CN113677473B - 用于确定超声波焊接工艺状态的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种借助于超声波工具(303)实现的用于确定超声波焊接工艺的状态的设备(305)，包括被设置用于采集超声波工具(303)的电气控制信号的传感器装置(316)；和被设置用于获取控制信号的信号特征，以及基于参照信号曲线和所获取的信号特征确定超声波焊接工艺状态的评价装置(315)。本发明此外涉及一种带有超声波焊接装置的布置和一种方法。

Description

用于确定超声波焊接工艺状态的设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定超声波焊接工艺状态的设备、一种布置和一种方法。

背景技术

金属的超声波焊接工艺采用超声波工具(或者US振荡系统)用于焊接不同的金属对。此工艺快速节能且可靠。

图1是示出了一种超声波焊接装置100的示意性图示。

超声波焊接装置100包括振荡产生器103，也就是换能器；焊头105，即与焊接金属107和可能的一个或多个中间件接触的振荡部件；所谓的“变幅杆”，用于变换振幅或用于支承。此换能器通常由一系列的电接触的且通过附加构件预紧的压电式陶瓷激振器组成。

发生器101与换能器连接，且在超声波范围(20-100kHz)内通常产生正弦交变电压，所述正弦交变电压由压电式陶瓷激振器转换成相同频率的机械振荡。换能器、变幅杆和焊头105的设计被规划为，它们在半波合成之后被调谐到由发生器101产生的频率，且它们在本征模式的谐振内或附近振荡。在谐振状态下，整个超声波振荡系统能够在能量方面以最佳方式操作。

机电超声波振荡系统能够作为在谐振中的操作的机械等效图被示出，见图2a，且允许推导出用于表征超声波振荡系统的等效参数：质量为m_m的小车201通过弹簧c_m和阻尼器d_m与环境结合。谐波力F作用在右侧。这些分量代表了超声波振荡器在谐振中以位移x运动的机械分量。

在此，下标为m的参量是激发模式的模态参量。通过传输器a将机械域与压电式激振器的电气域耦合到一起。在这里，Cp是压电式激振器的电容，且Rp代表了压电式激振器的损耗电阻，然而所述损耗电阻通常小到可忽略不计，且能够简化为Rp＝0。在机械等效图中，电压U和电荷Q通过传输器a与机械力F和机械位移x成正比。

因此，从图中可见，被施加到压电式激振器上的交变电压U(t)导致位移为x(t)的机械振荡。

取代机械等效参数，超声波振荡器也能够通过以电气等效图形式的本征模式示出，见图2b。在此，模态质量m_m对应于电感，阻尼dm对应于电阻，传输器a对应于变压器，且刚度c_m对应于电容的倒数。这里，机械振荡i的速度被表示为与电流成正比的电气参量。

如果现在假设传输系数a是常数，则能够继续简化电气等效图，且通过参量R_m、C_m和L_m表示，见图2c。

在工业上能够将电气等效图同样用于表征振荡结构。

如下，将振荡系统应用于焊接工艺：焊头105的振荡运动通过焊头105的接触表面传递到待焊接的焊接对上，即焊接金属107上。它们可以例如是由合股线组成的线缆和接触部件。焊头105的振荡运动被传递到合股线上，使得它们相对于通过被压紧装置固定的接触部件运动。焊接对的快速运动首先确保了表面的清洁，从而去除氧化层。通过超声波振荡加速了工艺对之间的扩散过程，从而根据应用，在几秒中内出现焊接对的被冷焊的材料接合方式的连接。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是描述一种用于确定超声波焊接工艺状态的有利的概念。

在焊接工艺中具有清洁工艺、扩散工艺和连接工艺组成的不同的阶段，所述阶段可以例如通过阻抗、失真系数或某些高次谐波频率分量的比例进行评估。由此能够推导出可以用于工艺质量评估的指标。

根据第一方面，所述技术问题通过一种借助于超声波工具来实现的用于确定超声波焊接工艺状态的设备来解决，所述设备包括被设置用于采集超声波工具的电气控制信号的传感器装置；和被设置用于获取控制信号的信号特征，以及基于参照信号曲线和所获取的信号特征来确定超声波焊接工艺状态的评价装置。

此参照信号曲线能够被预存到存储器中。评价装置能够被设置用于从存储器中读取参照信号曲线。电气控制信号用于控制超声波工具，以实施超声波焊接工艺。发生器能够通过控制信号来控制超声波工具。

