CN109702313B - 双凸轮伺服焊接接线器 - Google Patents

Abstract

超声焊接设备将置于焊接区域中的金属件(例如线)进行连结，在焊接区域中金属件通过挤压高度砧座和可调整宽度砧座经历压力，且与超声套件的超声波发生器紧密接触。第一电动机促动高度砧座的运动，以形成用于金属件超声焊接的挤压力。第二电动机在焊接之前和焊接期间定位宽度砧座。例如测压元件这样的传感器测量形成的挤压力。独立于超声套件，传感器直接可测量高度砧座上的载荷。软件算法可对测压元件传感器的偏转和第一电动机促动运动中的无效运动进行补偿。

Description

双凸轮伺服焊接接线器

相关申请的交叉引用

本申请要求要求2017年9月15日提交的临时申请62/558,975的权益。

关于联邦赞助研究的声明

不可应用

背景技术

使用高频超声振动以在材料之间形成焊接部已经自1960年代便为人所知。超声焊接器使用通过施加到材料的超声振动产生的摩擦形成焊接部，而不是向材料施加热量。超声焊接被认为是连结塑料和金属的有效方法，且已经在许多行业中应用，从玩具行业到汽车和航空行业。超声焊接的流行是由于焊接部可容易地形成且每道焊接的成本低。超声焊接对连结小部件来说是理想的。

超声焊接是对弧焊或加热焊接或钎焊的替代方法，消除了消耗品，例如焊料或焊剂、部件回烧、对冷却水和高能量使用的需求。超声焊接操作的额外优势是在焊接过程期间产生极小的热量，使得部件损坏最小化。

超声金属焊接适于用在电子部件和管道密封中的相似且不同的非铁金属的组装。要通过超声焊接连结的部件在超声波焊枪和砧座之间在压力下保持在一起。施加约20到40kHz的频率的超声振动，且焊枪的振动使得部件在一起摩擦，其中合成剪切力去除表面污染物并露出裸露的金属区域。

在两个部件同时压在一起施加到焊接部的这种强烈的摩擦破坏基体金属的氧化皮。在施加到金属时，焊接部不通过熔化材料实现，而是通过固态焊接部的形成实现。超声振动造成表面粗糙部分的剪切和变形，其将存在于主体材料上的氧化物和污染物打散，这允许金属-金属接触和邻近表面的连结。这些过程使得两种材料进入充分的紧密接触，以发生原子水平的连结。材料的原子结构混杂在一起形成强表面分子固态连结，其是干净的且具有低电阻。摩擦形成的相对轻微的温度上升远低于熔点且不会对焊接部的形成起到实质影响。

通过不同过程在塑料和金属中实现超声焊接。在应用到塑料时，通过超声振动形成的摩擦足以熔化材料的已连结部分，在冷却时形成焊接部。超声焊接的焊接时间通常非常短，焊接时间通常在200到400毫秒的范围。对于关于超声焊接的其他一般公开参见NewDevelopments in Advanced Welding,Nasir Ahmed,ed.(2005)。

超声焊接系统的基本部件为压机、砧座、超声套件(ultrasonic stack)、超声产生器或电源以及电子控制器。要被焊接的工件置于压机和砧座之间，压机对工件施加压力。砧座允许超声振动被引导到材料的表面。放置工件(部件)的床或砧座允许通过所述套件产生高频率振动以被引导到焊接基体的界面。

超声套件通常包括转换器、增幅器和超声波发生器或“焊枪”。转换器将电能转换为机械振动；增幅器改变振动的幅度；超声波发生器对要被焊接的部件施加机械振动。这三个元件通常被调节以在相同的超声频率下共振(通常为20、35或40kHz)。这些套件部件连接到电子超声产生器，其将高功率AC信号输送到所述套件，同时将匹配所述套件的共振频率。

用户经由控制器对系统发出命令，所述控制器控制压机的运动，促动所述套件的电源，将焊接感应电信号传送到超声套件。所述套件的转换器部分将电信号转换为机械振动，同时增幅器可改变振动幅度。焊枪对工件施加振动。

超声焊接的质量和成功性取决于多个因素，包括信号幅度、焊接时间、焊接压力、焊接速度、保持时间和保持压力。这些因素每一个的合适量受到焊接的主体材料类型的影响，且也会在一种材料中变化。从本行业的大部分历史来看，可被有效地控制的变量仅为幅度、力、和焊接时间或持续时间。幅度通过频率选择、焊枪和增幅器的设计、以及向转换器的电输入的调制的组合来控制。

