專利名稱：主動控制振動的焊接系統(tǒng)和方法
技術領域：
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(tǒng)。
背景技術：
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(chǎn)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(tǒng)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(jīng)校準的頻率振動。砧座體部成為振動焊接頭的反作用表面。
發(fā)明內(nèi)容
一種主動控制振動的焊接系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)生。這些不希望的振動可降低焊接的質量。典型的焊接系統(tǒng)設計方式未能恰當?shù)乜紤]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(tǒng)的柔度本質在內(nèi)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(tǒng)因此意圖經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)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?；钚圆牧显谑纠苑窍拗茖嵤├锌蔀閴弘姱B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(jīng)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(chǎn)生指令經(jīng)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(jīng)由該活性材料元件響應于第二輸入信號在砧座組件內(nèi)產(chǎn)生經(jīng)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，本發(fā)明的上述特征和優(yōu)勢以及其他特征和優(yōu)勢從下文中用于實施本發(fā)明的最佳模式的詳盡描述中是顯而易見的。
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(tǒng)的示意圖，該活性材料元件被以顯著地消除系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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，而不背離意圖的發(fā)明范圍。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(tǒng)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(jīng)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(fā)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(tǒng)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(fā)生，即，施加至試樣壓電材料的電壓輸入產(chǎn)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(lián)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(fā)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(tǒng)10內(nèi)傳播至焊接位置。這可由于系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)10的構造而變動。例如，如果使用橫向(z方向)焊接以形成焊接件，沿橫向z方向的振動可視作希望的振動,而沿縱向X方向、旋轉Θ方向、和/或其他方向的振動可視作不希望的振動，例如，從圖1的角度觀察的深度或y方向的振動。出于示例的一致性 ，縱向/垂直X方向可在下文中被當做希望的振動方向，但本發(fā)明的范圍不限于該方向。此外，盡管圖1中示意地示出X方向為在附圖中向上取向，正的X方向可在其他實施例中向下，而不背離意圖的發(fā)明范圍。不論指定的希望的方向如何，沿任意其他方向的不希望的振動可能會影響在示例性工件22中形成的焊接部的質量。因此，本系統(tǒng)10以一方式設計，以主動地控制砧座組件12中發(fā)生的不希望的振動的水平，特別是使用關于活性材料元件140的前饋控制方式或閉環(huán)反饋控制方式。圖1中的砧座組件12包括砧座體部14和后板16。作為整體，砧座組件12提供金屬的相對靜態(tài)質量，其足以在振動焊接工藝的執(zhí)行中對抗焊接頭24。焊接頭24可包括面對待焊接的工件22的焊接墊23。