CN100513045C - 通过监控振动体的共振频率确定振动体和固定点之间间隙的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于监控振动体和基准之间间隙的系统和方法，其通过监控振动体的共振频率获得。振动体的一部分通过刚性安装系统固定在距离基准给定距离。振动体的共振频率被接收。然后，基于共振频率，确定与间隙长度的近似改变保持已知关系的量。

Description

通过监控振动体的共振频率确定振动体和固定点之间间隙的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于确定振动体和固定点之间间隙的方法和系统，更具体地，涉及基于振动体的共振频率得出这样一种测定的方法和系统。

背景技术

在超声焊接中(有时称作“声学焊接”或者“声波焊接”)，待连接的两个部件(典型地是热塑部件)被接近被称作超声“喇叭”的器械放置，该超声喇叭用于提供振动能量。这些部件(或者“工件”)被限制在喇叭和砧台之间。喇叭时常定位在工件和砧台的垂直上方。该喇叭典型地以20,000Hz到40,000Hz振动，典型地以摩擦热的形式，在压力下，将能量传递到部件。由于摩擦热和压力，至少其中一个部件的一部分变软或者融化，从而接合这些部件。

在焊接过程期间，交流(AC)信号提供到喇叭组上，该喇叭组包括转换器、调压器和喇叭。该转换器(也称作“变换器”)接收AC信号，并通过以与AC信号相等的频率压缩和扩张来进行响应。因此，声波穿过转换器到调压器。当声波波前传播通过调压器时，它被放大，并由喇叭接收。最后，波前传播通过喇叭，并被给予到工件上，从而将它们焊接在一起，如前所述。

另一种类型的超声焊接是“连续超声焊接”。这种类型的超声焊接典型地用于密封纤维和薄膜，或者其它“网”工件，其可以以一种通常连续的方式通过焊接设备供给。在连续焊接中，超声喇叭典型地是固定的，并且待焊接的部件在它下面移动。一种类型的连续超声焊接利用一个转动固定的棒喇叭和转动砧台。该工件被供给在棒喇叭和砧台之间。喇叭典型地纵向向工件延伸，并且振动沿着喇叭轴向传送到工件中。在另一个类型的连续超声焊接中，该喇叭是转动式，该喇叭是圆柱形，并且围绕纵向轴转动。输入振动是在喇叭的轴向上，输出振动是在喇叭的径向上。该喇叭靠近砧台放置，其典型地也能够转动，以致要焊接的工件以线性速度通过圆柱表面之间，该速度基本上等于圆柱表面的切向速度。这种类型的超声焊接系统描述在美国专利申请No.5,976,316中，其通过参考全部包括在这里。

在每个上述超声焊接技术中，待接合的工件在焊接过程期间被布置在喇叭和砧台之间。一种焊接的方式是通过固定喇叭和砧台之间的间隙。喇叭和砧台之间的间隙在工件正在被接合时产生了保持工件在适当位置的固定力。为了产生均匀、可靠的焊接操作，所希望的是保持在喇叭和砧台之间的固定间隙。

在操作期间，喇叭组的一个或多个部件，包括喇叭本身，通常经历温度上升。因此，喇叭组通常经历了热膨胀，随着喇叭组膨胀，喇叭和砧台之间的间隙减小-这是不利于前述产生均匀、可靠焊接操作目的的结果。

如前面所建议的，当前现有的超声焊接方案展现了一个缺点，由于喇叭组和砧台之间的间隙在后续焊接操作期间渐渐变窄。

发明内容

根据这个背景，发展了本发明。根据一个实施例，一种用于监控振动体和基准之间的间隙的方法，其中振动体的一部分通过刚性安装系统固定在距离基准给定距离，包括接收振动体的共振频率。基于共振频率，确定与间隙长度的大致改变保持已知关系的量。

根据另一个实施例，一种用于施加超声能量到工件的系统，包括喇叭组和安装系统，喇叭组安装在安装系统上。能量源耦合到喇叭组。该系统还包括具有用于支持工件的表面的砧台。控制器被配置成接收喇叭组的共振频率，并且确定与喇叭组和砧台之间的间隙的改变保持已知关系的量。

根据又一个其它实施例，一种用于施加超声能量到工件的系统，包括喇叭组和安装系统，喇叭组安装在安装系统上。系统还包括耦合到喇叭组的能量源以及具有用于支持工件的表面的砧台。该系统还包括用于确定与喇叭组和砧台之间的间隙的改变保持已知关系的量的装置。

附图说明

图1描绘了耦合到能量源的简单超声焊接喇叭组的实施例。

图2描绘了耦合到图1的超声焊接喇叭组的安装系统的实施例。

图3描绘了用于确定喇叭和砧台之间的间隙长度的系统的实施例。

图4A描绘了可以用作间隙确定部件的部分的表的示例性实施例。

图4B描绘了确定间隙长度方法的示例性实施例。

图5A描绘了用在连续超声焊接操作中的简单转动超声焊接喇叭的实施例。

图5B描绘了确定间隙长度的方法的示例性实施例。

图6描绘了用于保持焊接喇叭和砧台之间基本不变的间隙的系统的示例性实施例。

图7描绘了用于调节超声焊接系统中喇叭和砧台之间间隙的系统的示例性实施例。

图8A描绘了用于保持超声焊接系统中喇叭和砧台之间的基本不变间隙的系统的示例性实施例。

图8B描绘了用于保持超声焊接系统中喇叭和砧台之间的基本不变间隙的系统的另一示例性实施例。

图9A描绘了力确定部件的示例性实施例。

图9B描绘了力确定部件的示例性实施例。

图10描绘了一个用于调节超声焊接系统中喇叭和砧台之间间隙的系统的示例性实施例。

图11A描绘了由沿着喇叭的纵向轴传播的声信号驱动的喇叭的表面。

图11B描绘了由比图11A中声信号幅度更小的沿着喇叭的纵向轴传播的声信号驱动的喇叭的表面。

图12A描绘了用于控制喇叭和砧台之间的间隙的系统的示例性实施例。

图12B描绘了用于控制喇叭和砧台之间的间隙的系统的另一个示例性实施例。

图13描绘了用于结合调节器和幅值确定模块的操作的方法的示例性实施例。

图14描绘了用于结合调节器和幅值确定模块的操作的方法的另一示例性实施例。

具体实施方式

参考附图描述本发明的各个实施例，其中，在多个视图中相同参考数字都代表相同的部件和组件。对各个实施例的参考不限制本发明的范围，本发明的范围仅由这里附加的权利要求的范围限定。此外，任何在该说明书中阐述的实施例均不是倾向于限制，而是仅阐述了对于要求保护的发明的许多可能实施例中的一些。

