CN110814513A - 超声波焊接过程控制及品质监控装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超声波焊接的过程控制及品质监控设备及方法，电路包括包括采样模块、计算模块、数据模块、信号模块、人机模块、通讯模块及相应的连接电路；采样模块与计算模块连接，计算模块与采样模块、数据模块、信号模块、通讯模块连接，数据模块与计算模块、通讯模块连接，人机模块与信号模块连接，通讯模块与计算模块、数据模块、信号模块、人机模块连接。本发明通过采集超声波换能器的工作电流电压等信号，对于超声波焊接的整个过程进行精细控制和质量反馈，从而使得众多现有的模拟式超声波电源焊接机亦可实现精确的能量控制和品质监管。

Description

超声波焊接过程控制及品质监控装置和方法

技术领域

本发明涉及超声波焊接时的过程控制和品质监控的装置和方法。

背景技术

超声波焊接指的是在一定载荷条件下，在被焊物体之间施加一定压力，将将超声波能量集中作用于接合部位并实现熔接的方法；广泛应用于钢、铝、铜等金属以及塑料的焊接。超声波焊接的工作频率通常在15kHz～80kHz之间，超声波发生器所发出的高频电流经压电陶瓷换能器后转化为高频机械振动，并可能通过变幅杆、焊接头等部件将超声波能量传递到焊接件上。因此超声波的焊接品质受到焊接工件的大小形状及材质、压力、振动时间、振幅变化等因素的影响；其中最直接影响焊接品质的因素是有效焊接能量。

有效焊接能量指的是作用于焊接工件上，导致焊接部位熔接所消耗的能量。该能量若不足够，则焊接不牢靠、不充分；若能量过大，则导致溢胶甚至能量溢出导致焊接产品的芯片、晶振等部件损坏。

因为超声波换能器中压电陶瓷的特性，其实际工作频率往往随着负载、温度、湿度、内阻等多种因素而发生变化，且其频率漂移往往是无规律的，从而导致超声波应用的两大难题：其一为如何最有效地跟踪超声波换能器的当下谐振频率，以使超声波发生器的发波频率尽量接近该谐振频率以实现最高的能量输出；其二为怎样掌握超声波换能器的实际工作功率，进而获得其实际的工作功率，进一步计算出实际能量。

其中第一个问题决定如何提高有效能量转化效率，不属于本专利所解决的范畴；第二个问题直接决定着怎样实现高精度的超声波焊接及品质的管控。

申请号为201110073046.2的中国发明专利提出了一种通过位移传感器、压力传感器及“超声波换能器系统有用功率信号”来调控超声波发生器工作或者停机，以实现“精确控制超声波焊接输出能量”的超声波焊接装置。但是，其并未指出超声波换能器器系统的有用功率信号从何而来。事实上，该专利中所指的能量模式(判定有效能量是否出于合格区间)是行业公认能较好地判定焊接质量的方法，且国外的高端全数字式超声波焊接机上早已实现，各厂家的区别均在于如何理解、获得和处理“有用功率信号”。不同的处理方法则决定了能量模式的效果、成本、和可实现性。

比如，近20年所出产的国内的超声波焊接机所提供的能量模式中，是以超声波发生器的输出能量作为判定标准。亦即将输出能量等同于有效能量，此种计算方式显然难以准确计算焊接能量进而判定焊接效果。申请号为201611103726.3的发明专利考虑到焊接动作的能量损耗，将此部分损耗的能量进行了扣减。其方法是，通过其所设置的传感器部来获得移动加速度信息，进而计算出传感器传达能量，将超声波发生器的输出能量减去该传感器传达能量后，计算得出焊接吸收能量。

又如申请号为2018116411889.6的发明专利，在判定焊接是否合格时，其直接比对的是电压和电流的上下限阈值。然而因为电流电压之间相位差的存在以及其与实际转换率之间的关系未能掌握，真正的有效焊接能量与电流电压的上下限值虽然有关，但并非单纯的类比关系。即存在电流电压上下限值在范围内，但有效能量仍然不足或过多，从而导致焊接仍不充分或过度的现象。

