CN103817427B - 振动焊接设备的自动监测 - Google Patents

Abstract

一种振动焊接系统，包括具有焊炬和砧的振动焊接设备、主机装置、检查工作站、机器人。机器人让焊炬和砧经由手臂运动到检查工作站。传感器，例如温度传感器，相对于焊接设备定位。额外的传感器相对于检查工作站定位，包括压敏元件阵列。在焊炬主动形成焊接部时，主机装置监测焊接设备的状态，且经由传感器测量信号，所述传感器相对于焊接设备定位。机器人让焊炬和砧以运动到检查工作站，在检查工作站启动检查工作站传感器，且通过处理接收的信号确定焊接设备的状态。可以使用声音、力、温度、位移、幅度和/或姿态/陀螺传感器。

Description

振动焊接设备的自动监测

技术领域

本发明涉及振动焊接设备的自动监测。

背景技术

振动焊接是在具体频率范围内将振动能量应用到夹紧工件的技术。频率范围通常是超声波范围。夹紧工件的相邻振动表面之间的表面摩擦产生热量，这最终使得工件的邻近表面软化和连结。使用正确发挥功能的焊接设备并以良好控制工艺进行的振动焊接通常产生具有非常一致的焊接部且产生可重复的焊接质量。然而，尽管存在各种方法确保振动焊接工艺的控制，但是这种方法对于振动焊接设备的维护状态或其他状态条件的即将进行的监测或来说不是最佳的。

发明内容

本文公开一种振动焊接系统和方法，用于自动地监测超声波或其他振动焊接设备套件的状态条件。本发明的系统和方法可以用在生产环境中以快速验证和量化焊接设备、进行维护和实时诊断。作为本系统的一部分，各种传感器相对于振动焊接设备定位且与主机装置通信，即具有必需硬件和用于所记录的执行实施本方法的计算机可读指令所需的软件的一个或多个计算机/计算装置，如在下文详细描述的。一些传感器可以定位在焊接处理工线附近，例如在附近的检查工作站，从而焊接机器人可容易地让一些焊接设备(例如焊炬和砧)运动到检查工作站且周期性地执行脱机状态监测步骤。其他步骤可以在焊接部形成的同时在线执行。

主机装置以规定间隔执行方法的步骤以确保振动焊接设备保持期望的性能一致性，且最终确保经由焊接设备形成的任何焊接部具有一致且可重复的质量水平。通过执行实施本方法的各种步骤，主机装置可快速诊断潜在的焊接工艺/设备问题。不同于常规的闭环过程控制方法，本系统和方法可以用于准确地识别造成这样的问题的根源。与现有的焊接过程控制技术关联地实时进行的能力可以有助于针对焊接设备做出迅速矫正动作。

具体说，本文公开的振动焊接系统具有振动焊接设备，所述振动焊接设备至少包括焊炬和砧。系统还包括主机装置、检查工作站、机器人，所述机器人具有连接到焊炬和砧的手臂。机器人以规定间隔让焊炬和砧旋转或以其他方式运动到检查工作站，例如每次变换时通过从处理输送器枢转到检查工作站。另外，系统包括第一和第二多个传感器。第一多个传感器相对于振动焊接设备定位。可以相对于检查工作站定位的第二多个传感器可以包括压敏元件阵列和/或载荷单元。

与第一和第二多个传感器通信的主机装置具有处理器和实体的非瞬时存储器，在所述存储器上记录用于监测如上所述的振动焊接设备状态条件的指令。主机装置配置为，在焊炬主动在工件上形成焊接部时，即在焊炬在形成焊接部的过程中接合时，执行从存储器而来的指令，以由此从第一多个传感器接收第一组信号。

指令的执行使得机器人以规定的间隔让焊炬和砧运动到检查工作站，以在焊炬和砧两者定位在检查工作站时启动第二多个传感器，且经由第二多个传感器接收第二组信号。主机装置随后例如根据第一和第二组信号确定焊接设备的状态条件。