焊接墊23可包括諸如凸起的凸塊或脊部的滾花圖案。焊接墊23是在焊接工藝中實際和工件22直接接觸的焊接頭24的結構。砧座體部14可類似地具有相似的砧座墊25。墊23和25 —起促進工件22的牢固夾持。為了恰當?shù)仳寗雍涂刂瞥暫附庸に?，可使用焊接電?0以將可用的源功率轉換成振動焊接可用的形式。電源30可因此包括產(chǎn)生高頻電信號所需要的任何必需的電壓整流器、轉換器、和逆變器。振動焊接工藝中通常使用的類型的電源(諸如圖1的示例性電源30)可被電連接至任意合適的能量源，例如，50-60HZ的壁上插座。電源30可包括一個或多個焊接控制器33，該一個或多個焊接控制器33可如所示為電源的一部分，或作為分立的裝置?？刂破?一個或多個)33和電源30通過一組電導體11和焊接頭24，且如下文所述，和砧座組件12電連通。電源30和焊接控制器33最終將源功率轉換成合適的功率控制信號，所述合適的功率控制信號具有適于在振動焊接工藝中使用的預定的波形特質(一個或多個)，例如，取決于特定的應用具有從幾赫茲(Hz)至約40kHz的頻率，或高得多的頻率。附加的焊接設備可包括放大器(booster) 28。壓電疊片40響應于通過導體11傳輸?shù)牡谝惠斎胄盘?箭頭31)產(chǎn)生希望的機械振動(例如，沿X方向)。放大器28將第一輸入信號(箭頭31)的振動放大至需要的程度。仍然參照圖1，活性材料元件140關于(即位于其結構上某處或結構內(nèi))砧座組件12定位。在一個實施例中，該位置可位于砧座體部14和后板16之間，但活性材料元件140可定位在其他地方，例如位于后板16和支架部件60之間?；钚圆牧显?40布置為經(jīng)由一組導體11與電源30以及控制器33電連通。第二輸入信號(箭頭131)由電源30和/或控制器33通過導體11傳輸，以激活活性材料元件140。第二輸入信號(箭頭131)可配置為產(chǎn)生希望的力(例如形式為位移/應變),其可通過活性材料元件140的激活而放大成為砧座體部14中的振動。例如，由活性材料元件140產(chǎn)生的位移或應變響應可相對于焊接頭24的任何不希望的振動的振幅和相位基本振幅和相位協(xié)調(diào)(amplitude-and phase-coordinated),如示例性輸出波形17所示。或者，活性材料元件140可提供非線性顫動響應(non-linear dither response),所述非線性顫動響應提供對站座體部14的相對高頻的激勵(即，顫動信號(dither signal))。如本領域中理解的，頻率控制下的系統(tǒng)的響應由引入的顫動信號的波形特質決定。在圖1中示例性輸出波形15關于時間(t)示出，其中該波形具有振幅(A)。該周期性波形代表沿不希望的方向的一個可能的不希望的波形。盡管以典型的周期性信號示出，該波形15并不受限于此。示例性輸出波形17關于砧座組件12示出，其代表由信號(箭頭)131至活性材料元件140的輸入所造成的輸出波形。如所示，具有振幅(A)的波形17是周期性的且基本上關于波形15振幅協(xié)調(diào)且頻率協(xié)調(diào)，但相對于波形15相位偏移開Φ度，以基本上消除波形15。在其他實施例中，輸出波形可為顫動波形，其具有非周期性信號、在振幅上交替地增加和降低的信號、間斷信號、尖峰信號等。在一個實施例中，焊接頭24在墊23處的不希望的振動可離線地確定為校準值，且記錄在控制器33的存儲器中。如果系統(tǒng)10被用于焊接不同的工件22，可產(chǎn)生不同的振動特質，且由此考慮每一個不同的振動特質，不同的振動值可被記錄。一旦記錄后，控制器33可使用前饋控制方式以顯著地衰減或減弱不希望的振動。即，在已知諸如頻率/波長和振幅的激勵的信息時，可經(jīng)由活性材料元件140通過前饋需要的響應而實現(xiàn)激勵的基本完整的消除。在另一實施例中，可由控制器使用振動傳感器35進行經(jīng)典的反饋控制。傳感器35可關于砧座體部14定位，以測量反饋信號(箭頭36)并將其傳輸至控制器33。因此，控制器33可實時地按需變動或調(diào)整第二輸入信號(箭頭131)，以使得活性材料元件140以需要的消除響應振動。傳感器35可由多功能材料構造成。如本領域中已知的，這樣的材料可包括一些金屬和其他材料，例如具有復雜結構的非晶態(tài)合金、或從非晶態(tài)合金開發(fā)的塊狀金屬玻璃、多組分金屬間化合物、準晶、氧化物、陶瓷、納米結構受控金屬、半導體、太陽能電池用晶體、生物材料、有機材料、儲氫合金、和成形晶體(shaped crystal)等。傳感器35可替換地配置為壓電傳感器或其他“智能材料”傳感器，該傳感器用作能夠測量振動及將輸入信號賦予控制器兩者的雙用途換能器。因此，在另一實施例中，傳感器35和活性材料元件140可為相同的裝置，即，用作傳感器和促動器兩者。參見圖2，示出了示例性方法100，所述方法100用于主動地控制焊接砧座組件的振動，例如圖1的示例性組件12，以由此優(yōu)化諸如同一圖中的示例性工件22那樣的被振動焊接的工件的焊接質量。從步驟102開始，焊接頭24被提供。步驟102可包括將圖1的壓電疊片40關于焊接頭24定位，且使得放大器28和控制器33電連通(例如經(jīng)由示出的電導體11的組)。在步驟104處，活性材料元件140關于圖1中的砧座組件12定位。