CN107053680A - 超声波焊接机以及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超声波焊接机以及控制方法，该超声波焊接机包括：底座，设置在该底座上的机架，安装在该机架上的焊头，驱动该焊头的电动缸，控制该电动缸的伺服驱动器，以及用于控制该伺服驱动器的控制器。通过本发明，采用纯电动的运动控制系统来控制焊头的升降，通过伺服控制技术完成对焊头升降速度、焊接压力、焊接深度等参数的精确闭环控制，可使工件的焊接精度、成品率明显提高，同时可以提高焊接频率，使超声波焊接机更适用于高精度的产品。

Description

超声波焊接机以及控制方法
技术领域
本发明涉及焊接机领域，具体而言，涉及一种超声波焊接机以及一种控制方法。
背景技术
超声波焊接是应用于热塑性塑料焊接的一种技术。通常情况下，超声波焊接机包括机架，底座以及焊头。
一般的焊接过程如下：首先，将夹紧塑料工件的夹具安装在超声波焊接机机的底座上，将要焊接的两个塑料工件置于夹具上，手动完成工件定位后，焊头下降压紧工件，当焊接机达到设定的压紧力(又称为触发力)后，焊头将发出超声波，使两个塑料工件在接触面上产生高频的摩擦进而产生热量，使得该接触面被熔化；待工件冷却后，这两个塑料工件被连接为一体；最后，将焊头提升，并取出塑料工件。
现有的超声焊接机，采用气缸驱动来控制焊头的升降。焊头升降系统包括气缸，电磁阀等管路元件；其中，电磁换向阀控制气缸的升出和缩回，电磁比例阀控制伸缩的速度，气缸顶出的压力通过手动的减压阀来调节。在焊接开始前，操作员先手动设定减压阀压力，然后启动焊接，气缸顶出，焊头下降，接触焊件后，机器自动启动超声发射功能。在焊接过程中，气缸处于保持状态，不切换电磁阀。当超声发射结束后，进入保压阶段，气缸继续处于保持状态，直至到达保压时间。焊接完成后，气缸缩回原位，焊接循环结束。
因此，除了需要电源外，相关技术中的超声波焊接机还需要气源才能正常使用，然而，由于气动系统运行的速度慢，每个焊接循环时间相对较长，且气动系统的能耗效率低。此外，气缸对焊头的运动速度和位置的控制精确度不高，
针对相关技术中的超声波焊接机能耗效率低以及焊头的控制精度低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种超声波焊接机以及控制方法。
一方面，本发明提供了一种超声波焊接机，所述超声波焊接机包括：
底座，
机架，设置在所述底座上，
焊头，安装在所述机架上；
电动缸，用于驱动所述焊头；
伺服驱动器，用于控制所述电动缸；以及
控制器，用于控制所述伺服驱动器。
优选地，所述电动缸包括伺服电机和丝杆，其中，所述电动缸为直线式电动缸或折返式电动缸。
优选地，所述超声波焊接机还包括：
位置传感器，用于检测所述焊头的伸出位置；所述位置传感器设置在所述机架和所述焊头上，并接入所述控制器。
优选地，所述超声波焊接机还包括：
测力传感器，用于检测所述焊头上的压力；所述测力传感器设置在所述丝杆的输出端，并接入所述控制器。
优选地，所述伺服电机上设置有通过电机轴的旋转编码器，以检测所述伺服电机的转速。
优选地，所述控制器为可编程控制器，所述控制器的控制周期小于或等于1ms。
另一方面，本发明还提供了一种控制方法，用于控制如上所述的超声波焊接机，
包括：
伺服驱动器接收由旋转编码器测量的速度信号，并根据所述测量的速度信号和接收到的速度指令进行运算以调整伺服电机的转速；以及
所述速度指令是根据以下方式中的至少一个计算得到的：
所述速度指令是所述控制器根据位置闭环的输出计算得到的；
所述速度指令是所述控制器根据压力闭环的输出计算得到的；
所述速度指令是所述控制器根据位置闭环的输出和压力闭环的输出计算得到的，其中，所述位置闭环的输出和所述压力闭环的输出中的一个作为主要参数，另一个作为辅助参数；
所述速度指令是所述控制器将位置闭环输出和压力闭环输出进行混合运算得到的。
优选地，所述位置闭环包括：所述控制器接收由所述位置传感器测量的位置信号，并根据所述测量的位置信号和接收到的位置指令获得所述速度指令，并将所述速度指令发送至所述伺服驱动器。
