CN109070491B - 用于通过使用振动装置将插入件锚固在结构件中的方法和装置 - Google Patents

用于通过使用振动装置将插入件锚固在结构件中的方法和装置 Download PDF

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Abstract

提供了用于通过将包括第一材料的插入件(10)锚固在包括第二材料的结构件(20)中来接合材料的装置(100)。第一材料是固体且具有热塑性特性，并且第二材料是固体且能够被处于液化状态时的第一材料穿透。装置(100)包括：振动装置(110)，其构造成将振动传递至所述插入件(10)以使所述插入件(10)至少部分地液化，并且该振动装置布置成相对于所述结构件(20)沿着插入方向(ID)移动以将所述插入件(10)至少部分地插入到所述结构件(20)中；接触传感器(120)，其连接至振动装置(110)并且适于与振动装置(110)一起沿着插入方向(ID)移动，接触传感器(120)具有传感器本体(124)，该传感器本体适于检测其与所述结构件(20)的接触。接触传感器(120)进一步连接有控制器(150)且控制器(150)适于接收来自接触传感器(120)的指示出传感器本体(124)已经与所述结构件(20)接触的接触信号，控制器(150)包括控制装置(152)，该控制装置用于基于接收的所述信号来中断以下各项中的至少一者：i)振动装置(110)沿着插入方向(ID)的运动，以及ii)从振动装置(110)至所述插入件(10)的振动的传递。

Description

用于通过使用振动装置将插入件锚固在结构件中的方法和 装置
技术领域
本发明涉及对材料比如纤维材料或多孔材料进行接合的装置和方法。更具体地，本发明涉及用于在这种材料接合过程中进行位置控制的装置和方法。
背景技术
可以以各种方式实现对材料的接合。对于纤维材料或多孔材料而言，已经研发了涉及机械振动的材料接合过程，所述机械振动例如为超声波振动、如例如在WO1998/42988中所描述的有时被称为
Figure BDA0001802103100000011
技术的过程。
Figure BDA0001802103100000012
技术已经被证明对于将插入件牢固地固定在纤维或多孔的结构件中是非常有利的。
Figure BDA0001802103100000013
技术的一般原理需要布置在插入件/结构件界面中的某个位置处的热塑性材料。通过例如借助于超声波振动装置对热塑性材料施加超声波振动，将产生摩擦力，从而引起热的产生并且因此使热塑性材料熔融。在热塑性材料至少部分地处于液相的同时插入件被推入到结构件的凹部中，随后，热塑性材料被允许在机械振动被移除并且一旦插入件被保持在正确位置中就重新固化。
例如在WO2015/181300中描述了不同的
Figure BDA0001802103100000014
技术过程的细节的另外的示例。
为了高品质应用、比如家具制造，重要的是确保在接合过程之后插入件相对于纤维或多孔的结构件的正确位置。因此，对于插入件的最终位置进行控制需要在接合过程期间精确地控制插入件至结构件中的运动。为了解决这一问题，已经提出利用参照构件，该参照构件能够移动成与纤维或多孔的结构件的边缘相接触。振动装置被允许沿插入方向、即朝向结构件移动，并且振动装置不仅用于提供机械振动而且用于对插入件施加按压力以将插入件压入到结构件中。在移动振动装置之前，确定振动装置的外边缘与参照构件之间的纵向距离，以及确定在插入件最终接合至结构件时参照构件与插入件的外边缘之间所需的纵向距离、即插入件用以伸出到结构件外部的长度。因此，纵向方向对应于插入方向。通过将振动装置朝向结构件移动，一旦振动装置与参照构件之间的距离等于所需的距离，则该运动将结束。因此，在该位置处，插入件已经相对于结构件到达插入件所需位置。
尽管上述方法允许用于单个插入件的精确定位，但是精确度将取决于参照构件的位置。如果参照构件出于某些因素不与结构件紧密接触，则插入件的最终位置将不会是正确的。此外，上面所描述的方法在两个或更多个插入件被附接至同一结构件时还将带来一些弊端。如果存在小的结构件的未对准，则参照构件将不会提供相对于结构件中的将要接纳插入件的凹部的明确规定的位置。因此，至多插入件中的仅一个插入件在最终接合至结构件时将具有正确位置。
因此，需要用于接合材料的改进的装置及方法，特别是在应用
Figure BDA0001802103100000021
技术以用于将插入件锚固至具有纤维或多孔材料的结构件时需要用于接合材料的改进的装置及方法。
发明内容
因此，本发明的目的是提供用于接合材料、特别是用于将插入件锚固至具有纤维或多孔材料的结构件的改进的方法和装置。
根据第一方面，提供了一种用于通过将包括第一材料的插入件锚固在包括第二材料的结构件中来接合材料的装置。第一材料是固体且具有热塑性特性，并且第二材料是固体且能够被处于液化状态时的第一材料穿透。该装置包括：振动装置，该振动装置构造成将振动传递至所述插入件以使所述插入件至少部分地液化，并且该振动装置布置成相对于所述结构件沿着插入方向ID移动以将所述插入件至少部分地插入到所述结构件中：接触传感器，该接触传感器连接至振动装置并且适于与振动装置一起沿着插入方向ID移动，该接触传感器具有传感器本体，该传感器本体适于检测其与所述结构件的接触；以及控制器，该控制器连接至接触传感器且适于接收来自接触传感器的指示出传感器本体已经与所述结构件接触的接触信号，控制器包括控制装置，该控制装置用于基于接收的所述信号来中断以下各项中的至少一者：i)振动装置沿着插入方向ID的运动，以及ii)从振动装置至所述插入件的振动的传递。
该装置的优点在于，该装置允许用于插入件在结构件中的更精确的锚固，特别是对在布满灰尘的不平坦的和/或多孔的表面上的正确位置的改进的检测。
所述振动装置可以是超声波振动装置。
