通過監控振動體的共振頻率確定振動體和固定點之間間隙的方法和系統的製作方法

2023-10-09 22:41:04

專利名稱：通過監控振動體的共振頻率確定振動體和固定點之間間隙的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於確定振動體和固定點之間間隙的方法和系統，更具體地，涉及基于振動體的共振頻率得出這樣一種測定的方法和系統。
背景技術：
在超聲焊接中(有時稱作「聲學焊接」或者「聲波焊接」)，待連接的兩個部件(典型地是熱塑部件)被接近被稱作超聲「喇叭」的器械放置，該超聲喇叭用於提供振動能量。這些部件(或者「工件」)被限制在喇叭和砧臺之間。喇叭時常定位在工件和砧臺的垂直上方。該喇叭典型地以20,000Hz到40,000Hz振動，典型地以摩擦熱的形式，在壓力下，將能量傳遞到部件。由於摩擦熱和壓力，至少其中一個部件的一部分變軟或者融化，從而接合這些部件。
在焊接過程期間，交流(AC)信號提供到喇叭組上，該喇叭組包括轉換器、調壓器和喇叭。該轉換器(也稱作「變換器」)接收AC信號，並通過以與AC信號相等的頻率壓縮和擴張來進行響應。因此，聲波穿過轉換器到調壓器。當聲波波前傳播通過調壓器時，它被放大，並由喇叭接收。最後，波前傳播通過喇叭，並被給予到工件上，從而將它們焊接在一起，如前所述。
另一種類型的超聲焊接是「連續超聲焊接」。這種類型的超聲焊接典型地用於密封纖維和薄膜，或者其它「網」工件，其可以以一種通常連續的方式通過焊接設備供給。在連續焊接中，超聲喇叭典型地是固定的，並且待焊接的部件在它下面移動。一種類型的連續超聲焊接利用一個轉動固定的棒喇叭和轉動砧臺。該工件被供給在棒喇叭和砧臺之間。喇叭典型地縱向向工件延伸，並且振動沿著喇叭軸向傳送到工件中。在另一個類型的連續超聲焊接中，該喇叭是轉動式，該喇叭是圓柱形，並且圍繞縱向軸轉動。輸入振動是在喇叭的軸向上，輸出振動是在喇叭的徑向上。該喇叭靠近砧臺放置，其典型地也能夠轉動，以致要焊接的工件以線性速度通過圓柱表面之間，該速度基本上等於圓柱表面的切向速度。這種類型的超聲焊接系統描述在美國專利申請No.5,976,316中，其通過參考全部包括在這裡。
在每個上述超聲焊接技術中，待接合的工件在焊接過程期間被布置在喇叭和砧臺之間。一種焊接的方式是通過固定喇叭和砧臺之間的間隙。喇叭和砧臺之間的間隙在工件正在被接合時產生了保持工件在適當位置的固定力。為了產生均勻、可靠的焊接操作，所希望的是保持在喇叭和砧臺之間的固定間隙。
在操作期間，喇叭組的一個或多個部件，包括喇叭本身，通常經歷溫度上升。因此，喇叭組通常經歷了熱膨脹，隨著喇叭組膨脹，喇叭和砧臺之間的間隙減小-這是不利於前述產生均勻、可靠焊接操作目的的結果。
如前面所建議的，當前現有的超聲焊接方案展現了一個缺點，由於喇叭組和砧臺之間的間隙在後續焊接操作期間漸漸變窄。

發明內容
根據這個背景，發展了本發明。根據一個實施例，一種用於監控振動體和基準之間的間隙的方法，其中振動體的一部分通過剛性安裝系統固定在距離基準給定距離，包括接收振動體的共振頻率。基於共振頻率，確定與間隙長度的大致改變保持已知關係的量。
根據另一個實施例，一種用於施加超聲能量到工件的系統，包括喇叭組和安裝系統，喇叭組安裝在安裝系統上。能量源耦合到喇叭組。該系統還包括具有用於支持工件的表面的砧臺。控制器被配置成接收喇叭組的共振頻率，並且確定與喇叭組和砧臺之間的間隙的改變保持已知關係的量。
根據又一個其它實施例，一種用於施加超聲能量到工件的系統，包括喇叭組和安裝系統，喇叭組安裝在安裝系統上。系統還包括耦合到喇叭組的能量源以及具有用於支持工件的表面的砧臺。該系統還包括用於確定與喇叭組和砧臺之間的間隙的改變保持已知關係的量的裝置。


圖1描繪了耦合到能量源的簡單超聲焊接喇叭組的實施例。
圖2描繪了耦合到圖1的超聲焊接喇叭組的安裝系統的實施例。
圖3描繪了用於確定喇叭和砧臺之間的間隙長度的系統的實施例。
圖4A描繪了可以用作間隙確定部件的部分的表的示例性實施例。
圖4B描繪了確定間隙長度方法的示例性實施例。
圖5A描繪了用在連續超聲焊接操作中的簡單轉動超聲焊接喇叭的實施例。
圖5B描繪了確定間隙長度的方法的示例性實施例。
圖6描繪了用於保持焊接喇叭和砧臺之間基本不變的間隙的系統的示例性實施例。
圖7描繪了用於調節超聲焊接系統中喇叭和砧臺之間間隙的系統的示例性實施例。
圖8A描繪了用於保持超聲焊接系統中喇叭和砧臺之間的基本不變間隙的系統的示例性實施例。
圖8B描繪了用於保持超聲焊接系統中喇叭和砧臺之間的基本不變間隙的系統的另一示例性實施例。
圖9A描繪了力確定部件的示例性實施例。
圖9B描繪了力確定部件的示例性實施例。
圖10描繪了一個用於調節超聲焊接系統中喇叭和砧臺之間間隙的系統的示例性實施例。
圖11A描繪了由沿著喇叭的縱向軸傳播的聲信號驅動的喇叭的表面。
圖11B描繪了由比圖11A中聲信號幅度更小的沿著喇叭的縱向軸傳播的聲信號驅動的喇叭的表面。
圖12A描繪了用於控制喇叭和砧臺之間的間隙的系統的示例性實施例。
圖12B描繪了用於控制喇叭和砧臺之間的間隙的系統的另一個示例性實施例。
圖13描繪了用於結合調節器和幅值確定模塊的操作的方法的示例性實施例。
圖14描繪了用於結合調節器和幅值確定模塊的操作的方法的另一示例性實施例。
具體實施例方式
參考附圖描述本發明的各個實施例，其中，在多個視圖中相同參考數字都代表相同的部件和組件。對各個實施例的參考不限制本發明的範圍，本發明的範圍僅由這裡附加的權利要求的範圍限定。此外，任何在該說明書中闡述的實施例均不是傾向於限制，而是僅闡述了對於要求保護的發明的許多可能實施例中的一些。
