CN104526152A - 使用多高度能量引导装置改进超声焊接的系统和方法 - Google Patents

使用多高度能量引导装置改进超声焊接的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用多高度能量引导装置改进超声焊接的系统和方法。具体地，本发明公开了一种用于促进将工件分阶段焊接在一起的多高度能量引导装置。所述装置包括从主体延伸的多个元件，其中这些元件不全具有同样的高度。这些元件的第一组中的每个元件具有第一高度，而这些元件的第二组中的每个元件具有与第一高度不同的第二高度。这些元件被配置成以预定方式导引焊接能量通过所述装置。所述预定方式包括：在焊接过程的初始阶段中，通过所述元件中的较高的初级元件来导引所述能量，而在初始阶段中不通过所述元件中的较矮的次级元件来进行传送。

Description

使用多高度能量引导装置改进超声焊接的系统和方法
技术领域
本公开一般涉及一种用于将多个工件焊接在一起的改进的技术，更具体而言，涉及用于在这些工件之间使用了至少一个多高度能量引导装置来具有改进的超声焊接的系统和方法。
背景技术
在机动车制造中，由于聚合物复合材料良好的特性，例如重量轻、高度可适形或可成形、坚固和耐用，它们正在被越来越多地使用。一些复合材料还是可着色的，并且能够被最后制成具有几乎任何期望的纹理。
例如，在机动车中的所述增加的使用包括在仪表板和车门板、灯具、空气管道、方向盘、内饰、车厢(truck bed)或其它的车辆储物隔间、内饰、外部零件以及甚至发动机部件中。例如，关于发动机部件以及其它发动机罩下(或UTH)应用，配置了能够承受热和/或化学侵蚀环境的聚合物，并且对这种聚合物正在不断进行开发。关于外部零件，例如翼子板，正在开发在线可涂装且在较长时间段内具有高的热耐受性和化学耐受性的聚合物。并且，正在不断考虑机动车应用中的许多其它潜在用途。
随着对聚合物和其它低质量材料的增加使用，压缩模制和模制后联接技术，例如超声焊接，也正在被更普遍地使用。
因为一些正在被越来越多地使用的材料，包括聚合物复合材料，具有相对低的熔点，所以挑战出现在下述努力中，即：使零件在联接这些零件的界面处快速熔化，并且具有对工件其它部分的最少熔化。
能量引导器有时被用于加快和控制焊接。曾经出现在使用能量引导器中的挑战在于它们需要相对大量的输入能量以适当地运转。
更具体而言，在超声焊接的情况下，为使输入能量(例如，高频振动)有效地传送通过常规引导器，所述能量必须足够高，以便通过第一工件到达引导器，并且还克服引导器自身在其将会熔化的所有位置处的阻抗。
除了比期望的能量需求高之外，常规方法还需要不期望的高循环时间，即，能量按需要通过工件和引导器以形成焊缝所需的时间。
增加的时间和能量需求是成本高昂的，尤其是当乘以制造环境(例如机动车组装工厂)中进行的重复迭代时。
发明内容
本技术涉及用于在例如来自伺服焊头的高频超声振动的施加期间，使用定位在工件之间的至少一个多高度能量引导装置来具有改进的超声焊接的系统和方法。
本发明还包括以下方案：
1.一种用于促进将工件分阶段焊接在一起的多高度能量引导装置，其包括：
从主体延伸的多个元件，其中，这些元件不全具有相同的高度；
其中，这些元件的第一组中的每个元件具有第一高度，而这些元件的第二组中的每个元件具有与所述第一高度不同的第二高度；
其中，这些元件被配置成以预定方式导引焊接能量通过所述装置；以及
其中，所述预定方式包括：在所述焊接过程的初始阶段中，通过所述元件中的较高的初级元件来导引所述能量，而在所述初始阶段中，不通过较矮的次级元件来进行传送。
2.如方案1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括在所述焊接过程的后继阶段中通过所述次级元件来导引所述能量。
3.如方案2所述的多高度能量引导装置，其特征在于，在所述后继阶段中很少乃至没有能量被传送通过所述初级元件。
4.如方案1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述主体具有这样的轮廓，所述轮廓具有不同于环形的形状。
5.如方案1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述主体具有选自包括下述各项的一组轮廓中的轮廓，所述各项包括：
大致矩形的顶部轮廓；
大致环形的轮廓；
大致方形的顶部轮廓；
大致椭圆形的轮廓；
大致三角形的顶部轮廓；
大致三角形的侧面轮廓；
大致矩形的侧面轮廓；
大致方形的侧面轮廓；
大致半圆形的侧面轮廓；以及
大致半椭圆形的侧面轮廓。
6.如方案1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括：在所述焊接过程的初始阶段中，通过所述元件中的较高的初级元件来导引所述能量，而在所述初始阶段中不通过所述元件中的较矮的次级元件来进行传送。
7.如方案6所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括在所述焊接过程的后继阶段中通过所述次级元件来导引所述能量。
8.如方案7所述的多高度能量引导装置，其特征在于，在所述后继阶段中很少乃至没有能量被传送通过所述初级元件。