第一多个传感器可以包括连接在焊接设备附近的温度传感器(一个或多个)。在另一实施例中，振动焊接设备可以包括例如连接到焊炬的压电堆叠结构的换能器。换能器使得焊炬振动。在该例子中，第一多个传感器可以包括连接到压电堆叠结构的热电偶或电热调节器形式的温度传感器。另一温度传感器可以用于测量焊接控制器的温度。所有三个元件(即焊炬、换能器、控制器)的温度可以影响焊接频率，且由此影响最终的焊接质量，且由此在本文被用作控制参数，以确定焊接设备的状态条件。

第一多个传感器也可以包括声音传感器。主机装置可以配置为传递预记录的基本声音信号到声音传感器，例如经由麦克风，且经由声音传感器记录所传递的预记录基本声音信号。主机装置也可以将记录的信号与预记录基本信号比较，以确定相比较信号之间的信号变化。还有，三轴陀螺仪可以可选地连接到焊炬的焊头且用于测量焊头的倾斜、偏斜和转动，以作为第一组信号的一部分。位移传感器可以连接到焊头且用于测量工件和焊头之间分离的距离，也作为第一组信号的一部分，且确保焊接部相对于工件正确定位。

主机装置可以可选地包括记录的图像处理指令或代码/计算机视觉逻辑。在该例子中，主机装置可以配置为经由选择性执行图像处理代码而检测和量化焊炬上的压印图案。如本领域已知的，存在用于识别图案或图像的各种软件方法，包括神经网络处理或与已知的好/坏压印图案的数据库进行图像比较。这种压印图案可用于各种诊断目的，包括清洁度、对准度、工具磨损等。

用于确定振动焊接设备状态条件的方法包括，在工件上经由振动焊接设备形成焊接部，且在主动在工件上形成焊接部时从第一多个传感器接收第一组信号，包括接收振动焊接设备的至少一个温度。方法还包括命令焊接机器人让焊炬和砧运动到检查工作站，且在焊炬和砧到达检查工作站时选择性地启动第二多个传感器，其包括压敏元件阵列，

另外，方法包括从相对于检查工作站定位的第二多个传感器接收第二组信号，包括至少从压敏元件阵列接收测量的焊接力。第一和第二组信号经由处理器处理，以由此确定振动焊接设备的状态。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是可以如本文所述地被监测的振动焊接设备的示例性套件的示意图。

图2是多单元电池组部分形式的示例性工件的示意性透视图，其可以使用图1所示的振动焊接设备焊接。

图3是监测图1所示的振动焊接设备的状态的系统的示意图。

图4A是可以用于测量图1所示振动焊接设备的状态的示例性压敏元件阵列的示意图。

图4B是图4A的压敏元件阵列的输出的一部分的示意图。

图4C和4D是用于确定焊接设备对准的可选计量工具的示意图。

图5是用于监测图1所示振动焊接设备状态的示例性方法的流程图。

具体实施方式

参见附图，其中几幅图中相同的附图标记指示相同部件，振动焊接设备10的套件在图1中示意性地示出。振动焊接设备10例如可以用于在工件制造过程中形成焊接部，图2所示的示例性工件130是多单元电池组的一部分的形式。尽管其他类型的工件可以被超声焊接而不脱离本发明的范围，但是图2的示例性工件是必须以可重复过程形成高质量/耐久焊接部的典型的一类被焊系统。

主机装置40与振动焊接设备10通信且与相对于振动焊接设备10定位的传感器25通信。每一个传感器25具有不同功能，在下文参考图3详细描述一组示例性传感器25B-K。主机装置40，即计算机，还包括处理器42和实体的非瞬时存储器44，在其上记录了实施本方法100的指令，其例子显示在图5中。主机装置40经由处理器42周期性地执行指令，以由此监测振动焊接设备10的维护状态或其他状态条件。作为该过程的一部分，振动焊接设备10可以在附近的检查工作站54被测试，参考图3、4A、4B在下文进一步详细描述这样的测试。

图1的示例性振动焊接设备10可以包括焊接装置12，其具有超声波发生器/焊炬14和砧16，焊接装置12为焊炬14和砧16提供支持结构和支撑。振动焊接设备10也可以包括焊接控制器20。焊炬14通常连接到换能器24，例如压电堆叠结构(piezoelectricstack)。从焊接控制器20而来的信号使得换能器24以校准频率振动，这又使得焊炬14以同一频率振动，该振动可能地被增幅器22放大。

