技術屬性】
技術研發人員：WW蔡，B康，CA譚，
申請(專利權)人：通用汽車環球科技運作有限責任公司，
類型：發明
國別省市：