综上，我们认为，通过超声波焊接的有效能量来判断焊接是否合格属于行业通识，而难点在于如何定义有效能量，并如何获得最接近实际情况的有效焊接能量。这是行业的难点之一。

另一方面，国内存在大量的模拟式超声波塑焊机，这类设备虽然便宜，但一方面难以精确控制能量输出，进而难以适应较高精度的超声波焊接，另一方面无法缺乏在线的品质监控系统，从而无法适应自动化产线的需要。

发明内容

本发明提供了一种装置和方法，基于对超声波换能器工作电流、电压的幅值、相位和周期信号，经过独创的经验公式，计算每次焊接的有效能量。一方面可实施检测过程中的有效能量，将其与最佳焊接能量进行比对，在达到最佳焊接能量时控制超声波发生器停止能量输出，实现过程控制；另一方面，将每次焊接的实际有效能量与合格能量区间进行比对，对产品焊接品质进行实时管控；同时因为过程控制的功能，使得单机产品也能与自动化生产线进行匹配。

本发明采用了如下的技术解决方案：

一种超声波焊接过程控制及品质监控装置，在机壳、电源端子之外，包括：

1、采样模块及相应电路

采样模块包括计时器、计数器、电信号采集器、位置采集器及相应的物理端子和电路。采样模块的计时器指用于记录动作开始和结束的时间点的有关电路。计数器指记录动作次数的有关电路。电信号采集器指采集电流电压的大小、幅值、相位和周期等信号的传感器及有关电路。位置采集器采集器指的是与差分信号采集器或模拟量信号采集器连接以获取位置差分信号或模拟量信号的物理端子及相应电路。差分信号采集器指的是编码器、光栅尺、磁栅尺；模拟量信号采集器包括位移传感器和其他模拟量位置传感器。

采样模块中还可能包括与外接多种模拟量采集器、IO信号采集器连接的物理端子及相应电路，模拟量采集器包括压力传感器、气压传感器、压差传感器、温度传感器等一种或多种； IO信号采集器包括高速光耦、继电器、隔离信号元件等；采样模块将传感器输入的模拟量进行滤波放大处理后获得相应数据；或采集其电平信号。

采样模块与计算模块连接，其电信号采集器和外部的焊接机换能器、其他采集电路与外接模拟或数字传感器通过物理端子及线缆连接。

2、计算模块及相应电路

计算模块包括功率计算电路、能量计算电路、位移量计算电路以及其他逻辑处理电路。功率计算电路指将电信号采集器传输过来的电信号进行滤波、模数转换等操作计算某时的功率的电路，并通过计时器信号计算各阶段持续时间；其形式是乘法器或含乘法器电路的计算芯片。能量计算电路指对该焊接总时间内的功率时间进行积分，求得焊接的有效能量的电路。位移量计算电路通过分析位置采集器的有关数据计算移动位移的电路。其他逻辑处理电路指与本发明相关的其他逻辑计算电路，比如数据传输、信号传输、逻辑决策电路。计算模块还包括比对电路，用于比对数据是否位于某数据区间。这些电路可以是单纯的电子电路，也可以集成在一块或多块计算芯片中，实现中央处理。

计算模块与采样模块、数据模块、信号模块、人机模块连接。当有通讯电路时，还应与通讯电路连接。

3、数据模块及相应电路

数据模块包括记忆体及相应操作电路。记忆体指用于存储有关数据的flash芯片或其他存储芯片，以及相应的读取、修改、删除操作的电路。

数据模块与计算模块、人机模块连接。当有通汛模块时，数据模块还与通讯模块连接，通讯模块从生产线服务器、云端服务器或外接设备中获取焊接参数合格区间数据，并存储至数据模块中。

4、信号模块及相应电路

信号模块包括信号数据生成转换输出电路及相应物理端子。具体而言，指在计算模块的控制下，生成、转换、输出电平信号或模拟量信号的相应电路及端子。

信号模块与人机模块、计算模块和外部的超声波发生器连接。当有通讯模块时，信号模块也可与通讯模块连接，由通讯模块对超声波发生器等外围设备传输通讯信息进行控制。

5、人机模块及相应的电路

人机模块包括按键及按键控制电路、指示灯和指示灯控制电路、发声器及声音控制电路。人机模块中包括显示屏控制电路时，则方案还需包括通讯模块，通讯模块与显示屏控制模块连接；此时人机模块方案还可同时含有显示屏；当不含显示屏时，应有连接外部显示屏的相应的物理端子。