·如本领域技术人员所理解的，这类用于振动焊接的焊接控制器/动力供应(例如图1的焊接控制器20)可以电连接到合适的能量源，通常是5060Hz墙壁插座。·焊接控制器20可以包括例如震荡器或计时器38以及电压整流器、变压器、功率逆变器、和/或无论其形式如何将来源功率最终转变为振动控制信号的其他硬件。控制信号最终命令预定波形特性(一个或多个)，例如具有大约20kHz到大约40kHz或更大频率的周期信号，或取决于具体的焊接应用有更大频率。

图1所示的焊炬14通常包括焊头21，其具有带纹理的隆起图案(knurlpattern)，例如突起和/或突脊，其适用于抓持和保持夹紧在焊炬14和砧16之间的工件。砧16的砧头23通常包括相似的隆起图案。振动焊接设备10还可以包括增幅器22，即机械放大器，其按照需要增加从换能器24而来的任何命令的机械振动的幅度。

图1的主机装置40从每一个传感器25接收信号且随后在方法100的执行过程中处理接收的信号。各种信号在图1中作显示为清洁度信号(ɑ)、对准度、工具磨损、焊接力信号(β，且可选地是γ)、幅度信号(δ)、位移信号(σ)、声音信号(ο)。额外信号可以包括焊接高度信号(ψ)、焊头姿态信号(ζ)(即倾斜、偏斜和转动)、焊炬温度(η)、换能器温度(ε)和可能地焊接控制器20的控制器温度(τ)和/或其他温度，取决于应用情况。用于测量上述各种信号(例如位移信号(σ))的任何传感器的温度也可以被测量，因为传感器25中的一些或所有的校准会会受到变化温度的影响。主机装置40也可以传递声音测试信号(箭头11)，作为方法100的一部分，且还可以将控制信号输出(箭头13)到外部装置17，例如质量指示器。这些信号中的一些从如下参考图3和4A所述的检查工作站54接收，所有这些信号和其相应的传感器25在下文参考图3进一步详细描述。

图1的主机装置40如上所述可以包括处理器42和存储器44。存储器44可以包括任何所需的只读存储器(ROM)、闪存、光学和/或其他非瞬时存储器。主机装置40也可以包括瞬时存储器，例如任何所需的随机访问存储器(RAM)、电可编程只读存储器(EEPROM)等。主机装置40也可以包括额外电路器件，例如高速时钟(未示出)、模拟-数字电路、数字-模拟电路、数字信号处理器和必要的输入/输出装置和其他信号调节和/或缓冲电路。主机装置40由此提供执行处理指令(实施本方法100)需要的必要的硬件部件。

参见图2，在非限制性的示例性实施例中，工件130被显示为是多单元电池的一部分，上述多单元电池具有细长导电互连构件45。整个电池模块可以包括并排的布置为多排的很大的一系列互连构件45。·每一个互连构件45将邻近电池单元的相反电荷的电池单元接片34、134连接，电池单元接片34、134形成给定电池单元的各电极延伸部。·每一个电池单元接片34、134在互连板29下方内部焊接到构成该具体电池单元的各阴极或阳极，如本领域技术人员所理解的。电池单元接片34、134可以使用图1的振动焊接设备10而被焊接到给定互连构件45的纵向侧壁49，在每一个互连构件45处形成基本上相同的焊接部43。

参见图3，在示例性振动焊接过程33中，图1的振动焊接设备10可以用于在一组工件30沿箭头A的方向沿输送器32运动时在一组工件30上形成焊接部。焊接机器人50可以在输送器32和检查工作站54之间运动，如箭头R示出的。图1的振动焊接设备10的一些部件可以设置在机器人50的手臂53上，至少包括如上所述的焊炬14和砧16。在正常的操作中，机器人50可被用于在工件30于输送器32上运动时或替换地在机器人50相对于工件30运动时在工件30上形成焊接部。周期性地，例如每次换位一次地或每校准次数焊接一次地，机器人50可以朝向检查工作站54旋转且执行一定的状态监测步骤。测量信号随后传递到图1的主机装置40。