因此，本发明涉及一种用于超声波工艺的独立于系统的装置和工艺诊断系统，其能够独立于装置而操作，且从电气角度对于发生器“不可见”。这使得既可以表征振荡系统也可以评价焊接工艺，而无需干预焊接过程，且能够在不依赖于装置的类型的情况下实施。

一功能是观测焊接工艺且采集在焊接过程中施加到超声波振荡器上的电气端量电流和电压，而不会由此影响焊接。此系统在焊接过程中对于发生器不可见。

在测量电气控制信号时所测量的测量参量能够是与时间相关的变量。通常在不同的条件下实施的焊接在整个焊接工艺中在其平均值上或单个傅里叶变换上区别并不显著，而仅在其曲线的形式上具有区别，如果根据时间来绘制物理参量，有利的是，采集与时间相关的测量参量。

傅里叶分析的应用可以包括短期傅里叶分析的应用，从中能够确定振幅、频率或其它参量的时间相关性。短期傅里叶分析的各个窗口部分能够使用合适的窗口函数，尤其是在振幅的计算时使用平顶-窗口，在频率的计算或相位的计算时使用矩形窗口。同样能够应用补零和插值，尤其在带有小窗口参量的短期傅里叶分析的情况下计算频率时。

在一个实施方式中，所述设备包括被设置用于与超声波产生器的输出端连接的第一接口；被设置用于与超声波工具的信号输入端连接的第二接口，将第一接口和第二接口电连接的信号路径；其中传感器装置被设置用于以非侵入式方式测量在信号路径上的电气控制信号。

这可以示出一个智能中间开关系统。所述智能中间开关系统在发生器和换能器之间得以实施，且包括用于电流测量和电压测量的传感器。在测量的振动之一中不同谐波以何种强度分布出现，能够通过曲线特征参量失真系数、形状因子和峰值因子来描述。这些全部表征了交变参量的曲线形状。

超声波焊接装置通常使用频率作为其控制电路的调节参量。所述调节参量被设置用于使可调参量保持恒定或使其在工艺中有针对性地改变。典型的可调量是被引入到系统内的有功功率、焊头的偏转或磁芯导纳(由电气参量估计出)或电流和电压之间的相位差。此调节负责确保在由油脂例如护手霜导致的降低摩擦的污染的示例中，将发生器的工作频率设置用于低于洁净样品的值。为了了解确定的焊接设置和焊接条件对于调节参量频率的影响，可以查看导纳的频率响应和磁芯导纳的频率响应。通过焊接区域内的较小的摩擦，(由机械串联振荡电路决定的)谐振转移到较低的频率。在频率的起始值高于谐振时，则必须将此类被污染的焊接部件的频率调节到比未被安装好的焊接部件的频率更低的值，以便将偏转调节到相同的额定值。

在对装置进行调节时，在控制回路中不必考虑焊头的偏转。在偏转被调节到额定值时，可以通过电气参量来评估。如果除了电气参量之外还测量机械参量，则可以计算跨域量，例如磁芯导纳。磁芯导纳的数值由速度幅值/电压幅值决定。为了确定其相位，可能需要同步电气测量和机械测量。

在一个实施方式中，传感器装置包括用于测量电压信号的电压测头，和/或用于测量电流信号的电流转换器。

在一个实施方式中，所述设备包括开关元件，其被布置在信号路径中且被设置用于中断信号路径以便以电气方式断开第一接口和第二接口，和信号发生器，其被设置用于在开关元件中断信号路径时产生用于超声波工具的控制信号并用于控制超声波工具。

信号发生器可以是带有集成放大器的小信号频率发生器单元。开关元件可以是继电器。

所述设备的另一功能是，在焊接系统处于空闲状态时，能够在焊接之间产生超声波振荡器的小信号控制，在此期间同样测量电气端量电流和电气端量电压(阻抗测量)。从阻抗测量中能够确定等效参数且将其用于超声波振荡器-表征。用于阻抗测量的小信号控制能够作为修正过的带有操作频率的±2kHz之间的正弦波(也被称为“扫频”)实施。在小信号控制过程中，超声波振荡器通过继电器电路从发生器退耦，且与被集成到中间开关系统的放大器耦合。