圖1描繪了簡單的喇叭組100的實例，該喇叭組耦合到AC電能源102。如從圖1中可見，喇叭組100包括轉換器104、調壓器106以及超聲焊接喇叭108。在操作期間，AC源施加電能到轉換器104，其通過以與AC信號相等的頻率壓縮和擴張來進行響應。因此，聲波通過轉換器104傳送到調壓器106。當聲波波前傳播通過調壓器106時，它被放大，並且由焊接喇叭108接收。(在一些實施例中，喇叭108被設計成獲得增益，消除對於調壓器106的需要)。最後，波前傳播通過喇叭108，於是，它被給予到定位在焊接喇叭108和砧臺110之間的工件(圖1中未示出)。喇叭組的其它實例在現有技術中是公知的，並且利用下面系統、方案和方法來起作用。
喇叭108與砧臺110分隔圖1中以「間隙」標記的距離。給予摩擦能量到工件的過程引起了喇叭組100的各個元件溫度上升。當喇叭組100的元件溫度上升時，它們展現出了熱膨脹，意味著喇叭108和砧臺110之間的間隔很可能在尺寸上改變，這取決於喇叭組100安裝的特定方式。
圖2描繪了對於圖1的喇叭組100的簡化示例性安裝方案。安裝方案利用了剛性的、通常分成三部分的框架200。該框架200包括第一部分202，在該部分上安裝有砧臺110，以及第二部分206，第二部分與喇叭組100上的節點鄰接。例如，框架的第二部分206在圖2中描繪為與調壓器106的中點208耦合。框架200的第三部分204在第一和第二部分202和206之間延伸。
安裝系統200保持砧臺110的工件支持表面210和喇叭組100的一部分之間的基本固定距離。在這種情況下，安裝系統200保持了砧臺110的上表面210和調壓器106的中點/節點208之間的基本固定距離。因此，在操作期間喇叭組100應該膨脹，喇叭組100從調壓器106的中點208向外沿著組100的縱向軸膨脹，如圖2中以「膨脹」標記的箭頭所指示的。應該理解的是多種其它安裝系統也可以保持砧臺110的上表面210和喇叭組100的一部分之間的基本固定距離，並且這種其它安裝系統在本申請的範圍之內。
假定圖2的安裝布置，轉換器104和調壓器106上部分的熱膨脹在間隙長度上沒有產生效果(因為這些元件相對於框架200接合組100的點208的位置，這些元件自由地向上膨脹，也就是，遠離砧臺110)。另一方面，間隙長度受到調壓器106下部分膨脹和喇叭108膨脹的影響-隨著這些元件膨脹，它們向著砧臺110膨脹，間隙收縮。
根據一個實施例，轉換器104和調壓器106保持在基本不變的溫度。例如，轉換器104和調壓器106可以通過冷卻系統冷卻，例如通過一個或多個循環相對冷的空氣到轉換器104和調壓器106的表面的風扇，以致基本保持它們的溫度，並且由此基本抑制它們的膨脹。因此，根據這樣一個實施例，任何喇叭組100長度上的改變可以認為是基本上由於焊接喇叭108的膨脹。
此外，根據一些實施例，喇叭108通過冷卻系統冷卻，以致在操作期間抑制或降低變熱的傾向。通常，這樣一種方案不能完全消除喇叭108的熱膨脹，意味著它仍展示出一些程度的熱膨脹，如果要保持間隙長度基本不變，那麼應該給予考慮這一點。
公知的是，給定體的長度與給定體的共振頻率成反比例。用另一種方式闡述，當體長度增長時，它展示了更低的共振頻率。因此，當喇叭組100長度增長時，如所發生的，例如通過熱膨脹效力，它展示出了更低的共振頻率。具體的，體的長度，1，通過下述等式與它的共振頻率f相關lE/2f,]]>其中，E代表物體的彈性係數，ρ代表物體的密度。如果物體是複合物(例如，由多個部件構成，或者具有由不同材料形成的多個部分，等)，考慮它的各個部件，E和ρ可以被賦予代表這些材料性能的值(例如，可以是加權平均值等)。
根據一些實施例，能量源102檢測喇叭組100的共振頻率f，為了生成與之頻率相等的AC信號。例如，能量源102可以提供給喇叭組100展示出特定峰峰電壓(或者均方根電壓)的正弦信號。在保持正弦信號的峰峰(或者RMS 電壓不變的同時，能量源102調節信號的頻率，找到喇叭組100提取最小電流的頻率——該頻率是喇叭組100的共振頻率。因此，每個這種實施例，組100的共振頻率可以從能量源102獲得。根據其它實施例，組100的共振頻率可以利用檢測器通過觀察組100來檢測到。
在獲得喇叭組100的共振頻率之後，組100的全部長度可以通過以與前述物理原理相似的方式，通過將共振頻率與喇叭組長度相關來獲得。假定轉換器104和調壓器106冷卻，以致基本抑制了由此的熱膨脹效果，喇叭組100的長度可以與間隙長度相關。例如，根據圖2的方案，間隙長度和喇叭108的長度，1，通過下述等式相關間隙長度≈D-1，其中D是代表喇叭108頂部和砧臺110工件支持表面210之間長度的大致不變的值。
圖3描繪了一種用於確定焊接喇叭108和砧臺110的工件支持表面210之間的間隙長度的系統。圖3的系統包括提供聲信號到喇叭(和調壓器)302的超聲電源300(例如，提供AC信號到轉換器而轉換器接著將信號轉換成聲波的電源)。超聲電源300由控制器電路來控制，例如，通過與存儲控制超聲電源300操作的固件/軟體的存儲設備進行數據通信的處理器來控制。可選擇地，控制器電路可以實施為基於硬體的控制迴路。在任何一個情況下，超聲電源300的控制器識別喇叭組的共振頻率，命令其中的電源信號發生電路與轉換器合作以獲得與之頻率相等的聲信號。電源300內的控制器可以與間隙確定部件304接口。