优选地，所述压力闭环包括：所述控制器接收由测力传感器测量的压力信号，并根据所述测量的压力信号和接收到的压力指令获得所述速度指令，并将所述速度指令发送至所述伺服驱动器。
优选地，所述位置闭环和所述压力闭环采用串联控制或并联控制。
优选地，所述串联控制包括：位置闭环的输出，连接到压力闭环的输入；或者压力闭环的输出连接到位置闭环的输入。
优选地，所述并联控制包括：位置闭环的输出和压力闭环的输出进行混合运算，运算结果作为速度指令发送至伺服驱动器。
通过本发明提供的超声波焊接机，采用纯电动的运动控制系统来控制超声波焊接机的焊头的升降，超声波焊接机只需要电源输入即可正常运行；而且采用伺服控制技术，可以实现对焊头升降速度、焊接压力、焊接深度等参数的精确闭环控制，进而使工件的焊接精度、成品率明显提高，同时还可以提高焊接频率，使超声波焊接机更适用于高精度的产品。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例提供的超声波焊接机的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的超声波焊接机的内部结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的直线式电动缸的结构示意图；
图4是根据本发明实施例提供的折返式电动缸的结构示意图；
图5是根据本发明实施例提供的超声波焊接机的控制示意图；
图6是根据本发明实施例提供的超声波焊接机的控制电路图；
图7是根据本发明实施例提供的伺服驱动器的控制原理图；
图8是根据本发明实施例提供的压力闭环的控制框图；
图9是根据本发明实施例提供的位置闭环的控制框图；
图10是根据本发明实施例提供的串联控制框图，其中位置指令为最终的控制目标；
图11是根据本发明实施例提供的串联控制框图，其中压力指令为最终的控制目标；
图12是根据本发明实施例提供的并联控制框图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
一方面，本发明提供了一种超声波焊接机，如图1所示，超声波焊接机1包括底座11，机架12，焊头13，电动缸14，伺服驱动器以及控制器，其中，机架12设置在底座11上，电动缸14和焊头13均安装在机架12上；电动缸14可用于驱动焊头13，伺服驱动器可用于控制电动缸14，控制器可用于控制伺服驱动器。
本发明设计的超声波焊接机采用纯电动的运动控制系统来控制该超声波焊接机的焊头的升降，以代替传统的气缸控制。超声波焊接机1只需要电源输入即可正常运行，无需额外增加气源，在保证正常运行的前提下使其结构更加地简化。
图2是根据本发明实施例提供的超声波焊接机的内部结构示意图。
作为一个较优的实施方式，电动缸14包括伺服电机141和丝杆142，并且电动缸14为直线式电动缸。伺服电机141可以精确控制旋转的速度、扭矩、转动角度，丝杆142将旋转运动转换成直线运动。
作为另一个较优的实施方式，电动缸14包括伺服电机141和丝杆142，并且电动缸14为折返式电动缸。
需要说明的是，根据伺服电机141与丝杆142的相对位置的不同，电动缸可以分为多种形式，例如，如图3所示的直线式电动缸，，或如图4所示的折返式电动缸。本领域技术人员可以根据具体应用环境的需求，选择直线式电动缸或折返式电动缸或其他适合的电动缸。
作为一个较优的实施方式，超声波焊接机还包括：位置传感器15，用于检测焊头13的伸出位置；位置传感器15设置在机架12和焊头13上，并接入控制器。
作为另一个较优的实施方式，超声波焊接机还包括：测力传感器16，用于检测焊头13上的压力；测力传感器16设置在丝杆142的输出端，并接入控制器。
作为另一个较优的实施方式，伺服电机141上设置有通过电机轴的旋转编码器143，以检测伺服电机141的转速。
如图5是根据本发明实施例提供的超声波焊接机的控制过程示意图，图6是根据本发明实施例提供的超声波焊接机的控制电路图；通过图6的电路图可以实现图5中所示的控制过程。