9.如方案1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括：在所述焊接过程的初始阶段中，通过所述元件中的较高的初级元件来导引大部分的所述能量，而在所述初始阶段中通过所述元件中的较矮的次级元件传送少得多的所述能量。
10.如方案9所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括在所述焊接过程的后继阶段中通过所述次级元件来导引多得多的所述能量。
11.如方案10所述的多高度能量引导装置，其特征在于，在所述后继阶段中很少乃至没有能量被传送通过所述初级元件。
12.如方案1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述元件中的至少一个具有选自包括下述各项的组中的三维形状，所述各项包括：
棱柱形；
圆柱形；
圆锥形；
截头圆锥形；
角锥形；
部分的球形。
13.一种用于促进将工件分阶段焊接在一起的多高度能量引导装置，其包括：
从主体延伸的多个元件，其中，这些元件不全具有相同的高度；
其中，这些元件的第一组中的每个元件具有第一高度，而这些元件的第二组中的每个元件具有与所述第一高度不同的第二高度；
其中，这些元件被配置成以预定方式导引焊接能量通过所述装置；以及
其中，所述预定方式包括：在所述焊接过程的初始阶段中，通过所述元件中的较高的初级元件导引大部分的所述能量，而在所述初始阶段中通过所述元件中的较矮的次级元件传送少得多的所述能量。
14.如方案1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括在所述焊接过程的后继阶段中通过所述次级元件导引多得多的所述能量。
15.如方案14所述的多高度能量引导装置，其特征在于，在所述后继阶段中很少乃至没有能量被传送通过所述初级元件。
16.如方案1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述主体具有这样的轮廓，所述轮廓具有不同于环形的形状。
17.如方案1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述主体具有选自包括下述各项的一组轮廓中的轮廓，所述各项包括：
大致矩形的顶部轮廓；
大致环形的轮廓；
大致方形的顶部轮廓；
大致椭圆形的轮廓；
大致三角形的顶部轮廓；
大致三角形的侧面轮廓；
大致矩形的侧面轮廓；
大致方形的侧面轮廓；
大致半圆形的侧面轮廓；以及
大致半椭圆形的侧面轮廓。
18.如方案1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述元件中的至少一个具有选自包括下述各项的组中的三维形状，所述各项包括：
棱柱形；
圆柱形；
圆锥形；
截头圆锥形；
角锥形；
部分的球形。
19.一种用于促进将工件分阶段焊接在一起的多高度能量引导装置，其包括：
从主体延伸的多个元件，其中，这些元件不全具有相同的高度；
其中，这些元件的第一组中的每个元件具有第一高度，而这些元件的第二组中的每个元件具有与所述第一高度不同的第二高度；
其中，这些元件被配置成以预定方式导引焊接能量通过所述装置；以及
20.如方案1所述的多高度能量导向装置，其特征在于，所述主体具有这样的轮廓，所述轮廓具有大致环形的形状。
本发明的其它方面在下文中将部分显而易见且部分将被指出。
附图说明
图1图示了双面超声系统。
图2图示了根据本技术的实施例的示例性多高度能量引导器。
图3图示了图2的多高度能量引导器的支腿或凸起。
图4图示了用于将能量引导器(例如，图2的多高度能量引导器)定位成位于将被焊接在一起的工件之间以及执行焊接以联接所述工件的方法。
图5图示了定位在工件之间的图2的多高度能量引导器的侧视图。
图6图示了根据示例性场景在定位工件中导致的焊接工具位置。
图7示出了对焊接工具沿施加方向(例如，竖直方向)的位移和正交的工具位置(例如，工件之上的横向位置)进行比较的图。
图8图示了在引导器的第二级接触第二工件之前，在焊接的过渡阶段的图2的多高度能量引导器。
图9图示了在后继的焊接过渡阶段的图2的多高度能量引导器，在所述阶段引导器的第二级首次接触第二工件。
图10图示了使用图2的能量引导器形成的示例性焊缝。
图11图示了用于在执行如图4的方法的操作中使用的示例性控制器。
具体实施方式
按照要求，本文中公开了本发明的详细实施例。所公开的实施例仅是示例，其可以以各种形式和替代形式以及它们的组合来实施。如本文中所使用的，“例如”、“示例性”以及类似的术语广泛地表示用作例示、样品、模型和模式的实施例。
附图不一定按比例绘制，且一些特征可被放大或缩小，例如用以示出特定部件的细节。在一些情况下，公知的部件、系统、材料或方法没有被详细描述，以避免模糊本公开。因此，本文中公开的特定的结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而仅解释为用于下文中所列的技术焦点(例如，权利要求)的基础，以及解释为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本公开的代表性基础。