在实施方式中，振动装置的中心线C1与接触传感器的中心线C2之间的在与插入方向ID垂直的方向上所测量的横向距离L1小于所述插入件的在与插入方向ID垂直的方向上所测量的最大横向宽度L2的七倍、更优选地小于该最大横向宽度L2的五倍[L1<7 x L2，更优选地L1<5 x L2]。该实施方式的优点在于，使接触传感器与结构件之间的接触部非常靠近插入件被插入到结构件中所处的点，因此接触传感器的接触提供了插入件在结构件的区域中的位置的精确指示。
在实施方式中，横向距离(L1)小于70mm、更优选地小于50mm。已经发现这样的距离提供用于接触传感器与结构件之间的接触的精确检测，该精确检测关于插入件相对于结构件的位置是精确的。因此，插入件可以以高精度锚固在结构件中。
接触传感器可以具有位置检测重复精确度，该位置检测重复精确度沿插入方向ID观察时优于20微米、优选地优于10微米、并且最优选地优于5微米。在实施方式中，接触传感器具有小于3毫秒、优选地小于1毫秒的响应时间。这提供用于插入件在结构件中的精确定位。
传感器本体优选地具有结构件接触区域SA，该结构件接触区域SA为至少5mm2、更优选地至少10mm2。因此，减少了下述风险：传感器本体被穿透到多孔的结构件中，或传感器检测到结构件的与对于插入件的定位无关的接触。此外，传感器接触区域优选地不大于200mm2、甚至更优选地不大于150mm2。这提供用于结构件的与插入件有关的接触的精确检测。
振动装置可以包括用于将振动传递至所述插入件的插入件接触表面，传感器本体被定位在沿着插入方向ID观察时与所述振动装置的插入件接触表面相距距离d1处，其中，振动装置的插入件接触表面与传感器的传感器本体之间的距离d1对应于高度H1，其中，所述插入件用以在所述插入件已经锚固在结构件中之后在所述插入方向ID上从所述结构件以该高度H1伸出。
在实施方式中，控制装置适于基于接收的所述信号来中断以下二者：i)振动装置沿着插入方向ID的运动，以及ii)从振动装置至所述插入件的振动的传递。
所述接触传感器可以包括壳体，该壳体封围第一电极和第二电极，该第一电极相对于壳体固定，该第二电极连接至传感器本体并且能够相对于壳体移动。
第二电极可以附接至传感器本体，该传感器本体作为被偏置成突出到所述壳体外部的移动构件。
在实施方式中，当不存在来自所述结构件的作用于移动构件上的接触力时，第一电极与第二电极接触。
在实施方式中，当不存在来自所述结构件的作用于移动构件上的接触力时，第一电极与第二电极未接触。
该装置还可以包括支承件，该支承件允许振动装置和传感器沿着插入方向ID朝向以及远离所述结构件移动，优选地，所述支承件包括用于对沿着插入方向ID的所述移动进行致动的气动缸、直线驱动马达或液压缸。这些装置中的所有装置在使振动装置相对于结构件移动方面是高效的。特别地，气动装置和液压装置具有以下额外益处：在振动的传递已中断之后使得易于将力保持作用在插入件上，由此，插入件的初始固化可以在施加在插入件上的压力的作用下发生。更进一步，气动装置和液压装置具有以下额外优点：随着插入件的液化进行而致使插入件移动至结构件中。
在实施方式中，该装置还包括气体供给装置，该气体供给装置具有冲洗用气体出口，该冲洗用气体出口定位成邻近于传感器本体以用于对处于传感器的传感器本体的前方的结构件进行气体冲洗。
根据第二方面，提供了一种方法，该方法用于通过将包括第一材料的插入件锚固在包括第二材料的结构件中来对材料进行接合，其中，第二材料比如为纤维或多孔材料。第一材料是固体且具有热塑性特性，并且其中，第二材料是固体且能够被处于液化状态时的第一材料穿透。该方法包括：将振动装置与插入件对准；对所述振动装置进行控制以传递振动进而致使所述插入件的至少部分液化，以及在插入方向ID上对所述插入件产生按压力以将所述插入件至少部分地压入到所述结构件中；检测传感器何时接触所述结构件，其中，传感器连接至所述振动装置且与振动装置一起沿插入方向移动，插入件被压入到结构件中；以及一旦检测到传感器与所述结构件之间的接触，则使所述振动的传递和在所述振动装置的作用下的按压力的产生中的至少一者中断。
一旦检测到传感器与所述结构件之间的接触则使所述振动的传递和在所述振动装置的作用下的所述按压力的产生中的至少一者中断的步骤可以包括使所述振动的传递和所述按压力的产生两者均中断。
检测与结构件的接触的步骤可以包括对横向距离L1处的所述接触进行检测，其中，横向距离L1为在与插入方向ID垂直的方向上所测量的在振动装置的中心线C1与接触传感器的中心线C2之间的距离，所述横向距离L1小于所述插入件的在与插入方向ID垂直的方向上所测量的最大横向宽度L2的七倍、更优选地小于该最大横向宽度L2的五倍[L1<7 xL2，更优选地L1<5 x L2]。
检测传感器何时接触所述结构件的步骤可以利用传感器的位置检测重复精确度来执行，该位置检测重复精确度沿插入方向ID观察时优于20微米、优选地优于10微米、并且最优选地优于5微米。
检测传感器何时接触所述结构件的步骤可以利用小于3毫秒、更优选地小于1毫秒的传感器响应时间来执行。
结构件的在接触传感器的前方的区域可以用冲洗用气体被冲洗。
该方法还可以包括：对振动装置的插入件接触表面与传感器的传感器本体之间的距离d1进行设定使得该距离d1对应于高度H1，其中，所述插入件用以在所述插入件已经锚固在所述结构件中之后在所述插入方向ID上从结构件以该高度H1伸出。
结构件可以包括木质材料，比如木材、胶合板、刨花板、纸板、中密度纤维板MDF或高密度纤维板HDF。
插入件可以是下述销钉：该销钉用于稍后用作在将作为家具件的结构件连接至另一家具件时所形成的家具接合件的凸形部。
在实施方式中，插入件是下述销钉：该销钉用于稍后用作在将作为家具件的结构件连接至另一家具件时所形成的家具接合件的凹形部。
附图说明
以下将参照附图对本发明进行更详细的描述，在附图中：
