CN111936242A - 基于超声波频率的接触检测 - Google Patents

Abstract

根据确定超声波堆叠的频率已经相对于在空气中在共振附近工作的超声波堆叠的频率而改变来检测超声波堆叠与物体接触。

Description

基于超声波频率的接触检测

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年2月6日提交的美国专利申请第16/269,001号的优先权，并且还要求于2018年3月30日提交的美国临时申请第62/650,346号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容涉及超声波装置，并且更具体地涉及基于频率的接触检测。

背景技术

本部分提供与本公开内容有关的背景信息，其不一定是现有技术。

某些超声波装置具有由电力供应器激励的超声波堆叠，电力供应器通常还用于控制超声波装置。超声波堆叠包括超声波转换器和超声地耦合至超声波转换器的任何部件(通常是调幅器和超声波焊头)。超声波堆叠以超声频率振动，并且实际作用在零件或液体上。超声波堆叠振动的超声频率在本文中将被称为超声波堆叠的频率。超声波系统的应用的示例包括但不限于塑料焊接、金属焊接、切割、型锻、标记、铆接、细胞破碎、清洁和液体搅动。作用在零件上的一些超声波系统还包括致动器。在这样的实施方式中，致动器使超声波堆叠相对于所述待加工的零件移动。作用在零件上的一些超声波系统还包括用于保持待加工的零件的砧或底模(nest)。

图1示出了已知类型的超声波装置100的示例的超声波堆叠102和电力供应器104的模型。应当理解，超声波装置100可以是具有由电力供应器激励的超声波堆叠的任何类型的超声波装置。超声波堆叠102的典型部件包括超声波转换器106、调幅器108和超声波焊头110。应当理解，不是每个超声波堆叠102都包括调幅器108。还应当理解，不是每个超声波堆叠102都包括超声波焊头110。超声波焊头110通常将具有一个或更多个超声波焊头尖端(未示出)。调幅器108和超声波焊头110超声地(直接地或经由另一部件)连接至超声波转换器106。在图1的示例中，调幅器108安装至超声波转换器106，从而将调幅器108超声地连接至超声波转换器106，并且超声波焊头110安装至调幅器108，从而将超声波焊头110超声地连接至调幅器108，并且因此将超声波焊头110经由调幅器108超声地连接至超声波转换器106。应当理解，超声波转换器在本领域中也被称为超声波换能器，并且这些术语可互换地使用。电力供应器104由包括存储器116的控制器114控制。应当理解，控制器114可以包括在电力供应器104中或者与电力供应器104分开。超声波装置100通常将包括砧122，在砧上待处理的工件在被处理时由超声波焊头尖端112支承并接触。例如，如果将两个金属零件或塑料零件124焊接在一起，则它们被支承在砧上，并且在焊接过程中当致动器120使超声波堆叠102相对于两个零件124移动时两个金属零件或塑料零件124通过超声波焊头尖端按压在一起，焊头尖端还使两个零件之一超声振动以将两个零件124超声地焊接在一起。

通常期望检测超声波堆叠何时与要被超声作用的零件接触、与液体接触或者与砧接触。现有技术的方法利用致动器中的力检测器例如柱塞、测力传感器或S型梁来检测这样的接触。然而，这样的力检测器在记录已经建立接触之前需要累积相对高的接触力。对于需要比现有技术的力检测器所需的接触力低的接触力以刚好检测接触的应用例如对于小的和/或易碎的零件的焊接应用，现有技术的力检测器没有提供任何益处。这样的力检测器的另一个缺点是，在与液体接触时几乎没有力累积；因此，这样的力检测器在检测与液体的接触时基本上是无用的。