图1描绘了简单的喇叭组100的实例，该喇叭组耦合到AC电能源102。如从图1中可见，喇叭组100包括转换器104、调压器106以及超声焊接喇叭108。在操作期间，AC源施加电能到转换器104，其通过以与AC信号相等的频率压缩和扩张来进行响应。因此，声波通过转换器104传送到调压器106。当声波波前传播通过调压器106时，它被放大，并且由焊接喇叭108接收。(在一些实施例中，喇叭108被设计成获得增益，消除对于调压器106的需要)。最后，波前传播通过喇叭108，于是，它被给予到定位在焊接喇叭108和砧台110之间的工件(图1中未示出)。喇叭组的其它实例在现有技术中是公知的，并且利用下面系统、方案和方法来起作用。

喇叭108与砧台110分隔图1中以“间隙”标记的距离。给予摩擦能量到工件的过程引起了喇叭组100的各个元件温度上升。当喇叭组100的元件温度上升时，它们展现出了热膨胀，意味着喇叭108和砧台110之间的间隔很可能在尺寸上改变，这取决于喇叭组100安装的特定方式。

图2描绘了对于图1的喇叭组100的简化示例性安装方案。安装方案利用了刚性的、通常分成三部分的框架200。该框架200包括第一部分202，在该部分上安装有砧台110，以及第二部分206，第二部分与喇叭组100上的节点邻接。例如，框架的第二部分206在图2中描绘为与调压器106的中点208耦合。框架200的第三部分204在第一和第二部分202和206之间延伸。

安装系统200保持砧台110的工件支持表面210和喇叭组100的一部分之间的基本固定距离。在这种情况下，安装系统200保持了砧台110的上表面210和调压器106的中点/节点208之间的基本固定距离。因此，在操作期间喇叭组100应该膨胀，喇叭组100从调压器106的中点208向外沿着组100的纵向轴膨胀，如图2中以“膨胀”标记的箭头所指示的。应该理解的是多种其它安装系统也可以保持砧台110的上表面210和喇叭组100的一部分之间的基本固定距离，并且这种其它安装系统在本申请的范围之内。

假定图2的安装布置，转换器104和调压器106上部分的热膨胀在间隙长度上没有产生效果(因为这些元件相对于框架200接合组100的点208的位置，这些元件自由地向上膨胀，也就是，远离砧台110)。另一方面，间隙长度受到调压器106下部分膨胀和喇叭108膨胀的影响-随着这些元件膨胀，它们向着砧台110膨胀，间隙收缩。

根据一个实施例，转换器104和调压器106保持在基本不变的温度。例如，转换器104和调压器106可以通过冷却系统冷却，例如通过一个或多个循环相对冷的空气到转换器104和调压器106的表面的风扇，以致基本保持它们的温度，并且由此基本抑制它们的膨胀。因此，根据这样一个实施例，任何喇叭组100长度上的改变可以认为是基本上由于焊接喇叭108的膨胀。

此外，根据一些实施例，喇叭108通过冷却系统冷却，以致在操作期间抑制或降低变热的倾向。通常，这样一种方案不能完全消除喇叭108的热膨胀，意味着它仍展示出一些程度的热膨胀，如果要保持间隙长度基本不变，那么应该给予考虑这一点。

公知的是，给定体的长度与给定体的共振频率成反比例。用另一种方式阐述，当体长度增长时，它展示了更低的共振频率。因此，当喇叭组100长度增长时，如所发生的，例如通过热膨胀效力，它展示出了更低的共振频率。具体的，体的长度，1，通过下述等式与它的共振频率f相关：

$l\≈\frac{\sqrt{E/\mathrm{\ρ}}}{2f},$

其中，E代表物体的弹性系数，p代表物体的密度。如果物体是复合物(例如，由多个部件构成，或者具有由不同材料形成的多个部分，等)，考虑它的各个部件，E和p可以被赋予代表这些材料性能的值(例如，可以是加权平均值等)。

根据一些实施例，能量源102检测喇叭组100的共振频率f，为了生成与之频率相等的AC信号。例如，能量源102可以提供给喇叭组100展示出特定峰峰电压(或者均方根电压)的正弦信号。在保持正弦信号的峰峰(或者RMS)电压不变的同时，能量源102调节信号的频率，找到喇叭组100提取最小电流的频率——该频率是喇叭组100的共振频率。因此，每个这种实施例，组100的共振频率可以从能量源102获得。根据其它实施例，组100的共振频率可以利用检测器通过观察组100来检测到。

在获得喇叭组100的共振频率之后，组100的全部长度可以通过以与前述物理原理相似的方式，通过将共振频率与喇叭组长度相关来获得。假定转换器104和调压器106冷却，以致基本抑制了由此的热膨胀效果，喇叭组100的长度可以与间隙长度相关。例如，根据图2的方案，间隙长度和喇叭108的长度，1，通过下述等式相关：