在检查工作站54测量的信号可以包括可经由压敏元件阵列25B测量的焊炬清洁度信号(α)，且对准度、工具磨损和焊接力信号(β)也经由压敏元件阵列25B测量，替换的焊接力信号(γ)可选地经由载荷单元25C测量。对准度也可从两个或更多载荷单元25C的构造确定，所述载荷单元布置为通过夹紧载荷(即图4A的静态夹紧力F_C)中的不平衡识别未对准的情况。幅度传感器25D可以实施为非接触激光干涉型传感器，其测量幅度信号(δ)，即在焊炬14震荡时焊炬14的运动/振动幅度。在焊炬14的自由端/远端处沿焊炬14的纵向轴线方向测量所述幅度。这种传感器可以以远超过振动频率的取样率(例如至少快5倍)来测量焊炬14的端部上的单个点。在具体实施例中，对于20kH的振动频率，可以使用1MHz的取样率来测量0到0.1mm的正弦位移，传感器25D被置于距传感器25D的5cm到10cm范围。

这些信号中，焊炬清洁度信号(α)表示焊炬14的大致清洁程度。在单独的清洁工作站(未示出)，焊接设备10可以在一块裸露的铜上被促动，以除去任何累积在焊炬14的隆起部中的铝。具有过多积累物(其填充在焊炬14的任何隆起部分的谷部中)会造成工具打滑、冷焊接、凸出的焊接部、信号形态变化和高可疑率。由此，压敏元件阵列25B可以用于经由自动检查对从以前的离线清洁处理获得的工具清洁度进行量化，例如使用图像处理步骤。例如，图1的主机装置40可以经由处理器42执行从存储器而来的图像处理代码47，以检测和量化压印图案(imprintpattern)。如果焊炬14仍然脏，如从压印图案确定，则可以在继续焊接之前重复清洁处理作为维护步骤。

尽管出于简单的目的显示了一个信号(β)，但是如上所述的对准度、工具磨损和焊接力信号可以实施为单独的信号β₁-β₃。信号β₁表示焊炬14和砧16相对于彼此的对准度，其值可选地经由图4C和4D所示且如下所述的计量工具36检测，而信号β₂可以表示工具磨损且信号β₃可以表示焊接力。如上所述，信号β₁-β₃可以经由压敏元件阵列25B测量，其可生产校准颜色图像作为输出。本文使用的其他传感器可以生产单个数据点作为输出，例如温度或时间序列信号。

在具体实施例中，压敏元件阵列25B可以是小的基于纳米聚合物的触觉表面传感器，其具有压电/压阻传感性能，其可记录和表示两个接触或配合表面之间的压力分布和压力量。如在本文使用的，“小”在一个实施例中是指大约5cm×5cm。在这样的实施例中，压敏元件阵列25B可以限定32×32矩阵，具有总共1024个传感点，被校准为0到150psig，如图4B所示。

简短地参照图4A和4B，图4A示出了用于压敏元件阵列25B的示例性构造。焊炬14和砧16可以在图3的检查工作站54处通过箭头F_C示出的夹紧力而被夹紧在一起。压敏元件阵列25B可以实施为连接到固体框架28的一对压敏传感器阵列25B1、25B2，或实施为其他设计，如所示的提供结实且平坦的支持表面，该表面提供适用于测量的基部，从而压敏元件阵列25B通过夹紧力挤压(箭头F_C)。图4B显示了焊炬14侧面的压敏元件阵列25B，三个不同区域58显示了焊炬14上隆起部的具体位置，所述隆起部在三个不同焊接部的轨迹处接触传感器阵列。这种实施例可以用于在图2的示例性工件130中形成焊接部，其中三个不同焊接部通常同时形成。其他设计可以具有更少或更多的隆起区域。

再次参见图3，信号β(即β₁和β₂，分别代表工具对准度和工具磨损)也可以使用先进的图像处理技术以量化工具磨损水平。不均匀的磨损会造成焊接能量的不均匀的分配，这会改变信号形态且导致冷焊接，尤其在图2的单元凸片34之间。通常通过在更换之前将给定工具的使用限制到一定的循环次数，从而应对磨损问题。本方法直接地测量工具磨损，以由此延长工具寿命。

工具对准度信号，即信号β1，可包括与被接触表面垂直的多个力测量结果，这些测量结果用于获取点云估计(pointcloudestimate)。如本领域已知的，“点云”是指三维坐标系(例如笛卡尔X、Y、Z坐标系)中的一组点，其代表物体的外部表面，在该情况下是焊炬14和砧16的表面。使用这样的测量，主机装置40可检测焊炬14和砧16的边缘、它们的接触区域和/或它们的取向，以便确定正确的对准。

