CN104136198A - 空心尖头焊接工具 - Google Patents

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张之奇
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Abstract

本发明的实施方式涉及一种空心尖头超声波焊接及真空工具。工具包括耦合至转换器的焊头，用于将超声波机械振动传送至焊头的零件接触远端。焊头包括从焊头外表面穿过焊头内部延伸至焊头的零件接触远端的真空通道。真空通道可提供这样一个通道，真空力可穿过该通道被聚集至将利用普通零件接触表面进行定位及焊接的零件。

Description

空心尖头焊接工具
发明背景
通常，在产品制造中使用的零件被人手或机器人设备拾起并放置在用于制造的位置。但是，目前机器人设备还无法提供要在某些制造系统中被成本有效地实现的控制、灵敏、以及高效的水平。
执行各种过程的自动化制造系统通常已经依赖分立的机械装置来实现每一个不同的过程。但是，从生产角度和成本角度来看，把自动化机械用于主要地分立的任务可能是徒劳的。
发明概述
本发明的方面涉及用于超声波焊接真空工具的系统、方法以及设备。超声波焊接真空工具包括用于将电输入转化为超声波机械振动的转换器。超声波焊接真空工具还包括焊头(horn)，所述焊头耦合至转换器以用于将超声波机械振动传送至焊头的零件接触远端，焊头包括真空通道。真空通道从焊头的外表面穿过焊头的内部部分延伸至焊头的零件接触远端。
该概述被提供来以简单的方式来介绍概念的选择，该概念在下面的详细描述中进一步被描述。该概述并非旨在认同所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也无意用来辅助确定所要求保护的主题的范围。
附图简述
参考通过引用并入本文的所附附图如下详细地描述了本发明的用作说明的实施方式，在附图中：
图1示出根据本发明的方面的典型的超声波焊接真空工具；
图2示出根据本发明的方面的具有整合的真空发生器的拾取工具的另一个典型的方面；
图3示出根据本发明的方面的安装在耦合器内的拾取工具的透视图；
图4示出根据本发明的方面的沿着图1的剖切线4-4的拾取工具的内视图；
图5示出根据本发明的方面的沿着图2的剖切线5-5的拾取工具的内视图；
图6示出根据本发明的方面的使用了可替换的内部真空机械装置的典型的拾取工具的内视图；
图7示出根据本发明的方面的具有柯安达效应内部真空发生器的典型的焊头；
图8示出根据本发明的方面的与典型的焊头尖头耦合的典型的焊头；以及
图9-17示出根据本发明的方面的典型的孔型。
发明详述
图1示出了根据本发明的方面的典型的超声波焊接真空工具100。超声波焊接真空工具100这里也可以被称为拾取工具100。一般来说，超声波焊接机包括堆(stack)。该堆包括转换器102和焊头104。转换器102将电信号转化成为机械振动，例如超声波振动(转换器102也可以被称为变换器，如压电变换器)。通常，焊头104将由转换器102产生的机械振动传送至待被焊接的制造零件(焊头也可以称为超声焊极)。超声波焊接机堆的其它的部件通常包括增压器(未示出)。增压器改变由转换器102产生的振动的振幅，以由焊头104传送。在典型的方面，增压器可用于将超声波焊接机堆耦合至可移动元件，如压制制造或者计算机数控机器人。
超声波焊接机还可包括电子超声波发生器(也可被称为供电电源)和控制器。电子超声波发生器可用于以与堆(例如，焊头、转换器以及增压器)的共振频率匹配的频率传送高强度交流电信号。控制器控制超声波能量从超声波焊接机到一个或多个零件的传送。
虽然转换器102在此以圆柱形的形状被示出，但可以预见的是，其它形式是适用的。图1的转换器102具有第一端130和第二端132。
焊头104一般以具有图1中的圆形横截面被示出；但是，可以预见的是，其它的横截面几何形状也可实现。比如，为了提供一个或多个机械振动特征，横截面形状可以被改变。具体地说，可以预见的是，各种使用了一个或多个直径的曲面几何形状可以被实现。而且，可以预见的是，在典型的方面，一个或者多个非曲面几何形状(例如，矩形，三角形，星形等)也可以被实现。