图1是书架的等距视图，该书架通过将各家具件接合而被组装，其中，至少一个家具件包括结构件以及接合至该结构件的插入件；
图2是用于图1中示出的书架所需的组装过程的总体视图，其中，家具件被更详细地示出；
图3是由根据实施方式的方法所提供的接合过程的示意性侧视图；
图4是用于与根据各种实施方式的装置及方法一起使用的插入件和结构件的侧视图；
图5是用于接合材料的方法的示意图；
图6a至图6b是根据实施方式的装置的示意性侧视图；
图7是根据实施方式的装置的示意图；
图8a至图8b是用于与根据实施方式的装置一起使用的传感器的侧视图；
图9a至图9b是用于与根据实施方式的装置一起使用的另一传感器的侧视图；
图10是使用根据实施方式的若干装置的系统的俯视图；
图11是根据实施方式的方法的示意图；以及
图12是根据替代性实施方式的接触传感器装置的示意图。
具体实施方式
在以下描述中，将讨论用于接合材料的方法和装置的不同实施方式。在转到这些装置及方法的细节之前，将给出一些典型的一般解释，但非将应用限制用于这种类型的材料接合技术。
在图1中示出了书架1，该书架1具有框架结构件2和在框架结构件2内水平地延伸的多个架3。在图2中示出了对书架1的组装，其中，框架结构件2的侧部分2a具有用于接纳家具件3的配合突起3a的若干凹部2b，所述家具件3稍后形成架。因此，架3的配合突起3a形成家具接合件的凸形部。在图2中，配合突起3a是楔形销钉，所述楔形销钉通过材料接合过程接合至架3。
在本文中将不会对图2中所示出的特定楔形销钉家具接合件进行更详细的描述。在例如US2014/205373中描述了这种家具接合件的特征和优点，例如参看所述文献的图14a至图14h。
现在转到本申请的图3，示出了接合材料的一般原理。从最左边的图示处开始，插入件10将要与结构件20接合。结构件20由如下面进一步描述的多孔或纤维材料制成。在结构件20中设置有凹部21，由此从结构件20的一个边缘可接近凹部21或盲孔。凹部21具有从其开口至其底壁22的深度D，并且凹部21的宽度由侧壁23限定。侧壁23和/或底壁22的至少一些部分包括可穿透材料，以用于吸收插入件10的已液化的热塑性材料。
图3中所示出的插入件10具有插入部分11和近端部分12，该近端部分将形成突出部，其中，一旦插入件10已经完全接合至结构件20，该突出部位于结构件20外部。插入部分11的一些部分或者整个插入部分11可以由热塑性材料形成。
插入件10至少部分地被迫压到结构件20的凹部21中，以用于建立临时配合。这在图3的中间图示中被示出。例如，该临时配合可以是通过将插入件10压入到凹部21中而实现的过盈配合，其中，插入部分11的横截面略微大于凹部21的横截面，从而形成过盈配合。为了接合材料、即为了将插入件10和结构件20彼此接合，机械振动例如通过超声波振动装置110被施加至热塑性材料。振动装置110被压靠于插入件10的近端部分12，由此，振动将致使热塑性材料与结构件20的材料之间产生摩擦力，从而最终使得该插入部分11的热塑性材料至少部分地熔融。在将插入件10压向结构件20的同时，插入件10将进一步向下移动到凹部21中。该热塑性材料将在一定程度上流入凹部21的侧壁23和/或底壁22中，从而一旦振动力停止并且热塑性材料被允许重新固化，则在所述两个材料之间形成非常刚性的连接。
在图3中，插入件10的整个插入部分11由热塑性材料制成，并且近端部分12也由热塑性材料制成。在图4中，示出了另一示例，其中，仅插入部分11的部分13由热塑性材料制成。
对于本文中所描述的所有实施方式而言，结构件20优选地由多孔或纤维材料制成。多孔及纤维材料能够被液化的热塑性材料穿透。在该方法中有用的材料的示例以及特别对家具制造应用方面感兴趣的示例是木质材料，比如刨花板、或者木材、或者泡沫金属或泡沫陶瓷、或可能有空隙的泡沫金属或泡沫陶瓷。
如上面所提到的，参与锚固的热塑性材料和可穿透材料可以仅存在于插入部分的选定表面上以及开口的壁上。然而，参与锚固的热塑性材料和可穿透材料还构成两个物体的较大部分，所述两个物体可能包括不同材料的另一些部分，或者可以完全由热塑性材料组成或者完全由可穿透材料组成。
可应用在本文中所描述的实施方式中的可穿透材料的示例是固体材料，比如木材、胶合板、刨花板(在本文中“刨花板”包括通过将任何形状的木材颗粒与粘合剂混合所制造的任何复合材料，其不依赖于产品的形状，可穿透材料的示例包括例如定向刨花板、颗粒板、高密度纤维板(HDF)以及中密度纤维板(MDF))、纸板、混凝土砖材料、多孔玻璃、泡沫金属、泡沫陶瓷、或泡沫聚合物材料，或者烧结的陶瓷材料、烧结的玻璃材料或烧结的金属材料，基于非热塑性(热固性)聚合物的具有多孔结构的材料、热塑性聚合物，其中，这些材料包括下述空间：该热塑性材料能够穿透至所述空间中，所述空间最初填充有空气或填充有另一可移位或可压缩的材料。另一些示例是具有上面所阐述的特性的复合材料，或者为具有包括适当粗糙度、适当加工表面结构、或具有适当表面涂层(例如，由颗粒组成的表面涂层)的表面的材料。如果可穿透材料具有热塑性特性，例如如果可穿透材料是热塑性聚合物，则需要的是，该可穿透材料在锚固步骤期间通过进一步包括机械稳定相或者通过具有比在锚固步骤中被液化的热塑性材料更高的熔熔温度而保持该可穿透材料的机械强度。
适合于本文中所描述的各种实施方式的可穿透材料至少在建立所述配合和锚固的状况下是固体，其中，本公开内容的上下文中的“固体”意指该材料是刚性的、基本上不可弹性弯曲(没有弹性体特性)且不能塑性变形并且该材料不能弹性地压缩或者仅仅可以非常小程度地弹性压缩。可穿透材料还包括(实际上或潜在地)下述空间：已液化的材料可以流动到所述空间中或者被压入到所述空间中以用于锚固。可穿透材料例如是纤维材料或多孔材料，或者可穿透材料包括例如通过适当的加工或通过涂覆所制造的可穿透表面结构(用于穿透的实际空间)。替代性地，可穿透材料能够在已液化的热塑性材料的流体静压力的作用下形成这种空间，这意味着该可穿透材料可能是不可穿透的或者仅当在周围环境条件的作用下在非常小的程度上可穿透。该特性(具有用于穿透的潜在空间)意味着例如在机械阻力方面的不均质性。具有该特性的材料的示例是多孔材料，所述多孔材料的孔隙填充有可以从孔隙中被迫压出来的材料、软质材料和硬质材料的复合物、或非均质材料(比如木材)，在该非均质材料中组分之间的界面粘结力小于由穿透的液化材料所施加的力。因此，一般地，可穿透材料包括在结构(“空的”空间，比如孔隙、腔等)方面或者在材料复合(可移位材料或可分离材料)方面的不均质性。