间隙长度≈D-1，

其中D是代表喇叭108顶部和砧台110工件支持表面210之间长度的大致不变的值。

图3描绘了一种用于确定焊接喇叭108和砧台110的工件支持表面210之间的间隙长度的系统。图3的系统包括提供声信号到喇叭(和调压器)302的超声电源300(例如，提供AC信号到转换器而转换器接着将信号转换成声波的电源)。超声电源300由控制器电路来控制，例如，通过与存储控制超声电源300操作的固件/软件的存储设备进行数据通信的处理器来控制。可选择地，控制器电路可以实施为基于硬件的控制回路。在任何一个情况下，超声电源300的控制器识别喇叭组的共振频率，命令其中的电源信号发生电路与转换器合作以获得与之频率相等的声信号。电源300内的控制器可以与间隙确定部件304接口。

间隙确定部件304接收喇叭组的共振频率，并且生成与间隙长度保持已知关系的量。根据一个实施例，间隙确定部件304是在耦合到存储部件的处理器上执行的软件模块。间隙确定部件304可以在与其上执行控制超声电源300的固件的处理器相同的处理器上执行。可选择地，它可以在与之进行数据通信的不同的处理器上执行。在任何一个情况下，由间隙确定部件304执行的软件/固件可以根据参考附图4A-5B讨论的方案(下面)运行。

根据可选择的实施例，间隙确定部件304可以从除了超声电源300之外的源接收喇叭组的共振频率。例如，该系统可以包括检测器306，该检测器观察喇叭组，测量它的共振频率，并且传递该共振频率到间隙确定部件304。在下面的讨论中，仅为了实例的目的，假定共振频率源自超声电源300。

图4A描绘了一种间隙确定部件304可以利用其操作的方案。间隙确定部件304可以包括存储在存储设备中的表400。该表400根据共振频率组织，并且将间隙长度G和共振频率f相关。因此，在接收到共振频率f之后，间隙确定部件304利用共振频率来访问表400，并且确定对应于该共振频率f的间隙长度G。例如，假定间隙确定部件304接收频率f₂作为输入，部件304通过访问表400响应，以识别对应于频率f₂的行。在识别该行之后，返回输入到其中的间隙长度G₂。任选的，表400可以被访问从而确定喇叭组100的长度L，或者确定任何其它与间隙长度保持已知关系的量。假定间隙确定部件304接收值f_x作为输入，并且假定f_x落入连续表条目之间(也就是，f_i<f_x<f_i+1，)，于是，间隙确定部件304可以访问表400，从而获得间隙长度值G_i和G_i+1，并且可以在两个值之间插值，从而得出对应于共振频率f_x的间隙长度。

表400中的各个条目可以事先利用启发式过程来填充，其中对于每个频率f，在表格400中记录喇叭组100的长度和间隙的长度。可选择地，表400中的各个条目可以以与上面描述的相似的方式通过理论计算来填充。

图4B描绘了间隙确定部件304可以利用其操作理论计算的另一个方案。例如，间隙确定部件304可以通过接收喇叭组100的共振频率开始它的操作，如在操作402中所示。此后，基于共振频率，部件304通过使用基于例如在操作404中显示的等式隐含的物理原理的等式，来计算喇叭108的长度L作为响应。最后，如操作406中所示，基于从采用的安装方案出现的特定几何约束的知识，部件304可以将在操作404中确定的长度L与间隙长度相关。例如，在图2的安装方案关系中，间隙长度可以得出为：

间隙长度＝D-L，

其中，D代表喇叭108的顶部和砧台110工件支持表面210之间的距离，并且L代表喇叭的长度。

图5A描绘了用于连续超声焊接的焊接喇叭500的实例。其中喇叭500包括喇叭500可以围绕其转动的纵向轴502。喇叭500由安装系统约束(未在图5A中描绘)，以致间隙保持在喇叭和砧台504之间。喇叭组可以安装在系统上的任何节点处。喇叭的纵向轴502基本上平行于砧台504的工件支持表面506。

基于喇叭组的共振频率来确定喇叭和砧台之间的间隙长度的前述原理可应用到图5的喇叭500。当材料热膨胀时，它们在所有方向上以相等比例膨胀。因此，描绘在图5B中的下述技术可以用于确定喇叭和砧台之间的间隙长度。

最初，如操作508中所示，焊接组的共振频率被接收。此后，喇叭502的长度L，基于频率，以与上述相似的方式确定(操作510)。如前，图5A的焊接组被冷却，以致转换器(图5A中未示出)和调压器(图5A中未示出)在操作期间保持基本不变的温度，因此，抑制了它们的热膨胀和在系统共振频率上的效果。

由于喇叭500在所有尺寸上按比例膨胀，因此它的长度L和它的半径B之间的比率保持不变。因此，在计算喇叭502长度之后，它的半径可以通过将该长度与前述比率B相乘得出，如操作512所示。最后，间隙的长度可以通过从喇叭500的纵向轴和砧台504的工件支持表面506之间的距离D减去半径获得，如操作514所示。

应该注意的是，与图5B描述的方法相关的结果存储在表内，如参考图4A描述的。因此，间隙长度，或者任何与之具有已知相关的值，基于喇叭组的共振频率，可以通过访问这样的表来获得。

图6描绘了基于观察喇叭组的共振频率用于保持喇叭和砧台之间基本不变间隙的控制系统。该系统包括喇叭组600和耦合到其上的电源602。根据一个实施例，电源602确定喇叭组600的共振频率，如上所述。

位置调节器606耦合到喇叭组。在输入信号的控制下，位置调节器606朝向或者远离砧台地调节焊接组600。在提供到调节器606的输入信号和它的对其响应之间存在已知的关系。位置调节器606与控制信号发生器604进行数据通信。控制信号发生器604接收喇叭组的共振频率作为输入，生成提供给位置调节器606的控制信号。给定喇叭组600的共振频率和位置调节器606的响应和它的输入信号之间的关系，控制信号发生器604产生保持砧台和喇叭之间基本不变间隙的控制信号。