尽管本公开的描述包括计算机可执行指令的总的背景，但本公开也能够与其它程序模块相结合来实现和/或被实现为硬件与软件的组合。术语“应用”或其变体在本文中广泛地被用于包括例程、程序模块、程序、部件、数据结构、算法等。应用能够被实现在各种系统配置上，包括单处理器或多处理器系统、基于微处理器的电子装置以及它们的组合等。
I.本公开的总体概述
本公开描述了用于联接工件(例如，聚合物复合材料)的超声焊接技术。
本公开的一个方面涉及用于改进的超声焊接的系统和方法。所述系统包括至少一个多高度能量引导装置，在使用中，所述多高度能量引导装置在来自超声能量施加焊头的高频超声振动的施加期间被定位在工件之间。
在下文中参考图1-9进一步描述所述系统的部件、算法和操作。
II.过程、系统工具和工件-图1-11
现在参考示例性的系统、工具和工件来描述本技术。参考附图以促进对本技术的理解，但附图并不限制本发明的范围。
本文中对方向的参考，例如上、下、向上、向下以及横向，被提供以有利于对本技术的描述，但不限制本技术的范围。例如，伺服焊头被描述为向下降在最近的工件上的描述并不限于在地球坐标系或环境坐标系中竖直向下移动的伺服焊头。例如，在此情况下所述焊头能够在环境坐标系中从左向右移动。
II.A.总的焊接系统-图1
现在转到附图，更具体而言，转到第一附图，图1示出了总体上通过附图标记100指示的示例性焊接系统。系统100被用于将两个工件1011、1012焊接在一起。
系统100包括支承或在下结构102。所述系统还包括终止于焊接能量施加末端或焊头106的焊接臂104。所述焊头能够包括，例如超声伺服焊头，其被配置成将能量以高频振动的形式施加到工件，用于将它们焊接在一起。
焊接臂104延伸自第二或施加侧的结构或块108。
在运行中，施加方向的力110能够通过块108施加和/或施加在块108上。力110将臂104和焊头106推向正被焊接在一起的工件101。对应的力112将支承结构102推向所述工件。在所述块和施加方向的力从第一施加方向推向工件101，并且相反的力112从相对的(或相反的)方向推向工件101的情况下，工件101在焊接期间被保持在所期望的压紧状态。
II.B.多高度能量引导装置-图2和图3
图2示出了能量引导装置或能量引导器200。
能量引导器200能够包括本文中描述的任何材料，包括与所述工件相联系地描述的材料。
在一个实施例中，能量引导器200是大致环形的，例如，具有大致为环形或环状的平面图形式的轮廓(例如，顶部轮廓)。参考附图，环形构造的上部通过附图标记202标识。
重要的是，已经发现环形焊缝能够与连续焊缝(即，不具有中央空隙的焊缝)一样坚固；在一个目前的发现中，当内径与外径的比率小于约0.6时，这尤其是正确的。更具体而言，在被施加的拉伸载荷下，通过实心焊缝或连续焊缝产生的保持力的主要的量通过所述焊缝的外环形部来提供，其中焊缝的中央部相比之下贡献很小的保持力。因此，与连续焊缝(缺少中央空隙的焊缝)相比，缺少中央部的焊缝能够用更少的能量以及或许更少的时间形成，而不牺牲接合处的强度。
尽管能量引导器206，无论是环形或其它形状，能够具有其它的宽度208而不脱离本技术的范围，但在一个实施例中，每个引导器都具有介于大约3mm和大约20mm之间的宽度208(例如，直径或最大宽度)。在一个实施例中，宽度208能够更小，例如降至大约1mm，并且也可能高达大约20mm。
上部202限定了中央的洞或空隙204。尽管空隙204，无论是圆形、椭圆形、矩形或其它，能够具有其它的内部宽度210而不脱离本技术的范围，但在一个实施例中，每个引导器200都具有介于大约1.5mm和大约12mm之间的一个或多个内部宽度210。例如，在一个实施例中，内部宽度208能够更小，例如降至大约0.6mm，并且也可能高达大约12mm。
尽管图示的引导器200具有大致为环形的平面或顶部轮廓形状，但所述引导器能够具有其它的平面轮廓形状。其它的示例性形状包括具有中央空隙的椭圆形、方形或其它的矩形形状。
能量引导器200包括多个能量引导器(ED)元件206。所述元件可以通过其它的名称来表示，例如高度控制ED元件、凸起或脊，或者高程控制元件、凸起或脊。
ED元件206从引导器200的上部202延伸或凸起(例如，向下凸起)，例如图2中所示。在一个实施例中，ED 200在工件之一(例如，最近的工件1011)的压缩模制期间形成，并因此是所述工件的连续部分。
尽管ED元件206能够具有其它形状，但在图示的实施例中，每个引导器都具有大致三角形的侧面轮廓。其它的示例性形状包括方形、另外的矩形或者圆整的形状，例如半圆形或卵形。
在图示的实施例中，每个ED元件206包括连接到元件206的上部202的上侧或第一侧或底部。在其中ED 200在这些工件之一(例如，最近的工件1011)的压缩模制期间形成并因此是所述工件的连续部分的实施例中，元件206的上部202包括工件1011。这些侧从底部延伸到与上部202相对的点。
重要的是，ED元件206不全具有相同的特性。在一个实施例中，在ED元件206中的至少一些中有区别的至少一个特性是元件的高度212。此特征的益处将在下文中连同如图4所示的方法400的焊接子过程一起被进一步描述。