发明内容

该部分提供了本公开内容的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

根据本公开内容的一个方面，公开了一种检测超声波堆叠与物体之间的接触的方法。该方法包括：使在共振附近超声振动的超声波堆叠和物体朝向彼此移动，以及基于检测到超声波堆叠的频率已经改变来确定超声波堆叠已经与物体接触。根据几个方面，确定超声波堆叠已经与物体接触涉及与砧、要被超声作用的液体或要被超声作用的工件接触。根据一个方面，响应于检测到频率的改变，更改致动器使超声波堆叠和物体朝向彼此移动的速度。根据一个方面，响应于检测到频率的改变，更改向超声波堆叠供应的超声波电力。根据一个方面，响应于检测到频率的改变，更改致动器使超声波堆叠和物体朝向彼此移动的力。

根据另一方面，运行超声波应用的初始超声波周期，其中使在共振附近超声振动的超声波堆叠和物体朝向彼此移动。当检测到超声波堆叠的频率已经改变时，将检测到这种频率的改变时超声波堆叠相对于物体的位置存储在控制器的存储器中，以用于超声波应用的后续的超声波周期。根据一个方面，当运行后续的超声波周期时，当超声波堆叠相对于物体的位置处于在初始运行的超声波周期中检测到频率的改变时的位置时，更改致动器使超声波堆叠和物体朝向彼此移动的速度。根据一个方面，当运行后续的超声波周期时，当超声波堆叠相对于物体的位置处于在初始运行的超声波周期中检测到频率的改变时的位置时，更改向超声波堆叠供应的超声波电力。根据一个方面，当运行后续的超声波周期时，当超声波堆叠相对于物体的位置处于在初始运行的超声波周期中检测到频率的改变时的位置时，更改致动器使超声波堆叠和物体朝向彼此移动的力。

根据本公开内容的另一方面，公开了一种检测超声波堆叠与物体之间的接触的超声波系统。超声波系统包括：超声波堆叠，其向物体传递超声波能量；致动器，用于使超声波堆叠和物体朝向彼此移动；频率检测器，用于检测超声波堆叠的频率的改变，频率的改变指示超声波堆叠与物体接触；电力供应器，其与致动器、超声波堆叠和频率检测器电连通；以及与频率检测器电连通的控制器。控制器被配置成控制致动器。根据一个方面，物体是砧、要被超声作用的液体或工件中的一个。根据一个方面，控制器被配置成响应于频率检测器检测到频率的改变而更改致动器使超声波堆叠和物体朝向彼此移动的速度。根据一个方面，控制器被配置成控制电力供应器，并且控制器被配置成响应于频率检测器检测到频率的改变而更改电力供应器向超声波堆叠提供的电力。根据一个方面，控制器被配置成更改致动器使超声波堆叠和物体朝向彼此移动的力。

根据一个方面，频率检测器是感测超声波堆叠的超声运动的检测器。根据一个方面，频率检测器是电感测从电力供应器向超声波堆叠供应的电压或电流的频率的检测器。

根据一个方面，致动器使超声波堆叠朝向物体移动。根据一个方面，致动器使物体朝向超声波堆叠移动。根据一个方面，致动器使超声波堆叠和物体两者朝向彼此移动。

根据本文提供的描述，其他应用领域将变得明显。该发明内容中的描述和具体示例仅旨在说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于对所选择的实施方式而非所有可能的实现方式进行说明的目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。