用户对超声焊接的变量和过程的控制对获得有效的焊接一致性来说很重要。更好的过程控制通常形成改善质量的焊接部，以及改善的焊接一致性和可重复性。在检查各产品之间的焊接质量时，本行业的通常产品以2％到4％的标准偏差形成焊接部。气动促动的超声焊接系统在本行业中常见。这些系统利用气压缸以控制所述套件的力和向下速度。在气动系统中，所含有的空气运动通过系统的气动促动器的进入和排出速率受到限制。因此，气动系统不能实现方向和速度的突然改变，且限制了系统的距离控制。能瞬时调整其速度以适应材料变化的系统将能理想地产生完美一致的焊接部。在系统对速度和距离的控制得到改善时，能降低焊接质量的偏差。

气动系统还使用静态压力以挤压被系统接合的部件。由于在主体材料的变化会影响要被采用的理想压力，与能够施加动态压力以适应材料所呈现的状况的系统相比，静态压力更可能造成较弱的焊接部。气动系统的特点进一步提供了对焊枪面的运动和定位的有限控制。这些系统通常仅利用大约1/4的可用焊接表面。由此，焊枪面在使用中被不均匀地磨损，且活动面变得过渡磨损，而焊头的其他部分保持可用。气动超声焊接系统中的弱点导致不同焊接部之间大于理想标准的偏差，以及对外界污染物和焊接材料变化的降低适应性。

理想超声焊接系统在过程中为提供用户对最大数量的变量的控制。材料之间的变化以及存在于材料中的污染物的变化需要调整焊接速度和挤压力以维持焊接部的强度。常见系统(包括气动超声焊接系统)通常缺乏焊接速度和压力的必要可变性，以实现理想的焊接部。气动系统还在外界污染物(例如脂和油，其通常存在于工业空气源中)渗透到系统中时存在极大地降低其焊接质量的问题。而且，现有的气动系统不能完全利用焊枪表面，也不能将工件相对于砧座和焊枪动态定位。

在新的行业状况下存在持续的需要，即允许将焊接作为接线(wire splice)方案。具体说，需要5到10股编起来的束线或电磁线形成均匀的接线、线压接或电池线缆接合。这种连接通常用在汽车、飞机、计算机和消费电子器件行业以及其他过程控制和工业仪器应用中。最常见的是用在线束制造中。不幸的是，进行焊接操作的线束必须具有电气完整性和机械强度，而在最终集线器中不存在杂散的不受约束的股线。

期望出现一种超声焊接系统，其与目前市场可获得的系统相比能提供对超声焊接中常见变量的更大控制。提供动态施加力和可选择工件/砧座定位的系统能用于改善超声焊接系统中的常见可用气动或静态位置。理想系统进一步提供利用焊接头全部宽度的能力，这将降低焊接头上的磨损，由此延长头部的可用寿命。

发明内容

超声焊接设备将置于焊接区域中的金属件(例如线)进行连结，在焊接区域中金属件通过挤压高度砧座和可调整宽度砧座经历压力，且与超声套件的超声波发生器紧密接触。第一电动机促动高度砧座的运动，以形成用于金属件超声焊接的挤压力。第二电动机在焊接之前和焊接期间定位宽度砧座。例如测压元件这样的传感器测量形成的挤压力。独立于超声套件，传感器直接可测量高度砧座上的载荷。软件算法可对测压元件传感器的偏转和第一电动机促动运动中的无效运动进行补偿。

本发明的另一方面是一种用于用超声设备对线进行超声焊接的方法，其中要被连结的金属件置于焊接区域中，在该焊接区域金属件通过挤压高度砧座和可调整宽度砧座而经历压力，且与超声套件的超声波发生器紧密接触，第一电动机促动高度砧座的运动，以形成用于金属件超声焊接的挤压力，且控制器含有实现该方法的焊接算法。方法的步骤的开始步骤是，通过在空的焊接区域施加变化的力并测量焊接区域中的高度来确定高度补偿，以形成高度补偿。形成将施加的力与刚刚被确定的高度补偿相关联的表。力施加到焊接区域中的线，以用于连结线。在力的作用下在焊接区域中测量线的高度，且减去高度补偿，用于确定线的实际高度。

进一步的方面是校准超声焊接设备的方法。通过促动第一电动机以使得高度砧座向空的焊接区域施加多个挤压力而开始该校准方法。通过载荷传感器针对多个挤压力的每一个测量施加到空的焊接区域的力。针对多个挤压力的每一个，控制器从第一电动机的位置编码器接收测量的高度。形成将施加的力与经确定的高度补偿相关联的表，且将其存储。