控制信号发生器604可以实施为控制电路，例如与根据上述原理存储固件/软件的存储设备进行数据通信的处理器。它可以可选择地实施为产生上述控制信号的ASIC，从而保持基本不变的间隙。在说明书的下述部分中，公开了位置调节器的特定实施例。不一定采用下面为了实践本发明而公开的位置调节器。而且，说明书的前述部分的目的在于基于喇叭组的共振频率来确定喇叭长度或间隙长度的特定方法。根据其它实施例，这种确定可以通过测量喇叭组的温度或者它的各个组件的温度得出。

图7描绘了用于调整喇叭和砧台之间间隙的系统的示例性实施例。其中的系统包括定向在砧台704的工件支持表面702上方的喇叭700。喇叭700刚性耦合到框架706上。框架706包括滑块708，该滑块与接收器710啮合，以致框架706和喇叭700可以垂直平移。

框架706还包括通过一对构件714耦合到框架706上的力接收板712。通过力施加器(未在图7描绘)向力接收板712施加力。该力向砧台704推动喇叭700。力的方向由箭头713指示。该力具有引起接触表面716邻接弹性应变止挡718的效果。施加到弹性应变止挡718的力引起了止挡718变形，并且从而展示了向下偏转(也就是，在砧台704方向上的偏转)。通常，施加到板712上的力越大，由止挡718展示出的向下偏转越大。由止挡718展示的偏转越大，喇叭700和砧台704之间的间隙越小。

为了保持喇叭700和砧台704之间的不变间隙，可以采用下面的方案。当喇叭700处于未升高的温度时，向板712施加最初的力，从而引起喇叭700和砧台704之间的间隙建立在“理想的”长度。当在操作期间喇叭700热膨胀时，间隙逐渐变小。为了抵消这种效果，施加到板712的力减小，引起止挡718展示出较小的偏转，意味着喇叭700和框架向上平移(也就是，远离砧台)。因此，喇叭700和砧台704之间的间隙可以通过控制到板712的力的应用而保持基本不变。为了确保该方案的功能性，施加到板712的最初的力应该具有足够的幅度，从而引起止挡718展示至少在程度上与要抵消的预期热膨胀一样大的偏转。

应变止挡714是弹性的，并且优选地具有相对较高的弹性系数。通过选择具有相对较高弹性系数的材料，设置了一个环境，在这个环境中，偏转止挡714的力相比较过程力(也就是通过喇叭施加在工件上的力)是较大的。这种安排提供了容易的控制设计。根据一个实施例，止挡714可以由钢制成，或者其它合适的材料制成。根据一个实施例，施加到止挡714上的力不会引起其中材料超出它的弹性范围(也就是，在撤回力时，止挡714会返回到最初形状)。此外，根据一个实施例，止挡714展示了与施加到其上的力成比例的偏转，也就是，在施加到止挡714上的力和由此展示的偏转的程度之间存在线性关系。

图8A描绘了与图7的示例性调整系统一同使用的控制系统的实例。(下面讨论的图8A中的各个部件804-810，可以实施为存储在计算机可读介质并由处理器执行的软件模块，或者实施为专用硬件，例如一个或多个特定用途集成电路，或者可以实施为现场可编程门阵列。此外，部件804-810可以为了设计选择的方便而组合或分开)。如可以从图8A中看出的，该系统包括耦合到超声能量源802的喇叭800。间隙确定部件804确定喇叭800和砧台(未描绘在图8中)之间的间隙。根据一个实施例，间隙确定部件804获得了来自于电源802的焊接组的共振频率，并且由此确定间隙。根据另一个实施例，间隙确定部件804通过对喇叭的观察检测喇叭800的共振频率。根据又一个实施例，间隙确定部件804通过测量喇叭的温度，由此推理喇叭的长度，并且基于该喇叭长度得出间隙长度，从而得出间隙长度。

由间隙确定部件得出的间隙长度提供给力确定部件806。力确定部件806确定要施加到框架(例如，图7中的板712)上的力，以便保持间隙基本不变的长度。由间隙确定部件806得出的力提供给控制信号发生器808。控制信号发生器808产生控制信号，并将该控制信号传达到力施加器810。该力施加器810展示了接收的控制信号和它施加的力之间的已知的关系。因此，控制信号发生器808根据该关系产生控制信号。

图8B描绘了间隙确定部件804和力确定部件806的示例性实施例。(如具有图8A部件的情况，下面讨论的图8B的各个部件，可以实施为存储在计算机可读介质中并由处理器执行的软件模块，或者可以实施为专用硬件，例如一个或多个特定用途集成电路，或者实施为现场可编程门阵列。此外，图8B的部件可以为了设计选择的方便而组合或分开)。可以从图8B中看出的，间隙确定部件804包括长度确定部件812和间隙确定部件814。长度确定部件812接收喇叭组的共振频率，并应用参考图4A和4B描述的其中一种方法来确定喇叭的长度。此后，喇叭的长度由间隙确定部件814接收。间隙确定部件814通过喇叭长度的知识以及由安装方案施加的特定几何关系(例如，间隙长度可以等于从喇叭顶部到工件支持表面的长度与喇叭长度之间的差，间隙＝D-L)来得到间隙长度。

在得出间隙长度后，该值被提供给力确定部件806。力确定部件806得出施加到框架上的力，以便保持间隙基本不变。得出的力是一些因素的函数：止挡的长度L_stop，止挡的弹性系数E，止挡的横截面面积A，最初间隙长度和由间隙确定部件804得出的间隙长度之间的差Δ，以及组装系统偏转。

图9A描绘了力确定部件806可以利用其操作的方案。力确定部件806可以包括存储在存储设备中的表900。该表900根据共振间隙长度G来组织，并且将力F与间隙长度G相关。因此，在接收到间隙长度G之后，力确定部件806利用间隙长度来访问表900，并且确定对应于该间隙长度G的力F。例如，假定力确定部件806接收间隙长度G₂作为输入，部件806通过访问表900来响应，以识别对应于间隙长度G₂的行。在识别出该行之后，返回在这里输入的力F₂。任选的，表900可以被访问，用于确定提供给力施加器810的控制信号C，或者用于确定任何其它与施加在框架上的力保持已知关系的量。假定力确定部件806接收值G_x作为输入，假定G_x落入连续表条目之间(也就是，G_i<G_x<G_i+1)，于是，力确定部件806可以访问表900以获得力值F_i和F_i+1’并且可以在两个值之间插值，从而得出对应于间隙长度G_x的力。