間隙確定部件304接收喇叭組的共振頻率，並且生成與間隙長度保持已知關係的量。根據一個實施例，間隙確定部件304是在耦合到存儲部件的處理器上執行的軟體模塊。間隙確定部件304可以在與其上執行控制超聲電源300的固件的處理器相同的處理器上執行。可選擇地，它可以在與之進行數據通信的不同的處理器上執行。在任何一個情況下，由間隙確定部件304執行的軟體/固件可以根據參考附圖4A-5B討論的方案(下面)運行。
根據可選擇的實施例，間隙確定部件304可以從除了超聲電源300之外的源接收喇叭組的共振頻率。例如，該系統可以包括檢測器306，該檢測器觀察喇叭組，測量它的共振頻率，並且傳遞該共振頻率到間隙確定部件304。在下面的討論中，僅為了實例的目的，假定共振頻率源自超聲電源300。
圖4A描繪了一種間隙確定部件304可以利用其操作的方案。間隙確定部件304可以包括存儲在存儲設備中的表400。該表400根據共振頻率組織，並且將間隙長度G和共振頻率f相關。因此，在接收到共振頻率f之後，間隙確定部件304利用共振頻率來訪問表400，並且確定對應於該共振頻率f的間隙長度G。例如，假定間隙確定部件304接收頻率f2作為輸入，部件304通過訪問表400響應，以識別對應於頻率f2的行。在識別該行之後，返回輸入到其中的間隙長度G2。任選的，表400可以被訪問從而確定喇叭組100的長度L，或者確定任何其它與間隙長度保持已知關係的量。假定間隙確定部件304接收值fx作為輸入，並且假定fx落入連續表條目之間(也就是，fi＜fx＜fi+1)，於是，間隙確定部件304可以訪問表400，從而獲得間隙長度值Gi和Gi+1，並且可以在兩個值之間插值，從而得出對應於共振頻率fx的間隙長度。
表400中的各個條目可以事先利用啟發式過程來填充，其中對於每個頻率f，在表格400中記錄喇叭組100的長度和間隙的長度。可選擇地，表400中的各個條目可以以與上面描述的相似的方式通過理論計算來填充。
圖4B描繪了間隙確定部件304可以利用其操作理論計算的另一個方案。例如，間隙確定部件304可以通過接收喇叭組100的共振頻率開始它的操作，如在操作402中所示。此後，基於共振頻率，部件304通過使用基於例如在操作404中顯示的等式隱含的物理原理的等式，來計算喇叭108的長度L作為響應。最後，如操作406中所示，基於從採用的安裝方案出現的特定幾何約束的知識，部件304可以將在操作404中確定的長度L與間隙長度相關。例如，在圖2的安裝方案關係中，間隙長度可以得出為間隙長度＝D-L，其中，D代表喇叭108的頂部和砧臺110工件支持表面210之間的距離，並且L代表喇叭的長度。
圖5A描繪了用於連續超聲焊接的焊接喇叭500的實例。其中喇叭500包括喇叭500可以圍繞其轉動的縱向軸502。喇叭500由安裝系統約束(未在圖5A中描繪)，以致間隙保持在喇叭和砧臺504之間。喇叭組可以安裝在系統上的任何節點處。喇叭的縱向軸502基本上平行於砧臺504的工件支持表面506。
基於喇叭組的共振頻率來確定喇叭和砧臺之間的間隙長度的前述原理可應用到圖5的喇叭500。當材料熱膨脹時，它們在所有方向上以相等比例膨脹。因此，描繪在圖5B中的下述技術可以用於確定喇叭和砧臺之間的間隙長度。
最初，如操作508中所示，焊接組的共振頻率被接收。此後，喇叭502的長度L，基於頻率，以與上述相似的方式確定(操作510)。如前，圖5A的焊接組被冷卻，以致轉換器(圖5A中未示出)和調壓器(圖5A中未示出)在操作期間保持基本不變的溫度，因此，抑制了它們的熱膨脹和在系統共振頻率上的效果。
由於喇叭500在所有尺寸上按比例膨脹，因此它的長度L和它的半徑B之間的比率保持不變。因此，在計算喇叭502長度之後，它的半徑可以通過將該長度與前述比率B相乘得出，如操作512所示。最後，間隙的長度可以通過從喇叭500的縱向軸和砧臺504的工件支持表面506之間的距離D減去半徑獲得，如操作514所示。
應該注意的是，與圖5B描述的方法相關的結果存儲在表內，如參考圖4A描述的。因此，間隙長度，或者任何與之具有已知相關的值，基於喇叭組的共振頻率，可以通過訪問這樣的表來獲得。
圖6描繪了基於觀察喇叭組的共振頻率用於保持喇叭和砧臺之間基本不變間隙的控制系統。該系統包括喇叭組600和耦合到其上的電源602。根據一個實施例，電源602確定喇叭組600的共振頻率，如上所述。
位置調節器606耦合到喇叭組。在輸入信號的控制下，位置調節器606朝向或者遠離砧臺地調節焊接組600。在提供到調節器606的輸入信號和它的對其響應之間存在已知的關係。位置調節器606與控制信號發生器604進行數據通信。控制信號發生器604接收喇叭組的共振頻率作為輸入，生成提供給位置調節器606的控制信號。給定喇叭組600的共振頻率和位置調節器606的響應和它的輸入信號之間的關係，控制信號發生器604產生保持砧臺和喇叭之間基本不變間隙的控制信號。
控制信號發生器604可以實施為控制電路，例如與根據上述原理存儲固件/軟體的存儲設備進行數據通信的處理器。它可以可選擇地實施為產生上述控制信號的ASIC，從而保持基本不變的間隙。在說明書的下述部分中，公開了位置調節器的特定實施例。不一定採用下面為了實踐本發明而公開的位置調節器。而且，說明書的前述部分的目的在於基於喇叭組的共振頻率來確定喇叭長度或間隙長度的特定方法。根據其它實施例，這種確定可以通過測量喇叭組的溫度或者它的各個組件的溫度得出。
圖7描繪了用於調整喇叭和砧臺之間間隙的系統的示例性實施例。其中的系統包括定向在砧臺704的工件支持表面702上方的喇叭700。喇叭700剛性耦合到框架706上。框架706包括滑塊708，該滑塊與接收器710嚙合，以致框架706和喇叭700可以垂直平移。