在图4C和4D所示的另一实施例中，例如具有两个焊接垫21的焊炬14上，主机装置40可以被程控为让焊炬14运动且将焊炬14夹持到定制的计量工具36，例如硬化钢的T形部件。图4C和4D不是按比例绘制的。实际上，计量工具36可以相对小，例如具有40mm高×4mm宽×2–4mm厚的最大尺寸。按照需要焊炬14以尽量大的压力夹紧到计量工具36的相对自由的端部46上，以获得精确读数。通常，用于夹持计量工具36的夹紧压力应该小于用于焊接的完全夹紧压力，以保护计量工具36或焊炬14/砧16。传感器25C测量用于每一个的位移信号(γ_n)。主机装置40计算未对准值作为第一测量结果(n＝1)和第二测量结果(n＝2)之间的差。主机装置40可在计算的未对准值超过阈值时执行针对焊接设备10的控制动作。

在其他实施例中，焊炬14可仅具有一个焊接垫21，或其可以具有两个或更多，或夹紧可以发生在与焊接垫21分开的焊炬14的平滑表面上，以避开焊炬的隆起图案部分。在所有实施例中，焊炬14应该相对于工件和砧16正确对准。如果没有，则焊接可能在焊炬14的一部分处相对于另一部分不同地进行。如果存在两个焊接垫，例如焊炬14的每一侧上有一个，则一个焊接垫21可焊接而另一个可不焊接，假定后者由于未对准而未以足够的力接触工件的话。另一实施例可以包括在一个位置取得多个位移读数且经由主机装置40使其平均，或在多个位置取得多个读数且执行最小二乘回归操作，以确定的未对准量。

如图4D所示，计量工具36的自由端部46应该垂直于垫21、23，在所述垫之间定位计量工具36。可以使用用于实现这一点的各种器件，包括固定结构或允许计量工具36在夹紧力(箭头F_C)存在时旋转直到自由端部46垂直于焊接垫21、23(如图4C所示)的旋转装置。使用距离差，主机装置40还可计算角度未对准量。如果对准值超过校准阈值或可允许公差，则焊炬14需要再次对准以保证焊接质量。

再次参考图3，工具磨损信号(即信号β₂)可用于检测未正确加工或工艺条件。由此，主机装置40可在工具被磨损坏时做出预测，且在此之前可安排工具更换。用于测量焊接力β₃的图1的传感器25可以是图4A和4B所示的压敏元件阵列25B的一部分，或其可以嵌入焊炬14的材料中，例如作为微型挤压载荷单元，在焊炬14的每一个焊接垫21的中心有一个传感器25。焊接压力的统计估计可以从获得的点云执行。替换地，图3的可选载荷传感器25C可以定位在同一位置且用于执行阈值力测量。从这样的载荷单元25C而来的直接测量结果(经统计方法过滤)可与上下阈值比较，以例如通过动态调整焊接压力以维持目标压力而以闭环方式获得一致的焊接压力。

仍然参见图3，幅度信号(δ)可以经由高速/高频位移传感器测量，即传感器25C，其相对于图1的焊炬14定位。幅度信号(δ)表示焊炬14的直线运动，且可以每经过一些(n个)焊接循环就从固定参考位置测量。幅度信号(δ)可与上下极限相比较。同样，位移信号(σ)表示焊炬14和被焊接的表面之间的距离。位移信号(σ)的目的是准确地监测上的图1的焊头21在工件(例如图2的工件130)的位置，且确保焊头21相对于工件处在正确高度。这种测量可以对所形成的每个焊接部发生一次。作为可能的控制步骤，该信息可用于在位移信号(σ)表示焊接位置漂移的太低或太高时停止焊接过程。相同的返回信息可被反馈到图3的机器人50，从而调整可被实时地做出，和/或反馈到任何过程监测系统作为感兴趣特征，以改善监测系统性能。