图1是已知类型的超声波装置的简化图；

图2是示出共振附近的超声波堆叠的振荡的简化图；

图3是示出超声波堆叠在初始接触待加工的部件时的有效弹簧常数的简化图；

图4是示出超声波堆叠在初始接触液体时的有效弹簧常数的简化图；

图5是用于上述检测超声波装置的超声波堆叠何时与物体接触的方法的控制例程的流程图；

图6是用于上述检测超声波装置的超声波堆叠何时与物体接触以用于后续使用的方法的控制例程的流程图；以及

图7是根据本公开内容的一个方面的控制例程的流程图，其中超声波堆叠相对于要接触的物体的位置用于后续的超声波周期。

遍及附图的若干视图，对应的附图标记表示对应的部分。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。

遍及本公开内容中，数值表示对范围的近似测量或限制以涵盖给定值的微小偏差以及具有约提及的值的实施方式和精确地具有提及的值的实施方式。除了在具体实施方式的末尾处提供的工作示例外，包括所附权利要求书在内的本说明书中的参数(例如，数量或条件)的所有数值应被理解为在所有情况下均由术语“约”修饰，而无论在数值前是否实际地出现“约”。“约”表示所述数值允许些许轻微的不精确(逼近值的精确值；近似地或合理地接近该值；接近)。如果由“约”所提供的不精确性在本领域中没有另外以这种普通含义理解，则如本文使用的“约”至少表示可能由测量和使用这些参数的普通方法引起的变化。如果由于某种原因，由“约”所提供的不精确性在本领域中没有另外以这种普通含义理解，则如本文中使用的“约”可以表示高达指示值的5％或与通常的测量方法相差5％的可能的变化。

以下将参照图1的超声波装置100进行讨论，但是应当理解，以下内容适用于具有由电力供应器激励的超声波堆叠的任何超声波装置。在这方面，应当理解，根据如下所述的本公开内容的一方面的检测接触的方法与现有技术的超声波装置中使用的方法不同，并且图1是现有技术的指示并不意味着以下描述的方法属于现有技术。此外，如上所述，超声波堆叠102可以包括或者可以不包括调幅器108或超声波焊头110中的任一者或两者。

根据本公开内容的一方面，感测频率变化以检测超声波堆叠是否已经接触物理物体(例如，待加工的部件、砧或液体)。应当理解，如本文所使用的，超声波堆叠的频率是超声波堆叠振荡的频率。在大多数频率下操作时，超声波堆叠没有表现出简单振荡器的特性。然而，参照图2，在共振附近处，超声波堆叠确实像简单振荡器一样起作用。共振附近的超声波堆叠的频率可以如下确定：

其中：

f＝频率

k₁＝振荡器的有效弹簧常数

m₁＝振荡器的有效质量

当诸如振荡超声波堆叠的振荡器与固体接触时，该固体不是完全刚性的。实际上，固体表现出弹簧常数。在接触时，固体的有效弹簧常数叠加至振荡器(例如，振荡超声波堆叠)的有效弹簧常数。参照图3，固体的质量的一部分开始超声地振荡，但在初始接触时，非常少的质量移动。这样的接触会改变频率，该频率可以如下计算：

其中：

f_ContactSolid＝与固体接触时振荡器的频率

k₁＝振荡器的有效弹簧常数

k₂＝固体的有效弹簧常数

m₁＝振荡器的有效质量

m₂＝固体的有效振荡质量

除了在非常顺应的固体(诸如某些食品)的情况下，固体的有效振荡质量都较低；因此，比率k/m增加，因此导致在与大多数固体接触时超声波堆叠的频率增加。在非常顺应的固体的情况下，叠加的弹簧常数低，并且比率k/m减小，因此，导致在与这种非常顺应的固体接触时超声波堆叠的频率减小。在任何情况下，频率的变化是可测量的并可检测的。无论是否是非常顺应，频率的这种变化都进一步指示了与固体的接触。

类似地，当超声波堆叠与液体接触时，可以检测到频率的变化。与在涉及与固体超声接触的超声波应用中不同，接触振荡器(诸如振荡超声波堆叠)的液体基本上没有表现出弹簧常数。然而，参照图4，在接触振动超声波堆叠时液体的质量的至少一部分超声地振荡。该频率可以如下确定：

其中：

f_ContactSolid＝与固体接触时振荡器的频率

k₁＝固体的有效弹簧常数

m₁＝振荡器的有效质量

m₃＝液体的有效振荡质量

应当注意，在与液体的超声波应用中，基本上没有叠加弹簧常数。然而，用于计算频率的液体的有效振荡质量叠加至振荡器的有效质量，并且因此比率k/m减小。因此，在接触液体时超声波堆叠的频率减小。

在上述每种情况下，无论超声波堆叠与刚性固体、顺应固体或者液体接触，超声波堆叠的频率至少会改变，原因是当与刚性固体、顺应固体或者液体中的任意一者接触时，超声波堆叠的比率k/m将与叠加后的比例k/m不匹配。并且因为频率至少部分地由比率k/m确定，因此在这种情况下，频率的变化由接触确定。