将在下文详细描述这些和其他方面和特征。

附图说明

为了更完整理解本方法和过程的特点和优点，应该对参见附图进行的描述做出参照，其中：

图1是所公开双凸轮伺服焊接接线器的等轴视图，其中工作台在其下位置或原本位置；

图2是其上的俯视图；

图3是所公开双凸轮伺服焊接接线器的等轴视图，其中所述工作台在其升起或伺服位置；

图3A是红外手指安全组件的放大视图；

图4是类似图3的等轴视图，但是套件盖和手指安全覆盖组件被去除；

图4A是图4的所公开焊接接线器器的开孔模式的放大视图；

图5是类似图4的等轴视图，但是显示了焊接接线器的另一侧；

图5A是图5的所公开焊接接线器的开孔模式的放大视图；

图6是宽度凸轮组件的等轴视图；

图7是高度凸轮组件的等轴视图；

图8是显示了宽度砧座组件的所公开焊接接线器的等轴视图，其中；

图9是托架或宽度框架的等轴视图；

图10是沿图4的线10-10截取的截面图；

图11是沿图4的线11-11截取的截面图；

图12是在其安装位置的套件组件的等轴视图；

图13是高度砧座组件的等轴视图；

图14是从另一侧看的图13的高度砧座组件的等轴视图；

图15是套件组件的等轴视图；

图16是焊枪的等轴视图；

图17是前节点的支撑件的等轴视图；

图18是保持焊枪的前节点支撑件的等轴视图；

图19-22是所公开焊接接线器的前部视图，套件盖和手指安全覆盖件组被去除，且显示了焊接接线过程中砧座的各种位置。

附图将如后文详述。

具体实施方式

焊接接线器10通常在图1示出。工作台12被一对气缸14和16支撑，所述气缸让焊接接线器10在工作台12中升起和下降。套件盖18覆盖套件组件，其将在后文公开和描述。一对手指安全覆盖件组件20和22覆盖宽度砧座组件、高度砧座组件和焊枪，在该处发生焊接接线。在图2中，以虚线示出的用户的手将线24和26放置在手指安全覆盖组件20和22之间，用于将线24和26超声焊接拼接在一起。当然，应理解单股线、多股线和其他工件可用所公开的焊接接线器10超声焊接。

在图3和3A中，工作台12中的焊接接线器10已经从如图1所示的其原本位置升起，以按不时之需接合修理和维护活动位置。高度(垂直)凸轮组件28显示为具有马达带轮30，同步带32围绕该带轮行进。高度凸轮组件28是图6详细显示且在本文其他位置描述的高度凸轮组件的一部分。具有同步带36的宽度凸轮组件34是图7详细显示且在本文其他位置描述的宽度凸轮组件的一部分。

图3A的分解视图是红外线(IR)手指组件38，其包括IR发射器40和用于接收IR光的IR传感器或接收器42(以虚线显示)。在IR光被中断时，例如被用户的手指，焊接接线器10不能进行焊接，这是一种不伤害用户的安全特征。安全区域的边界通过IR发射器和IR传感器的阵列确定。

还在图3分别显示了水平和垂直凸轮伺服马达44和69，其促动水平和垂直凸轮组件，将在后文详细描述。宽度(水平)和高度(垂直)伺服驱动马达通过同步带和带齿的带轮联接到其相应驱动组件。这些驱动马达具有内置的高分辨率绝对编码器，以报告焊接砧座的位置。还在图3显示了切割器气缸组件46，用于切割差的焊接线。力传感器信号调节器48显示为安装到右侧马达板50。

现在参见图4和4A，通过去除各种覆盖件，提供了焊接接线器10的额外细节。套件组件52显示为被增幅器安装部56关于中心支撑且被前节点支撑组件58在其近端端部周围支撑。套件组件52包括在远端端部处的转换器60、增幅器62(增幅器安装部56关于增幅器62的中点定位)和在近端端部处且延伸到开孔66中的焊枪64，在该处发生超声焊接且详细如图4A所示。高度砧座滑动组件86定位在前节点支撑组件58前方和焊枪64附近。