一般而言，所述益处涉及有利地导引焊接能量，例如超声振动，在焊接的早期阶段中，初始通过初级ED元件，而较少通过或者根本不通过次级元件来传送，以及在焊接的后继阶段中通过所述次级元件，而较少通过或者根本不通过初级ED元件来传送。
图3示出了图2的ED元件206中的任一ED元件206的侧视图。连同图2中所指示的高度212一起，图3示出了ED元件206能够通过其它特征来限定，例如宽度302。
尽管ED元件206能够具有其它的宽度302，而不脱离本技术的范围，但在一个实施例中，但是每个ED元件206都具有介于大约1.0mm和大约4.0mm之间的宽度302。在一个实施例中，宽度302能够更小，例如降至大约0.2mm，并且也可以高达大约4.0mm。
继续如图2和图3所示的三角形实施例，图3示出了作为ED引导器的另一个尺寸特性的竖向侧长度304。
在一个实施例中，高度212与宽度302的比率(H/W)介于大约0.3和1.0之间。
在一个实施例中，元件206的每个初级元件2061具有介于大约0.5mm和大约6.0mm之间的高度，并且每个次级元件2062具有介于大约0.4mm和大约4.0mm之间的高度。
ED元件206能够具有任何适合的厚度，以及相关的、任何期望的三维形状，并且每个元件能够具有任何期望的尺寸，例如一个或多个厚度。元件206能够具有大致为角锥形的形状。对于具有圆整的侧面的ED元件而言，所述三维形状能够为棱柱形(例如，矩形棱柱或三棱柱)、圆柱形、圆锥形、截头圆锥形、角锥形(例如，三角锥或四面体)、部分的球形(例如，半球形、半球体或二分之一球)等。ED元件206能够具有直的和/或弯曲的侧面。
如所提及的，ED元件206不全具有相同的特性。在设想的实施例中，连同变化的高度或代替变化的高度，不是单个能量引导器200上的ED元件206中的每一个都具有相同的形状。此外，如变化的高度一样，在ED元件206中的变化形状的益处将在下文中连同如图4所示的方法400的焊接子过程一起被进一步描述。并且再次，一般而言，所述益处涉及有利地导引焊接能量，例如超声振动，在焊接的早期阶段中，初始通过初级ED元件，而较少通过次级ED元件或者根本不通过次级ED元件来传送，以及在焊接的后继阶段中通过所述次级元件，而传较少通过初级ED元件或者根本不通过初级ED元件来传送。
II.C.算法和操作方法-图4-11
现在转到第四附图，图4借助于流程图400示出了一种示例性算法，所述算法定义了一种方法，用于：(a)定位能量引导器，例如图2的能量引导器200；以及，(b)通过在识别的位置处将焊接能量施加到最近的工件，使得它按需要导引通过并熔化新的能量引导器，以将这些工件焊接在一起。结果是有效和高效的焊接，以及与传统技术相比，用更少的总循环时间、能量和能量引导器材料形成的更加精确和稳健的焊缝。
在一些实施例中，所述算法仅控制所述方法的一些方面，例如在图4中与附图标记406相关联的子过程。例如，在另一个实施例中，它控制操作406和408，以及在另一个实施例中控制操作404、406、408和410。所述操作依次在下文中被进一步描述。
尽管本文中主要描述了联接两个工件，但所述数量是作为示例提出，并且根据本公开的教导，可以联接两个以上的工件。
应当理解的是，方法400的步骤不一定以任何特定的顺序呈现，并且以替代的顺序执行某些或全部的步骤是可能的和预期的。所述步骤已经为了便于描述和说明以演示顺序被呈现。步骤能够被添加、省略和/或同时执行，而不脱离所附技术焦点(例如，权利要求)的范围。并且还应当理解的是，图示的方法400能够在任何时间结束。
在某些实施例中，此过程的一些或全部步骤和/或基本上等同的步骤通过计算装置执行或至少通过计算装置启动，例如执行存储或包括在计算机可读介质处的计算机可执行指令的处理器。并且所述过程的任何一个或多个步骤能够通过自动化机械(例如，机器人)来执行、启动或以其它方式促进。
现在附加地参考图5-10的工具和部件来描述通过图4的流程图概述的方法400。所示元件的特性，例如形状、尺寸和数量，被提出以便有利于所呈现的描述，而非用以限制本技术的范围。
方法400开始于401，并且该流程继续进行到方框402，在方框402处，能量引导器，例如图2中所示的引导器206，被定位在工件之间。图5示出了将所述能量引导器定位在相邻工件之间的示例。
在设想的实施例中，能量引导器在模制这些工件中的至少一个的子过程中形成。例如，在其中压缩模制第一工件的模具能够包括凹部和/或凸起，所述凹部和/或凸起被配置(例如，调整尺寸和成形)成在工件的期望的位置处形成所述能量引导器。
如所提供的，被焊接在一起的工件能够是类似的或不同的。关于不同的工件材料，例如，一个工件能够是塑料或其它聚合物，并且其它的能够是钢、铝、合金或其它金属等。因此，本公开的教导能够被用于，例如，将聚合物(例如，聚合物复合材料)联接到另一个聚合物，或用于将聚合物联接到金属。
在一个实施例中，所述材料包括聚乙烯。在一个实施例中，所述材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、高密度聚乙烯(HDPE)和/或乙烯乙烯醇(EVOH)。
在一个实施例中，被联接的工件中的至少一个包括聚合物。这些工件中的至少一个能够包括合成或无机分子。虽然所谓的生物聚合物(或，绿色聚合物)的使用正在增加，但基于石油的聚合物仍然是更为常见的。