人机模块与数据模块和信号模块连接。用户通过人机模块输入数据可存储至数据模块中；信号模块产生相应的指令信号，让指示灯、发生器发生相应信号。当有通讯模块时，人机模块还与通讯模块连接，通讯模块发出相应数据和信号至显示屏控制电路，由显示屏显示相应内容；或通过物理端子将相应显示信息传输给外部显示屏。

6、通讯模块及相应电路

通讯模块包括符合通讯协议的物理端子、通讯模组及相应电路；计算模块中还包括比对电路，数据模块中还存有焊接参数合格区间数据和最佳数据；人机模块还包括显示屏控制电路和显示屏，当不包括显示屏时，包括连接外部显示屏的物理端子；

通讯模块与数据模块、人机模块连接，也可与信号模块连接，并通过物理端子与外部超声波发生器和其他设备连接。通讯模块获取数据存储进数据模块中，向人机模块发送相应人机显示信号，向超声波发生器和其他设备发送控制信号。

在使用时，将本装置与现有的超声波焊接机相连接，采样模块通过物理端子连接超声波换能器和相应传感器，信号模块通过物理端子连接超声波发生器。

其中采样模块的电信号采集器物理端子连接超声波焊接机的的换能器电路，获取换能器工作电流电压的幅值、相位和周期信号。

采样模块的其他外部信号采集器通过物理端子与外部信号线缆连接，获取编码器、光栅尺、磁栅尺等设备的差分信号，或位移传感器及其他位置模拟传感器的位置信号，或压力传感器、气压传感器、压差传感器、温度传感器等一种或多种模拟量信号，或高速光耦、继电器、隔离信号元件等的一种或多种IO信号。采样模块将传感器输入的模拟量进行滤波放大处理后获得相应数据；或采集其电平信号。

信号模块与焊接机的超声波发生器相连接，对超声波发生器执行启动和停止发送高频电流信号的控制。当有通讯模块存在时，对超声波发生器执行启动和停止发送高频电流信号的控制也可以通过通讯模块的控制总线等方式来实现。

计算模块对采用模块所获得的换能器工作电流电压信号进行功率的计算方式如下： P＝Imsinωt·Umsin(ωt+ψ)·η，其中Im为电流峰值，Um为电压峰值，η为有效功率因子，ψ为电流电压相位差，ωt为相位角。该焊接过程的有效能量即为该功率和ωt的积分

本发明对焊接过程的控制方法如下：焊接开始时，计算模块获取数据模块中预存的能量参数设定值，采样模块中的电信号采集器不断采集从换能器返回的焊接电流和电压的幅值、相位、周期等信号，计算模块中的功率计算电路将此电流电压信号经处理后相乘得功率，能量计算电路将此功率与焊接工作时间积分得该段采样时间范围内所产生的焊接能量，该能量不断累加，当能量总值等于能量参数设定值(最佳焊接参数)时，计算模块指示信号模块发出信号命令与其通过物理端子连接的超声波发生器停止输出，并指示通讯模块发出通讯指令控制外部动作。

本发明对焊接产品进行质量监控的方法如下：通讯模块从生产线服务器、云端服务器或外接设备中获取焊接参数合格区间数据，并存储至数据模块中。计算模块将由采样模块在该次焊接全过程中的实际数值进行相应计算后与数据模块的焊接参数合格区间进行比对，在此区间内的视为合格；超出此区间的视为不合格；计算模块将此判定结果通过信号模块发出相应信号或通过通讯模块控制外部动作，同时通过人机模块做出相应显示。在本质量监控模块中，所对比的参数除了能量值外，还包括位移、压力、温度等因素。