具有连接件70的电路板68显示为在转换器60下方，正好在控制阀组件72前方，且正好在冷却风扇组件74下方。电路板68连接到控制器，例如是BeckhoffCX5020控制器(具有运行Windows CE软件的TwinCat2软件)，或是运行嵌入Windows 7的BeckhoffCX5130控制器；但是其他控制器和软件也可被有利地使用。直线轴承固定到基部板73，如76a–76f所示(也见图5)。直线轴承76a–76f位于引导杆75a–75f上，所述引导杆附接到工作台12，用于在工作台12提升和降低焊接接线器10(见图1-3)。测量焊接部力的测压元件位于测压元件固定板78下方，该测压元件固定板附接到基部板73。测压元件敏感接触点位于固定板78下方且通过连接杆114a和114b(带螺纹的柱杆)连接到高度砧座组件，如图6中的宽度高度凸轮组件所示。同样附接到基部板73的主框架组件或加工框架组件80可位于切割器气缸组件46附近，在框架组件80的上前面具有空气端口82。空气端口82通过框架组件80中的歧管将冷却空气供应到空气喷嘴77，对焊枪的前部进行冷却(见图15)。

现在参见图4A，开孔模式如放大视图所示。水平宽度砧座保持器83安装宽度砧座84，而焊枪64定位为宽度砧座84以内和以下。高度砧座组件86定位在焊枪64上方且跨过宽度砧座84。切割器气缸组件46的切割器位于焊枪64的前方，用于切割差的焊接线，如图5和5A进一步详细示出。

现在参见图5和5A，高度砧座组件86包括在其中的高度砧座88和高度砧座保持器89(见图5A)。切割器组件46被弹簧92弹簧偏压，且切割器94旋转以切割差的焊接线。再次，所公开的焊接接线器的开孔模式如图5和5A所示。垂直凸轮马达69以及用于同步带36的马达带轮71也如图5所示。

在焊接接线器10使用的双凸轮显示在图6和7中，分别用于宽度砧座和高度砧座。该组件由固定旋转轴线宽度凸轮34和枢转高度凸轮28组成，该宽度凸轮具有切入周面的凸轮轨道96，该高度凸轮具有切入侧面的凸轮轨道98。宽度砧座组件85通过两个凸轮从动件100和102联接到宽度凸轮轨道96(见图9)。双凸轮从动件100和102消除了齿隙，用于精确的双向宽度定位。静止宽度侧引导件104(见图10)是该组件的一部分。宽度侧引导件104的目的是防止股线在宽度砧座84下被抽出，以及提供宽度砧座84相对于焊枪64(超声波发生器)的波焊接表面的精确的垂直间隙定位。宽度侧引导件104侧向定位为距焊枪64约0.5mm。侧引导件104提供对加工间隙的高度控制。该定位通过宽度侧引导件凸轮组件106实现。内六角螺钉103(SHCS)将侧引导件104锁定在最终位置。凸轮支撑轴组件108将侧引导件104和宽度引导凸轮组件106保持就位，且刚性附接到主加工框架组件80。垂直凸轮轴110在双轴承/销组件112上枢转，且垂直凸轮轴110附接到两个向下的带螺纹柱杆114A和114B，其固定到测压元件基部板116，该测压元件基部板保持力换能器118。高度凸轮组件28在垂直凸轮轴110上旋转。

在压紧过程中高度砧座组件86被高度凸轮28向下拉动时，其向上偏离，造成力换能器118在测压元件固定板78上的挤压，所述测压元件固定板78附接到基部板73，该基部板73继而报告套件组件52中焊枪64上的载荷。因为高度凸轮28被可由同步带32驱动，所以凸轮的轻微向上弓形运动不影响驱动系功能。因力换能器118在变化的焊接力下偏转而造成的向上偏转将造成位置报告错误。用于驱动马达44和69的位置报告编码器位于马达中。因此，由于该位置误差，高度编码器在挤压期间不报告实际高度。为了补偿该误差，校准方法是必要的。在校准期间，高度砧座组件86下降直到发生与焊枪64的末端的接触。力换能器118在接触时报告该无误差位置。在高度砧座组件28继续旋转使得焊接力增加时，力换能器118继续报告该旋转。因为高度砧座组件86由于与静止焊枪44接触而不继续向下运动，来自高度编码器的脉冲(见下文的描述)报告机械无效运动(lost motion)，其与施加的力成比例。基于力/位置误差形成补偿表。在焊接压紧期间利用该补偿表，以便准确地报告焊接高度。

表1提供了示例性校准表，其显示了如何基于力读数来补偿高度测量。

表1

表1是使用以下方法形成的：

1)针对从0到要被使用的最大力的25个值计算力目标步长，在该情况下最大力为1150N(对整数步长取整)。

2)系统在砧座之间的间隙中没有物体的情况下运行。

3)力控制目标设置为期望力，且测量力测量高度在短时间内被收集、平均并存储在该表内。

因为在砧座之间的间隙中没有物体，对任何施加的力，高度读数应该已经为0.0。因为高度读数改变(高度补偿)，该测量的值必然是由于驱动砧座的硬件中的无效机械运动造成的。因此，为了获得砧座之间距离的精确高度读数，系统从传感器获得高度读数并将该值从在被使用的力处的高度补偿中减去。这给出了精确测量，对无效机械运动进行补偿。