一个或两个工件的材料还可包括再循环材料，例如聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)聚合物，其大约是百分之八十五的消费后的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
在一个实施例中，这些工件中的一个或两个包括某种塑料。在一个实施例中，所述材料包括热塑性塑料。
在一个实施例中，这些工件中的一个或两个包括复合材料。例如，在一个实施例中，这些工件中的一个或两个包括纤维增强聚合物(FRP)复合材料，例如碳纤维增强聚合物(CFRP)或玻璃纤维增强聚合物(GFRP)。例如，所述复合材料可以是玻璃纤维复合材料。在一个实施例中，FRP复合材料是混合塑料-金属复合材料。
在一些实现中，所述材料包括聚酰胺等级的聚合物，其一般能够被称为聚酰胺。
一个或两个工件的材料还可包括聚氯乙烯(PVC)。
在一个实施例中，所述材料包括丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。
在一个实施例中，所述材料包括聚碳酸酯(PC)。
一个或两个工件的材料还可以包括一种类型的树脂。示例性树脂包括玻璃纤维聚丙烯(PP)树脂、PC/PBT树脂和PC/ABS树脂。
工件可以被预处理，例如在焊接之前进行加热和压缩模制。
在大多数的制造过程中，将会形成不止一个焊缝以连接两个相邻的工件。因此，步骤402的定位能够包括在这些工件之间定位多个能量装置。
继续参考图4，在一个或多个能量引导器被定位在这些工件之间的情况下，该流程继续进行到步骤404，在步骤404处所述布置被定位成与焊接系统相邻。此操作能够包括向焊接系统移动工件/ED布置，或向所述布置移动焊接系统的一些方面或整体。
步骤404的初始的粗定位能够包括将系统的超声焊头定位成接近将被用于第一焊缝中的能量引导器的估计位置或所认为的位置。
该流程继续进行到能量引导器精细定位子过程或例程406。如图4中所示，定位例程406包括通过上标(即4061-5)区分的多个子步骤。从步骤404，所述方法特别转到第一例程步骤4061，在步骤4061处焊接机头或焊头(例如，超声伺服焊头，如图1示例的超声焊极末端)降低。向最近的工件(即，最接近焊头的工件)降低焊头(hom)，例如在图1和图5中那样。
所述下降图示于图6中。步骤404的粗定位通常不会将焊头直接定位在能量引导器上。替代地，焊头通常最后被初始定位成仅部分地在能量引导器上，如通过图6中的路径604所指示的那样，或者根本不在引导器上，如通过图6中的路径602所指示的那样。目标路径是第三路径606，如在下文中进一步描述的，第三路径606通过例程4061-5的一次或多次迭代来达到。
下降操作4061在直接或间接地连接到焊接焊头的控制器的操作下执行。示例性控制器的特征示于图11中，并在下文中进一步描述。例如，所述控制器控制向最近的工件降低焊头的速率。再例如，所述控制器能够控制机器人设备或机器人，或成为所述机器人设备或机器人的一部分，所述机器人设备或机器人控制焊接焊头的运动。
在例程406的下一个步骤4062处，控制器确定在焊接焊头处接收到的来自工件的回推力是否指示焊头已经被降低到局部终点。对此，所述控制器基于指示了通过工件1011施加在焊接焊头上的力的反馈(例如，来自测力传感器)来确定。该控制从传感器(未详细示出)接收力的指示，所述传感器可以是焊接系统的一部分或被连接到焊接系统，或者是控制焊接焊头的运动的自动化机器人设备的一部分或被连接到所述自动化机器人设备。
如果在步骤4062处确定焊头还没有达到其局部终点，则算法的流程返回到第一例程步骤4061，如图4中所示。例如，这将会发生在焊头正被降低且还没有接触工件时。它还将会发生在焊头已经接触工件但还没有被足够地降低以从工件接收到足量的回推力的情形中。
当在步骤4062处确定焊头已经达到其局部终点时，则算法的流程继续进行到步骤4063，在步骤4063处所述控制器确定焊头行进以达到所述点的位移，或另外确定所述终点的位置，例如相对于任何参考坐标系的竖直距离。所述位移能够通过例如直接或间接地连接到焊头的编码器来确定。在一个实施例中，所述系统被配置成随着焊头下降连续地、以较短间隔地、或者以其它方式快速地进行焊头位移测量。所述系统还被配置成随着焊头下降连续地、以较短定期间隔地、或者以其它方式快速地将所确定的定期的位移值与目标位移值比较。
在步骤4064处，所述控制器确定与局部终点相对应的焊头的位移或竖直位置是否表示焊头已经被降低到所述工件布置的目标位置，即，使能量引导器处于工件之间并且正好完全地处于焊接焊头之下的所述布置的位置。
所述控制器利用对焊头位移或位置的值或范围进行识别的数据来编程或校准，所述焊头位移或位置对应于所述焊头相对于所述工件布置的目标位置的期望的或可能的位置。例如，所述数据指示了：当焊头已经接触目标位置时，因为早前焊头将会受到阈值力的抵抗，所以焊头将会位于误差窗口或范围内的预定的竖直位置处。