装置状态的直接分析通过测量导纳的频率响应来实现。由此在不同的频率下以恒定的电压激励无负载的振荡系统，且以电流的形式测量系统响应(即通过低电压-扫描以振荡系统为负载的压电式激振器的与频率相关的导纳)。无负载的振荡系统的与频率相关的导纳源于电流响应和电压之间的关系。振荡系统的状态能够以这一频率响应来表征。由于振荡系统由并联和串联的振荡电路组成，在操作频率范围内会出现谐振和反谐振。频率、它们出现之处、它们的间距、它们的宽度和数值，它们之间在频率范围内的相位-所有这些参量给出了关于振荡系统状态的信息。有缺陷的压电式激振器例如在谐振和反谐振之间具有较小的频率间隔。安装不当的系统会出现例如在频率响应中可见的摩擦损耗。

在一个实施方式中，开关元件被设置用于在传感器检测装置获知，超声波发生器没有发送控制信号到超声波工具上时中断信号路径。因此，在控制的暂停状态下，可以以信号发生器作为超声波源实现其它的测量。

在一个实施方式中，信号发生器被设置用于通过小信号控制产生用于超声波工具的控制信号。必要参数的计算可通过小信号控制以简化的方式实现。

在一个实施方式中，传感器装置被设置用于在设备的信号发生器通过信号路径控制超声波工具时测量在信号路径上的电信号。这能够有助于获得参照曲线，因为信号发生器能够提供被预先定义的值。

在一个实施方式中，评价装置被设置用于，基于在设备的信号发生器通过信号路径控制超声波工具时所测量的电气信号确定等效参数。这能够借助于小信号控制引起模型的更新。

振荡系统可以通过机电等效电路图建模。通过将等效电路图的系统响应与所测量的频率响应对比，可以确定电路图的等效参数。由四个等效参数组成的模型能够非常出色地近似超声波焊接装置的频率响应。这些参数是：压电式激振器的电容、机械振荡器的电容、机械振荡器的电感和机械振荡器的电阻(这里机械参数惯性、刚度和阻尼被转换成模拟电气参数电容、电感和电阻，如描述发生器负载的阻抗中所包含的)。以这一方法能够检测振荡系统的变化，尤其是压电式激振器的缓慢变化。

对于带负载的振荡系统这一情况，即，在焊头以法向力挤压到焊接部件上且由此受到额外的阻尼时，也能够实施等效参数的计算。也可以在焊接工艺中测量频率响应，其中激励电压明显地低于在千伏范围内的焊接电压，且由此不会干扰焊接工艺，而只是叠加。如果频率响应测量的瞬时频率并不接近瞬时操作频率，则可以在电流测量时滤除频率响应测量的瞬时频率分量。在此，评价单元可以采用傅里叶分析。