框架706還包括通過一對構件714耦合到框架706上的力接收板712。通過力施加器(未在圖7描繪)向力接收板712施加力。該力向砧臺704推動喇叭700。力的方向由箭頭713指示。該力具有引起接觸表面716鄰接彈性應變止擋718的效果。施加到彈性應變止擋718的力引起了止擋718變形，並且從而展示了向下偏轉(也就是，在砧臺704方向上的偏轉)。通常，施加到板712上的力越大，由止擋718展示出的向下偏轉越大。由止擋718展示的偏轉越大，喇叭700和砧臺704之間的間隙越小。
為了保持喇叭700和砧臺704之間的不變間隙，可以採用下面的方案。當喇叭700處於未升高的溫度時，向板712施加最初的力，從而引起喇叭700和砧臺704之間的間隙建立在「理想的」長度。當在操作期間喇叭700熱膨脹時，間隙逐漸變小。為了抵消這種效果，施加到板712的力減小，引起止擋718展示出較小的偏轉，意味著喇叭700和框架向上平移(也就是，遠離砧臺)。因此，喇叭700和砧臺704之間的間隙可以通過控制到板712的力的應用而保持基本不變。為了確保該方案的功能性，施加到板712的最初的力應該具有足夠的幅度，從而引起止擋718展示至少在程度上與要抵消的預期熱膨脹一樣大的偏轉。
應變止擋714是彈性的，並且優選地具有相對較高的彈性係數。通過選擇具有相對較高彈性係數的材料，設置了一個環境，在這個環境中，偏轉止擋714的力相比較過程力(也就是通過喇叭施加在工件上的力)是較大的。這種安排提供了容易的控制設計。根據一個實施例，止擋714可以由鋼製成，或者其它合適的材料製成。根據一個實施例，施加到止擋714上的力不會引起其中材料超出它的彈性範圍(也就是，在撤回力時，止擋714會返回到最初形狀)。此外，根據一個實施例，止擋714展示了與施加到其上的力成比例的偏轉，也就是，在施加到止擋714上的力和由此展示的偏轉的程度之間存在線性關係。
圖8A描繪了與圖7的示例性調整系統一同使用的控制系統的實例。
(下面討論的圖8A中的各個部件804-810，可以實施為存儲在計算機可讀介質並由處理器執行的軟體模塊，或者實施為專用硬體，例如一個或多個特定用途集成電路，或者可以實施為現場可編程門陣列。此外，部件804-810可以為了設計選擇的方便而組合或分開)。如可以從圖8A中看出的，該系統包括耦合到超聲能量源802的喇叭800。間隙確定部件804確定喇叭800和砧臺(未描繪在圖8中)之間的間隙。根據一個實施例，間隙確定部件804獲得了來自於電源802的焊接組的共振頻率，並且由此確定間隙。根據另一個實施例，間隙確定部件804通過對喇叭的觀察檢測喇叭800的共振頻率。根據又一個實施例，間隙確定部件804通過測量喇叭的溫度，由此推理喇叭的長度，並且基於該喇叭長度得出間隙長度，從而得出間隙長度。
由間隙確定部件得出的間隙長度提供給力確定部件806。力確定部件806確定要施加到框架(例如，圖7中的板712)上的力，以便保持間隙基本不變的長度。由間隙確定部件806得出的力提供給控制信號發生器808。控制信號發生器808產生控制信號，並將該控制信號傳達到力施加器810。該力施加器810展示了接收的控制信號和它施加的力之間的已知的關係。因此，控制信號發生器808根據該關係產生控制信號。
圖8B描繪了間隙確定部件804和力確定部件806的示例性實施例。(如具有圖8A部件的情況，下面討論的圖8B的各個部件，可以實施為存儲在計算機可讀介質中並由處理器執行的軟體模塊，或者可以實施為專用硬體，例如一個或多個特定用途集成電路，或者實施為現場可編程門陣列。此外，圖8B的部件可以為了設計選擇的方便而組合或分開)。可以從圖8B中看出的，間隙確定部件804包括長度確定部件812和間隙確定部件814。長度確定部件812接收喇叭組的共振頻率，並應用參考圖4A和4B描述的其中一種方法來確定喇叭的長度。此後，喇叭的長度由間隙確定部件814接收。間隙確定部件814通過喇叭長度的知識以及由安裝方案施加的特定幾何關係(例如，間隙長度可以等於從喇叭頂部到工件支持表面的長度與喇叭長度之間的差，間隙＝D-L)來得到間隙長度。
在得出間隙長度後，該值被提供給力確定部件806。力確定部件806得出施加到框架上的力，以便保持間隙基本不變。得出的力是一些因素的函數止擋的長度Lstop，止擋的彈性係數E，止擋的橫截面面積A，最初間隙長度和由間隙確定部件804得出的間隙長度之間的差Δ，以及組裝系統偏轉。
圖9A描繪了力確定部件806可以利用其操作的方案。力確定部件806可以包括存儲在存儲設備中的表900。該表900根據共振間隙長度G來組織，並且將力F與間隙長度G相關。因此，在接收到間隙長度G之後，力確定部件806利用間隙長度來訪問表900，並且確定對應於該間隙長度G的力F。例如，假定力確定部件806接收間隙長度G2作為輸入，部件806通過訪問表900來響應，以識別對應於間隙長度G2的行。在識別出該行之後，返回在這裡輸入的力F2。任選的，表900可以被訪問，用於確定提供給力施加器810的控制信號C，或者用於確定任何其它與施加在框架上的力保持已知關係的量。假定力確定部件806接收值Gx作為輸入，假定Gx落入連續表條目之間(也就是，Gi＜Gx＜Gi+1)，於是，力確定部件806可以訪問表900以獲得力值Fi和Fi+1，並且可以在兩個值之間插值，從而得出對應於間隙長度Gx的力。
表900中的各個條目可以事先由啟發式過程填充，其中在表900內，確定施加到框架上的力和對應於其的控制信號用實驗方法對於每個間隙長度G。可選擇地，表900中的各個條目可以以與下面參考圖9B描述的相似的方式通過理論計算來填充。