表900中的各个条目可以事先由启发式过程填充，其中在表900内，确定施加到框架上的力和对应于其的控制信号用实验方法对于每个间隙长度G。可选择地，表900中的各个条目可以以与下面参考图9B描述的相似的方式通过理论计算来填充。

图9B描绘了力确定部件806利用其可以操作理论计算的另一个方案。例如，力确定部件806可以通过接收由间隙确定部件804计算的间隙长度CG开始它的操作，如在操作902中所示。此后，部件806通过计算最初间隙IG和计算的间隙CG之间的差来响应，如操作904中所示。该差Δ指的是为了使间隙返回到最初长度必须减小的止挡偏转的量。因此，在操作906中，施加到框架上的新力F_new可以通过在此显示的方程中求解F_new得出。

图10描绘了用于调整喇叭和砧台之间间隙的系统的另一个示例性实施例。焊接系统1010具有固定到支持表面1017上的焊接系统1030以及固定到支持表面1018上的砧台1021。焊接系统1030包括：喇叭1032，该喇叭由喇叭支架1020支持，并且相对于表面1017可以移动；关于表面1017固定的具有支持板1056的固定止挡1055；以及可膨胀的气动气囊1061。

气囊1061被用来施加力以向砧台1021移动喇叭支架1020和喇叭1032；该力通过调整气囊1061中的空气压力进行控制。当表面1025接触固定止挡1055时，支持板1056在施加的力下轻微偏转。

在一个特别实施例中，焊接预期产品的最小可允许力是600磅(大约272kg)，其由气囊1061中的30-psig(大约270kPa)空气压力生成。预期固定间隙是0.0020英寸(大约0.05mm)。

在用钛喇叭操作中，可以确定的是温度将会从房间温度增加最大50℉(大约27.7℃)，这会将喇叭长度增加0.0010英寸(大约0.025mm)。因此，如果没有作出补偿的话，喇叭1032和砧台1021之间的间隙减小了0.0010英寸(大约0.025mm)。支持板1056的偏转已知为每675磅力(大约306kg力)0.0010英寸(大约0.0025mm)。因此，利用室温喇叭施加的力必须至少是1125磅(大约510kg)，或者60psig(大约414kPa)。当喇叭操作并在长度上增加时，施加的空气压力从60psig(大约414kPa)减小到30psig(大约207kPa)，从而保持喇叭和砧台之间的间隙不变。

焊接仪器，通常配置成利用可变形止挡组件来控制砧台和喇叭之间的距离，焊接仪器包括具有固定止挡的砧台、喇叭以及力施加器，该力施加器被安装使得能够施加力以相对于固定止挡压紧紧靠喇叭，以致固定止挡的弹性变形提供了在喇叭和砧台之间的间隙上的微调控制。该仪器可以包括监控喇叭的特有特性和控制施加到喇叭上的力的传感系统，以致，不管特有特性上的改变而将喇叭和砧台之间的间隙保持在固定值。监控的特性可以是例如温度、长度或喇叭的振动频率。

为了补偿由于热膨胀产生的喇叭长度增加，可变形并固定的止挡的使用，可以与转动砧台、固定砧台、转动喇叭、固定喇叭或者上述的任何组合一起使用。

在使用中，要接合的工件将定位在喇叭和砧台之间，能量会施加到喇叭，喇叭将会被激励，并且力会施加到喇叭，从而推动固定止挡紧靠喇叭，以致固定止挡的弹性变形提供了喇叭和砧台之间的间隙的微调控制。

为了采用上面讨论的方法，人们可以对于一个系统确定数据，并且将它配合到特定部件的控制系统中使用的方程中。申请者已经对于上述系统采用了下面的方法，但是，该方法可以应用到不同配置的其它系统。这些方程可以利用工程原理或者利用来自于单个系统的测量数据来导出。

方程2-5是对于两个变量的线性系统的最佳拟和。方程的斜率和截距根据经验从系统的最佳拟和测量数据来确定。测量变量之间的关系可以相似地产生任何特定系统的斜率和截距。优选的，系统在操作区域表现为线性，但是，如果系统是非线性的，可以采用二阶或更高阶的方程。

申请者已经开发和采用了下面描述的方法用于在超声焊接期间控制间隙。

首先，对于如上述的转动超声系统，下面的参数可以确定。

(1)喇叭直径＝6.880”

(2)环境温度℉＝65℉

(3)在环境温度的频率＝19.989KHz

(4)设定间隙处的压力＝72.5psig

(5)对于过程的间隙设定点＝2mils(1mils＝0.001英寸)

喇叭的材料特性也是已知的。

(6)热膨胀系数α

α_Titanium＝5.4 x 10^-6degF/inch/inch

α_Aluminum＝5.4 x 10^-5degF/inch/inch

当系统被激励并操作时，喇叭温度会增加。于是接下来，可以确定温度T_final会是多少，当连续焊接时在该温度下不会存在剩余间隙(也就是，2.0mil间隙到零，例如，喇叭和砧台之间接触)。该温度通过求解方程1可以得出：

(方程1) $T_{\mathrm{final}}=\left(\frac{2*\mathrm{IG}*{10}^{-3}}{D*\mathrm{\&alpha;}}\right)$

在方程1中，T_final是间隙消失的温度，IG是当系统建立并未操作时设定和测量的最初间隙(以mils计)，D是转动喇叭的外直径，并且α是喇叭材料的热膨胀系数。利用对于铝喇叭的上述输入求解方程给出172.7degF的温度，基于操作期间的喇叭的加热在该温度下间隙变成零。因此，如果喇叭加热到172.67℉，将不会有间隙剩余。因此仔在温度的上限。对于任何给定系统的上限可以利用对于转动系统的方程1得出。本领域的普通技术人员也将了解相似的方程也可以对于其它几何结构导出，并且为了避免间隙消失的最高操作温度可以被确定。