这是因为工件布置在能量引导器所在处更厚，或者当能量引导器在那里时至少顶部工件将不会对焊头陷下那么多。当焊头在工件的不在能量引导器之上的位置上进行推动时，在焊头最终经受阈值回推力之前，焊头能够在工件上向下推得更远。例如，所述数据指示了，根据相对于阈值力的焊头位移，焊头在哪里，例如在或不在能量引导器上，能够在实验室测试中产生。根据相对于阈值力的焊头位移，所述数据还能够提供焊头距离能量引导器多远的指示。
参考图6和图7进一步描述此概念。
如所参考的，图6示出了三条示例性路径602、604、606。在最近的工件1011之上的第一横向位置处，焊头沿第一示例性路径602下降。由于能量引导器200离路径602的线路差得很远，因此当焊头接触工件1011时，在那里没有被任何能量引导器限制的工件将会比如果所述引导器在那里的情况陷下或位移更多。因此，在来自工件1011的预定的阈值力抵抗焊头的向下运动之前，焊头能够向下移动更远。
图7是与图6中所示的三条路径相对应的图形表示。更具体而言，图7示出了具有表示焊接焊头位移的y轴702和指示焊头的横向位置或正交方向位置的x轴704的图700。第一柱706对应于图6的第一路径602。因此，由于路径602不在图6中的能量引导器200之上，并且也不相对靠近图6中的能量引导器200，所以所述位移是非常高的。
图7中的第二柱708对应于图6的第二路径604。因此，所述位移是更低的，但由于路径606仍然没有正好地和完全地在能量引导器200之上，所以没有如它应当的那样低。在一些实施例中，能量引导器不是刚性的，而是具有一些柔性。因此，当在工件1011的不完全在能量引导器之上的部分上降低焊头(例如，第二路径604)时，由于较少部分的引导器在起作用以对抗焊头的向下运动，所以焊头受到较小的力抵抗。当正好在焊头之上降低焊头(例如，第三路径606)时，更多(即，所有)的能量引导器位于焊头降低处的工件之下，并因此更多的引导器抵抗焊头的向下运动，因而工件在经受阈值反馈力之前位移更小。
图7中的第三柱710对应于图6的第三路径606。因此，由于路径606正好在能量引导器200之上，这限制了焊头进一步下降，所以所述位移是相对较低的。
继续参考图4，假定在例程406的第一迭代中，焊接焊头处于与第一路径602相对应的第一横向位置，然后在步骤4063处，控制器将确定焊头已经位移了相对较大的量以达到终点，例如相对较大的第一位移706。
在下一个步骤4064处，控制器确定是否所述位移(例如，与第一路径602相对应的位移706)指示了所述焊头正好在能量引导器之上。由于在此第一迭代中所述位移是相对较高的(例如，位移706)，所以基于预编程的数据(例如，来自先前的实验室测试)，控制器推断出焊头没有正好在引导器之上。因此，从决定4064，算法的流程继续至步骤4065，在步骤4065处控制器确定下一个横向位置，以便移动所述焊头用于下一次的下降和测量。
在步骤4065中，确定为下一次焊头落下应当将该焊头移动到何处在一个实施例中包括对上一个步骤4064中确定的位移的考虑。例如，如果上一个位移(例如，位移706)是非常高的，则为下一次落下而移动焊头的横向距离将会更大。如果上一个位移是较低的，例如非常接近如果焊头正好在能量引导器之上的情况，则为下一次落下而移动焊头的后来的距离将会小得多。
跟随步骤4065处焊头的重新定位，重复步骤4061至步骤4065。
一旦在步骤4064处所述迭代导致焊头位移处于或低于阈值或目标位移，则控制器推断焊头已经被降低成正好在能量引导器之上。参考图6和图7，例如，当沿图6的第三路径606降低焊头时，焊头将仅行进最小的位移710，位移710低于也在图7中指示的阈值位移712。处于或低于阈值位移712的这些位移值能够被称为位移容差范围。
响应于在4064处确定焊头仅移动目标位移(例如，710)以达到阈值回推力，并使得焊头被降低到工件1011上且正好在能量引导器之上，则算法的流程从能量引导器定位例程406继续进行到焊接步骤408。
在步骤408处，焊接能量在正好在能量引导器之上的所确定的位置处被施加到最近的工件1011。对于超声焊接而言，所述能量包括从焊接焊头激发和传送的高频超声振动。
如上所述，能量引导器被设计成使得：与其它相比，焊接能量初始更多地或完全地传送通过能量引导器(ED)元件(206)中的某些。例如，在多高度的实施例中，因为较高的元件接触远端的工件1012，从而在工件1011、1012之间创建路径，所以能量将初始传送通过较高的ED元件2061，而不通过较矮的元件2062。由于较矮的元件没有触及远端的工件1012，并因此没有通过较矮的元件到远端的工件1012的路径用于该能量，所以此时能量将不会自由地流动通过较矮的ED元件。
随着焊接能量传送通过较高的ED元件1011，所述较高的元件首先被熔化，以及与所述较高的元件相邻的工件也被熔化。此阶段示于图8中。
关于焊接操作，更具体而言，对于超声焊接而言，热量产生自在焊接能量(例如，HF振动)正在通过的能量引导器和工件处以及它们之间的分子间摩擦。所述热量导致引导器和工件熔化，从而产生了联接焊缝。
至少由于最近的工件1011的重量，以及通过焊头的向下的力，所述布置处于某种压紧状态下。在一些实施例中，焊头被配置(例如，弹簧加载)和/或控制成在焊接期间在最近的工件1011上施加向下的力。因此，随着ED元件熔化，顶部的工件1011降低。