在一个实施方式中，信号发生器被设置用于基于超声波发生器的操作信号产生控制信号，所述控制信号尤其是具有超声波发生器的操作频率的±2kHz之间的频率。

在一个实施方式中，所述设备包括放电开关元件，其被电气连接到信号路径且被设置用于以导通状态短接超声波工具，使得在超声波工具内的残留电荷能够排出。

根据第二方面，所述技术问题通过带有超声波焊接装置和根据第一方面的设备的布置来解决，其中所述设备被连接在超声波焊接装置的超声波发生器和超声波焊接装置的换能器之间。

根据第三方面，所述技术问题通过一种用于确定超声波焊接工艺状态的方法来解决，所述方法包括：

通过传感器装置测量超声波工具的电气控制信号；且

通过评价单元获取控制信号的信号特征；且

通过评价单元基于参照信号曲线和所获取的信号特征确定超声波工艺的状态。

在一个实施方式中，在焊接工艺中实施测量。这可以使得焊接工艺能够被监测。

在一个实施方式中，所述方法包括通过开关元件将超声波发生器与超声波工具断开。

在一个实施方式中，所述方法包括，在超声波发生器与超声波工具断开时，通过超声波发生器产生控制信号且控制超声波工具。

在一个实施方式中，所述方法包括基于确定的超声波焊接工艺的状态基于所产生的控制信号确定用于焊接装置的等效参数。

通过这种方式，能够产生用于确定所测量曲线的参照值且能够改进模型，信号发生器和评价单元根据所述模型工作。

以下参照附图和实施例更详细地描述本发明。附图示出了：

图1是示出了超声波焊接装置的示意性图示；

图2a是示出了超声波焊接装置的机械等效图；

图2b是示出了根据图2a的机械等效图的电气等效图；

图2c是示出了根据图2a的机械等效图的电气小信号等效图；

图3是示出了根据一个实施例的超声波焊接装置的示意性示图；且

图4是示出了根据一个实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图3示出了根据示意性实施例的超声波焊接装置300的示意性示图。超声波焊接装置300包括超声波发生器301和超声波工具303。在超声波发生器301和超声波工具303之间连接了设备305。设备305包括带有开关元件307的继电器电路，用于断开超声波发生器301和超声波工具303之间的正电路径。

直接分析需要设备305，其除了超声波发生器301以外，还具有提供用于频率响应(扫描)的电压的附加的电压源。为了能够与超声波发生器301分离地激励压电式激振器，此外还需要高压继电器作为电路。为了能够在生产中使用这种监测，此设备必须能够识别焊接之间的间隔，以便在适当的时间点实施测量，其中断开超声波发生器301和压电式激振器之间的连接，并且取而代之由设备的电压源激励压电式激振器。在另一个实施方式中，系统可以集成到发生器的控制和调节电路中。

通过继电器309可以接通能够为超声波工具303产生控制信号的信号发生器311。这一产生过程在此基于小信号等效模型。

通过继电器电路，能够将超声波发生器301与振荡系统耦合，或信号发生器311，此处是分析系统的放大器与振荡系统耦合。这是通过将电线即，信号路径的正极断开，且与各种不同的继电器开关连接来进行的。

在另一示意性的实施例中，通过闭合放电开关元件313，能够在振荡系统与超声波发生器301或信号发生器311连接的开关过程之间，将振荡系统短路几毫秒，以便能够排出现存的在超声波工具303内的残留电荷。一旦它们与振荡系统重新连接，这阻止了在超声波发生器301和小信号控制上的短期电流峰值。

继电器电路和所修正的正弦波以软件的方式控制或产生。通过对工艺的观测来实现用于继电器电路的相应的开关元件307、309、313切换的时间点。输出状态是对焊接的观测。为此闭合(视所需的功率而定也可以是多个并联的)开关元件，使得超声波发生器301与超声波工具303连接。

在焊接开始时，激活触发器，而且软件识别焊接的起点和终点，且存储所测量的用于后续评价的电压和电流曲线。在完成焊接之后，利用工艺间歇且软件将“发生器-超声波振荡器”通过“短路-超声波振荡器”切换到“小信号-超声波振荡器”。即，开关元件307断开信号路径，开关元件313产生短期的短路，以便排出残余电荷，且接着再次打开，然后开关元件309接通信号发生器311，以便其为超声波工具303提供控制信号。

现在，所修正的正弦波通过信号发生器311施加到超声波工具303上，其中根据工艺间歇，持续时间为几秒到小于1秒。在阻抗测量结束之后，软件以相反的顺序又将开关元件309、313、307切换到输出状态，且将超声波发生器301与超声波工具303连接。

在评价单元315，在此为微控制器中发生转换和评价。不论来自超声波发生器301还是信号发生器311的电气控制信号的测量，都通过传感器装置316实现，所述传感器装置包括电压测量仪317尤其是电压测头，和电流转换器319，所述电流转换器能够实现非侵入式测量。

图4示出了根据一个实施例的方法的流程图。

在第一步骤401中，采用透明式的观测模式。即，开关元件307被切换，使得超声波发生器301能够为超声波工具303提供电气控制信号。

在第二步骤402中，触发焊接，即，评价单元识别到焊接发生。这能够通过电压测量仪317的监测来实现。

在步骤403中，开始焊接。在此，非侵入式观测焊接工艺。对此，通过转换器319测量电流并且在电压测量仪317处测量电压。

在步骤404中，如步骤402所述，识别焊接工艺中的间歇。

在步骤405中，接着实施阻抗测量，然后切换回透明式的观测模式，以便不妨碍焊接。

与此并行，在步骤406中评价所测量的阻抗测量的结果，且由此获取信号特征。在此，评价单元315确定用于焊接质量、等效参数的指标的推导，且体现超声波振荡系统的表征。在另一实施例中，步骤406发生在步骤405之后。