如图所示，旋转编码器可检测伺服电机的转速，测力传感器可检测焊头的压力，位置传感器可检测焊头的位移，将这些传感器信号都接至控制器中，以实现对焊头13的运动速度、运动位置、压力等过程量的精确控制。
通过上述控制，本发明提供的超声波焊接机的焊接精度、成品率明显提高，同时还可以提高焊接频率，使超声波焊接机更适用于高精度的产品。
作为一个较优的实施方式，控制器为可编程控制器，控制器的控制周期小于或等于1ms。控制器能够对机械运动部件(如焊头)的位置，速度等进行实时控制，使其按照设定的运动轨迹和规定的参数进行运动。
当然，本领域技术人员也可以根据具体应用环境的不同，选择适合的控制器。
另一方面，本发明还提供了一种控制方法，用于控制如上所述的超声波焊接机，包括伺服驱动器接收由旋转编码器测量的速度信号，并根据该测量的速度信号和接收到的速度指令进行运算以调整伺服电机的转速；其中，该速度指令可以根据以下方式中的至少一个计算得到的：
该速度指令是控制器根据位置闭环的输出计算得到的；
该速度指令是控制器根据压力闭环的输出计算得到的；
该速度指令是控制器根据位置闭环的输出和压力闭环的输出计算得到的，其中，位置闭环的输出和所述压力闭环的输出中的一个作为主要参数，另一个作为辅助参数；
该速度指令是控制器将位置闭环输出和压力闭环输出进行混合运算得到的。
本发明实施例中的控制方法分可为两个层次：
底层：伺服驱动器通过电机轴的旋转编码器信号，实现实时高精度的电机转速闭环控制，其控制原理如图7所示。
上层：控制器根据不同的焊接参数，控制电动缸升降运动的速度曲线，由于接入测力传感器和位置传感器，在控制器内部还能构建压力的闭环控制和位置的闭环控制，对整个焊接过程中的触发压力，焊接压力和焊接深度等过程量进行高速控制。压力闭环和位置闭环的控制框图分别如图8和图9所示。
通过以上的闭环控制，运动控制器根据给定的压力或位置指令，及反馈的实际压力或实际位置信号，控制伺服电机运转；使得实际压力或实际位置快速准确的达到指令要求。
作为一个优选的实施方式，位置闭环包括：控制器接收由位置传感器测量的位置信号，并根据该测量的位置信号和接收到的位置指令获得该速度指令，并将该速度指令发送至伺服驱动器。
作为一个优选的实施方式，压力闭环包括：控制器接收由测力传感器测量的压力信号，并根据该测量的压力信号和接收到的压力指令获得该速度指令，并将该速度指令发送至伺服驱动器。
作为一个优选的实施方式，位置闭环和压力闭环之间可以采用串联控制或并联控制，具体有几种类型，包括：串联控制和并联控制。
在一个焊接过程中，通常包括多个阶段。如，一个压力触发阶段，多个焊接阶段和一个保压阶段。在不同阶段，控制的目标是不同的。比如，压力触发阶段，压力是控制目标，位置和速度是辅助控制参数；在焊接阶段，压力，速度或位置其中任意一个可能是控制目标，而其余两个则是辅助控制参数；在保压阶段，压力或位置其中一个可能是控制目标，而其余两个则是辅助控制参数。
作为一种优选的实施方式，串联控制可以包括两种控制方式。
第一种串联控制：位置闭环的输出，作为压力闭环的输入，与压力指令一同运算，最终输出结果到伺服驱动器的速度给定上，如图10所示，即位置闭环在前，压力闭环在后。
这种模式一般用于这样的场合：位置指令是主要控制目标，而在过程中，压力指令作为限制，即实际压力需要被限制在压力指令的范围内。
第二种串联控制：压力闭环的输出，作为位置闭环的输入，与位置指令一同运算，最终输出结果到伺服驱动器的速度给定上，如图11所示，即压力闭环在前，位置闭环在后。
这种模式一般用于这样的场合：压力指令是主要控制目标，而在过程中，位置指令作为限制，即实际位置需要被限制在位置指令的范围内。
作为另一个优选的实施方式，并联控制包括：位置闭环的输出和压力闭环的输出进行混合运算，其运算结果作为速度指令发送至伺服驱动器，如图12所示。即在一个过程中，可以灵活地切换这两种指令之一为控制目标，并且在切换时，速度不会突变，平滑过渡，达到压力控制和位置控制无缝切换的理想结果。