适合于本文中所描述的不同实施方式的热塑性材料在建立所述配合的状况下也是就如上面对于可穿透材料所描述的意义而言的固体。该热塑性材料优选地包括聚合物相(特别是基于碳(C)、磷(P)、硫(S)或硅链的聚合物相)，该聚合物相例如通过熔融从固体转变成液体或者能够在高于临界温度范围下流动、并且当低于临界温度范围被再次被冷却时例如通过结晶而转变成固体材料，因此固相的粘度比液相的粘度高若干个量级(至少三个量级)。热塑性材料通常包括下述聚合物组分：所述聚合物组分是非交联共价的或交联的使得在加热到熔融温度范围时或加热到高于熔融温度范围时交联键以可逆的方式打开。聚合物材料还可以包括填料，该填料例如为具有非热塑性特性或具有热塑性特性的纤维或颗粒材料，所述热塑性特性包括显著地高于基体聚合物的熔融温度范围的熔融温度范围。
适于本文中所描述的实施方式的热塑性材料的示例是热塑性聚合物、共聚物或填充聚合物，其中，基体聚合物或共聚物例如是聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺(特别是聚酰胺12、聚酰胺11、聚酰胺6或聚酰胺66)、聚甲醛、聚碳酸酯聚酯胺、聚碳酸酯或聚酯碳酸酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)，丙烯酸酯苯乙烯丙烯腈(ASA)，苯乙烯丙烯腈，聚氯乙烯，聚苯乙烯、或聚醚酮(PEEK)，聚醚酰亚胺(PEI)，聚砜(PSU)，聚苯硫醚(PPS)，或液晶聚合物(LCP)。
用于在锚固步骤中使热塑性材料液化所需的能量如上面所讨论的优选地以机械振动特别是超声波振动的形式被供给至两个物体中的任一者，以在插入部分与开口的壁之间的界面处转变为摩擦热。该振动优选地具有主振动方向，该主振动方向平行于在实现所述配合的位置处的插入部分的表面和开口壁。因此，对于实现侧向锚固而言，优选的是大致平行于开口的深度方向的纵向振动、或者绕基本上平行于开口的深度的轴线进行的旋转振动。在施加附加的剪切力的情况下，附加的剪切力优选地平行于主振动方向指向，即该剪切力平行于开口的深度起作用或者作为绕平行于开口的深度的轴线的扭转。
通常待被接合的材料(即，插入件10和结构件20)中的任一种材料需要能够优选地以最小的能量损失将振动能量从被施加有振动工具的物体近端侧部传递至布置有插入部分或开口的远端侧部。如果该物体完全由热塑性材料制成，则该热塑性材料将需要至少0.5GPa、或优选地至少1.0GPa的弹性系数(在环境温度下)。
适于本文中所描述的实施方式的机械振动或振荡具有优选地介于2kHz与200kHz之间(甚至更优选地，介于10kHz与100kHz之间，或者介于20kHz至40kHz之间)的频率以及每平方毫米有效表面的0.2W至20W的振动能量。振动工具(例如，超声波发生器或超声波振动装置)例如被设计成使得该振动工具的接触表面主要沿工具轴线(纵向振动)的方向并以介于1μm与100μm之间、优选地大约30μm至60μm的幅值而振荡。这种优选的振动例如是通过如例如从
Figure BDA0001802103100000101
技术已知的超声波装置产生的。
在图5中示出了材料接合方法30的一般原理，示意性地图示了提供两个物体、即插入件10和结构件20的第一步骤31。在下一步骤32中，在插入件10与结构件20之间建立临时配合。在后续步骤33中，通过对热塑性材料施加振动以使插入件10的热塑性材料至少部分地液化从而将插入件10接合至结构件20，并且由于结构件20包括可穿透材料，所以这种已液化的材料穿透至结构件20中。此后，在步骤34中，振动被停止，从而允许插入件10的热塑性材料重新固化，以便实现插入件10与结构件20的所需的锚固或接合。
应注意的是，提供临时配合的步骤32可以不以单独的方法步骤来执行，而作为后续步骤33的初始部分来执行。在这种实施方式中，在结构件20中可以不存在凹部，而是在振动和按压力被施加至该插入件时，该插入件10可以被直接地压入到结构件20中。在这种实施方式中，建立插入件在结构件20的开口的配合的步骤32对应于当插入件10正在建立与结构件20的配合时的小时间窗。
现在转到图6a，示出了用于接合材料的装置100。该装置100包括振动装置110和传感器120。振动装置110构造成对至少设置在插入件10与结构件20之间的界面中的热塑性材料产生机械振动，并且振动装置110构造成沿着插入方向ID朝向以及远离结构件20移动以便在操作期间对插入件10施加按压力。为此，装置100优选地还包括支承件130，该支承件130允许振动装置110朝向以及远离所述结构件20移动。支承件130可以例如包括气动缸132、液压缸、直线驱动马达或用于使振动装置110朝向以及远离结构件20移动的类似件。
