超聲波焊接機以及控制方法與流程

2023-05-08 05:57:36 1

本發明涉及焊接機領域，具體而言，涉及一種超聲波焊接機以及一種控制方法。

背景技術：

超聲波焊接是應用於熱塑性塑料焊接的一種技術。通常情況下，超聲波焊接機包括機架，底座以及焊頭。

一般的焊接過程如下：首先，將夾緊塑料工件的夾具安裝在超聲波焊接機機的底座上，將要焊接的兩個塑料工件置於夾具上，手動完成工件定位後，焊頭下降壓緊工件，當焊接機達到設定的壓緊力(又稱為觸發力)後，焊頭將發出超聲波，使兩個塑料工件在接觸面上產生高頻的摩擦進而產生熱量，使得該接觸面被熔化；待工件冷卻後，這兩個塑料工件被連接為一體；最後，將焊頭提升，並取出塑料工件。

現有的超聲焊接機，採用氣缸驅動來控制焊頭的升降。焊頭升降系統包括氣缸，電磁閥等管路元件；其中，電磁換向閥控制氣缸的升出和縮回，電磁比例閥控制伸縮的速度，氣缸頂出的壓力通過手動的減壓閥來調節。在焊接開始前，操作員先手動設定減壓閥壓力，然後啟動焊接，氣缸頂出，焊頭下降，接觸焊件後，機器自動啟動超聲發射功能。在焊接過程中，氣缸處於保持狀態，不切換電磁閥。當超聲發射結束後，進入保壓階段，氣缸繼續處於保持狀態，直至到達保壓時間。焊接完成後，氣缸縮回原位，焊接循環結束。

因此，除了需要電源外，相關技術中的超聲波焊接機還需要氣源才能正常使用，然而，由於氣動系統運行的速度慢，每個焊接循環時間相對較長，且氣動系統的能耗效率低。此外，氣缸對焊頭的運動速度和位置的控制精確度不高，

針對相關技術中的超聲波焊接機能耗效率低以及焊頭的控制精度低的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供一種超聲波焊接機以及控制方法。

一方面，本發明提供了一種超聲波焊接機，所述超聲波焊接機包括：

底座，

機架，設置在所述底座上，

焊頭，安裝在所述機架上；

電動缸，用於驅動所述焊頭；

伺服驅動器，用於控制所述電動缸；以及

控制器，用於控制所述伺服驅動器。

優選地，所述電動缸包括伺服電機和絲杆，其中，所述電動缸為直線式電動缸或折返式電動缸。

優選地，所述超聲波焊接機還包括：

位置傳感器，用於檢測所述焊頭的伸出位置；所述位置傳感器設置在所述機架和所述焊頭上，並接入所述控制器。

優選地，所述超聲波焊接機還包括：

測力傳感器，用於檢測所述焊頭上的壓力；所述測力傳感器設置在所述絲杆的輸出端，並接入所述控制器。

優選地，所述伺服電機上設置有通過電機軸的旋轉編碼器，以檢測所述伺服電機的轉速。

優選地，所述控制器為可編程控制器，所述控制器的控制周期小於或等於1ms。

另一方面，本發明還提供了一種控制方法，用於控制如上所述的超聲波焊接機，

包括：

伺服驅動器接收由旋轉編碼器測量的速度信號，並根據所述測量的速度信號和接收到的速度指令進行運算以調整伺服電機的轉速；以及

所述速度指令是根據以下方式中的至少一個計算得到的：

所述速度指令是所述控制器根據位置閉環的輸出計算得到的；

所述速度指令是所述控制器根據壓力閉環的輸出計算得到的；

所述速度指令是所述控制器根據位置閉環的輸出和壓力閉環的輸出計算得到的，其中，所述位置閉環的輸出和所述壓力閉環的輸出中的一個作為主要參數，另一個作為輔助參數；

所述速度指令是所述控制器將位置閉環輸出和壓力閉環輸出進行混合運算得到的。

優選地，所述位置閉環包括：所述控制器接收由所述位置傳感器測量的位置信號，並根據所述測量的位置信號和接收到的位置指令獲得所述速度指令，並將所述速度指令發送至所述伺服驅動器。

優選地，所述壓力閉環包括：所述控制器接收由測力傳感器測量的壓力信號，並根據所述測量的壓力信號和接收到的壓力指令獲得所述速度指令，並將所述速度指令發送至所述伺服驅動器。