焊头104可由刚性或半刚性材料构成，例如金属材料和/或基于聚合物的材料。在典型的实施方式中，焊头104可由铝、铜、钢、黄铜、钛和/或类似材料构成。进一步地，可以预见的是，焊头104可由尼龙、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚乙烯化合物以及/其它热成型或热固性塑料构成。焊头尖头106也可由一种或多种相似材料构成/形成。
焊头104具有近端120和远端122。在某些方面，远端122也是零件接触远端121。但是，在另一方面，焊头104还包括焊头尖头106。当焊头尖头106被耦合(永久性耦合或可拆除性耦合)至焊头104时，与用于零件接触远端121不同，焊头远端122可为焊头尖头106提供耦合位置。
焊头尖头106可被安置在拾取工具100的远端部位。在典型的方面，可以预见的是，焊头尖头106被可拆卸地耦合至焊头104，以便依据一种或多种可变因素(例如，期望的真空力、期望的超声波焊接表面区域、待焊接零件材料等)，不同的焊头尖头可被使用。例如，可以预见的是，焊头尖头106可使用螺纹机构、压配合、黏合剂、机械式连接器等耦合至焊头104。因此，依照拾取工具100的期望特点，焊头尖头106可被更替换/更改。
在使用中，可以预见的是，拾取工具100的功能是在欲被焊接的零件上施加真空力以便拾取工具100能够保持零件处于特定区域/方向和/或重新放置零件。比如，在鞋面的制作过程中，一件或多件韧性材料(例如，皮革、尼龙、泡沫、网状物)可被拾取及被放置在另一类材料(或材料的部分)上方以被固定在该位置/方向。然后，零件可被使用多种技术来固定，包括超声波焊接。因此，在本发明的一方面，将零件拿起、放置零件、维持零件以及还有使用普通工具固定零件的能力是被期望的。
为了施加可用于移动、维持和/或放置零件的真空力，可以预见的是，焊头104本身对真空力起到导管的作用。因此，可以预见的是，焊头104传递超声波振动且亦提供在材料上施加真空力的装置。为了施加真空力，可以预见的是，真空力在焊头104内产生和/或真空力被产生于焊头104的外部(例如，通过机械真空泵、通过文丘里效应真空泵、通过柯安达效应真空泵)且通过一种或多种装置(例如，通道、管道以及其他导管)传送至焊头104。
正如在下文更详细地讨论的，可预见的是，文丘里效应真空泵被整合至焊头104的内部容积的至少一部分中。进一步地，可预见的是，柯安达效应真空泵被整合至焊头104的内部容积的至少一部分中。
图1示出能够利用外部真空源在零件接触远端121处产生真空力的拾取工具100，外部真空源通过真空源端口111耦合(可拆除性地或是永久性的)至焊头104。例如，可以预见的是，远程真空泵(例如，电控泵、压缩空气泵)通过一节挠性管(未示出)柔性地耦合至拾取工具100。挠性管的功能是维持由远程真空泵产生的真空力的一部分，以便真空力被导入至焊头104内的内部通道(关于图4在下文将被讨论)。真空力通过内部通道穿过焊头104到达在真空入口110处的零件接触远端121。由于真空力的这个传送，拾取工具100起作用以在接近拾取工具100也能够超声波焊接零件的点处施加真空力。进一步地，可以预见的是，通过将拾取工具100的拾取部分和焊接部分整合为一体，更小的覆盖区可被识别。
图1的真空拾取工具100示出剖切线4-4，在图4中剖切线4-4示出了图1的拾取工具100的内剖切图，以在下文出被讨论。
图2示出根据本发明的方面的包括具有整合的真空发生器的拾取工具100的另一个典型的方面。如关于图5在下文将被更具体地讨论的，拾取工具100可包括真空发生器128(未在图2中示出)。真空发生器128可以是任何类型的真空发生器。尤其是，可以预见的是，文丘里效应真空发生器被使用。进一步地，可以预见的是，柯安达效应真空发生器被使用。文丘里效应真空发生器或者柯安达效应真空发生器可用图2所示出的基本配置实现。