传感器120优选地是接触传感器120，该接触传感器120具有传感器本体124，该传感器本体124定位在沿着插入方向ID观察时与振动装置110的插入件接触表面112相距预定距离d1处，其中，插入件接触表面112是与插入件10相接触且将该插入件推入到结构件20中的表面。在振动装置110是超声波振动装置110的情况下，插入件接触表面112通常是将超声波振动从超声波振动装置110传递至插入件10的角状部114的端部表面。预定距离d1被选定成与插入件10的用以在插入件10和结构件20已经彼此接合之后从结构件20伸出的长度相对应。预定距离d1优选地是可调节的，并且预定距离d1应对应于高度H1，所述插入件10用以在所述插入件10已经锚固在所述结构件20中之后在所述插入方向ID上从结构件20以高度H1伸出。例如，如果假定在插入件10被接合至结构件20之后插入件10的外端部从结构件20中伸出5.5mm的高度H1，那么距离d1被设定为5.5mm。如果，如另一示例，假定插入件10在其被接合至结构件20之后与结构件20齐平、这意味着H1＝0mm，那么距离d1被设定为0mm，这意味着表面112与传感器本体124当沿着插入方向ID观察时处于相同的平面中。根据又一示例，假定插入件10在其被接合至结构件20之后完全地位于结构件20内，这例如意味着H1等于－1mm至－5mm。因此，根据该实施方式，表面112定位成比传感器本体124更靠近结构件20，其中，通过传感器本体124与结构件20之间的接触，锚固过程并未完成，而是直到插入件10已经被完全推入到结构件20中并且甚至完全地位于结构件20的表面下方才完成。在表面112定位成比传感器本体124更靠近结构件20的情况下，振动装置110具有下述大小：该大小使得当使插入件10移动到结构件20中时振动装置110可以部分地穿入设置在结构件20中的凹部21中。
传感器本体124具有结构件接触区域SA，该结构件接触区域SA在图6a中图示出，该结构件接触区域SA与结构件20相接触。结构件接触区域SA提供了平均效果，这意味着还可以在多孔材料比如颗粒板中确定代表性的且精确的接触。为此，结构件接触区域SA优选地不能太小，因为那样的话传感器本体124可能会穿透到结构件20中。因此，结构件接触区域SA优选地为至少5mm2、更优选地至少10mm2。此外，传感器接触区域SA还不能太大，因为那样的话传感器接触区域SA可能与其他装置相接触，这可能减小精确度。因此，传感器接触区域SA优选地不大于200mm2、甚至更优选地不大于150mm2。
在振动装置110的运动期间，预定距离d1应是固定的。因此，传感器120将以与振动装置110的移动方式相同的方式移动，并且优选地，传感器120例如经由安装支架126而物理上连接至振动装置110。在图6b中示出这种情况，其中，装置100已经被操作成将插入件10接合至结构件20。如可以观察到的，振动装置110已经通过按压并同时产生振动以使热塑性材料熔融来将插入件10迫压到结构件20中。当传感器120与结构件20相接触时，在此情况下插入件10恰好从结构件20向外伸出所需高度H1，振动装置110的运动和/或振动的传递可以被中断，以用于通过允许热塑性材料重新固化来完成接合过程。根据一个实施方式，振动的传递在振动装置110的运动停止之前不久被中断，例如，该运动可以在振动的传递已经被中断之后0.05秒至0.5秒中断。该实施方式的优点在于，在振动的传递已经被中断之后振动装置110的短时间段的运动引起按压力，该按压力将插入件10的插入部分11保持处于其预期位置中、至少直到插入部分11的固化已经开始为止。
为了对将插入件10接合至结构件20获得最大的精确度，其中，高度H1在这种接合之后尽可能接近于所需的值，这在传感器120被定位成非常靠近插入件10的情况下是有益的。因此，如在图6a中最佳示出的，振动装置110的中心线C1与接触传感器120的中心线C2之间的在与插入方向ID垂直的方向上所测量的横向距离L1小于所述插入件10的在与插入方向ID垂直的方向上所测量的最大横向宽度L2的七倍，即LI<7 x L2。通常，该最大横向宽度L2将存在于插入件10的近端部分12处。更优选地，LI<5 x L2。
优选地，接触传感器120具有位置检测重复精确度，该位置检测重复精确度沿插入方向ID观察时优于20微米、优选地优于10微米、并且最优选地优于5微米。根据一个示例，传感器120可以包括以下类型的传感器：Baumer My-com精密开关MY-COM L75N/S35L，其可从瑞士弗劳恩费尔德的Baumer Electric AG获得。该开关具有1微米的重复精确度。如在下文中将更多阐述的，该开关可以被嵌置在保护壳体中，其中，在开关与结构件20之间布置有独立的接触元件，与结构件20的接触通过独立的接触元件被检测。在这种情况下，接触传感器的重复精确度在开关、保护壳体和独立的接触元件的组合的情况下仍然优选地优于20微米、更优选地优于10微米，或者甚至优于5微米。
优选地，接触传感器120具有响应时间，该响应时间指的是检测接触与向控制器150发送信号之间的时间，该响应时间小于3毫秒、更优选地小于1毫秒。
如在图6a和图6b中可以观察到的，还可以设置气体供给装置140，该气体供给装置140包括冲洗用气体出口或喷嘴141，该冲洗用气体出口或喷嘴141定位成邻近于传感器本体124，以用于对传感器120的传感器本体124进行气体冲洗，从而用于从结构件20或传感器120移除不需要的颗粒，由此提高对传感器本体124与结构件20之间的接触进行检测的精确度。冲洗用气体通常是压缩空气，不过使用其他气体比如氮气进行冲洗的也是可能的。
在图7中，示出了根据实施方式的装置100的另一视图。除了振动装置110、传感器120、支承件130以及气体供给装置140之外，装置100还包括控制器150(还是参见图6a)。控制器150接合至传感器120，以用于检测在传感器120的传感器本体124与结构件20的边缘接触时的即时情况。基于此，控制器150接收来自传感器120的信号，并且控制器150的控制装置152比如微型计算机将产生控制信号并且将该控制信息传递至振动装置110的动力电子装置154，以停止振动的传递。除此之外，或者作为此的替代方案，控制器150还可以将控制信号传递至支承件130的直线驱动单元132，以终止任何向内运动，即使得振动装置110停止将插入件10沿插入方向ID压向结构件20。尽管在图7中未图示出，但是气体供给装置140的附加的控制还可以借助于控制器150来提供。