声音信号(ο)可以经由声音传感器25F测量，例如通常用于在作为过程监测方法一部分的焊接过程期间检测声音信号的一类麦克风。周期性地，声音传感器25F可以馈送通过主机装置40校准的声音信号(箭头11)，例如经由扬声器(未示出)，这可以在图3的机器人50定位在检查工作站54时发生。声音传感器25F记录传递的声音信号(箭头11)。主机装置40可以随后将记录信号与声音信号(箭头11)进行比较。这种方法可以周期性地检测失效的麦克风、线缆等，且由此消除假数据被实时地用于图1的焊接设备10的监测和控制的可能性。

额外信号可以包括焊接高度信号(ψ)、焊炬姿态信号(ζ)(即倾斜、偏斜和转动)、焊炬温度(η)，换能器温度(ε)和控制器温度(τ)。焊接高度信号(ψ)可以经由传感器25G测量，例如激光深度传感器，其可以安装到图1的焊接装置12。激光测量可以馈送到主机装置40且用于证实焊接装置12相对于形成的每一个焊接部被定位在正确的高度。三轴陀螺仪的形式的另一传感器25H可以安装到图1的焊头21，且用于测量图1的焊头21的姿态。测量的姿态信号(ζ)表示图1的焊头21的倾斜、偏斜和转动且可以被反馈到主机装置40。而且，主机装置40可以传递控制信号(箭头19)到图3的机器人50，以命令焊头21针对每一个焊接部正确对准和/或命令机器人50的其他定位和/或用于过程监测。

对于焊炬温度(η)、换能器温度(ε)、和控制器温度(τ)，这些信号可以分别通过温度传感器25I、25J和25K测量。温度传感器25I可以安装在焊炬14中或相对于焊炬14远离，例如安装到焊接装置12，而温度传感器25J和25K可以安装到图1的焊接控制器20和相应换能器24。替换地，温度传感器25I可以实施为非接触类型，例如配置为远程地经由激光或通过其他远距感测技术来感测焊炬14的温度的传感器。焊炬14温度的增加可造成换能器24和焊炬14频率的减少，这可以造成可疑焊接部增加。

这种影响可以被精确地表达为:

其中f_r是温度调整后的自然频率，f_r0是室温(通常为70°F)下的自然频率，E₀为杨氏模量，ΔT是温度变化，α为线性热膨胀系数，且β是杨氏模量的线性变化。因而，焊炬14和换能器24的温度值可以是用于防止焊接质量恶化的重要控制参数。

在本文应理解，焊炬温度(η)和焊接频率之间的上述关系提供对图1所示的振动焊接设备10操作的各种可能的深入了解。例如，应注意，焊接频率趋于在焊炬温度(η)增加时减少。由此，与生产变换(productionshift)结束时相比，焊接频率通常在同一变换开始时更高。在图1的焊炬14升温时，焊接频率可减少，例如减少大约50-100Hz。如果由于破坏、设备停机或其他原因造成生产停止，则焊炬14将冷关闭。在焊接过程最终重新启动时，焊接频率将比生产停止时更高。

这种温度改变会使得出于监测焊接过程目的而在焊接频率附近设置精确的高/低阈值变得复杂。因此，本方法可以包括测量焊炬14的温度(η)，将温度改变与相应的焊接频率改变关联，例如在查找表中关联，且随后针对已知的与温度有关的改变对监测到的焊接频率进行补偿，以及在焊接频率附近设置更窄的控制极限，以实现改进用于检测焊接问题的敏感性。这又可更易于辨别何时焊接频率改变何时由于非温度有关的影响而发生，例如由于失效的电源供应。

作为本方法的一部分，主机装置40可以使用如上所述的温度和频率之间建立的关系来计算测量的焊接频率，作为新的标准化测量焊接频率，且随后监测该标准化频率，以确定焊接设备10的状态。即主机装置40使得测量的频率值标准化，从而测量结果对应于在额定温度下将是何种焊接频率。由此，存在两个不同的频率测量结果，其作为输出给出:随焊炬温度变化的实际的被测量焊接频率，和在焊炬温度处在额定温度时报告的标准化焊接频率。