校准表可用作查找表，在记录值之间进行差值，以计算补偿值，或用于计算可通过插入测量力而提供高度补偿的等式。通过用该数据对直线等式做最小二乘拟合，检查“y”交叉值(即y＝mx+b中的“b”)，可确定零高度的实际位置。

通过对挤压在超声波焊枪和砧座之间的线束施加振动能量而执行超声线连结。通过焊枪传递的能量的量与超声振动的幅度和被施加到焊接部的力直接相关。存在限定如何执行焊接的两种基本方式。

1.限定超声振动的幅度，施加到焊接部的力和要传递的能量的量。焊接器将行进，只要其能向焊接部输送期望能量即可。这是接线焊接的“焊接至能量(Weld to Energy)”模式。

2.限定超声振动的幅度、施加到焊接部的力和焊接器行进多长时间。焊接器将按时间行进，且输送到焊接部的能量的量主要取决于焊枪和砧座之间施加的力。其是“焊接至时间(Weld to Time)”模式。

本发明已经通过引入“焊接力表”而扩展到这两种方式，其允许控制焊接期间的幅度和施加的力，其控制能量以多快的速度输送到焊接部。由此，在低能量下提供更好的焊接部。该“焊接力表”用于任一焊接方法——焊接至时间或焊接至能量。

焊接力表对如何执行焊接提供一系列指引。焊接力表的每一个输入包括3个值：持续时间、力和幅度。持续时间是一步持续多久，力是用于垂直砧座伺服控制的目标，且幅度被转换为功率百分比且是超声产生器的功率输出目标。该表允许用户限定一系列步骤，允许使用最小量的能量来使得线被有效地连结，且使得由施加的能量对线造成的任何损坏最小化。

典型的顺序是以高的力和零幅度起动并经过短时间段。这将线挤压在一起并让线弯曲到砧座和焊枪的压花纹中。下一步骤是让声波产生器在较小力和大幅度下工作。这将松弛对线上的抓持，允许超声振动将线摩擦在一起；从线上清理表面污染物，且开始线连结操作。额外步骤可随后用于迫使线近距接触且允许使用较高力和较低幅度进行连结。

最终步骤可包括零幅度和高的力，其将关闭超声产生器并将线保持在一起同时连结部冷却。该最后步骤对焊接铝来说是重要的，将连结部保持在一起同时让它们冷却且不允许污染物进入连结部。

表2示出了焊接操作的一个实施例，其具有预定的力顺序、持续时间和幅度设定，如上所述。表2中的值可以用于焊接期间的序列力和幅度改变，以便更有效地使用所施加的超声能量并对被焊接的材料赋予最少损坏。

表2

力(N)	持续时间(毫秒)	幅度(μm)
			700	250	0.00
500	500	40.0
			750	400	26.0
1550	300	20.0
			500	500	0.00

例如，在焊接开始时：

1)线被700N的力挤压且250毫秒计时器启动。

2)在计时器到期时，第二步骤将进行—力随后减少到500N。因为这是具有限定幅度的第一步骤，所以在该步骤的力实现时进行起动高度测量。该起动高度将与方法的期望起动高度比较。与该期望起动高度的偏差表示线或股线从焊接部遗失或在焊接部中存在不正确的线。如果测量值在可接受的限制内，则超声产生器将切换为40um的幅度，且500毫秒的计时器启动。(或者，将终止焊接或发出警报)。

3)在计时器到期时，第三步骤将进行—力将增加到750N，超声幅度将减小到26um，且400毫秒的计时器启动。

4)在计时器到期时，第四步骤将进行—力目标将改变为1550N且超声幅度减小到20um。因为下一个步骤具有0.0的幅度，所以计时器不会启动且系统将停留在该步骤的力和幅度，直到焊接完成且超声关闭。

5)在焊接完成时，最后步骤–保持步骤，因为没有限定幅度—将进行，力减少到500N且保持500毫秒。

6)在最后的步骤的计时器到期时，将采取力补偿高度测量并针对该焊接的预期高度进行测试。。与期望焊接高度的偏差可用于检有缺陷的焊接部。

如果在焊接步骤期间完成了焊接，则步骤将终止且步骤处理将从具有0.0幅度的下一个步骤(第一保持步骤)继续，或如果没有保持步骤则焊接将结束。

如果焊接仍进行且用于焊接步骤最后一部的计时器到期，则将保持在当前的力和幅度，直到焊接完成。随后将进行该保持步骤，如果有的话。使用这些变量的其他表可以基于本文所述的本发明由本领域技术人员生成。