在图8a至图8b以及图9a至图9b中示出了传感器120的不同的实施方式。对于两种实施方式而言共同的是，传感器120包括壳体121，该壳体121封围第一电极122和第二电极123。第一电极122相对于壳体121固定，而第二电极123能够相对于壳体121移动。第二电极123连接至具有移动构件124的形式的传感器本体，该移动构件124沿朝向结构件20的方向部分地突出到壳体121外部。移动构件124可以为此借助于弹簧125被向外偏置。传感器120还包括电子单元127，该电子单元127向电极122、123提供电压并且向控制器150发送检测信号。
从图8a至图8b开始，电极122、123布置成使得在传感器120处于空闲状态时即在传感器120与结构件20之间不存在接触(图8a)时电极122、123不建立电接触。传感器120一与结构件20接触(由于振动装置110将插入件10压向结构件20)，则移动构件124将被向内迫压，从而压缩可选弹簧125，由此，电极122、123将接触，从而闭合电子电路(图8b)。控制器150将因此响应于该电子信号，并且发出控制信号以终止接合过程。
在图9a至图9b中，电极122、123以不同的方式配置，因为电极122、123在传感器120处于空闲状态时实际上处于电连接状态(图9a)。传感器120一与结构件20接触(由于振动装置110将插入件10压向结构件20)，则移动构件124将被向内迫压，从而压缩可选弹簧125，由此，电极122、123将被分开，从而切断电子电路(图9b)。控制器150将因此响应于该电子信号，并且相应地发出控制信号以终止接合过程。可选地，如果由电极122与电极123之间的连接所形成的电路实际上是支承件130的电路和振动装置110的振动传递的一部分，则控制器150可以被省略。由于电路基于接触被切断，所以用于支承件130的驱动信号以及用于振动装置110的传递信号将自动地终止。
在图10中，示出了材料接合系统200的示意性设置。系统200可以优选地用于家具制造，其中，用于将结构件20连接至其他家具件的销钉作为插入件10被锚固在结构件20中。结构件20可以例如是图1中所示出的架3。可以使用多个装置100将若干个插入件10同时附接至结构件20的每个横向侧部，其中，对于每个接合位置使用一个装置100。由于每个装置100具有其自身的传感器120，因此即使在可能存在结构件20的未对准的情况下也确保了每一个插入件10的精确定位。此外，多个装置100的使用还允许用于在结构件20处的各种位置中使用大小不同的插入件10，这是因为每个装置100可以被调节成使得相应的传感器120的传感器本体124与相应的振动装置110的插入件接触表面112之间的纵向距离d1可以根据单独的插入件10的伸出到结构件20外部的部分的所需长度来设定。
在图11中，示出了根据实施方式的方法300。为了通过将插入件10锚固在由纤维或多孔材料制成的结构件20中来接合材料，该方法300被执行。该方法300包括：将振动装置110与插入件10对准的第一步骤301，以及对振动装置110进行控制以对所述插入件10产生振动以及按压力的后续步骤302。该方法300还包括：检测传感器120何时接触结构件20的步骤303，其中，插入件10被压入到结构件20中；以及在检测到接触时使振动和按压力停止的最终步骤304。
图12图示了根据替代性实施方式的接触传感器220。该接触传感器220包括保护壳体222，在该保护壳体222内定位有实际传感器元件223。传感器元件223可以是与如在图6a至图7的实施方式中被用作接触传感器120的元件的类型相同的元件，例如Baumer My-com精密开关MY-COM L75N/S35L，然而，相比于图6a至图7的实施方式，在图12的实施方式中，传感器元件223将要与结构件20间接接触(为了保持图示的清晰，该结构件20在图12中未图示出)。因此，接触传感器220设置有接触元件225，该接触元件225从保护壳体222伸出。在接触元件225的一个端部处设置有具有结构件接触区域SA的传感器本体224，该结构件接触区域SA适于接触结构件，并且在接触元件225的相反的端部处设置有偏置端部226，该偏置端部226适于在接触元件225的传感器本体224与结构件20接触时使传感器元件223偏置。偏置弹簧227作用在接触元件225上，使得在传感器本体224与结构件20之间不存在接触时偏置弹簧227不会接触传感器元件223。安装支架230布置成用于将接触传感器220安装至振动装置110(在图12中未示出)。线缆228适于在接触元件225的传感器本体224与结构件20之间的接触已经被传递至传感器元件223时将来自传感器元件223的信号传输至控制器150(在图7中示出)。
保护壳体222连接有气体供给装置240。冲洗用气体比如压缩空气通过气体供给装置240被供给并且在保护壳体222内加压，使得污染物不会容易地进入。在接触元件225内部设置有气体通道242，以用于使加压的气体从保护壳体222前进至布置在传感器本体224中的喷嘴241，以用于对传感器本体224进行气体冲洗并且用于从结构件20或传感器220移除任何不需要的颗粒，以便提高接触检测精确度。
设置有调节螺钉244，以用于对传感器本体224与振动装置的插入件接触表面112之间的如例如在图6a中图示出的沿着插入方向ID的距离d1进行调节。布置有安全弹簧246以用于允许保护壳体222在与障碍物接触的情况下移动远离障碍物。
尽管上面参照具体实施方式已经描述了本发明，但是本发明不意在被限定为本文中所阐述的具体形式。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。

Claims (37)

1.一种用于通过将包括第一材料的插入件(10)锚固在包括第二材料的结构件(20)中来接合材料的装置(100)，其中，所述第一材料是固体且具有热塑性特性，并且其中，所述第二材料是固体且能够被处于液化状态时的所述第一材料穿透，所述装置(100)包括：