更优选地。人机模块还包括品质反馈按钮及相应电路，计算模块还包括品质包线生成电路；数据模块还与人机模块连接，用户通过人机模块输入待焊接产品的主要参数和模型数据后，计算模块生成一组焊接参数，信号模块输出相应信号给超声波发生器进行试焊接。用户对试焊接的产品品质进行检测，通过品质反馈按钮反馈焊接品质；计算模块在此反馈结果的基础上，自动生成另一组焊接参数，如此重复；最佳焊接参数拟合电路通过这多组焊接参数探索最佳焊接参数，品质包线生成电路通过这多组焊接参数探索每组焊接参数的上下限，进而生成产品焊接参数的最佳值和合格区间及品质包线。当然，在简化的处理上，上述进行试焊接的焊接参数也可以通过人机模块直接输入设定值，或自云服务器、生产线服务器、外接设备下载预设的半通用数据，再按如上方式进行调整。

基于上述方式和结构，本发明可实现如下有益效果：

1、本发明提供了一种单独的控制器产品，可以在不改动现有超声波焊接机结构的情况下，实现对焊接过程实际能量的有效控制，提升焊接质量。

2、本发明可以为现有的超声波焊接机产品增加一种质量实时监控的途径，由本设备对每次焊接质量进行实时全程全检，大大降低了人工复检的工作量。

3、本发明可以让原本只能由人工操作的超声波焊接机单机连入自动化生产线中，能在不增加太多成本的前提下，实现旧有设备的提质升级。

4、本发明尤其适合于利用现有的超声波发生器开发伺服电机模式的超声波焊接机，以替代现有的气动模式，在大大降低生产开发成本的同时，更精细化地控制生产质量。

5、本发明采用了获取换能器工作电流电压信号，并进行

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2是本发明基于经验总结出的有效功率因子与相位差之关系。

图3为本发明进行焊接过程控制的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供一种具体实施方式进行说明，以助于对发明的理解并对发明内容进行补充，但并非对本发明的限制性应用。

图1是本发明的结构框图，对本发明的结构和应用方式进行了说明。其中，1为采样模块、2为计算模块、3为数据模块、4为信号模块、5为人机模块、6为通讯模块，以及模块内外相应的电路，各模块之间的连接如图所示。其中采样模块1通过物理端子与外部的超声波换能器01、外部信号线缆02连接；信号模块4通过物理端子与人机模块和外部的超声波发生器03连接、通讯模块6与人机模块的显示屏控制电路连接，并预留有物理端子与外部的显示器04连接。

采样模块1包括有计时器101、计数器102、电信号采集器103、以及其他采集器电路104 及物理端子和相应电路。电信号采集器103通过物理端子104与超声波换能器01连接，获取其工作时的电流电压信号。其他采集器电路104与外部的差分信号采集器、位移传感器、压力传感器、气压传感器、压差传感器、温度传感器、高速光耦、继电器相连。采样模块将传感器输入的模拟量进行滤波放大处理后获得相应数据，并进行AD信号处理；或直接采集其电平信号。

计算模块2包括功率计算电路201、能量计算电路202、位移量计算电路203、比对电路 204以及其他逻辑处理电路205。功率计算模块利用电信号采集器103所采集的超声波换能器 01工作电流电压信号的幅值、相位和周期，结合本发明特有的功率因子，计算有效功率。能量计算电路202对功率计算模块所计算得到的有效功率进行积分，计算焊接的有效能量值。比对电路204将该有效能量值与设定或存储的焊接能量最佳值或有效区间进行比对。其中，功率计算公式为P＝Imsinωt·Umsin(ωt+ψ)·η：能量计算公式为

有效功率因子的计算公式曲线如图2。

在焊接过程控制进程中，当已积累的有效能量值达到最佳焊接能量值时，计算模块2向信号模块4发出停止指令，由信号模块4向外部超声波发生器03发出停止信号，中止本次操作；并向通讯模块6发出指令通知其他外部设备采取相应动作；向人机模块5发出指令进行相应显示。

焊接结束后，计算模块2的比对模块204计算本次焊接的总有效能量，与焊接能量的有效区间进行比对。当本次焊接总有效能量超过或低于焊接能量有效区间时，判定为不合格，向通讯模块6发出指令通知其他外部设备采取相应动作；向人机模块5发出指令进行相应显示。与比对有效能量相类似的方式，还可比较位移量、温度差、压力最大值、最大电流、最大电压中的因素中的一个或多个。