在其他实施例中，焊接操作可以通过一系列目标高度或宽度限定，增加的力被施加，直到实现目标高度或宽度。在其他实施例中，焊接操作包括在每一个步骤期间要被施加的一个或多个力模式，其中力模式限定了在步骤持续时间要被施加的力(恒定、增加、减少、或改变)。焊接操作中的每一个步骤也可以指定幅度模式，其限定了在步骤期间要被施加的幅度。在另一实施例中，焊接操作可以限定为具有力模式和幅度模式的单个步骤。

在许多实施例中，焊接操作以(一个或多个)挤压步骤[0.0幅度]开始，包含一个或多个焊接步骤[非零幅度]，且以(一个或多个)保持步骤[0.0幅度]结束。

在另一实施例中，焊接操作可以通过具有力和幅度值的一个输入限定。持续时间可以任意。在该列表进行时，系统将力增加到期望力，测量起动高度，且如果处于规范中，则以限定幅度打开超声产生器。期望力在焊接持续时间中保持。时间至焊接(time to weld)是另一运行模式，其中限定了幅度和力，且执行焊接操作并经过预设时间，所述预设时间的到期将导致焊接操作停止。

操作两个额外的位置报告编码器156和158。差动变压器编码器156位于宽度框架120上(如图11A和图7所示)，其由宽度砧座组件85上的铁磁导电传感器条160的位置调制(如图9所示)。差动变压器编码器158位于主加工框架组件80的前部腿部的后侧(图5中以虚线所示)，其通过高度砧座组件86上的铁磁导电传感器带162的位置调制(图12和图13所示)。这两个额外位置报告编码器156和158比马达中的编码器更准确地检测高度和宽度砧座组件的位置。

宽度砧座组件85进一步在图8和9中示出。主加工框架80、高度砧座组件86和切割器气缸组件46已经在图8中去除，以更好地显示了宽度砧座组件85。宽度框架120通过牵引轴或销121联接到宽度砧座84(见图9和10)。其具有允许0到16mm宽度开口的行进范围。宽度砧座84定位为控制线束的加载和卸载，以及精确地控制已完成焊核的焊接宽度。宽度砧座84可以端-端且顶-底反转，以提供不同的焊接表面。该组件的精确的直线运动通过轨道123上的单个直线轴承载体122提供，所述轨道附接到主加工框架80(如图10和11所示)。这是可行的，因为对称平衡凸轮联动装置定位为与焊接区域共线，该焊接区域具有凸轮从动件100和102和焊接区域横向焊接力之间的最小旋转力矩。在图8和15中可见连接到空气歧管72的空气端口124，该空气歧管冷却套件组件54。

高度砧座组件86如图10-11所示。高度凸轮组件28联接到具有单个凸轮从动件126的高度砧座组件86，该单个凸轮从动件126位于凸轮轨道98上(见图7)。高度侧引导件128通过两个内六角螺钉(SHCS)130A和130B。高度侧引导件128位于高度砧座基部132顶上。高度侧引导件128定位为在它和焊枪64(超声波发生器)的侧部之间提供间隙。该间隙在高度砧座组件86上下运动时以及在挤压焊接力期间被保持。间隙太大会允许股线进入间隙并堵塞机构。滑入间隙的任何股线将不被焊接且形成不可接受的焊接部。如果间隙太小，则造成侧引导件128接触焊枪64，工具会因产生的热量而被永久地损坏。为了有助于形成适当的间隙设定，侧引导件128通过小偏心凸轮组件134定位，所述小偏心凸轮组件134提供间隙的精确调整。由于常见磨损，侧引导件128可以端-端翻转，以提供两个工作表面。高度砧座84被气动空气气缸136驱动到其退回和伸出位置。

在图11和11A中，在截面中显示宽度砧座组件85。许多部件已如上所述。SCHS138保持宽度砧座保持器，83，在其下方定位磨损板142。磨损板142通过调整器140调整到宽度砧座84，该宽度砧座84在焊枪64顶部的滑动引导件104上滑动。侧引导件凸轮组件106保持如前所述的宽度砧座84和焊枪64之间的间隙。高度砧座保持器89具有用于高度砧座88相似的部件。