超声波堆叠的频率可以例如由控制器根据由电力供应器向超声波堆叠供应的电压或电流而被电感测，或者可以由感测堆叠本身的超声波运动的检测器进行检测。即使在低功率超声波应用中也可以感测到频率，这是因为接触的频率依赖性与功率无关。

根据本公开内容的使用频率变化来检测接触具有若干优点。首先，可以确定工件、砧或液体的位置，这对于后续的使用是有帮助的。更具体地，但通过非限制性示例，当位置已知时，可以在接触前使致动器减慢以防止伤害要接触的物体或超声波堆叠，可以在砧接触时使致动器停止以防止对超声波堆叠的伤害，以及/或者可以在与物体接触之前改变致动器的力。

其次，接触的检测在实时使用方面是有帮助的。更具体地，但通过非限制性示例，致动器可以在进行工件接触或液体接触时改变运动，超声波可以在工件接触或液体接触时使其振幅增加，致动器可以在砧接触时停止，超声波可以在砧接触时停止，以及/或者致动器的力可以在工件接触、液体接触或砧接触时改变。

本文公开的接触的检测提供了优于现有技术的若干优点。与检测工件接触或砧接触的力传感器不同，通过超声波频率变化检测接触仅需要非常小的接触力。并且因此，对于使用小型部件和/或精细部件的超声波应用，可以在不损坏部件的情况下检测接触。此外，对于液体，不需要检测力。

根据本公开内容的一方面，测量未与物体接触的超声波堆叠的频率量并且将其存储在存储器116中。

随着超声波堆叠102与物体126(图1)朝向彼此移动时，频率的变化指示超声波堆叠102已经与物体126接触。物体126可以是砧(诸如砧122)、要对其超声作用的液体(诸如在如图1的以虚线示出的砧122上容纳的在图1中也以虚线示出的液体128)、或者要对其超声作用的工件(诸如部件122)中的任意一者。因此，使用所测量的频率与先前测量的频率的比较来检测与物体的接触。可以以针对超声波堆叠102的试探性方式或者以理论方式来确定频率。

根据本公开内容的一方面，超声波堆叠102的初始频率可以在控制器112的控制下由电力供应器104确定，该初始频率是超声波堆叠102在空气中接近共振振荡的频率。所确定的初始频率示例性地存储在存储器116中。在一方面，当感测到或测量到超声波堆叠102的频率变化时，控制器114提供已经与物体126接触的警报。通过示例而非限制的方式，警报可以是由控制器114点亮的视觉指示、用户界面诸如图1中以虚线示出的用户界面118的屏幕上的消息、发送至监视超声波装置100的远程系统的信息、或上述的任意组合。

应当理解，实际上不需要计算超声波堆叠的初始频率或者超声波堆叠的任何后续频率来确定已经进行了接触。相反，在这种情况下，设想的是当超声波堆叠102与物体126朝向彼此移动时，将超声波堆叠102的初始频率与后续确定的超声波堆叠102的频率进行比较。当后续确定的超声波堆叠102的频率偏离超声波堆叠102的初始频率时，确定超声波堆叠102已经与物体126接触。

另一方面，也可以设想在一些实施方式中，例如通过控制器114来计算超声波堆叠102的初始频率，其中所计算的超声波堆叠102的初始频率可以存储在存储器116中。设想控制器114将使用后续的测量或计算来确定超声波堆叠102的后续频率，然后将超声波堆叠102的后续频率与所存储的超声波堆叠102的初始频率进行比较。如上所讨论的，频率的变化与超声波堆叠102已经与物体126接触相关。