優選地，所述位置閉環和所述壓力閉環採用串聯控制或並聯控制。

優選地，所述串聯控制包括：位置閉環的輸出，連接到壓力閉環的輸入；或者壓力閉環的輸出連接到位置閉環的輸入。

優選地，所述並聯控制包括：位置閉環的輸出和壓力閉環的輸出進行混合運算，運算結果作為速度指令發送至伺服驅動器。

通過本發明提供的超聲波焊接機，採用純電動的運動控制系統來控制超聲波焊接機的焊頭的升降，超聲波焊接機只需要電源輸入即可正常運行；而且採用伺服控制技術，可以實現對焊頭升降速度、焊接壓力、焊接深度等參數的精確閉環控制，進而使工件的焊接精度、成品率明顯提高，同時還可以提高焊接頻率，使超聲波焊接機更適用於高精度的產品。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1是根據本發明實施例提供的超聲波焊接機的結構示意圖；

圖2是根據本發明實施例提供的超聲波焊接機的內部結構示意圖；

圖3是根據本發明實施例提供的直線式電動缸的結構示意圖；

圖4是根據本發明實施例提供的折返式電動缸的結構示意圖；

圖5是根據本發明實施例提供的超聲波焊接機的控制示意圖；

圖6是根據本發明實施例提供的超聲波焊接機的控制電路圖；

圖7是根據本發明實施例提供的伺服驅動器的控制原理圖；

圖8是根據本發明實施例提供的壓力閉環的控制框圖；

圖9是根據本發明實施例提供的位置閉環的控制框圖；

圖10是根據本發明實施例提供的串聯控制框圖，其中位置指令為最終的控制目標；

圖11是根據本發明實施例提供的串聯控制框圖，其中壓力指令為最終的控制目標；

圖12是根據本發明實施例提供的並聯控制框圖。

具體實施方式

下文中將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

一方面，本發明提供了一種超聲波焊接機，如圖1所示，超聲波焊接機1包括底座11，機架12，焊頭13，電動缸14，伺服驅動器以及控制器，其中，機架12設置在底座11上，電動缸14和焊頭13均安裝在機架12上；電動缸14可用於驅動焊頭13，伺服驅動器可用於控制電動缸14，控制器可用於控制伺服驅動器。

本發明設計的超聲波焊接機採用純電動的運動控制系統來控制該超聲波焊接機的焊頭的升降，以代替傳統的氣缸控制。超聲波焊接機1隻需要電源輸入即可正常運行，無需額外增加氣源，在保證正常運行的前提下使其結構更加地簡化。

圖2是根據本發明實施例提供的超聲波焊接機的內部結構示意圖。

作為一個較優的實施方式，電動缸14包括伺服電機141和絲杆142，並且電動缸14為直線式電動缸。伺服電機141可以精確控制旋轉的速度、扭矩、轉動角度，絲杆142將旋轉運動轉換成直線運動。

作為另一個較優的實施方式，電動缸14包括伺服電機141和絲杆142，並且電動缸14為折返式電動缸。

需要說明的是，根據伺服電機141與絲杆142的相對位置的不同，電動缸可以分為多種形式，例如，如圖3所示的直線式電動缸，，或如圖4所示的折返式電動缸。本領域技術人員可以根據具體應用環境的需求，選擇直線式電動缸或折返式電動缸或其他適合的電動缸。

作為一個較優的實施方式，超聲波焊接機還包括：位置傳感器15，用於檢測焊頭13的伸出位置；位置傳感器15設置在機架12和焊頭13上，並接入控制器。

作為另一個較優的實施方式，超聲波焊接機還包括：測力傳感器16，用於檢測焊頭13上的壓力；測力傳感器16設置在絲杆142的輸出端，並接入控制器。

作為另一個較優的實施方式，伺服電機141上設置有通過電機軸的旋轉編碼器143，以檢測伺服電機141的轉速。

如圖5是根據本發明實施例提供的超聲波焊接機的控制過程示意圖，圖6是根據本發明實施例提供的超聲波焊接機的控制電路圖；通過圖6的電路圖可以實現圖5中所示的控制過程。

如圖所示，旋轉編碼器可檢測伺服電機的轉速，測力傳感器可檢測焊頭的壓力，位置傳感器可檢測焊頭的位移，將這些傳感器信號都接至控制器中，以實現對焊頭13的運動速度、運動位置、壓力等過程量的精確控制。

通過上述控制，本發明提供的超聲波焊接機的焊接精度、成品率明顯提高，同時還可以提高焊接頻率，使超聲波焊接機更適用於高精度的產品。

作為一個較優的實施方式，控制器為可編程控制器，控制器的控制周期小於或等於1ms。控制器能夠對機械運動部件(如焊頭)的位置，速度等進行實時控制，使其按照設定的運動軌跡和規定的參數進行運動。

當然，本領域技術人員也可以根據具體應用環境的不同，選擇適合的控制器。

另一方面，本發明還提供了一種控制方法，用於控制如上所述的超聲波焊接機，包括伺服驅動器接收由旋轉編碼器測量的速度信號，並根據該測量的速度信號和接收到的速度指令進行運算以調整伺服電機的轉速；其中，該速度指令可以根據以下方式中的至少一個計算得到的：