真空力的内部产生可提供优势，例如更强的持久力(例如，更少的远程零件)，很好的控制(例如，在真空入口110处实现的所产生的真空力的更少可变性)，更小的覆盖区(例如，通过远程设备使用的更少的空间)等。但是，真空力的内部产生和真空力的外部产生可以是在各种方面都被期望的。
图2的拾取工具100在空气供给入口108处接收加压空气。加压空气被用于内部地产生真空力。通过真空入口110，内部地产生的真空力吸引周围的空气。由于压力梯度(即，真空入口110的内侧处的低压和真空入口110外侧的较高的相对压力(例如，周围空气压力))，接近真空入口110的零件受到真空力。该真空力允许拾取工具100操纵零件(例如，方向、位置、姿势)。
加压空气和通过真空入口110导入的空气从焊头104的内部容积经由排气口112流过。虽然图2的拾取工具100示出空气供给入口108和排气口112偏移，但是可以预见的是，二者之间的相对方向可被改变(例如，平行的和相似地放置的)。
图2示出具有近端134和远端136的焊头尖头106。在典型的方面，焊头远端136也是之前讨论过的零件接触远端121。
图2的真空拾取工具100示出剖切线5-5，在图5中剖切线5-5表示在图2的拾取工具100的内剖切图，以在下文被讨论。
图3示出根据本发明的方面的安装在耦合器200内的拾取工具100的透视图。在典型的方面，耦合器200允许拾取工具100被可拆卸地连接至可移动元件。比如，如上文所讨论的，可以预见的是，拾取工具100被连接至CNC机器人。CNC机器人作为用于定位拾取工具100来操纵和焊接一个或多个零件的可移动元件。
图4示出根据本发明的方面的沿着图1的剖切线4-4的拾取工具100的内视图。图4说明了穿过焊头104的内部容积124的真空通道116。比如，在传统的焊头中，内部容积124可以是连续地实心的以将机械振动从转换器102有效地传送至欲被焊接的零件。但是，实心的焊头无法提供内部真空通道116，如图4所说明的。
如在前边对应图1所讨论的，拾取工具100在这个方面依赖外部真空发生器。因此，真空力经由真空源端口111被导入至焊头104。然后，真空力穿过焊头104的内部容积经由真空通道116被传送。真空通道持续朝焊头远端122延伸。焊头远端122接近焊头尖头106的近端134。
焊头尖头106包括孔140，孔140传送真空力至在焊头尖头106的远端136处的预定区域。在典型的方面，如在图4中所说明的，孔140是单个圆形孔；但是，可以预见的是，孔140的其它排列可被使用(例如，图9-17)。在这个例子中，焊头尖头106的远端136也构成了零件接触远端121的至少一部分。
虽然真空源端口111和真空通道116的特定方面被在图4中示出，但其它的方向、结构、大小、尺寸等被考虑。例如，真空通道116可以仅在焊头尖头106中延伸，以便真空源部分111和孔140都被维持在焊头尖头106内部。
图5示出根据本发明的方面的沿着图2的剖切线5-5的拾取工具100的内视图。图5的拾取工具100示出了内部的文丘里效应真空泵。虽然特定的结构被示出，但是可以预见的是，其它的结构可被实现。
在该示例中，内部产生的真空力影响进入的加压空气来产生真空力。例如，加压空气经由空气供给入口108被导入至焊头104的内部。加压空气从空气供给入口108穿过空气供给通道114流至真空发生器128。图5的典型的真空发生器128依靠文丘里效应来产生真空力；但是，也可以预见的是，在替换的结构中柯安达效应也可被使用。
在焊头104中，真空力被从焊头104经由真空通道116传送至真空入口110。进一步，来自空气供给的空气和穿过真空入口110被拉入的空气都被从焊头104的内部经由排气通道118在排气口112处排出。
图6示出使用了根据本发明的方面的可替换的内部真空机械装置的典型的拾取工具100的内视图。在该例中，真空力的内部产生是由筒形插入件129完成的。例如，真空发生器可被生产，其功能是被插入焊头104内以产生期望量的真空力。例如，在某些例子中，制造局限性可限制在焊头104中的通道和部件的内部形成的量。正如此，在典型的方面，允许筒形插入件可能是被期望的，该筒形插入件包括在焊头104的内部产生真空力所需要的合适的部分而不要求在焊头104内整体地形成各部分的复杂性。正如此，可以预见的是，焊头104可被配置成接收能够产生真空力的筒，该真空力穿过焊头104被内部地传送。