由于在喇叭的动态共振状态上很难测量温度时，申请者开发了利用待用品的给出非直接但是准确的温度测量。替代直接测量温度，喇叭的频率通过测量操作期间喇叭的频率以及然后通过利用下面的方程2确定温度来确定：

(方程2)λ_min＝-0.0017*T_final+20.096

在方程2中，λ_min是在间隙到零之前喇叭可以操作的最小频率，并且线性方程的系数已经通过试验根据试验确定。对于输入参数求解方程2，当喇叭频率降到小于19,802赫兹时，间隙将到零。由于喇叭的频率是利用通常由本领域普通技术人员所使用的标准装备容易测量的参数，因此可以利用方程1和2来确定保持间隙不闭合的转动系统最小的操作频率，这种闭合可以导致产品损坏，并且由于接触还会损坏喇叭和/或砧台。

利用方程1和2，现在具有将间隙与温度以及将温度与频率相关的能力。因此，可以将间隙与频率相关。在正常的操作期间，当材料在间隙(或箝)中时，很难测量间隙，但是利用上述原理，频率可以用来确定间隙。喇叭频率与喇叭和砧台之间间隙之间的关系可以利用下面的方程3确定(其或者可以对于作为频率函数的间隙求解，或者反过来求解)：

(方程3)λ＝0.0965*Gap+19.7925

在方程3中，λ是喇叭频率，Gap以mil为单位测量的(1mil＝0.001英寸)。对于1mil的间隙求解方程3给出了19,889赫兹的频率。注意，现在存在一种方法来确定作为频率函数的间隙的改变。使用通过方程1—3确定的信息，施加到喇叭/砧台布置上的力可以被控制，从而在喇叭组件的操作期间当喇叭温度和频率改变时保持操作间隙不变。

为了控制间隙，并且将其保持不变的操作值，施加到系统的压力被控制，从而补偿在操作期间随着喇叭变热的喇叭的热膨胀。返回来参考上面的实例，当间隙减小到1mil时，需要减小施加到系统上的压力，以致系统可以保持或者返回到原始的间隙设定2mils。因此，为了补偿热膨胀，压力减小到使得间隙返回到2mils。

为了正确地减小压力，首先需要确定压力和频率之间的关系，如下面方程4所示：

(方程4)P_compensation＝-367.3404*λ+7412.7731-P_setpoint

其中，P_compensation是系统压力(每平方英寸规格的磅数)上的减小，λ是从方程3确定的频率，P_setpoint是在最初间隙设定点的压力。

例如，利用上述参数，可以确定当由于热膨胀喇叭膨胀1mil时移动回复到最初2mils间隙所需要的压力减小。

实例：如果间隙改变到1mil需要的压力补偿是多少？

首先从方程3计算在1mil间隙的频率(该值是19.889KHz，如之前确定的)。接着，将该值代入方程4，得到：

Pc_ompensation＝-367.3404*(19.889)+7412.7731-72.5

           ＝106.7399-72.5

P_compensation＝34.24psig(操作压力上的减小)

在已经确定压力之后，为了补偿热膨胀，可以检验在压力补偿处的间隙是多少。该间隙应该是粗略的等于最初间隙加上由于热膨胀的间隙改变。为了检验，首先由下面的方程5确定压力和间隙之间的关系：

(方程5)P_compensation＝35.461*(间隙@压力补偿)+142.205

例如，在34.24psig的压力补偿(由方程4)处，可以重新整理方程5，并且求解间隙：

间隙@压力补偿＝(34.24-142.205)/-35.461＝3.045mils

因此，可以验证该模型，因为最初的间隙设为2.0mils，间隙改变是1mil。因此，为了补偿由于操作期间喇叭变热的膨胀，会将间隙打开1mil，从而恢复原始的2.0mil间隙。

因此，利用为了确定操作参数的上面讨论的方程(或者对于线性喇叭或者其它几何结构导出它们的等价方程)，可以对于转动超声焊接过程确定操作限制。例如，利用方程1以及间隙设定点的值(目标)得出操作温度限制。利用方程2以及利用由方程1的温度限制值得出超声喇叭的操作频率限制。利用方程3并利用间隙值作为输入得出间隙改变处的频率。利用方程2，但是利用由方程3确定的频率值得出在间隙改变处的温度。利用方程4，但是利用由方程3的频率值得出对于间隙改变的压力补偿。利用方程5，但是利用由方程4的压力补偿值得出在压力补偿处(环境温度)的间隙。

存在另一个可以控制喇叭和砧台之间的间隙的方案。如前所述，在超声焊接环境中，喇叭由声信号驱动，通常在20,000-40,000Hz范围内。图11A描绘了当声波沿着喇叭的纵向轴传播时喇叭的表面1100。声波的传播方向由箭头1102表示。如可以从图11A看出的，当声波沿着喇叭的纵向轴传播时，喇叭表面1100被扰动，并且展示出在其上的驻波波形。驻波波形1104展示出了峰峰幅值，被称为由喇叭表面展示的“位移”。峰峰幅值或者表面位移，是沿喇叭传播的声信号的幅值的函数。当然，声信号的幅值是提供给耦合到喇叭的转换器的电信号的幅值。因此，由喇叭表面1100展示的位移是提供给转换器的电信号的幅值的函数。典型的，提供给转换器的电信号的幅值越大，沿着喇叭传播的声信号的幅值越大；声信号的幅值越大，在喇叭表面1100上展示的位移越大。