在步骤407中，超声波焊接工艺的状态通过评价单元315基于参照信号曲线和所获取的信号特征确定。为此，将参照信号曲线预设为额定值，且比较所确定的信号特征是否在额定值的周围预定的范围内。

附图标记列表

100 超声波焊接装置

101 发生器

103 振荡产生器

105 焊头

107 焊接金属

201 小车

202 环境

300 超声波焊接装置

301 超声波发生器

303 超声波工具

305 设备

307 开关元件

309 继电器

311 信号发生器

313 放电开关元件

315 评价装置

316 传感器装置

317 电压测量仪

319 电流转换器

400 流程图

401-407 方法步骤

m_m 质量

c_m 弹簧

d_m 阻尼器

F 力

x 位移

a 变压器

Cp 电容

Rp 损耗电阻

U 电压

Q 电荷

i 机械振荡

Claims (10)

1.一种借助于超声波工具（303）实现的用于确定超声波焊接工艺的状态的设备（305），包括：

传感器装置（316）, 被设置用于采集所述超声波工具（303）的电气控制信号，其中，传感器装置（316）包括用于测量电压信号的电压测量仪（317）和/或用于测量电流信号的电流转换器（319）；

评价装置（315），该评价装置被设置用于获取控制信号的信号特征，以及读取存储器并基于预存在存储器中的参照信号曲线和所获取的信号特征，确定超声波焊接工艺的状态；

被设置用于与超声波发生器的输出端连接的第一接口；

被设置用于与超声波工具（303）的信号输入端连接的第二接口；

将第一接口和第二接口电气连接到一起的信号路径，其中，传感器装置（316）被设置用于以非侵入式方式测量在信号路径上的电气控制信号；

开关元件（307），所述开关元件被布置在所述信号路径中且被设置用于中断信号路径以便将第一接口与第二接口电气断开；和

信号发生器（311），所述信号发生器被设置用于在所述开关元件（307）中断所述信号路径时产生用于超声波工具（303）的控制信号并控制超声波工具（303）。

2.根据权利要求1所述的设备（305），其中，开关元件（307）被设置用于在传感器装置（316）获知超声波发生器（301）没有将控制信号发送到超声波工具（303）时中断信号路径。

3.根据权利要求1所述的设备（305），其中，信号发生器（311）被设置用于借助于小信号控制产生用于超声波工具（303）的控制信号。

4.根据权利要求2所述的设备（305），其中，所述传感器装置（316）被设置用于在所述设备（305）的信号发生器通过信号路径控制所述超声波工具（303）时测量在所述信号路径上的电气信号。

5.根据权利要求4所述的设备（305），其中，所述评价装置（315）被设置用于基于在所述设备（305）的信号发生器（311）通过信号路径控制所述超声波工具（303）时所测量的电气信号确定等效参数。

6.根据权利要求2所述的设备（305），其中，所述信号发生器（311）被设置用于基于所述超声波发生器（301）的操作信号产生控制信号，所述控制信号具有所述超声波发生器（301）的操作频率的± 2 kHz之间的频率。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的设备（305），所述设备包括放电开关元件（313），所述放电开关元件电气连接到所述信号路径且设置用于以导通状态短接超声波工具（303），使得在超声波工具（303）内的残余电荷能够被排出。

8.一种带有超声波焊接装置（300）和根据权利要求1至7中任一项所述的设备（305）的布置，其中，所述设备（305）被连接在超声波焊接装置（300）的超声波发生器（301）和超声波焊接装置（300）的超声波工具（303）之间。

9. 一种采用根据权利要求1所述的设备用于确定超声波焊接工艺状态的方法，包括：

通过传感器装置（316）测量（405）超声波工具（303）的电气控制信号；且

通过评价装置（315）获取（406）控制信号的信号特征，且

通过评价装置（315）读取存储器并基于预存在存储器中的参照信号曲线和所获取的信号特征确定（407）超声波焊接工艺的状态，

该方法包括通过开关元件（307）将所述超声波发生器（301）与所述超声波工具（303）断开，

该方法包括在所述超声波发生器（301）与所述超声波工具（303）断开时通过所述信号发生器（311）产生控制信号且控制所述超声波工具（303）。

10.根据权利要求9所述的方法，该方法包括基于超声波焊接工艺的状态基于所产生的控制信号确定用于焊接装置的等效参数。