相同的原则可以应用于从位移传感器25C的测量结果中得到的改变，所述位移传感器可以测量在振动焊接期间焊炬14挤压工件材料时的幅度以及位移(直线运动)。支持本发明的测量结果已经显示出，很小的温度改变就可极大地影响测量值。由此，本方法可以包括对其他传感器中的温度改变进行补偿，例如位移传感器25C，从而可实现更窄的极限，例如在该例子中的测量的标准化位移附近，以及更清楚地识别工艺问题。这种问题可以包括，例如焊接堆积结构中太多(或太少)的材料层，焊接期间过多(或过少)的材料密实程度，焊接工具的未对准，焊接工具上累积了过多的材料，工具破坏或过多的工具磨损，等。

进行了温度补偿后的值可随后被主机装置40使用，以改善“差”焊接部的实时检测。在位移传感器25C的例子中，主机装置40可以被程控为，基于从位移传感器25C获得的值，或与例如声音传感器25F这样的其他传感器25而来的值组合，以检测不能令人满意的或差的焊接部。差焊接部通常与焊接过程中发生的材料密实量的变化相关。太大或太小的密实可与差焊接部有关。因此，主机装置40可以被程控为，在焊接部形式期间实时地从位移传感器(一个或多个)25C接收位移测量结果以及接收位移传感器(一个或多个)25C的温度，且随后对位移测量结果进行温度补偿，以达到标准化温度，从而温度改变对位移影响被消除。如果用在焊接过程的实时监测中，则该处理步骤可以有助于检测在差焊接部产生时发生的改变。

除了改进机器故障诊断，焊接频率和焊炬14的温度(η)之间的关系可用于改善焊接过程监测。在通过麦克风(例如声音传感器25F)进行监测时，不能令人满意的或质量“差”的焊接部可以通过焊接频率的改变来识别。即在“差”焊接部发生时，焊接过程有效地产生较低的声音，即监测到较低的振动频率。然而，如上所述，在焊炬温度(η)增加时，焊接频率减小。因此，温度改变会使得难以从焊炬温度(η)相对高的条件下准确地辨别差焊接部。通过测量焊炬14的温度，可针对与温度有关的改变补偿监测到的焊接频率且更容易地识别差焊接部。

图1所示的焊接控制器20的计时器38(其可以实施为一个或多个计时器)具有随焊接控制器20的温度(T)变化的震荡频率(f)，即由此，震荡频率可以经由温度传感器25K在焊接控制器20处单独地或与声音传感器25F关联地测量。按照需要在焊接控制器20中频率可自动地或手动地被调整或被补偿。

参考图5描述方法100的示例性实施例。在步骤102开始，焊接以通常的方式进行。例如，在制造图2所示类型的多单元电池时，图3的输送器32可以让工件130运动到同一图所示的机器人50的前部。图1的焊炬14和砧16被夹持到工件30且形成所需的焊接部。在步骤102期间，图1的定位在振动焊接设备10上的任何传感器25继续测量其相应数据，例如包括图3的传感器25G、25H、25I、25J。随着步骤102进行，方法100前进到步骤104。

在步骤104，主机装置40可以参考计时器或替换地参考计数器，以便确定是否已经发生了校准的时间量或校准的焊接循环次数。在一些实施例中，步骤104可以被手动地触发，例如在变换(shift)开始或结束时通过操作者做出。如果主机装置40确定预定/校准次数或焊接循环已经发生，则方法100前进到步骤106。否则，步骤102和104重复。

步骤106实现图3的机器人50朝向检查工作站54的旋转。作为步骤106的一部分，同一图的输送器32被暂时地停止。在检查工作站54处在机器人50已经让焊炬14和砧16运动就位时方法100前进到步骤108。

在步骤108，主机装置40接收参考图3如上所述的信号。在图3的检查工作站54测量的信号可以包括清洁度信号(α)、对准度、工具磨损、工具清洁度、焊接力信号(β和，如果使用的话，γ)、幅度信号(δ)，其所有都在上文描述。作为步骤108的一部分，主机装置40可以向声音传感器25F询问声音信号(箭头11)，以确定声音传感器25F是否正确发挥功能。在测量进行时，方法100前进到步骤110。