圖9B描繪了力確定部件806利用其可以操作理論計算的另一個方案。例如，力確定部件806可以通過接收由間隙確定部件804計算的間隙長度CG開始它的操作，如在操作902中所示。此後，部件806通過計算最初間隙IG和計算的間隙CG之間的差來響應，如操作904中所示。該差Δ指的是為了使間隙返回到最初長度必須減小的止擋偏轉的量。因此，在操作906中，施加到框架上的新力Fnew可以通過在此顯示的方程中求解Fnew得出。
圖10描繪了用於調整喇叭和砧臺之間間隙的系統的另一個示例性實施例。焊接系統1010具有固定到支持表面1017上的焊接系統1030以及固定到支持表面1018上的砧臺1021。焊接系統1030包括喇叭1032，該喇叭由喇叭支架1020支持，並且相對於表面1017可以移動；關於表面1017固定的具有支持板1056的固定止擋1055；以及可膨脹的氣動氣囊1061。
氣囊1061被用來施加力以向砧臺1021移動喇叭支架1020和喇叭1032；該力通過調整氣囊1061中的空氣壓力進行控制。當表面1025接觸固定止擋1055時，支持板1056在施加的力下輕微偏轉。
在一個特別實施例中，焊接預期產品的最小可允許力是600磅(大約272kg)，其由氣囊1061中的30-psig(大約270kPa)空氣壓力生成。預期固定間隙是0.0020英寸(大約0.05mm)。
在用鈦喇叭操作中，可以確定的是溫度將會從房間溫度增加最大50(大約27.7℃)，這會將喇叭長度增加0.0010英寸(大約0.025mm)。因此，如果沒有作出補償的話，喇叭1032和砧臺1021之間的間隙減小了0.0010英寸(大約0.025mm)。支持板1056的偏轉已知為每675磅力(大約306kg力)0.0010英寸(大約0.0025mm)。因此，利用室溫喇叭施加的力必須至少是1125磅(大約510kg)，或者60psig(大約414kPa)。當喇叭操作並在長度上增加時，施加的空氣壓力從60psig(大約414kPa)減小到30psig(大約207kPa)，從而保持喇叭和砧臺之間的間隙不變。
焊接儀器，通常配置成利用可變形止擋組件來控制砧臺和喇叭之間的距離，焊接儀器包括具有固定止擋的砧臺、喇叭以及力施加器，該力施加器被安裝使得能夠施加力以相對於固定止擋壓緊緊靠喇叭，以致固定止擋的彈性變形提供了在喇叭和砧臺之間的間隙上的微調控制。該儀器可以包括監控喇叭的特有特性和控制施加到喇叭上的力的傳感系統，以致，不管特有特性上的改變而將喇叭和砧臺之間的間隙保持在固定值。監控的特性可以是例如溫度、長度或喇叭的振動頻率。
為了補償由於熱膨脹產生的喇叭長度增加，可變形並固定的止擋的使用，可以與轉動砧臺、固定砧臺、轉動喇叭、固定喇叭或者上述的任何組合一起使用。
在使用中，要接合的工件將定位在喇叭和砧臺之間，能量會施加到喇叭，喇叭將會被激勵，並且力會施加到喇叭，從而推動固定止擋緊靠喇叭，以致固定止擋的彈性變形提供了喇叭和砧臺之間的間隙的微調控制。
為了採用上面討論的方法，人們可以對於一個系統確定數據，並且將它配合到特定部件的控制系統中使用的方程中。申請者已經對於上述系統採用了下面的方法，但是，該方法可以應用到不同配置的其它系統。這些方程可以利用工程原理或者利用來自於單個系統的測量數據來導出。
方程2-5是對於兩個變量的線性系統的最佳擬和。方程的斜率和截距根據經驗從系統的最佳擬和測量數據來確定。測量變量之間的關係可以相似地產生任何特定系統的斜率和截距。優選的，系統在操作區域表現為線性，但是，如果系統是非線性的，可以採用二階或更高階的方程。
申請者已經開發和採用了下面描述的方法用於在超聲焊接期間控制間隙。
首先，對於如上述的轉動超聲系統，下面的參數可以確定。
(1)喇叭直徑＝6.880」(2)環境溫度＝65(3)在環境溫度的頻率＝19.989KHz(4)設定間隙處的壓力＝72.5psig(5)對於過程的間隙設定點＝2mils(1mils＝0.001英寸)喇叭的材料特性也是已知的。
(6)熱膨脹係數ααTitanium＝5.4×10-6degF/inch/inchαAluminum＝5.4×10-5degF/inch/inch當系統被激勵並操作時，喇叭溫度會增加。於是接下來，可以確定溫度Tfinal會是多少，當連續焊接時在該溫度下不會存在剩餘間隙(也就是，2.0mil間隙到零，例如，喇叭和砧臺之間接觸)。該溫度通過求解方程1可以得出(方程1)Tfinal=(2*IG*10-3D*)]]>在方程1中，Tfinal是間隙消失的溫度，IG是當系統建立並未操作時設定和測量的最初間隙(以mils計)，D是轉動喇叭的外直徑，並且α是喇叭材料的熱膨脹係數。利用對於鋁喇叭的上述輸入求解方程給出172.7degF的溫度，基於操作期間的喇叭的加熱在該溫度下間隙變成零。因此，如果喇叭加熱到172.67，將不會有間隙剩餘。因此存在溫度的上限。對於任何給定系統的上限可以利用對於轉動系統的方程1得出。本領域的普通技術人員也將了解相似的方程也可以對於其它幾何結構導出，並且為了避免間隙消失的最高操作溫度可以被確定。
由於在喇叭的動態共振狀態上很難測量溫度時，申請者開發了利用待用品的給出非直接但是準確的溫度測量。替代直接測量溫度，喇叭的頻率通過測量操作期間喇叭的頻率以及然後通過利用下面的方程2確定溫度來確定(方程2)λmin＝-0.0017*Tfinal+20.096在方程2中，λmin是在間隙到零之前喇叭可以操作的最小頻率，並且線性方程的係數已經通過試驗根據試驗確定。對於輸入參數求解方程2，當喇叭頻率降到小於19,802赫茲時，間隙將到零。由於喇叭的頻率是利用通常由本領域普通技術人員所使用的標準裝備容易測量的參數，因此可以利用方程1和2來確定保持間隙不閉合的轉動系統最小的操作頻率，這種閉合可以導致產品損壞，並且由於接觸還會損壞喇叭和/或砧臺。