套件组件52再次如图12所示且显示了马达安装板102。主加工框架80、宽度砧座组件85和切割器气缸组件46已经在图12中去除，以更好地显示高度砧座组件85。图12-14中特别感兴趣的是对高度砧座组件86的继续描述，其针对图10和10A的描述获得。气动气缸组件136显示为附接到高度砧座U形夹144，其附接到前部和后部促动器板145和146，所述促动器板在轴147通过连接销149枢转，用于让高度砧座88在其伸出和退回位置中运动。在高度砧座88处于其退回位置(如图14所示)时传感器180检测板146的位置。高度砧座88的退回位置被止动器182保持。高度砧座基部板148保持部件以用于即时组装。高度砧座基部板148还保持两个直线轴承承载器170和172(也见图4)。高度砧座组件86的精确的直线运动通过位于轨道174和176上的两个直线轴承承载器170和172提供，所述轨道174和176安装到主加工框架80(如图4所示)。安装到高度砧座基部板148的外边缘的滚子150接触高度凸轮28的外内侧边缘，其在向下力施加到高度砧座88时使得其稳定。用于如前所述的电感传感器带162的槽道显示为处于高度砧座基部板148中。

图15-18显示了的套件组件52和其各种部件。图16-18显示前节点支撑组件58和焊枪64。焊枪64具有4个平台，附图中显示了周围其中心的仅两个平台190和192。另两个平台类似于平台190和192，但在其相反侧。顶部平台和底部彼此平行且两个侧平台与顶部平台和底部平台成90度且彼此平行。在侧平台(一个或多个)192中磨削出凹坑，其在前节点支撑组件58的左侧接收固定螺钉196。凹坑194赋予焊枪64的纵向精确定位。前节点支撑组件58的右侧具有两个固定螺钉198和200，其设置了焊枪64左右定位。在前节点支撑组件58中的开口204的底部处存在杆202，其平行于基部板73。杆202在前节点支撑组件58中的其底部平坦上保持焊枪64。焊枪64被前节点支撑组件58的顶部板208中的固定螺钉206保持。可通过简单地去除两个螺钉210和212(所述螺钉将顶部板208保持到前节点支撑组件58)并松开固定螺钉196，焊枪64在前节点支撑组件58中旋转180度。焊枪64具有两个锤头214和216，在其近端端部具有波状表面。将焊枪64旋转180度允许使用另一锤头并通过前节点支撑组件58将其设置在相同的精确位置。“锤头”的面上的波纹抓持股线，使得与焊枪接触的线随声波运动而运动，而与高度砧座接触的股线保持静止，实现所需的摩擦互动。

超声焊接操作步骤在图19-22中示出，每一个步骤分别通过每一个这种图显示。

I.最初，宽度砧座84处于退回释放位置。这有助于操作者将线加载到彼此上。高度砧座88也处于释放位置且被退回，以给出用于定位线的畅通入口。这是开孔模式。

II.在关闭孔模式下，线全部被包含关闭焊接区域中。高度砧座88通过接触砧座84的气动气缸组件136运动。焊接区域可以在让宽度砧座84运动到最终焊接位置之前关闭，使得所有股线停留在该区域中且没有绞线在相对的砧座面之间滑动。

III.宽度砧座84已经运动到最终焊接宽度位置。宽度砧座84将高度砧座88向后推。气动气缸组件136仍然被促动，但将允许高度砧座88向后运动，因为空气是可压缩的。需要在两个砧座面之间存在紧密接触，以将所有股线保持在焊接区域中而不会意外出现在加工面之间。

IV.高度砧座88向下运动以挤压股线。在焊接力测压元件118报告所施加的力，且向下的运动速率减小时，起动焊接部高度被确定且被评估以用于匹配质量要求。如果起动高度在限制范围内，则焊接开始。在焊接结束时再次测量高度且如果其处于限制中，则高度砧座88和宽度砧座84返回到加载位置且循环结束。

取决于过程设置参数，失败的焊接部可保持加工关闭，将失败的焊接件锁定就位。随后，授权(authorization)可在释放焊接件之前促动“差的线”装置从焊接接头切断线。这确保差的焊接部不会进入产品。目前售卖的接线器仅可保证5.5％的铜区域检测。相对于漏线检测，焊接接线器10已经成功缩减到3％的铜区域。

尽管已经参考各种实施例描述了设备、系统和方法，但是本领域技术人员应了解，可以做出各种改变，且可用等效形式替代其元件，而不脱离本发明的范围和实质。此外，根据本发明的教导可做出许多修改例，以适应具体的情况或材料，而不脱离其实质范围。因此，目的是，本发明不限制为公开的具体实施例，而是本发明包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。在该应用中，所有单位为公制且所有量和百分比是按重量计，除非另有明确说明。还有，本文引用的所有文件通过引用并入本文。