如可以从图11A看出的，喇叭表面1100和砧台1106表面之间的间隙是位移的函数。当喇叭展示了较大的表面位移时，喇叭表面和砧台表面之间的间隙缩小。

在继续进行之前，应该指出的是，图11A和11B没有按比例绘制，并且其中的一些特征，诸如表面位移，已经为了显示的目的夸张了。(例如，当在正常条件下操作时，典型的喇叭可以展示出大约2-3mils的表面位移)。

为了讨论，激发图11A中显示的表面位移的电压信号的幅值被称为Amplitude₁。图11B描绘了如当由具有Amplitude₂幅值的电压信号激发时出现的图11A的喇叭表面1100(Amplitude₂小于Amplitude₁)。如从图11A和11B之间的比较可以看出的，当激发喇叭的电压信号幅值缩小时，喇叭1100的表面和砧台1106之间的间隙增长，因为喇叭1100表面不是那么大的朝向砧台移动。

如前提到，在典型的焊接操作期间，例如，喇叭可以展示出在3mils数量级上的表面位移。然而，即使表面位移减少了例如33％，焊接操作仍可以产生满意的产品。因此，每个前述的实例，焊接操作可以利用展示了与2mils一样小的位移的喇叭操作。于是，紧接着，焊接操作可以利用足够激发3mils表面位移的幅值的电信号来启动。在操作期间，喇叭经历了热膨胀，意味着喇叭和砧台之间的间隙随着喇叭向砧台膨胀而缩小。为了抵消这种效果，激发喇叭的电信号的幅值可以被衰减，以致产生小于原始3mils的表面位移，从而保持基本不变的间隙。当然，在需要至少2mils位移产生合适产品的操作的情况下，电信号不应该被衰减到以至于喇叭表面展示出小于需要的2mils位移的程度。

图12A中显示了一个用于控制喇叭和砧台之间的间隙的系统的示例性实施例。如从图12A中可见的，该系统包括喇叭1200(其依次包括转换器和调压器)，该喇叭提供有来自于电源1202的AC电信号。电源1202将喇叭1200的共振频率传递到间隙确定模块1204。(如前描述的，电源1202检测喇叭组的共振频率，并在那个频率驱动喇叭组)。

基于共振频率，间隙确定模块1204确定喇叭的长度(或者，可以确定间隙上的改变，或者可以确定任何其它与喇叭长度保持已知关系的值)，如前所述。此后，间隙长度(或者其中改变)被提供到幅值确定模块1206。作为响应，幅值确定模块识别要由电源提供的电信号的合适的幅值，以便保持间隙基本不变。该幅值可以从查找表中检索到，或者可以通过计算得出。由此确定的幅值被传递到控制信号发生模块1208，该控制信号发生模块生成适当的命令和控制信号，从而引起电源1202将信号的幅值调节到由幅值确定模块1206选择的幅值。

如前面描述的，模块1204-1208的每个可以实施为专用硬件，例如彼此合作的一个多个ASIC。可选择的，模块1204-1208可以实施为存储在存储器中并且由与之通信的处理器执行的软件/固件。如果实施为固件/软件，为了设计选择的方便，构成模块1204-1208的指令可以由相同的处理器执行，或者可以由多个处理器执行。

图12B描绘了一种用于控制喇叭和砧台之间间隙的系统的另一个示例性实施例。图12B的系统利用了两个不同的方案，通过这两个方案间隙可以进行调整：(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。如从图12B中可见的，该系统包括喇叭1210(其依次包括转换器和调压器)，该喇叭提供有来自于电源1212的AC电信号。电源1212将喇叭1210的共振频率传递给间隙确定模块1214。(如前所述，电源1212检测喇叭组的共振频率，并且在那一频率驱动喇叭组。)

基于共振频率，间隙确定模块1214确定间隙的长度(或者，可以确定间隙中的改变，或者可以确定任何与间隙长度保持已知关系的值)，如前描述的。此后，喇叭长度(或者其改变)提供给幅值确定模块1216以及调节器1220。调节器1220是可以改变喇叭位置的系统，例如图7和10中显示的调整系统，其通过改变角度改变弹性止挡的变形来调节喇叭的位置。如图12A的实施例的情况，幅值确定模块1216识别要由电源提供的适当的电信号的幅值，以便保持间隙基本不变。然而，幅值确定部件1216与调节器1220合作，联合地调节位置和/或调节由电源1212提供的AC信号的幅值，以便获得基本保持不变的间隙的最终目的。

例如，根据一个实施例，幅值确定部件1216和调节器1220根据图13中描绘的方法操作。如其中所示，模块1216和1220从间隙确定部件1214接收间隙长度或者其改变，如操作1300所示。此后(假定实施例中，调节器1220包含压紧喇叭紧靠应变弹性止挡的力施加器)，幅值确定部件1216从调节器1220接收在那里施加的力(操作1302)。接下来，如操作1304中显示的，该力与用于喇叭操作的容许力的下限比较。如果力仍高于该限，调节器1220确定应用需要的新力，并相应的调整该力(操作1306)。另一方面，如果该力已经达到了下限，则该力不应该进一步减小，控制进行到操作1308，其中确定是否表面位移的幅值已经达到了它的下限。如果没有，控制转移到操作1310，在那幅值确定模块1216识别要由电源提供的合适的电信号的幅值，以便保持间隙基本不变。由此确定的幅值被传递到控制信号发生模块1218，其生成适当的命令或者控制信号，引起电源1212将信号的幅值调节到由幅值确定模块1216选择的信号的幅值。另一方面，如果表面位移的幅值已经达到了它的下限，则控制转到操作1312，产生警报，以指示该间隙在没有减小它容许限度之下的过程力或者减小它的容许限度下面的表面位移的情况下，不能保持在不变的长度。

尽管图13的操作描述为由幅值确定模块1216执行，但是这些操作可以通过图12B中描绘的任何一个模块执行，或者可以由专门与幅值确定模块1216和调节器1220的操作协调的另一个模块执行。