該速度指令是控制器根據位置閉環的輸出計算得到的；

該速度指令是控制器根據壓力閉環的輸出計算得到的；

該速度指令是控制器根據位置閉環的輸出和壓力閉環的輸出計算得到的，其中，位置閉環的輸出和所述壓力閉環的輸出中的一個作為主要參數，另一個作為輔助參數；

該速度指令是控制器將位置閉環輸出和壓力閉環輸出進行混合運算得到的。

本發明實施例中的控制方法分可為兩個層次：

底層：伺服驅動器通過電機軸的旋轉編碼器信號，實現實時高精度的電機轉速閉環控制，其控制原理如圖7所示。

上層：控制器根據不同的焊接參數，控制電動缸升降運動的速度曲線，由於接入測力傳感器和位置傳感器，在控制器內部還能構建壓力的閉環控制和位置的閉環控制，對整個焊接過程中的觸發壓力，焊接壓力和焊接深度等過程量進行高速控制。壓力閉環和位置閉環的控制框圖分別如圖8和圖9所示。

通過以上的閉環控制，運動控制器根據給定的壓力或位置指令，及反饋的實際壓力或實際位置信號，控制伺服電機運轉；使得實際壓力或實際位置快速準確的達到指令要求。

作為一個優選的實施方式，位置閉環包括：控制器接收由位置傳感器測量的位置信號，並根據該測量的位置信號和接收到的位置指令獲得該速度指令，並將該速度指令發送至伺服驅動器。

作為一個優選的實施方式，壓力閉環包括：控制器接收由測力傳感器測量的壓力信號，並根據該測量的壓力信號和接收到的壓力指令獲得該速度指令，並將該速度指令發送至伺服驅動器。

作為一個優選的實施方式，位置閉環和壓力閉環之間可以採用串聯控制或並聯控制，具體有幾種類型，包括：串聯控制和並聯控制。

在一個焊接過程中，通常包括多個階段。如，一個壓力觸發階段，多個焊接階段和一個保壓階段。在不同階段，控制的目標是不同的。比如，壓力觸發階段，壓力是控制目標，位置和速度是輔助控制參數；在焊接階段，壓力，速度或位置其中任意一個可能是控制目標，而其餘兩個則是輔助控制參數；在保壓階段，壓力或位置其中一個可能是控制目標，而其餘兩個則是輔助控制參數。

作為一種優選的實施方式，串聯控制可以包括兩種控制方式。

第一種串聯控制：位置閉環的輸出，作為壓力閉環的輸入，與壓力指令一同運算，最終輸出結果到伺服驅動器的速度給定上，如圖10所示，即位置閉環在前，壓力閉環在後。

這種模式一般用於這樣的場合：位置指令是主要控制目標，而在過程中，壓力指令作為限制，即實際壓力需要被限制在壓力指令的範圍內。

第二種串聯控制：壓力閉環的輸出，作為位置閉環的輸入，與位置指令一同運算，最終輸出結果到伺服驅動器的速度給定上，如圖11所示，即壓力閉環在前，位置閉環在後。

這種模式一般用於這樣的場合：壓力指令是主要控制目標，而在過程中，位置指令作為限制，即實際位置需要被限制在位置指令的範圍內。

作為另一個優選的實施方式，並聯控制包括：位置閉環的輸出和壓力閉環的輸出進行混合運算，其運算結果作為速度指令發送至伺服驅動器，如圖12所示。即在一個過程中，可以靈活地切換這兩種指令之一為控制目標，並且在切換時，速度不會突變，平滑過渡，達到壓力控制和位置控制無縫切換的理想結果。

需要說明的是，如上所述的控制方法(包括串聯控制和並聯控制)，並不僅限於壓力和位置這兩個過程信號，還可以包括其他的過程信號，本領域技術人員可以根據實際應用環境的需求，採用其他過程信號接入超聲波焊接機，並且採用串聯和並聯的方式構成多閉環的控制方法。

本發明提供的控制方法可以將壓力控制、位置控制和速度控制組合起來，共同控制伺服驅動器，從而可以靈活地適應不同的控制目標。

通過本發明提供的超聲波焊接機，採用純電動的運動控制系統來控制超聲波焊接機的焊頭的升降，焊頭的升降速度、焊接壓力、焊接深度等參數的精度較高，且升降速度快，大大縮短了焊接周期時間，提高了生產效率，使超聲波焊接機更適用於高精度的產品；同時，電動缸維護方便，只需定期潤滑即可，壽命比氣缸更長。

需要說明的是，這些技術效果並不是上述所有的實施方式所具有的，有些技術效果是某些優選實施方式才能取得的。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍內。