利用方程1和2，現在具有將間隙與溫度以及將溫度與頻率相關的能力。因此，可以將間隙與頻率相關。在正常的操作期間，當材料在間隙(或箝)中時，很難測量間隙，但是利用上述原理，頻率可以用來確定間隙。喇叭頻率與喇叭和砧臺之間間隙之間的關係可以利用下面的方程3確定(其或者可以對於作為頻率函數的間隙求解，或者反過來求解)(方程3)λ＝0.0965*Gap+19.7925在方程3中，λ是喇叭頻率，Gap以mil為單位測量的(1mil＝0.001英寸)。對於1mil的間隙求解方程3給出了19,889赫茲的頻率。注意，現在存在一種方法來確定作為頻率函數的間隙的改變。使用通過方程1-3確定的信息，施加到喇叭/砧臺布置上的力可以被控制，從而在喇叭組件的操作期間當喇叭溫度和頻率改變時保持操作間隙不變。
為了控制間隙，並且將其保持不變的操作值，施加到系統的壓力被控制，從而補償在操作期間隨著喇叭變熱的喇叭的熱膨脹。返回來參考上面的實例，當間隙減小到1mil時，需要減小施加到系統上的壓力，以致系統可以保持或者返回到原始的間隙設定2mils。因此，為了補償熱膨脹，壓力減小到使得間隙返回到2mils。
為了正確地減小壓力，首先需要確定壓力和頻率之間的關係，如下面方程4所示(方程4)Pcompensation＝-367.3404*λ+7412.7731-Psetpoint其中，Pcompensation是系統壓力(每平方英寸規格的磅數)上的減小，λ是從方程3確定的頻率，Psetpoint是在最初間隙設定點的壓力。
例如，利用上述參數，可以確定當由於熱膨脹喇叭膨脹1mil時移動回復到最初2mils間隙所需要的壓力減小。
實例如果間隙改變到1mil需要的壓力補償是多少？首先從方程3計算在1mil間隙的頻率(該值是19.889KHz，如之前確定的)。接著，將該值代入方程4，得到Pcompensation＝-367.3404*(19.889)+7412.7731-72.5＝106.7399-72.5Pcompensation＝34.24psig(操作壓力上的減小)
在已經確定壓力之後，為了補償熱膨脹，可以檢驗在壓力補償處的間隙是多少。該間隙應該是粗略的等於最初間隙加上由於熱膨脹的間隙改變。為了檢驗，首先由下面的方程5確定壓力和間隙之間的關係(方程5)Pcompensation＝35.461*(間隙@壓力補償)+142.205例如，在34.24psig的壓力補償(由方程4)處，可以重新整理方程5，並且求解間隙間隙@壓力補償＝(34.24-142.205)/-35.461＝3.045mils因此，可以驗證該模型，因為最初的間隙設為2.0mils，間隙改變是1mil。因此，為了補償由於操作期間喇叭變熱的膨脹，會將間隙打開1mil，從而恢復原始的2.0mil間隙。
因此，利用為了確定操作參數的上面討論的方程(或者對於線性喇叭或者其它幾何結構導出它們的等價方程)，可以對於轉動超聲焊接過程確定操作限制。例如，利用方程1以及間隙設定點的值(目標)得出操作溫度限制。利用方程2以及利用由方程1的溫度限制值得出超聲喇叭的操作頻率限制。利用方程3並利用間隙值作為輸入得出間隙改變處的頻率。利用方程2，但是利用由方程3確定的頻率值得出在間隙改變處的溫度。利用方程4，但是利用由方程3的頻率值得出對於間隙改變的壓力補償。利用方程5，但是利用由方程4的壓力補償值得出在壓力補償處(環境溫度)的間隙。
存在另一個可以控制喇叭和砧臺之間的間隙的方案。如前所述，在超聲焊接環境中，喇叭由聲信號驅動，通常在20,000-40,000Hz範圍內。圖11A描繪了當聲波沿著喇叭的縱向軸傳播時喇叭的表面1100。聲波的傳播方向由箭頭1102表示。如可以從圖11A看出的，當聲波沿著喇叭的縱向軸傳播時，喇叭表面1100被擾動，並且展示出在其上的駐波波形。駐波波形1104展示出了峰峰幅值，被稱為由喇叭表面展示的「位移」。峰峰幅值或者表面位移，是沿喇叭傳播的聲信號的幅值的函數。當然，聲信號的幅值是提供給耦合到喇叭的轉換器的電信號的幅值。因此，由喇叭表面1100展示的位移是提供給轉換器的電信號的幅值的函數。典型的，提供給轉換器的電信號的幅值越大，沿著喇叭傳播的聲信號的幅值越大；聲信號的幅值越大，在喇叭表面1100上展示的位移越大。
如可以從圖11A看出的，喇叭表面1100和砧臺1106表面之間的間隙是位移的函數。當喇叭展示了較大的表面位移時，喇叭表面和砧臺表面之間的間隙縮小。
在繼續進行之前，應該指出的是，圖11A和11B沒有按比例繪製，並且其中的一些特徵，諸如表面位移，已經為了顯示的目的誇張了。(例如，當在正常條件下操作時，典型的喇叭可以展示出大約2-3mils的表面位移)。
為了討論，激發圖11A中顯示的表面位移的電壓信號的幅值被稱為Amplitude1。圖11B描繪了如當由具有Amplitude2幅值的電壓信號激發時出現的圖11A的喇叭表面1100(Amplitude2小於Amplitude1)。如從圖11A和11B之間的比較可以看出的，當激發喇叭的電壓信號幅值縮小時，喇叭1100的表面和砧臺1106之間的間隙增長，因為喇叭1100表面不是那麼大的朝向砧臺移動。