需要说明的是，如上所述的控制方法(包括串联控制和并联控制)，并不仅限于压力和位置这两个过程信号，还可以包括其他的过程信号，本领域技术人员可以根据实际应用环境的需求，采用其他过程信号接入超声波焊接机，并且采用串联和并联的方式构成多闭环的控制方法。
本发明提供的控制方法可以将压力控制、位置控制和速度控制组合起来，共同控制伺服驱动器，从而可以灵活地适应不同的控制目标。
通过本发明提供的超声波焊接机，采用纯电动的运动控制系统来控制超声波焊接机的焊头的升降，焊头的升降速度、焊接压力、焊接深度等参数的精度较高，且升降速度快，大大缩短了焊接周期时间，提高了生产效率，使超声波焊接机更适用于高精度的产品；同时，电动缸维护方便，只需定期润滑即可，寿命比气缸更长。
需要说明的是，这些技术效果并不是上述所有的实施方式所具有的，有些技术效果是某些优选实施方式才能取得的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种超声波焊接机，其特征在于，所述超声波焊接机包括：
底座，
机架，设置在所述底座上，
焊头，安装在所述机架上；
电动缸，用于驱动所述焊头；
伺服驱动器，用于控制所述电动缸；以及
控制器，用于控制所述伺服驱动器。
2.根据权利要求1所述的超声波焊接机，其特征在于，所述电动缸包括伺服电机和丝杆，其中，所述电动缸为直线式电动缸或折返式电动缸。
3.根据权利要求1所述的超声波焊接机，其特征在于，所述超声波焊接机还包括：
位置传感器，用于检测所述焊头的伸出位置；所述位置传感器设置在所述机架和所述焊头上，并接入所述控制器。
4.根据权利要求1所述的超声波焊接机，其特征在于，所述超声波焊接机还包括：
测力传感器，用于检测所述焊头上的压力；所述测力传感器设置在所述丝杆的输出端，并接入所述控制器。
5.根据权利要求2所述的超声波焊接机，其特征在于，所述伺服电机上设置有通过电机轴的旋转编码器，以检测所述伺服电机的转速。
6.根据权利要求1-5所述的超声波焊接机，其特征在于，所述控制器为可编程控制器，所述控制器的控制周期小于或等于1ms。
7.一种控制方法，用于控制如权利要求1-5所述的超声波焊接机，其特征在于，
包括：
伺服驱动器接收由旋转编码器测量的速度信号，并根据所述测量的速度信号和接收到的速度指令进行运算以调整伺服电机的转速；以及
所述速度指令是根据以下方式中的至少一个计算得到的：
所述速度指令是所述控制器根据位置闭环的输出计算得到的；
所述速度指令是所述控制器根据压力闭环的输出计算得到的；
所述速度指令是所述控制器根据位置闭环的输出和压力闭环的输出计算得到的，其中，所述位置闭环的输出和所述压力闭环的输出中的一个作为主要参数，另一个作为辅助参数；
所述速度指令是所述控制器将位置闭环输出和压力闭环输出进行混合运算得到的。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述位置闭环包括：所述控制器接收由所述位置传感器测量的位置信号，并根据所述测量的位置信号和接收到的位置指令获得所述速度指令，并将所述速度指令发送至所述伺服驱动器。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述压力闭环包括：所述控制器接收由测力传感器测量的压力信号，并根据所述测量的压力信号和接收到的压力指令获得所述速度指令，并将所述速度指令发送至所述伺服驱动器。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述位置闭环和所述压力闭环采用串联控制或并联控制。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述串联控制包括：位置闭环的输出，连接到压力闭环的输入；或者压力闭环的输出连接到位置闭环的输入。
12.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，所述并联控制包括：位置闭环的输出和压力闭环的输出进行混合运算，运算结果作为速度指令发送至伺服驱动器。
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