振动装置(110)，所述振动装置(110)构造成将振动传递至所述插入件(10)以使得所述插入件(10)至少部分地液化，并且所述振动装置(110)布置成相对于所述结构件(20)沿着插入方向(ID)移动以将所述插入件(10)至少部分地插入到所述结构件(20)中；
接触传感器(120)，所述接触传感器(120)连接至所述振动装置(110)并且适于与所述振动装置(110)一起沿着所述插入方向(ID)移动，所述接触传感器(120)具有传感器本体(124)，所述传感器本体(124)适于检测其与所述结构件(20)的接触；以及
控制器(150)，所述控制器(150)连接至所述接触传感器(120)且适于接收来自所述接触传感器(120)的指示出所述传感器本体(124)已经与所述结构件(20)接触的接触信号，所述控制器(150)包括控制装置(152)，所述控制装置(152)用于基于接收的所述信号来中断以下各项中的至少一者：i)所述振动装置(110)沿着所述插入方向(ID)的运动，以及ii)从所述振动装置(110)至所述插入件(10)的振动的传递。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述振动装置(110)是超声波振动装置。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述振动装置(110)的中心线(C1)与所述接触传感器(120)的中心线(C2)之间的在与所述插入方向(ID)垂直的方向上所测量的横向距离(L1)小于所述插入件(10)的在与所述插入方向(ID)垂直的方向上所测量的最大横向宽度(L2)的七倍[L1<7x L2]。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述横向距离(L1)小于所述最大横向宽度(L2)的五倍[L1<5x L2]。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述横向距离(L1)小于70mm。
6.根据权利要求3所述的装置，其中，所述横向距离(L1)小于50mm。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述接触传感器(120)具有位置检测重复精确度，所述位置检测重复精确度沿所述插入方向(ID)观察时优于20微米。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述位置检测重复精确度沿所述插入方向(ID)观察时优于10微米。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述位置检测重复精确度沿所述插入方向(ID)观察时优于5微米。
10.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述接触传感器(120)具有小于3毫秒的响应时间。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述接触传感器(120)具有小于1毫秒的响应时间。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述接触传感器(120)具有适于接触所述结构件(20)的结构件接触区域(SA)，所述结构件接触区域(SA)具有5mm2至200mm2的面积。
13.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述振动装置(110)包括用于将振动传递至所述插入件(10)的插入件接触表面(112)，所述传感器本体(124)被定位在沿着所述插入方向(ID)观察时与所述振动装置(110)的所述插入件接触表面(112)相距距离(d1)处，其中，所述振动装置(110)的所述插入件接触表面(112)与所述接触传感器(120)的所述传感器本体(124)之间的所述距离(d1)对应于高度(H1)，其中，所述插入件(10)用以在所述插入件(10)已经锚固在所述结构件(20)中之后在所述插入方向(ID)上从所述结构件(20)以所述高度(H1)伸出。
14.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述控制装置(152)适于基于接收的所述信号来中断以下二者：i)所述振动装置(110)沿着所述插入方向(ID)的运动，以及ii)从所述振动装置(110)至所述插入件(10)的振动的传递。
15.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述接触传感器(120)包括壳体(121)，所述壳体(121)封围第一电极(122)和第二电极(123)，所述第一电极(122)相对于所述壳体(121)固定，所述第二电极(123)连接至所述传感器本体(124)并且能够相对于所述壳体(121)移动。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述第二电极(123)附接至所述传感器本体，所述传感器本体作为被偏置成突出到所述壳体(121)外部的移动构件(124)。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，当不存在来自所述结构件(20)的作用于所述移动构件(124)上的接触力时，所述第一电极(122)与所述第二电极(123)接触。
18.根据权利要求16所述的装置，其中，当不存在来自所述结构件(20)的作用于所述移动构件(124)上的接触力时，所述第一电极(122)与所述第二电极(123)未接触。