图5是用于上面描述的检测超声波装置的超声波堆叠何时接触物体的方法的在控制器114中示例性实施的控制例程的流程图。控制例程在500处开始。在502处，确定超声波堆叠102的初始频率。为此，超声波堆叠102在空气中以接近共振的方式工作，并且确定在空气中在共振附近处振荡的超声波堆叠102的频率并且将该频率记录为超声波堆叠102的初始频率。在504处，使超声波堆叠102与物体126朝向彼此移动。在这方面，应当理解，当提及使超声波堆叠102与物体126朝向彼此移动时，可以包括使超声波堆叠102朝向物体126移动，使物体126朝向超声波堆叠102移动，或者使超声波堆叠102与物体126两者朝向彼此移动。在506处，控制例程检查超声波堆叠102的频率是否改变。如果超声波堆叠102的频率未改变，则控制例程分支回到504。如果在506处，控制例程发现超声波堆叠102的频率改变，则控制例程前进至508，在508处确定超声波堆叠102已经接触物体126。在这方面，当超声波堆叠102的频率振荡改变时，这指示超声波堆叠102正在与物体126接触。

图6是用于上面描述的确定诸如砧、工件或液体的物体126的位置以用于后续使用的方法在控制器114中示例性实施的控制例程的流程图。控制例程在600处开始。在602处，如上所讨论地确定超声波堆叠102的初始频率。在604处，使超声波堆叠102与物体126朝向彼此移动。在606处，控制例程检查超声波堆叠102的频率是否改变。如果超声波堆叠102的频率未改变，则控制例程分支回到604。如果在606处控制例程发现超声波堆叠102的频率改变，则控制例程前进至608，在608处保存超声波堆叠102和物体126相对于彼此的位置。该位置然后可以用于后续的超声波周期。作为非限制性示例，当已知超声波堆叠102与诸如工件(部件)、砧和液体的物体126之间的接触即将发生时，可以改变致动器使超声波堆叠102与物体126朝向彼此移动的速度，诸如加快、减慢或停止；当与物体126的接触即将发生时，可以改变向超声波堆叠102供应的超声波电力，例如，针对要对其进行超声作用的物体诸如工件或液体，在该物体与超声波堆叠102接触即将发生时发起超声波，或者，当物体是砧122时，在该物体与超声波堆叠102接触即将发生时，停止超声波以在超声波堆叠102接触砧122之前停止超声波；以及可以在超声波堆叠102接触物体126之前改变致动器的力。

图7是在控制器114中示例性实施的控制例程的流程图，其中在后续的超声波周期中使用超声波堆叠102相对于物体126的位置。控制例程在700处开始。在702处，使超声波堆叠102与物体126朝向彼此移动。在704处，控制例程检查超声波堆叠和物体126是否位于在初始超声波周期期间超声波堆叠的频率改变的保存位置处。如果超声波堆叠和物体126没有位于保存位置处，则控制例程分支回到702。如果超声波堆叠和物体126位于保存位置处，则控制例程进行至图7中虚线示出的块706、块708、块710中的一个块，其中控制例程改变致动器使超声波堆叠102与物体126朝向彼此移动的速度，改变致动器使超声波堆叠102与物体126朝向彼此移动的力，或者改变提供至超声波堆叠102的超声波电力。

应当理解，当致动器使超声波堆叠102与物体126朝向彼此移动时，可以包括致动器使超声波堆叠102朝向物体126移动，致动器使物体126朝向超声波堆叠102移动，或者致动器使超声波堆叠102与物体126两者朝向彼此移动。

出于说明和描述的目的，已经提供了实施方式的上述描述。其不旨在穷举或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的并且可以用于所选择的实施方式中，即使没有具体示出或描述也是如此。特定实施方式的各个元件或特征在许多方面也可以变化。这样的变型不被视为是脱离本公开内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。

如本文所使用的，术语控制器、控制模块、控制系统等可以指代下述内容、可以为下述内容的一部分或者可以包括下述内容：专用集成电路(ASIC)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的处理器(共享的、专用的或成组的)；可编程逻辑控制器、可编程控制系统，诸如基于处理器的控制系统，包括基于计算机的控制系统；过程控制器，诸如PID控制器；或者提供所描述的功能或如本文描述的在利用软件编程时提供上述功能的其他合适的硬件部件；或者上述的一些或全部的组合，诸如芯片上系统。术语模块可以包括存储由处理器执行的代码的存储器(共享的、专用的或组)。当陈述这样的装置执行功能时，应当理解，该装置被配置成通过适当的逻辑诸如软件、硬件或它们的组合来执行该功能。