此外，应该注意的是，在操作1302中，调节器1220可以将喇叭的位置传递到执行图13的方法的模块。然后，在操作1304中，喇叭的位置可以与表达调节器1220将喇叭从砧台收回能力的位置限制做比较。换句话说，在操作1304中，确定是否调节器1220已经如它所能够做的将喇叭从砧台收回。

根据另一个实施例，幅值确定部件1216和调节器1220根据图14中描绘的方法操作。如其中所示，模块1216和1220均接收来自于间隙确定部件1214的间隙长度或者其改变，如操作1400所示。此后，(再次假定该实施例中调节器1220包含压紧喇叭紧靠应变弹性止挡的力施加器)，幅值确定部件1216从调节器1220接收在那里施加的力(操作1402)。接下来，如操作1404中显示的，确定是否表面位移的幅值已经达到了它的下限。如果没有，控制转移到操作1406，在这里幅值确定模块1216识别要由电源提供的合适的电信号的幅值，以便保持间隙基本不变。由此确定的幅值被传递到控制信号发生模块1218，其生成适当的命令或者控制信号，引起电源1212将信号的幅值调节整到由幅值确定模块1216选择的信号的幅值。另一方面，如果由喇叭展示的表面位移的幅值已经达到了它的下限，则该力不应该进一步减小，控制转到操作1408，其中确定是否在操作1402期间接收的力的值在焊接操作的容许力的下限。如果该力仍在该限之上，则调节器1220确定应用需要的新力，并且由此调节该力(操作1410)。另一方面，如果该力已经达到了它的下限，则控制转到操作1412，将产生警报，指示该间隙在没有减小它容许限度之下的过程力或者减小它的容许限度之下的表面位移的情况下，该间隙不能保持在不变的长度。

尽管图14的操作描述为由幅值确定模块1216执行，但是这些操作可以通过图12B中描绘的任何一个模块执行，或者可以由专门与幅值确定模块1216和调节器1220的操作协调的另一个模块执行。

此外，应该注意的是，在操作1402中，调节器1220可以将喇叭的位置传递到执行图14的方法的模块。然后，在操作1408中，喇叭的位置可以与表达调节器1220将喇叭从砧台收回能力的位置限做比较。换句话说，在操作1408中，确定是否调节器1220已经如它所能够做的将喇叭从砧台收回。

在阅读和理解了上述用于控制超声焊接系统的前述过程之后，本领域技术人员会理解对于系统的间隙控制可以通过测量喇叭的操作频率、调节例如控制间隙的压力的力来获得。对于任何喇叭几何形状，包括线性和转动喇叭，可以根据经验导出或确定特别的方程。

上面描述的各种实施例仅以示例的形式给出，并且不应该解释为对于本发明的限制。本领域技术人员会容易地识别，在不按照这里示出和描述的实施例和应用，以及不背离下面权利要求中陈述的本发明精神与范围的情况下，可以对本发明作出各种调整和改变。

Claims (20)

1.一种用于监控振动体和基准之间的间隙的方法，其中振动体的部分由刚性安装系统固定在距离基准给定距离，该方法包括：

接收振动体的共振频率；

基于共振频率，确定与间隙长度的改变保持已知关系的量；以及

调节所述振动体的固定部分和基准之间的给定距离，以基本保持不变的间隙长度。

2.权利要求1的所述方法，其中振动体是复合物。

3.权利要求2的所述方法，其中复合物振动体包含转换器、调压器和超声喇叭。

4.权利要求1的所述方法，其中确定与间隙长度的改变保持已知关系的量的行为包括：

访问表，从而获得对应于所述共振频率的间隙长度。

5.权利要求1的所述方法，其中确定与间隙长度的改变保持已知关系的量的行为包括：

访问表，从而获得对应于共振频率两侧的频率的第一和第二间隙量；以及

在第一和第二间隙量之间插值，从而得出间隙长度。

6.权利要求1的所述方法，其中确定与间隙长度的改变保持已知关系的量的行为包括：

作为振动体的共振频率和材料特性的函数计算振动体的长度。

7.权利要求6的所述方法，材料特性包括所述振动体的密度。

8.权利要求6的所述方法，材料特性包括所述振动体的弹性系数。

9.权利要求1的所述方法，还包含：

检测所述振动体的共振频率。

10.权利要求1的所述方法，其中调节所述振动体的固定部分和基准之间的给定距离是基于所述振动体的共振频率来进行的。

11.权利要求10的所述方法，其中，基于从所述振动体的共振频率得出的控制信号，调节振动体的固定部分和基准之间的给定距离。

12.一种用于施加超声能量到工件的系统，该系统包括：

喇叭组；

安装系统，喇叭组安装在该安装系统上；

耦合到喇叭组的能量源；

具有用于支持工件的表面的砧台；

控制器，配置成接收所述喇叭组的共振频率，并且确定与喇叭组和砧台之间的间隙的改变保持已知关系的量；以及

耦合到所述喇叭组的位置调节系统，用于调节喇叭组的位置，以在系统操作期间保持所述喇叭组和所述砧台之间的基本不变的间隙。

13.权利要求12的所述系统，其中所述喇叭组包括：

转换器、调压器和喇叭。

14.权利要求12的所述系统，其中安装系统基本上在所述喇叭组的节点处与喇叭组配合。

15.权利要求12的所述系统，其中所述喇叭组具有喇叭围绕其转动的纵向轴，并且，其中纵向轴基本上与所述砧台的支持表面平行。

16.权利要求12的所述系统，其中喇叭组具有纵向轴，并且其中纵向轴基本上垂直于所述砧台的支持表面。

17.权利要求13的所述系统，还包括冷却系统，用于在系统操作期间冷却所述转换器和调压器。

18.权利要求17的所述系统，其中，冷却系统防止在系统操作期间调压器和转换器的显著热膨胀。

19.权利要求12的所述系统，其中所述位置调节系统基于所述喇叭组的共振频率来调节所述喇叭组的位置。

20.权利要求12的所述系统，其中所述位置调节系统基于从所述喇叭组的共振频率生成的控制信号来调节所述喇叭组的位置。

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