如前提到，在典型的焊接操作期間，例如，喇叭可以展示出在3mils數量級上的表面位移。然而，即使表面位移減少了例如33％，焊接操作仍可以產生滿意的產品。因此，每個前述的實例，焊接操作可以利用展示了與2mils一樣小的位移的喇叭操作。於是，緊接著，焊接操作可以利用足夠激發3mils表面位移的幅值的電信號來啟動。在操作期間，喇叭經歷了熱膨脹，意味著喇叭和砧臺之間的間隙隨著喇叭向砧臺膨脹而縮小。為了抵消這種效果，激發喇叭的電信號的幅值可以被衰減，以致產生小於原始3mils的表面位移，從而保持基本不變的間隙。當然，在需要至少2mils位移產生合適產品的操作的情況下，電信號不應該被衰減到以至於喇叭表面展示出小於需要的2mils位移的程度。
圖12A中顯示了一個用於控制喇叭和砧臺之間的間隙的系統的示例性實施例。如從圖12A中可見的，該系統包括喇叭1200(其依次包括轉換器和調壓器)，該喇叭提供有來自於電源1202的AC電信號。電源1202將喇叭1200的共振頻率傳遞到間隙確定模塊1204。(如前描述的，電源1202檢測喇叭組的共振頻率，並在那個頻率驅動喇叭組)。
基於共振頻率，間隙確定模塊1204確定喇叭的長度(或者，可以確定間隙上的改變，或者可以確定任何其它與喇叭長度保持已知關係的值)，如前所述。此後，間隙長度(或者其中改變)被提供到幅值確定模塊1206。作為響應，幅值確定模塊識別要由電源提供的電信號的合適的幅值，以便保持間隙基本不變。該幅值可以從查找表中檢索到，或者可以通過計算得出。由此確定的幅值被傳遞到控制信號發生模塊1208，該控制信號發生模塊生成適當的命令和控制信號，從而引起電源1202將信號的幅值調節到由幅值確定模塊1206選擇的幅值。
如前面描述的，模塊1204-1208的每個可以實施為專用硬體，例如彼此合作的一個多個ASIC。可選擇的，模塊1204-1208可以實施為存儲在存儲器中並且由與之通信的處理器執行的軟體/固件。如果實施為固件/軟體，為了設計選擇的方便，構成模塊1204-1208的指令可以由相同的處理器執行，或者可以由多個處理器執行。
圖12B描繪了一種用於控制喇叭和砧臺之間間隙的系統的另一個示例性實施例。圖12B的系統利用了兩個不同的方案，通過這兩個方案間隙可以進行調整(1)控制喇叭的位置本身；以及(2)控制由喇叭展示的表面位移的量。如從圖12B中可見的，該系統包括喇叭1210(其依次包括轉換器和調壓器)，該喇叭提供有來自於電源1212的AC電信號。電源1212將喇叭1210的共振頻率傳遞給間隙確定模塊1214。(如前所述，電源1212檢測喇叭組的共振頻率，並且在那一頻率驅動喇叭組。)基於共振頻率，間隙確定模塊1214確定間隙的長度(或者，可以確定間隙中的改變，或者可以確定任何與間隙長度保持已知關係的值)，如前描述的。此後，喇叭長度(或者其改變)提供給幅值確定模塊1216以及調節器1220。調節器1220是可以改變喇叭位置的系統，例如圖7和10中顯示的調整系統，其通過改變角度改變彈性止擋的變形來調節喇叭的位置。如圖12A的實施例的情況，幅值確定模塊1216識別要由電源提供的適當的電信號的幅值，以便保持間隙基本不變。然而，幅值確定部件1216與調節器1220合作，聯合地調節位置和/或調節由電源1212提供的AC信號的幅值，以便獲得基本保持不變的間隙的最終目的。
例如，根據一個實施例，幅值確定部件1216和調節器1220根據圖13中描繪的方法操作。如其中所示，模塊1216和1220從間隙確定部件1214接收間隙長度或者其改變，如操作1300所示。此後(假定實施例中，調節器1220包含壓緊喇叭緊靠應變彈性止擋的力施加器)，幅值確定部件1216從調節器1220接收在那裡施加的力(操作1302)。接下來，如操作1304中顯示的，該力與用於喇叭操作的容許力的下限比較。如果力仍高於該限，調節器1220確定應用需要的新力，並相應的調整該力(操作1306)。另一方面，如果該力已經達到了下限，則該力不應該進一步減小，控制進行到操作1308，其中確定是否表面位移的幅值已經達到了它的下限。如果沒有，控制轉移到操作1310，在那幅值確定模塊1216識別要由電源提供的合適的電信號的幅值，以便保持間隙基本不變。由此確定的幅值被傳遞到控制信號發生模塊1218，其生成適當的命令或者控制信號，引起電源1212將信號的幅值調節到由幅值確定模塊1216選擇的信號的幅值。另一方面，如果表面位移的幅值已經達到了它的下限，則控制轉到操作1312，產生警報，以指示該間隙在沒有減小它容許限度之下的過程力或者減小它的容許限度下面的表面位移的情況下，不能保持在不變的長度。
儘管圖13的操作描述為由幅值確定模塊1216執行，但是這些操作可以通過圖12B中描繪的任何一個模塊執行，或者可以由專門與幅值確定模塊1216和調節器1220的操作協調的另一個模塊執行。
此外，應該注意的是，在操作1302中，調節器1220可以將喇叭的位置傳遞到執行圖13的方法的模塊。然後，在操作1304中，喇叭的位置可以與表達調節器1220將喇叭從砧臺收回能力的位置限制做比較。換句話說，在操作1304中，確定是否調節器1220已經如它所能夠做的將喇叭從砧臺收回。
根據另一個實施例，幅值確定部件1216和調節器1220根據圖14中描繪的方法操作。如其中所示，模塊1216和1220均接收來自於間隙確定部件1214的間隙長度或者其改變，如操作1400所示。此後，(再次假定該實施例中調節器1220包含壓緊喇叭緊靠應變彈性止擋的力施加器)，幅值確定部件1216從調節器1220接收在那裡施加的力(操作1402)。接下來，如操作1404中顯示的，確定是否表面位移的幅值已經達到了它的下限。如果沒有，控制轉移到操作1406，在這裡幅值確定模塊1216識別要由電源提供的合適的電信號的幅值，以便保持間隙基本不變。由此確定的幅值被傳遞到控制信號發生模塊1218，其生成適當的命令或者控制信號，引起電源1212將信號的幅值調節整到由幅值確定模塊1216選擇的信號的幅值。另一方面，如果由喇叭展示的表面位移的幅值已經達到了它的下限，則該力不應該進一步減小，控制轉到操作1408，其中確定是否在操作1402期間接收的力的值在焊接操作的容許力的下限。如果該力仍在該限之上，則調節器1220確定應用需要的新力，並且由此調節該力(操作1410)。另一方面，如果該力已經達到了它的下限，則控制轉到操作1412，將產生警報，指示該間隙在沒有減小它容許限度之下的過程力或者減小它的容許限度之下的表面位移的情況下，該間隙不能保持在不變的長度。