Claims (9)

1.一种超声焊接设备，在所述超声焊接设备中，要被连结的金属件置于焊接区域中，在该焊接区域金属件通过挤压高度砧座和可调整宽度砧座而经历压力，且与超声套件的超声波发生器紧密接触，改进包括：

第一电动机，促动高度砧座的运动，以形成用于金属件的超声焊接的挤压力，且包括高度位置编码器；

第一凸轮组件，被所述第一电动机促动且包括枢转高度凸轮，其中当高度砧座被枢转高度凸轮向下拉动时，该枢转高度凸轮向上偏离，造成测压元件传感器的挤压，用于测量所述挤压力。

2.如权利要求1所述的超声焊接设备，其中传感器是测压元件且进一步包括软件算法，其对测压元件传感器的偏转和第一电动机促动运动中的无效运动进行补偿。

3.如权利要求1所述的超声焊接设备，进一步包括控制器，以在焊接期间与经调制的挤压力同步地控制超声波发生器的超声幅度。

4.如权利要求1所述的超声焊接设备，进一步包括第二电动机，以在焊接之前和焊接期间定位宽度砧座。

5.一种校准超声焊接设备的方法，包括的步骤是：

(a)促动第一电动机，以促动第一凸轮组件并使得高度砧座对空的焊接区域施加多个挤压力，其中第一凸轮组件包括枢转高度凸轮，其中当高度砧座被枢转高度凸轮向下拉动时，该枢转高度凸轮向上偏离，造成测压元件传感器的挤压，用于测量所述挤压力；

(b)针对多个挤压力的每一个，通过载荷传感器，测量施加到空的焊接区域的力；

(c)针对多个挤压力的每一个，通过控制器从第一电动机的位置编码器接收测量高度；

(d)生成将步骤(a)确定的施加力和高度补偿关联起来的表；和

(e)存储所述表。

6.一种超声焊接方法，包括的步骤是：

(a)促动第一电动机，以促动第一凸轮组件并使得高度砧座对超声焊接器的焊接区域施加挤压力，该超声焊接器含有要被焊接的多个线，其中第一凸轮组件包括枢转高度凸轮，其中当高度砧座被枢转高度凸轮向下拉动时，该枢转高度凸轮向上偏离，造成测压元件传感器的挤压，用于测量所述挤压力；

(b)通过载荷传感器测量施加到焊接区域的力；

(c)通过控制器从第一电动机的位置编码器接收测量高度；

(d)通过访问存储的高度补偿数据用控制器确定高度校准因数，该高度补偿数据针对多个挤压力的每一个将施加到焊接区域的力和测量高度关联；和

(e)基于测量的高度和确定的高度校准因数确定要被焊接的多个线的实际高度。

7.一种超声焊接方法，包括的步骤是：

(a)通过控制器接收限定焊接操作的预定顺序的力、持续时间和幅度的组合，其中力和幅度的每一个组合相继地施加直到相应的持续时间，其中第一凸轮组件包括枢转高度凸轮，其中当高度砧座被枢转高度凸轮向下拉动时，该枢转高度凸轮向上偏离，造成测压元件传感器的挤压，用于测量所述挤压力；

(b)基于限定的焊接操作，促动第一电动机，以促动第一凸轮组件并使得高度砧座对超声焊接器的焊接区域施加挤压力，该超声焊接器含有要被焊接的多个线；

(c)基于限定焊接操作，促动超声套件的超声波发生器以对要被焊接的多个线施加振动；

(d)通过测压元件传感器测量施加到焊接区域的力；

(e)通过控制器从第一电动机的位置编码器接收测量高度；

(f)通过访问存储的高度补偿数据用控制器确定高度校准因数，该高度补偿数据针对多个挤压力的每一个将施加到焊接区域的力和测量高度关联；和

(g)基于测量的高度和确定的高度校准因数确定要被焊接的多个线的实际高度；

(h)在要被焊接的多个线的经确定的实际高度处于由焊接操作限定的目标端部高度的限定容差内时，中断焊接操作。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：在要被焊接的多个线的经确定的实际高度与目标起动高度范围偏离时，终止焊接操作。

9.如权利要求7所述的方法，进一步包括：在要被焊接的多个线的经确定的实际高度达到当前力和幅度的目标高度时，前进到预定序列的下一个力和幅度组合。

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