在较高的元件被进一步熔化后，达到图9中所示的后继阶段，由此较高的ED元件2061已经充分地熔化，使较矮的ED元件2062接触远端的工件1012。
此时，因为较高的ED元件2061已经至少被部分地熔化，并且较矮的ED元件2062还没有被熔化且没有接触在下的工件1012，所以与较高的ED元件2061相比，较矮的ED元件2062现在呈现出对于焊接能量(例如，HF振动)具有更低阻抗的路径。
因此，从焊接子过程408的图9中所示的阶段，焊接能量主要或至少更多地通过较矮的元件导引，从而将它们以及与所述较矮的元件相邻的工件1011、1012熔化。
在凝固时，熔化的部分在工件之间形成焊缝熔核，并且这些焊缝将会将工件1011、1012保持在一起。对于其中使用大致为环形的能量引导器(例如，图2的引导器206)的实施例而言，所得的焊缝也能够是大致环形的。图10中示出了示例性焊缝(所述焊缝在缺少被所述焊缝保持在一起的工件1011、1012的情况下被示出)。
如所提供的，已发现环形焊缝能够与连续焊缝(即，不具有中央空隙的焊缝)一样坚固。更具体而言，通过实心焊缝或连续焊缝产生的保持力的主要的量通过焊缝的外环形部来提供，其中焊缝的中央部相比之下贡献很小的保持力。因此，与连续焊缝(缺少中央空隙的焊缝)相比，缺少中央部的焊缝能够用更少的能量以及或许更少的时间形成，而不牺牲接合处的强度。
在预设定的时间量之后，焊接能量的施加被停止，并且焊头从最近的工件1011被收回。所述系统被预编程成具有用以施加焊接能量的时间量。例如，所述定时能够在实验室测试中确定。
最后参考图4，在步骤410处，控制器确定是否存在任何其它的要形成的焊缝。如果是，则流程返回到步骤404，在步骤404处焊头被重新定位，用于在定位例程406中定位下一个能量引导器。一旦所述下一个能量引导器被定位，则流程再次继续进行到焊接操作408，以此类推。
尽管公开了两个ED元件高度，但在设想的实施例中，能量引导器包括不止两个高度，并且因此包括对应的大于二的焊接阶段的数量。
如上文所参考的那样，代替或连同ED元件206之间的高度差，所述元件能够具有形状差异，所述形状差异控制在何处和何时导引焊接能量，由此控制在第一阶段中能量引导器的什么部分熔化以及在第二阶段中是哪些。尽管本文中两个ED形状被作为主要示例提出，但不止两个ED形状是可能的，并且因此包括对应的焊接阶段的数量。
尽管描述了两个主要的焊接阶段，例如，期间较高的ED元件2061导引焊接能量并熔化的第一阶段，以及期间较矮的ED元件2062导引焊接能量并熔化的第二阶段。如所引用的，尽管在第二阶段中所述能量更多地通过较矮的元件传输，但能量仍然可较少程度地通过所述较高的元件传输，这是由于它们仍然在工件1011、1012之间保持完整。
本焊接技术408导致ED元件以所期望的时间间隔先是高的ED元件然后是矮的ED元件逐渐地熔化。
与如果能量引导器是不带有ED元件的实心的情况下将会需要的能量相比，或者与如果每个ED元件都是相同的高度和形状的情况下将会需要的能量相比，所述技术408还允许使用更少的能量来执行焊接。例如，如果能量引导器具有十(10)个等同的ED元件，那么在整个的一个长的单个阶段期间将会需要足以同时导引能量通过所有十个元件的能量。然而，如果能量引导器包括五个较高的ED元件和五个较矮的ED元件，则在第一阶段中，仅需要足以导引能量通过所述五个较高的元件的能量，使得所述能量水平低于其中能量必须被导引通过所有十个等同的ED元件的先前示例的能量水平。在第二阶段中，一般而言，主要需要仅足以导引能量通过所述五个较小的元件的能量，使得所述能量水平也低于其中能量必须被导引通过所有十个等同的ED元件的先前示例的能量水平。此外，在理论上，所述第一阶段和第二阶段的能量施加的和小于具有十个相同的ED元件的布置将会需要的总能量。
II.D.示例性控制器-图11
图11示意性地图示了一种示例性控制器(例如，计算装置)的特征。所述控制器通过附图标记1100被指示于图11中。如所提供的，控制器1100能够控制机器人设备1102或成为其一部分。
如所示，控制器1100包括存储器，或计算机可读介质1104，例如易失性介质、非易失性介质、可移除介质以及非可移除介质。术语“计算机可读介质”及其变体，如在本说明书和技术焦点(例如，权利要求)中所使用的，表示有形的、非暂时性的存储介质。
在一些实施例中，存储介质包括易失性介质和/或非易失性介质、可移除介质和/或非可移除介质，例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、固态存储器或其它的存储器技术、CDROM、DVD、BLU-RAY或其它的光盘存储器、磁带、磁盘存储器或其它的磁性存储装置。
控制器1100还包括借助于通信链路1108(例如计算机总线)连接到或可连接到计算机可读介质1104的计算机处理器1106。
计算机可读介质1104包括计算机可执行指令1110。计算机可执行指令1110可通过处理器1106执行，以使所述处理器以及因此使控制器1100执行本公开中描述的功能的任何组合。这些功能部分地在上文中联系图4一起描述，并且支持图1-3和图5-10的图示。