同样地，计算模块2对位移传感器105所采集的位置信号进行滤波和AD转换后，获得焊接头的位移量；比对电路204将该位移量与设定的最佳值和有效值进行比对，依据比对结果，在焊接过程控制和结束后的质量控制中如上采取相类似的动作。

数据模块3是存储芯片301和相应的读取、删除、修改、替换的操作电路。

信号模块4是接收到计算模块指令后，生成、转换及输出控制信号的电路。其与外部的超声波发生器03连接，发出信号控制发生器的启停；与人机模块5连接，发出信号控制人机模块的显示。

人机模块5包括按键501、发声器502、指示灯503、显示屏端子504及相应控制电路。人机模块5在接收到信号模块4的有关信号指令后，显示相应的信号内容，以向用户显示设备状态。

通讯模块6包括符合通讯协议的控制电路及物理端子，通过端子向有关工业总线、USB总线等设备或通过无线信号与设备进行信号通讯。

图2是本发明基于经验总结的电流电压相位差与有效功率因子之间的关系。图中显示，作用于换能器的有效能量并不与电流电压成简单线性关系，当电流电压的相位差相差一定角度时，其有效能量呈现一种复杂化形式。本图是基于大量实测参数对有效能量进行拟合后的模拟近似。

图3是本发明在焊接过程中进行过程控制的流程图。

通讯模块6从生产线服务器、云端服务器或外接设备中获取最佳焊接参数，并存储至数据模块3中。单次焊接开始时，计算模块2获取数据模块3中预存的能量参数设定值，采样模块1中的电信号采集器103不断采集从超声波换能器01返回的焊接电流和电压的幅值、相位、周期等信号，计算模块2中的功率计算电路201将此电流电压信号按功率计算公式相乘得功率，能量计算电路202将此功率与时间积分得该段采样时间范围内所产生的焊接能量值，该能量不断累加，比对电路204不断将最新的有效能量值与设定的最佳焊接能量设定值进行比对，当积累的有效能量总值等于能量参数设定值(最佳焊接参数)时，计算模块2指示信号模块4发出信号命令与其通过物理端子连接的超声波发生器03停止输出，并指示通讯模块 6发出通讯指令控制外部动作；同时指令人机模块5作出相应提示信号。

在本过程控制进程中，所对比的参数除了能量值外，还包括位移、压力、温度等因素。

本发明对焊接产品进行质量监控的方法如下：通讯模块6从生产线服务器、云端服务器或外接设备中获取焊接参数合格区间数据，并存储至数据模块3中。计算模块2的比对模块 204将由采样模块1在该次焊接全过程中的实际数值进行相应计算后与数据模块3的焊接参数合格区间进行比对，在此区间内的视为合格；超出此区间的视为不合格；计算模块2将此判定结果通过信号模块4发出相应信号或通过通讯模块6控制外部动作，同时通过人机模块 5做出相应显示。

在本质量监控进程中，所对比的参数除了能量值外，还包括位移、压力、温度等因素。

Claims (10)

1.一种超声波焊接过程控制及品质监控装置，其特征在于：包括采样模块、计算模块、数据模块、信号模块、人机模块及相应电路，以及机壳、电源端子；采样模块与计算模块和外部的焊接机换能器连接，计算模块与采样模块、数据模块、信号模块、人机模块连接，数据模块与计算模块、人机模块连接，信号模块与人机模块、计算模块和外部的超声波发生器连接，人机模块与计算模块、数据模块和信号模块连接；采样模块包括计时器、计数器、电信号采集器、位置采集器及相应的物理端子和电路；计算模块包括功率计算电路、能量计算电路、位移量计算电路以及逻辑处理电路；数据模块包括记忆体及相应操作电路；信号模块包括信号数据生成转换输出电路及相应物理端子；人机模块包括按键及按键控制电路、指示灯和指示灯控制电路、发声器及声音控制电路。

2.根据权利要求1所述的一种超声波焊接过程控制及品质监控的装置和方法，其特征在于：焊接开始时，计算模块获取数据模块中预存的能量参数设定值，采样模块中的电信号采集器不断采集从换能器返回的焊接电流和电压的幅值、相位、周期等信号，计算模块中的功率计算电路将此电流电压信号经处理后相乘得功率，能量计算电路将此功率与采样间隔时间相乘得该段采样时间范围内所产生的焊接能量，该能量不断累加，当能量总值等于能量参数设定值时，信号模块发出信号指示与其通过物理端子连接的超声波发生器停止输出，控制外部动作。