为了方便描述如附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系，本文中可以使用空间相对术语，诸如“内部”、“外部”、“以下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等。空间相对术语可以旨在除了在附图中描绘的取向之外还包括在使用或操作时装置的不同取向。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“以下”的元件将被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”可以涵盖上方和下方两个取向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或其他取向)，并且本文所使用的空间相对描述词语被相应地解释。

Claims (15)

1.一种检测超声波堆叠与物体之间的接触的方法，其中，所述物体是砧、要被超声作用的液体和要被超声作用的工件中的任意一个，所述方法包括：

利用致动器使在共振附近超声振动的超声波堆叠和所述物体朝向彼此移动，以及

基于检测到所述超声波堆叠的频率改变来确定所述超声波堆叠已经与所述物体接触。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于检测到所述频率改变，更改所述致动器使所述超声波堆叠和所述物体朝向彼此移动的速度。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于检测到所述频率改变，更改向所述超声波堆叠供应的超声波电力。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：响应于检测到所述频率改变，更改所述致动器使所述超声波堆叠和所述物体朝向彼此移动的力。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括运行初始超声波周期，其中，将检测到所述频率改变时所述超声波堆叠相对于所述物体的位置存储在控制器的存储器中。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括：运行后续的超声波周期，并且当所述超声波堆叠相对于所述物体的位置处于在初始运行的超声波周期中检测到所述频率改变时的位置时，更改所述致动器使所述超声波堆叠和所述物体朝向彼此移动的速度。

7.根据权利要求5所述的方法，还包括：运行后续的超声波周期，并且当所述超声波堆叠相对于所述物体的位置处于在初始运行的超声波周期中检测到所述频率改变时的位置时，更改向所述超声波堆叠供应的超声波电力。

8.根据权利要求5所述的方法，还包括：运行后续的超声波周期，并且当所述超声波堆叠相对于所述物体的位置处于在初始运行的超声波周期中检测到所述频率改变时的位置时，更改所述致动器使所述超声波堆叠和所述物体朝向彼此移动的力。

9.一种超声波系统，包括：

超声波堆叠，其传递超声波能量；

致动器，用于使所述超声波堆叠和物体朝向彼此移动；

频率检测器，用于检测所述超声波堆叠的频率改变，其中，所述频率改变指示所述超声波堆叠与所述物体接触；

电力供应器，其与所述致动器、所述超声波堆叠和所述频率检测器电连通；以及

与所述频率检测器电连通的控制器，其中，所述控制器被配置成控制所述致动器。

10.根据权利要求9所述的超声波系统，其中，所述物体是砧、要被超声作用的液体或要被超声作用的工件中的任意一个。

11.根据权利要求10所述的超声波系统，其中，所述控制器被配置成响应于所述频率检测器检测到所述频率改变而更改所述致动器使所述超声波堆叠和所述物体朝向彼此移动的速度。

12.根据权利要求10所述的超声波系统，其中，所述控制器被配置成控制所述电力供应器，并且所述控制器被配置成响应于所述频率检测器检测到所述频率改变而更改所述电力供应器向所述超声波堆叠提供的电力。

13.根据权利要求10所述的超声波系统，其中，所述控制器被配置成响应于所述频率检测器检测到所述频率改变而更改所述致动器使所述超声波堆叠和所述物体朝向彼此移动的力。

14.根据权利要求10所述的超声波系统，其中，所述频率检测器是感测所述超声波堆叠的超声波运动的检测器。

15.根据权利要求10所述的超声波系统，其中，所述频率检测器是电感测由所述电力供应器向所述超声波堆叠提供的电压或电流的频率的检测器。

Images