例如，活性材料元件140可如所示定位在砧座體部14和后板16之間，或位于后板16和支架部件60之間，或靠近墊25。步驟104可包括將砧座體部14和后板15螺栓固定至支架部件60，以將活性材料元件140保持或夾在站座組件12中。在步驟106處，施加第一輸入信號(箭頭31)。該值被校準過，以使得焊接頭24以足以結合工件(例如圖1的示例性工件22)的表面的經(jīng)校準的頻率振動。步驟106可包括從存儲器中選擇第一輸入信號(箭頭31)的需要的振幅和頻率，并將第一輸入信號(箭頭31)傳輸至第一壓電疊片40，以使得壓電疊片40振動焊接頭24。在步驟108中，控制器33施加第二輸入信號(箭頭131)至活性材料元件140，以在砧座體部14處產(chǎn)生希望的阻尼響應。例如，輸入信號(箭頭131)可使得砧座體部14關于在焊接頭24處(特別是靠近墊23處)發(fā)生的不希望的振動響應以相位偏移以及基本振幅和頻率一致的方式振動。例如，由波形15表示的周期性振動可沿z和Θ方向中的一個或兩者發(fā)生，其中步驟108包括具有180°的相位偏移的示例性波形17的施加，以在焊接位置處基本上消除波形15。實際的相位偏移將取決于測得的不希望的振動的周期性或其他波形特質而變動。替換地，步驟108將包括產(chǎn)生顫動信號以提供對響應的控制，如本領域中已知的且在上文中已描述的。作為結果，砧座體部14和/或焊接頭24將不以上述的不希望的振動來振動工件22。在工件22上產(chǎn)生的焊點被以該方式優(yōu)化。盡管已經(jīng)對用于實施本發(fā)明的最佳模式進行了詳盡的描述，對本發(fā)明所涉及的領域熟悉的技術人員將辨識出在所附的權利要求內(nèi)用于實施本發(fā)明的各種可替換設計和實施例。交叉引用該申請要求2011年9月30日申請的美國臨時專利申請No. 61/541，324的權益，其被通過引用的方式全文合并于此。 相關權益本發(fā)明在DE-EE0002217, Department of Energy Recovery and ReinvestmentAct of2009/Battery Pack Manufacturing B511.協(xié)議/項目下由美國支持完成。美國政府可能在本發(fā)明中具有一定的權利。
權利要求
1.一種振動焊接系統(tǒng)，包括 控制器，其選擇性地產(chǎn)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(jīng)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(tǒng),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(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)，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。
6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述經(jīng)校準的輸出是正弦位移和正弦應變中的一種。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括關于所述砧座組件定位的傳感器，該傳感器和所述控制器電連通，其中 所述傳感器配置為測量所述砧座組件沿第二方向的振動；和 所述控制器配置為依據(jù)測量到的振動來調(diào)節(jié)第二輸入信號。
8.如權利要求1所述的致動器，其中所述第二輸入信號是非線性顫動信號。
9.一種方法，包括 將活性材料元件關于焊接砧座組件定位； 將所述砧座組件連接至支架部件； 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； 將第二輸入信號從所述控制器傳輸至所述活性材料元件；和 響應于所述第二輸入信號經(jīng)由所述活性材料元件在所述砧座組件內(nèi)產(chǎn)生經(jīng)校準的輸出，以沿不同于第一方向的第二方向主動控制所述砧座組件的振動。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述砧座組件包括砧座體部和后板，且其中將所述活性材料元件關于所述焊接站座組件定位包括將所述活性材料元件定位在所述站座體部和所述后板之間。
全文摘要
一種焊接系統(tǒng)，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(jīng)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(tǒng)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。
文檔編號B23K20/10GK103028835SQ20121037120
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權日2011年9月30日
發(fā)明者W.W.蔡, B.康, C-A.譚 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司