3.根据权利要求2所述的超声波焊接过程控制及品质监控装置和方法，其特征在于：还包括通讯模块，通讯模块与数据模块和外部超声波发生器连接，通讯模块包括符合通讯协议的物理端子、通讯模组及相应电路；计算模块中还包括比对电路，数据模块中还存有焊接参数合格区间数据和最佳数据；人机模块还包括显示屏控制电路和显示屏，当不包括显示屏时，应包括连接外部显示屏的物理端子；计算模块中的对比电路将采样模块送来的采样数据进行计算后，与焊接参数合格区间数值进行比较，在此区间内的视为合格；超出此区间的视为不合格；计算模块将此判定结果通过信号模块发出相应信号或通过通讯模块控制外部动作，同时通过人机模块做出相应显示。

4.根据权利要求3所述的超声波焊接过程控制及品质监控装置和方法，其特征在于：人机模块还包括品质反馈按钮及相应电路，计算模块还包括品质包线生成电路；当进行试焊接时，数据模块记录本次从采样模块采集并经计算的焊接数据，焊接周期结束时，用户通过人机模块的品质反馈按钮反馈本次焊接产品是否合格，计算模块经过比对多组此类数据，计算焊接参数的合格区间，生成品质包线。

5.根据权利要求2所述的超声波焊接过程控制及品质监控装置和方法，其特征在于：所述功率计算电路由单独的乘法器和处理芯片组成，采样模块采集的电流电压信号经过滤波放大处理后在乘法器内计算功率；或是包含有乘法器的处理芯片，采样模块采集的电流电压信号经过滤波放大处理及AD转换器后在芯片内部的乘法器中计算功率；该功率计算公式为P＝Imsinωt·Umsin(ωt+ψ)·η：能量计算公式为

6.根据权利要求2所述的超声波焊接过程控制及品质监控装置和方法，其特征在于：位置采集器是差分信号采集器或模拟量信号采集器及相应电路；差分信号采集器包括获取编码器、光栅尺、磁栅尺输出的差分信号和差分信号处理电路；模拟量信号采集器包括位移传感器和模拟量信号处理电路；差分信号采集器对编码器的脉冲差分信号进行读取编译获取相应的距离位置数据；模拟量信号采集器对位移传感器采集的模拟量进行滤波放大处理，获取相应的距离位置数据。

7.根据权利要求2所述的超声波焊接过程控制及品质监控装置和方法，其特征在于：采样模块中还包括与压力传感器、气压传感器、压差传感器、温度传感器等一种或多种模拟量传感器和高速光耦、继电器、隔离信号元件等I/O信号采集器相连接的物理端子及相应电路；采样模块将传感器输出的模拟量进行滤波放大处理后获得相应数据；或采集其电平信号。

8.根据权利要求1所述的超声波焊接过程控制及品质监控装置和方法，其特征在于：信号模块的信号电路包括脉冲信号、电平信号、模拟量信号生成输出电路及相应物理端子。

9.基于权利要求4所述设备的一种智能生成超声波焊接产品品质包线的装置和方法，其特征在于：数据模块还与人机模块连接，用户通过人机模块输入待焊接产品的主要参数和模型数据后，计算模块生成一组焊接参数，信号模块输出相应信号给超声波发生器进行试焊接，用户对试焊接的产品品质进行检测，通过品质反馈按钮反馈焊接品质；计算模块在此反馈结果的基础上，自动生成另一组焊接参数，如此重复；通过这多组焊接参数探索最佳焊接参数和每组焊接参数的上下限，进而生成产品焊接参数的最佳值和合格区间及品质包线。

10.基于权利要求4所述的一种智能生成超声波焊接产品品质包线的装置和方法，其特征在于：数据模块还与通讯模块连接，数据模块中预存的焊接参数合格区间数据来自于通讯模块从生产线服务器、云端服务器或外接设备导入。

Images