在设想的实施例中，所述控制器与一个或多个远程装置1112进行通信。例如，制造工厂中的中央计算机或服务能够与控制器1100通信，例如用以给控制器1100提供指令和/或从控制器1100接收反馈(例如，操作报告)。
计算机处理器1106也被连接到或可连接到至少一个接口1112，用于促进控制器1100和任何其它本地部件1114(例如，如类似于上文中所参考的力传感器那样的传感器装置)之间的通信。
接口1112还能够被配置成促进与任何远程装置1116的通信。
为与本地部件1114通信，接口1112能够包括有线连接和无线部件(例如，收发器、发射器和/或接收器)中的一种或两种。
为与远程部件1116通信，接口1112包括短程收发器(或发射器和/或接收器)和远程收发器(或发射器和/或接收器)中的一种或两种。
远程部件1116能够包括数据库、服务器、其它的处理器、其它的存储介质和/或其它的计算装置，例如制造工厂中将指令通信到控制器1100和/或从控制器1100接收数据(例如，性能报告)的其它系统。
虽然完全地作为控制器1100的一部分示出，但接口1112或其任何方面能够部分地或完全地成为控制器1100的一部分。接口1112或其任何方面能够部分地或完全地处于控制器1100的外部，以及部分地或完全地被连接到或可连接到控制器1100。
III.实现方式的精选特征
本文中仅作为示例总结了实现方式的精选特征。
本文中所教导的技术产生了更坚固的超声焊缝。例如，通过大致为环形或环状的能量引导器的使用改进了所述强度。
由于在能量引导器的中央区域中不需要或不包括材料，因此所述技术还能够导致对能量引导器材料的节约。
如上文中联系图4的焊接子过程408所描述的那样，由于需要更少的能量来启动初始阶段和后继阶段的焊接，因此本技术的另一个益处在于能量节约。
也如上文中所参考的那样，所述技术还能够导致减少的焊接循环时间。
这样的高效、有效和稳健的联接方案支持对将要被联接到类似材料(例如，聚合物复合材料/聚合物复合材料的连接)或不同材料(例如，聚合物/金属的连接等)的聚合物部件的增加的使用。相关的益处包括重量减轻、性能增强以及相随的抗腐蚀性。
IV.结论
上述实施例仅是为清楚理解本公开的原理而阐述的实现方式的示例性说明。可以对上述实施例进行变型、修改以及组合，而不脱离技术焦点(例如，权利要求)的范围。所有这样的变型、修改以及组合在本文中通过本公开的范围和后续的技术焦点(例如，权利要求)予以包括。

Claims (10)

1.一种用于促进将工件分阶段焊接在一起的多高度能量引导装置，其包括：
从主体延伸的多个元件，其中，这些元件不全具有相同的高度；
其中，这些元件的第一组中的每个元件具有第一高度，而这些元件的第二组中的每个元件具有与所述第一高度不同的第二高度；
其中，这些元件被配置成以预定方式导引焊接能量通过所述装置；以及
其中，所述预定方式包括：在所述焊接过程的初始阶段中，通过所述元件中的较高的初级元件来导引所述能量，而在所述初始阶段中，不通过较矮的次级元件来进行传送。
2.如权利要求1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括在所述焊接过程的后继阶段中通过所述次级元件来导引所述能量。
3.如权利要求2所述的多高度能量引导装置，其特征在于，在所述后继阶段中很少乃至没有能量被传送通过所述初级元件。
4.如权利要求1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述主体具有这样的轮廓，所述轮廓具有不同于环形的形状。
5.如权利要求1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述主体具有选自包括下述各项的一组轮廓中的轮廓，所述各项包括：
大致矩形的顶部轮廓；
大致环形的轮廓；
大致方形的项部轮廓；
大致椭圆形的轮廓；
大致三角形的顶部轮廓；
大致三角形的侧面轮廓；
大致矩形的侧面轮廓；
大致方形的侧面轮廓；
大致半圆形的侧面轮廓；以及
大致半椭圆形的侧面轮廓。
6.如权利要求1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括：在所述焊接过程的初始阶段中，通过所述元件中的较高的初级元件来导引所述能量，而在所述初始阶段中不通过所述元件中的较矮的次级元件来进行传送。
7.如权利要求6所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括在所述焊接过程的后继阶段中通过所述次级元件来导引所述能量。
8.如权利要求7所述的多高度能量引导装置，其特征在于，在所述后继阶段中很少乃至没有能量被传送通过所述初级元件。
9.如权利要求1所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括：在所述焊接过程的初始阶段中，通过所述元件中的较高的初级元件来导引大部分的所述能量，而在所述初始阶段中通过所述元件中的较矮的次级元件传送少得多的所述能量。
10.如权利要求9所述的多高度能量引导装置，其特征在于，所述预定方式包括在所述焊接过程的后继阶段中通过所述次级元件来导引多得多的所述能量。
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