在该示例中，虽然筒形插入件129是来自焊头104的分立的部件，但是当结合使用时，筒形插入件129被认为是焊头104的部分。正如此，筒形插入件129内部的部件因此在焊头104内部。
图7示出根据本发明的方面的具有柯安达效应内部真空发生器128的典型的焊头104。与对应图5讨论的文丘里真空发生器相似，柯安达效应真空泵利用加压空气的供给来产生真空力。加压空气在焊头104处在空气供给入口108处被接收。然后，加压空气经由空气供给通道114传送至真空发生器128。真空通道116将被吸入至真空入口110的空气传送到真空发生器128。排气通道118将加压气体(现在为较低压力)和任何经由真空入口110导入到焊头104内部的空气传送至排气口112。
图8示出根据本发明的方面的与典型的焊头尖头106耦合的典型的焊头104。尤其是，焊头尖头106在视图中从焊头104分解以提供延伸到孔140的真空通道116的透视图。进一步，典型的螺纹连接作为可拆除地耦合焊头尖头106和焊头104的方法被示出。图8包括剖切线9-9，剖切线9-9被用于示出在随后的图9-17中的平行面。
图9-17根据本发明的方面示出延伸穿过焊头尖头106的远端136的典型的孔组合。例如，圆形孔142(例如，如图9所见)、非圆形孔(例如，图17所见)和/或多种孔的组合(例如，如图16所见)都被图9-17示出。可以预见的是，被示出的结构实际上是典型的且关于在这里考虑的方面是非限制性的。例如，一个或多个被示出的结构可与在图9-17中示出的一个或多个其它的结构组合/用在图9-17中示出的一个或多个其它的结构修改。
本发明的典型方面包含在焊头尖头106的远端136处的无孔中心部分146。例如，可以预见的是，无孔中心部分146(例如，如图10-12所示)是焊头尖头106的用于从拾取工具100传送足够份量的机械振动到欲被焊接的零件的有效部分。在典型方面，无孔中心部分146不包括孔，并且因此提供用于焊头尖头106的远端136的外表面138的连续的部分以接触可焊接的零件。
但是，可以预见的是，远端136的外表面138的任何部分可有效用于通过拾取工具100来接触可焊接的零件。另外，其它几何形状在此处被考虑。例如，可以预见的是，焊头尖头106可包括较多或较少的孔140。进一步地，不同的几何形状(例如，圆形、矩形、三角形等)可被使用。不同大小(以组合或者一致地)可被用于不同的孔140。进一步地，孔140的大小、几何形状和或方向的多种组合也在这里被考虑。
典型的方面在这里被提供用于说明目的。与本发明的方面有关的额外的拓展/方面也都被考虑。例如，数量、大小、方向和/或部件、部分和/或特点的形式都在本发明的方面的范围内被考虑。

Claims (23)

1.一种超声波焊接真空工具，包括：转换器，其用于将电输入转化成超声波机械振动；焊头，其耦合至所述转换器，用于将所述超声波机械振动传送至所述焊头的零件接触远端，所述焊头包括真空通道；以及所述真空通道从所述焊头的外表面穿过所述焊头的内部延伸至所述焊头的所述零件接触远端。
2.如权利要求1所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头的所述零件接触远端包括焊头尖头。
3.如权利要求2所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头尖头可拆卸地耦合至所述焊头。
4.如权利要求2所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头尖头包括远端和近端，所述近端耦合至所述焊头且所述远端形成所述焊头的所述零件接触远端。
5.如权利要求4所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头尖头的所述远端包括单个孔。