19.根据权利要求1或2所述的装置，还包括支承件(130)，所述支承件(130)允许所述振动装置(110)和所述接触传感器(120)沿着所述插入方向(ID)朝向以及远离所述结构件(20)移动。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述支承件(130)包括用于对沿着所述插入方向(ID)的所述移动进行致动的气动缸(132)、液压缸或直线驱动马达。
21.根据权利要求1或2所述的装置，还包括气体供给装置(140)，所述气体供给装置(140)具有冲洗用气体出口(141)，所述冲洗用气体出口(141)定位成邻近于所述传感器本体(124)以用于对处于所述接触传感器(120)的所述传感器本体(124)前方的所述结构件(20)进行气体冲洗。
22.一种用于通过将包括第一材料的插入件(10)锚固在包括第二材料的结构件(20)中来对材料进行接合的方法，其中，所述第一材料是固体且具有热塑性特性，并且其中，所述第二材料是固体且能够被处于液化状态时的所述第一材料穿透，所述方法(300)包括：
将振动装置(110)与插入件(10)对准；
对所述振动装置(110)进行控制以传递振动进而致使所述插入件(10)的至少部分液化，以及沿所述插入方向(ID)对所述插入件(10)产生按压力以将所述插入件(10)至少部分地压入到所述结构件(20)中；
检测接触传感器(120)何时接触所述结构件(20)，其中，所述接触传感器(120)连接至所述振动装置(110)且与所述振动装置(110)一起沿所述插入方向(ID)移动，所述插入件(10)被压入到所述结构件(20)中；以及
一旦检测到所述接触传感器(120)与所述结构件(20)之间的接触，则使所述振动的传递和在所述振动装置(110)的作用下的按压力的产生中的至少一者中断。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，一旦检测到所述接触传感器(120)与所述结构件(20)之间的接触则使所述振动的传递和在所述振动装置(110)的作用下按压力的产生中的至少一者中断的步骤包括使所述振动的传递和所述按压力的产生两者中断。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，检测与所述结构件(20)的接触的步骤包括对横向距离(L1)处的所述接触进行检测，其中，所述横向距离(L1)为在与所述插入方向(ID)垂直的方向上所测量的在所述振动装置(110)的中心线(C1)与所述接触传感器(120)的中心线(C2)之间的距离，所述横向距离(L1)小于所述插入件(10)的在与所述插入方向(ID)垂直的方向上所测量的最大横向宽度(L2)的七倍[L1<7x L2]。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述横向距离(L1)小于所述最大横向宽度(L2)的五倍[L1<5x L2]。
26.根据权利要求22或23所述的方法，其中，检测所述接触传感器(120)何时接触所述结构件(20)的步骤利用所述接触传感器(120)的位置检测重复精确度来执行，所述位置检测重复精确度沿所述插入方向(ID)观察时优于20微米。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述位置检测重复精确度沿所述插入方向(ID)观察时优于10微米。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述位置检测重复精确度沿所述插入方向(ID)观察时优于5微米。
29.根据权利要求22或23所述的方法，其中，检测所述接触传感器(120)何时接触所述结构件(20)的步骤利用小于3毫秒的传感器响应时间来执行。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，检测所述接触传感器(120)何时接触所述结构件(20)的步骤利用小于1毫秒的传感器响应时间来执行。
31.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述结构件(20)的在所述接触传感器(120)前方的区域使用冲洗用气体被冲洗。
32.根据权利要求22或23所述的方法，还包括：将所述振动装置(110)的插入件接触表面(112)与所述接触传感器(120)的传感器本体(124)之间的距离(d1)设定成使得所述距离(d1)对应于高度(H1)，其中，所述插入件(10)用以在所述插入件(10)已经锚固在所述结构件(20)中之后在所述插入方向(ID)上从所述结构件(20)以所述高度(H1)伸出。
33.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述结构件(20)包括木质材料。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述木质材料为木材、胶合板、刨花板、纸板、中密度纤维板(MDF)或高密度纤维板(HDF)。
35.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述插入件是下述销钉：所述销钉用于稍后用作在将作为家具件的所述结构件(20)接合至另一家具件时所形成的家具接合件的凸形部。
36.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述插入件是下述销钉：所述销钉用于稍后用作在将作为家具件的所述结构件(20)接合至另一家具件时所形成的家具接合件的凹形部。
37.根据权利要求22所述的方法，其中，所述第二材料为纤维或多孔材料。
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