儘管圖14的操作描述為由幅值確定模塊1216執行，但是這些操作可以通過圖12B中描繪的任何一個模塊執行，或者可以由專門與幅值確定模塊1216和調節器1220的操作協調的另一個模塊執行。
此外，應該注意的是，在操作1402中，調節器1220可以將喇叭的位置傳遞到執行圖14的方法的模塊。然後，在操作1408中，喇叭的位置可以與表達調節器1220將喇叭從砧臺收回能力的位置限做比較。換句話說，在操作1408中，確定是否調節器1220已經如它所能夠做的將喇叭從砧臺收回。
在閱讀和理解了上述用於控制超聲焊接系統的前述過程之後，本領域技術人員會理解對於系統的間隙控制可以通過測量喇叭的操作頻率、調節例如控制間隙的壓力的力來獲得。對於任何喇叭幾何形狀，包括線性和轉動喇叭，可以根據經驗導出或確定特別的方程。
上面描述的各種實施例僅以示例的形式給出，並且不應該解釋為對於本發明的限制。本領域技術人員會容易地識別，在不按照這裡示出和描述的實施例和應用，以及不背離下面權利要求中陳述的本發明精神與範圍的情況下，可以對本發明作出各種調整和改變。
權利要求
1.一種用於監控振動體和基準之間的間隙的方法，其中振動體的部分由剛性安裝系統固定在距離基準給定距離，該方法包括接收振動體的共振頻率；以及基於共振頻率，確定與間隙長度的近似改變保持已知關係的量。
2.權利要求1的所述方法，其中振動體是複合物。
3.權利要求2的所述方法，其中複合物振動體包含轉換器、調壓器和超聲喇叭。
4.權利要求1的所述方法，其中確定與間隙長度的近似改變保持已知關係的量的行為包括訪問表，從而獲得對應於所述共振頻率的間隙長度。
5.權利要求1的所述方法，其中確定與間隙長度的近似改變保持已知關係的量的行為包括訪問表，從而獲得對應於共振頻率兩側的頻率的第一和第二量；以及在第一和第二間隙量之間插值，從而得出近似間隙長度。
6.權利要求1的所述方法，其中確定與間隙長度的近似改變保持已知關係的量的行為包括計算振動體的長度，作為振動體的共振頻率和材料特性的函數。
7.權利要求6的所述方法，材料特性包括所述振動體的密度。
8.權利要求6的所述方法，材料特性包括所述振動體的彈性係數。
9.權利要求1的所述方法，還包含檢測所述振動體的共振頻率。
10.權利要求1的所述方法，還包含調節所述振動體的固定部分和基準之間的給定距離，以基本保持不變的間隙長度。
11.權利要求1的所述方法，還包含基于振動體的共振頻率，調節所述振動體的固定部分和基準之間的給定距離。
12.權利要求11的所述方法，其中，基於從所述振動體的共振頻率得出的控制信號，調節振動體的固定部分和基準之間的給定距離。
13.一種用於施加超聲能量到工件的系統，該系統包括喇叭組；安裝系統，喇叭組安裝在該安裝系統上；耦合到喇叭組的能量源；具有用於支持工件的表面的砧臺；以及控制器，配置成接收所述喇叭組的共振頻率，並且確定與喇叭組和砧臺之間的間隙的改變保持已知關係的量。
14.權利要求13的所述系統，其中所述喇叭組包括轉換器、調壓器和喇叭。
15.權利要求13的所述系統，其中安裝系統基本上在所述喇叭組的節點處與喇叭組配合。
16.權利要求13的所述系統，其中所述喇叭組具有喇叭圍繞其轉動的縱向軸，並且，其中縱向軸基本上與所述砧臺的支持表面平行。
17.權利要求13的所述系統，其中喇叭組具有縱向軸，並且其中縱向軸基本上垂直於所述砧臺的支持表面。
18.權利要求13的所述系統，還包括冷卻系統，用於在系統操作期間冷卻所述轉換器和調壓器。
19.權利要求18的所述系統，其中，冷卻系統防止在系統操作期間調壓器和轉換器的顯著熱膨脹。
20.權利要求13的所述系統，還包括耦合到所述喇叭組的位置調節系統，用於調節喇叭組的位置，以在系統操作期間保持所述喇叭組和所述砧臺之間的基本不變的間隙。
21.權利要求13的所述系統，還包括耦合到所述喇叭組的位置調節系統，用於基於所述喇叭組的共振頻率來調節所述喇叭組的位置。
22.權利要求13的所述系統，還包括耦合到所述喇叭組的位置調節系統，用於基於從所述喇叭組的共振頻率生成的控制信號來調節所述喇叭組的位置。
23.一種用於施加超聲能量到工件的系統，該系統包含喇叭組；安裝系統，所述喇叭組安裝在該安裝系統上；耦合到所述喇叭組的能量源；具有用於支持工件的表面的砧臺；以及用於確定與所述喇叭組和砧臺之間間隙的改變保持已知關係的量的裝置。
全文摘要
一種用於監控振動體和基準之間間隙的系統和方法，其通過監控振動體的共振頻率獲得。振動體的一部分通過剛性安裝系統固定在距離基準給定距離。振動體的共振頻率被接收。然後，基於共振頻率，確定與間隙長度的近似改變保持已知關係的量。
文檔編號G01H13/00GK101094743SQ200580045853
公開日2007年12月26日 申請日期2005年12月29日 優先權日2005年1月3日
發明者薩丁德爾·K·納亞爾, 唐納德·S·奧布拉克, 保羅·M·費蒂格, 唐納德·L·泊察爾特 申請人:3M創新有限公司