6.如权利要求4所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头尖头的所述远端包括多个孔。
7.如权利要求4所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头尖头的所述远端包括至少部分围绕所述远端的无孔中心部分的多个孔。
8.如权利要求4所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头的所述远端包括圆形孔。
9.如权利要求4所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头的所述远端包括非圆形孔。
10.如权利要求1所述的超声波焊接真空工具，其中所述真空通道形成真空泵的至少一部分。
11.如权利要求1所述的超声波焊接真空工具，其中所述真空通道形成文丘里真空泵的至少一部分。
12.如权利要求1所述的超声波焊接真空工具，其中所述真空通道形成柯安达效应真空泵的至少一部分。
13.如权利要求1所述的超声波焊接真空工具，其中所述真空通道被耦合至真空力发生器。
14.一种超声波焊接真空工具，包括：超声波焊接焊头(“焊头”)，其用于将超声波振动从近端传送到零件接触远端，所述焊头包括：(1)空气供给入口，所述空气供给入口被配置为用于接收大于周围空气压力的压力下的空气的供给；(2)真空入口，所述真空入口被配置为用于将真空力从所述焊头的内部部分传送到邻近所述零件接触远端处所述焊头的外部部分；(3)排气口，所述排气口被配置为用于从所述空气供给入口和所述真空入口排出空气；和(4)真空发生器，所述真空发生器耦合至所述空气供给入口、所述真空入口以及所述排气口。
15.如权利要求14所述的超声波焊接真空工具，还包括转换器，所述转换器被配置为将电输入转化成超声波机械振动，所述焊头被耦合至所述转换器以便所述超声波机械振动从所述转换器传送到所述焊头。
16.如权利要求14所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头还包括焊头尖头，所述焊头尖头被耦合至所述焊头并且形成所述零件接触远端。
17.如权利要求16所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头尖头包括孔，所述孔从所述焊头尖头的外部部分延伸至所述真空入口。
18.如权利要求16所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头尖头由刚性材料形成。
19.如权利要求16所述的超声波焊接真空工具，其中所述焊头尖头由金属材料或者基于聚合物的材料形成。
20.如权利要求14所述的超声波焊接真空工具，其中所述真空发生器包括空气供给通道、真空通道以及排气通道，所述空气供给通道将所述真空发生器与所述空气供给入口耦合，所述真空通道将所述真空发生器与所述真空入口耦合，并且所述排气通道将所述真空发生器与所述排气口耦合。
21.如权利要求20所述的超声波焊接真空工具，其中所述空气供给通道、所述排气通道以及所述真空通道各自至少部分地在所述焊头内部。
22.如权利要求14所述的超声波焊接真空工具，其中所述真空发生器被配置为当产生真空力时应用文丘里效应或柯安达效应。
23.一种真空工具，包括：转换器，所述转换器被配置为将电输入转化成超声波振动，功能是用于一个或多个零件的超声波焊接；焊头，所述焊头具有焊头近端和相对的焊头远端，所述焊头近端与所述转换器耦合；真空通道，其延伸穿过所述焊头的内部容积的至少一部分，所述真空通道延伸至所述焊头远端；以及焊头尖头，所述焊头尖头具有焊头尖头近端和焊头尖头远端，所述焊头尖头近端与所述焊头远端耦合，且孔从所述焊头尖头远端延伸至所述焊头尖头近端使得所述孔与所述真空通道是可对齐的。
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