步骤110进行所有所需值是否已经被测量的判断。如果否，则步骤108重复。一旦所有所需测量已经进行则方法100前进到步骤112。

在步骤112，在被记录在存储器44之前，主机装置40将来自步骤110的所有记录值与校准阈值比较，以确定任何值是否落到通过这些阈值限定的范围以外。以这种方式，主机装置40根据所有这些信号确定焊接设备10的状态。在任何值被确定为在其容许的极限以外的情况下，适当的矫正动作可以执行，作为步骤112的一部分。例如，如果在焊炬14、换能器24和/或焊接控制器20处测量到过大的温度，则控制动作可包括停止焊接设备10，或替换地，冷却关键部件(一个或多个)从而目的焊接频率保持一致。额外控制动作可以单独或与如上所述的同时进行，包括经由控制信号(箭头13)启动图1所示的外部装置17，例如发光、传递维护消息等。方法100随后返回到步骤102，主机装置40命令机器人50向回朝向输送器32旋转且重新继续焊接操作。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计和实施例。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年11月16日递交的美国临时申请61/727,335的权益，该申请通过引用全部合并与此。

联邦资助研究或开发项目声明

根据电池组制造B511、2009年能源复苏和再投资部(ARRA)、协议/项目DE-EE0002217且在美国政府支持下做出本发明。美国政府对本发明有某些权利。

Claims (10)

1.一种振动焊接系统，包括:

振动焊接设备，包括焊炬和砧，所述振动焊接设备配置为在焊炬和砧之间夹紧的工件上形成焊接部；

检查工作站；

焊接机器人，具有设置了焊炬和砧的手臂，其中焊接机器人配置为选择性地让焊炬和砧运动到检查工作站，以确定振动焊接设备的状态条件；

第一多个传感器，其在工件被夹紧在焊炬和砧之间时相对于振动焊接设备定位；

第二多个传感器，其相对于检查工作站定位，其中第二多个传感器包括压敏元件阵列；和

主机装置，与第一和第二多个传感器通信，其中主机装置包括处理器和实体的非瞬时存储器，在所述存储器上记录用于监测振动焊接设备以确定所述状态条件的指令；

其中主机装置配置为经由处理器执行从存储器而来的指令，以由此:

在焊炬主动在工件上形成焊接部时从第一多个传感器接收第一组信号；

选择性地命令机器人让焊炬和砧运动到检查工作站；

在焊炬和砧到达检查工作站时启动第二多个传感器，以由此从第二多个传感器接收第二组信号，其中第二组信号包括来自压敏元件阵列的测量力；和

经由处理器处理第一和第二组信号，以由此确定振动焊接设备的状态条件。

2.如权利要求1所述的振动焊接系统，其中第一多个传感器包括相对于振动焊接设备定位的至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器配置为测量振动焊接设备的温度。

3.如权利要求2所述的系统，其中至少一个温度传感器包括定位在焊炬附近且配置为测量焊炬温度以作为第一组信号一部分的温度传感器。

4.如权利要求2所述的系统，其中振动焊接设备包括连接到焊炬且配置为让焊炬振动的换能器，且其中至少一个温度传感器连接到换能器且配置为测量换能器的温度以作为第一组信号的一部分。

5.如权利要求1所述的系统，其中振动焊接设备包括具有计时器的焊接控制器，且其中第一多个传感器包括连接到计时器且配置为测量计时器温度以作为第一组信号一部分的温度传感器。

6.如权利要求1所述的系统，其中第一多个传感器包括声音传感器，且其中主机装置配置为传递预记录的基本声音信号到声音传感器、经由声音传感器记录被传递的预记录基本声音信号，且将记录的信号与预记录基本声音信号比较，以确定作为第一组信号一部分的信号变化。

7.如权利要求1所述的系统，其中第一多个传感器包括连接到焊炬的焊头的三轴陀螺仪，且其中三轴陀螺仪配置为测量焊头的倾斜、偏斜和转动以作为第一组信号的一部分。

8.如权利要求1所述的系统，其中第一多个传感器包括连接到焊炬的焊头的位移传感器，其中位移传感器配置为测量工件和焊头之间的分离距离以作为第一组信号的一部分。

9.如权利要求1所述的系统，其中压敏传感器阵列可操作为输出压印图案的图像作为第二组信号的一部分，以确定焊炬的性能，且主机装置配置为使用处理器检测和量化压印图案，以确定状态条件。

10.如权利要求1所述的系统，其中压敏元件阵列是基于纳米聚合物的触觉表面传感器，其可操作为输出测量的力以作为焊炬和砧之间的压力分布模式和压力分布量。